CN108756830A - 一种水平井砾石充填模拟计算方法 - Google Patents

一种水平井砾石充填模拟计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水平井砾石充填模拟计算方法，包括以下步骤：根据充填工具尺寸参数及地层参数计算维持不同沙丘比下平衡堤的环空流速及排量；根据环空流速及排量确定充填作业水平段环空段的摩阻及压力降；利用质量守恒定律建立筛管与地层环空系统、筛管与冲管环空系统的平衡方程，依据两系统压力梯度相等原则，回归冲管与筛管环空流速及排量；计算砾石充填作业中流入段各个管汇节点、及充填返出段各环空节点的压力降；根据环空流速及排量、摩阻及压力降、各环空节点的压力降计算充填作业中α波在筛管底部产生的压力、β波作业时产生的压力与地层破裂压力；将不同沙丘比的排量、不同排量下α波产生的压力、不同β波产生的压力、以及地层破裂压力制图汇总，优化现场作业参数的选择。

Description

一种水平井砾石充填模拟计算方法
技术领域
本发明涉及石油开采井防砂领域，尤其涉及一种水平井砾石充填作业施工参数及施工时间计算方法，属于石油与天然气工程领域。
背景技术
水平井砾石充填作业是针对疏松性油藏裸眼完井防砂的有效手段，目前，对于水平井砾石充填作业的设计，前期模拟计算一般采用三种方法进行参数确定。一是通过前人室内模拟固液两相流模拟实验总结的模型进行套用计算；二是通过防砂工程师多年的工作经验进行现场泵排量、砂比等参数的确定；三是通过流体仿真模拟软件进行模拟。其中，室内模拟实验往往只能模拟一定距离长度水平管内两相流的流动状态，由于实验场地的限制很难模拟从地面管汇到水平井底全井段在砾石充填作业中的流动规律。
发明内容
本发明提供了一种水平井砾石充填模拟计算方法，该方法用于解决目前水平井裸眼砾石充填作业过程中不同沙丘比下充填排量的确定，以及整个充填流程中循环摩阻的计算，通过砂砾在管道中的循环影响参数最终模拟计算砾石充填作业中α波以及β波情况下的压力与砾石尺寸、筛管居中度、携砂液粘度等相关参数的影响，并与地层破裂压力进行对比，优选出最适合充填作业的泵排量、管柱尺寸、携砂液粘度等参数，详见下文描述：
一种水平井砾石充填模拟计算方法，所述方法包括以下步骤：
根据充填工具尺寸参数及地层参数计算维持不同沙丘比下平衡堤的环空流速及排量；
根据环空流速及排量确定充填作业中水平环空段的摩阻及压力降，利用质量守恒定律建立筛管与地层环空系统、筛管与冲管环空系统的平衡方程，依据两系统压力梯度相等原则，回归冲管与筛管环空流速及排量；
计算砾石充填作业中流入段各个管汇节点、及充填返出段各环空节点的压力降；
根据环空流速及排量、摩阻及压力降、各环空节点的压力降计算充填作业中α波在筛管底部产生的压力、β波作业时产生的压力与地层破裂压力；
将不同沙丘比的排量、不同排量下α波产生的压力、不同β波产生的压力、以及地层破裂压力制图汇总，优化现场作业参数的选择。
所述方法根据平衡堤在筛管、地层环空的不同高度进行分类计算：
(1)当沙丘高度H大于井眼半径R时，
(2)当沙丘高度H小于筛管半径r时，
(3)当沙丘高度H大于筛管半径r、小于井眼半径R时，
所述计算维持不同沙丘比下平衡堤的环空流速具体为：
(1)充填砾石尺寸大于1mm临界流速为：
式中，DG为砾石直径；ρG为砾石颗粒密度；ρF为携砂液密度；为体积系数；De为等效直径；μF为携砂液粘度；
(2)充填砾石尺寸小于1mm临界流速为：
所述回归冲管与筛管环空流速及排量具体为：
通过设定不同流速，建立冲管与筛管环空中流速与压降关系，利用二次函数对流速与压降关系进行拟合并求取相关系数；利用筛管与地层环空压降作为已知条件求解冲管与筛管环空流速。
所述计算充填作业中α波在筛管底部产生的压力、β波作业时产生的压力与地层破裂压力具体为：
