砾石充填防砂井砾石尺寸设计实例

1 砾石充填防砂井砾石尺寸设计实例

砾石充填类防砂是目前主流的防砂工艺，砾石尺寸设计是砾石充填类防砂设计的关键步骤之一，砾石尺寸的大小会影响防砂效果和油气井生产动态。较大的砾石尺寸有利于获得较高的产能，但会导致地层砂侵入砾石层；相反，较小的砾石尺寸挡砂效果好，但对油井产能的影响较大。油气井防砂领域使用的标准砾石尺寸如表1所示。

目前国内外的主要砾石尺寸设计方法为三类：

(1) 第一类：设计依据简单，仅依据地层砂某一特征尺寸的设计方法，包括Karpoff、Smith、Tausch&Corley、Saucier等四种设计模型；

(2) 第二类：信息依据丰富，基于地层砂筛析曲线的设计方法，主要包括DePriester和Schwartz两种设计模型；

(3) 第三类：基于砾石层孔喉结构模拟的砾石尺寸设计方法。

上述砾石尺寸设计方法均已在中国石油大学(华东)研制开发的Sand control Office软件中实现。

我国西部某出砂气田S-14井地层砂为粉细砂，图3中的曲线D为其筛析曲线，经粒度分析，d10= 0.151 mm，d40= 0.082mm，d50=0.065mm，d70=0.032 mm，d90=0.008mm，分选系数2.043，均匀系数10.036，标准偏差系数0.231。

表1 油气井防砂领域使用的标准砾石尺寸

第一类设计方法的设计结果如表2所示。

使用DePriester方法进行砾石尺寸设计结果如图2所示。设计中的取值为：A=5.5，Cmin=1.5，Cmax=3.0，计算得到系数B的取值范围为[25.4，35.9]。图中曲线A、B分别为B取最小值和最大值时的砾石尺寸分布曲线；曲线C为B取平均值时得到砾石尺寸范围曲线，对应的设计结果为砾石尺寸范围0.227～0.560mm，匹配的砾石标准为0.25～0.42mm。

使用Schwartz方法设计该井的砾石尺寸，设计中的取值为：Cmin=1.2，Cmax=1.5；选择设计点为d70，设计结果如图3所示。曲线A、B分别为Cg= Cmin和为Cg= Cmin和时得到砾石尺寸分布曲线；曲线C为Cg取平均值1.35时得到砾石尺寸范围曲线，对应的设计结果为砾石尺寸范围0.160～0.300mm，匹配表1中的标准砾石尺寸为0.21～0.25mm。

使用孔喉结构模拟法对该井砾石尺寸进行设计，初步选择0.25～0.30mm、0.25～0.42mm、0.42～0.58mm、0.42～0.84mm四种砾石作为选择范围。分别模拟四种砾石的孔喉结构并得到孔喉直径分布曲线，地层砂的重量分布曲线绘制在一起，如图4所示。根据砾石的选取原则，0.25～0.30mm、0.25～0.42mm两种砾石的孔喉分布曲线与地层砂曲线非常接近并且在其右侧，选择其中较粗的0.25～0.42mm

砾石作为最终设计结果。

将全部七种方法的设计结果汇总如表2所示。该井实际施工选择40～60目的砾石进行高压一次充填防砂施工作业，防砂效果良好，达到了阻止地层出砂和稳定气井产量的目的。

表2 全部方法的设计结果汇总

2 端部脱砂压裂防砂设计实例

端部脱砂压裂防砂技术是近年来逐步发展起来一种防砂工艺技术，大大拓展了水力压裂技术的应用范围，成为中高渗透油气层和不稳定松软地层的有效增产和防砂措施。

压裂充填防砂是在疏松砂岩高渗透油气层中通过水力压裂产生短而宽的裂缝，然后用砾石充填，形成高导流能力的人工裂缝。其工艺技术核心是端部脱砂，即当水力裂缝长度和高度达到预期值时，大排量泵入低砂比砂浆，以保证砾石进入裂缝后不产生沉降，从而能够到达裂缝周边前缘后沉积。砾石在裂缝周边的沉积可以终止裂缝长度的增加，并增大了裂缝内压力，从而使得裂缝只能在宽度方向增加，最终形成短而宽的裂缝。从增产的角度讲，对于高渗透地层，增加裂缝导流能力不增加缝长更有利于提高增产效果。裂缝中充填砾石形成一条高导流能力的渗滤带，有效地将地层压力传至井底，从而降低了生产压差，减小了原油的渗流阻力，达到增产和防砂效果(图5)。

中国石油大学（华东）研制的Sand control Office软件中有疏松砂岩地层端部脱砂压裂设计模块，如图6所示。

某气田属于疏松砂岩气藏，高粘土、高泥质、欠压实。气层极易出砂，并且出砂为粉细砂，经过多年的防砂先导性试验，目前基本确定了以高压一次充填、压裂充填为主的防砂工艺技术体系。压裂充填防砂目前主要采用纤维复合无筛管压裂充填防砂工艺。

对于无筛管纤维复合压裂防砂，纤维的选择是一项十分重要的工作。在纤维材质选择时要考虑到其在储层条件下的稳定性和强度，并且从密度因素来考虑纤维的材质，再加上成本方面考虑，选用了特殊的G纤维，实验确定的纤维复合体主要由30～50目(0.3-0.6mm)树脂涂层砂+1%～2%SC-20防砂纤维构成。在闭合压力20.68MPa条件下，复合体渗透率稍低于石英砂，可见围压对复合体的渗透率影响不大。

使用Sand control Office软件，以该气田某压裂防砂井为例，进行纤维压裂复合防砂施工参数优化模拟计算，施工参数计算结果结果见表3。根据设计模型中的泵注程序设计，加砂浓度轮廓为阶梯型变化规律，如表4所示。该井实施端部脱砂压裂防砂施工后，井口不出砂，产量增幅25%，防砂增产效果良好。

表3 某井纤维压裂复合防砂施工参数计算结果

表4 某井纤维压裂复合防砂施工泵注程序