依据砾石充填流入管线及返出管线进行节点分析计算并汇总，其中，α波在筛管底部产生的压力为：
其中，充填β波产生压力为：
其中，地层破裂压力为：
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明通过获取到水平井裸眼砾石充填作业中不同沙丘比条件下、不同排量下α波产生的压力、不同β波产生的压力、以及地层破裂压力四个参数的关系，优选出合理的泵排量大小；
2、本发明通过调整基础数据中的管柱尺寸、砾石参数、携砂液密度及粘度等对充填作业进行详细优选，满足现场安全作业及高质量作业要求。
附图说明
图1为一种水平井砾石充填模拟计算方法的流程图；
图2为平衡堤砂高大于井眼半径示意图；
图3为平衡堤砂高小于井眼半径大于筛管半径示意图；
图4为平衡堤砂高小于筛管半径示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
水平井裸眼砾石充填一般分为α波充填和β波充填两个充填过程，其中关键点是在维持一定水平段砂高的条件下环空流速的大小以及排量的确定，其中，作业工具影响参数包括：套管尺寸、筛管尺寸、冲管尺寸、钻杆内外径、砾石尺寸、密度、混砂比以及携砂液粘度，地层影响参数包括：渗透率、水平段长度、地层破裂压力、滤失量等参数，由于砾石充填作业中影响参数众多，每个参数的改变以及不确定性都可能会造成充填砂卡的风险，所以在充填作业前整体考虑各参数对充填的影响，模拟计算充填过程中的排量及速度能够很大程度提高砾石充填的成功率。
实施例1
本发明实施例提供了一种水平井砾石充填模拟计算方法，参见图1，该方法包括以下步骤：
101：根据充填工具尺寸参数及地层参数计算维持不同沙丘比下平衡堤的环空流速及排量；
102：根据环空流速及排量确定充填作业环空段的摩阻及压力降，并利用最小二乘法回归冲管、筛管环空流速及排量；
103：计算砾石充填作业中流入段各个管汇节点、及充填返出段各环空节点的压力降；
104：根据环空流速及排量、摩阻及压力降、各环空节点的压力降计算充填作业中α波在筛管底部产生的压力、β波作业时产生的压力与地层破裂压力；
105：将步骤101中的不同沙丘比的排量、不同排量下α波产生的压力、不同β波产生的压力、以及地层破裂压力制图汇总，优化现场作业参数的选择。
综上所述，本发明实施例通过上述步骤将四组数据制图后，可以从中优选出不压裂地层条件下的作业排量及沙丘比。
实施例2
下面结合具体的计算公式、实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
步骤一：收集砾石充填作业的基本参数；
其中，该步骤包括：地层参数(地层空隙压力梯度、地层破裂压力梯度、裸眼段漏失率)；井眼参数(充填裸眼段的长度、最大井斜角、井眼尺寸)；充填工具参数(地面管汇内外径及长度、送入钻杆的内外径以及长度、充填工具总成的内外径及长度、筛管的内外径及长度、冲管的内外径及长度、管柱粗糙度)；充填介质参数(携砂液粘度、携砂液密度、砾石密度、砾石直径、混砂比等)；筛管的居中程度。
步骤二：建立不同沙丘比条件下与泵排量的关系表，具体步骤如下：
1、按现场需求设定不同沙丘比数值(0.4、0.5、0.6、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9)；
2、利用几何关系建立平衡堤上部环空面积为：
(1)当沙丘高度大于井眼半径(H>R)时，
式中，S上为地层与筛管环空剩余流动面积，in2；R为裸眼段井眼半径，in；r为筛管半径，in；H为平衡堤砂体高度，in，上述in均为英寸。
(2)当沙丘高度小于筛管半径(H<r)时，
(3)当沙丘高度大于筛管半径、小于井眼半径(r<H<R)时，
3、计算维持不同沙丘比下固定平衡堤条件的环空流速：
(1)充填砾石尺寸大于1mm临界流速为：
式中，DG为砾石直径，in；ρG为砾石颗粒密度，ppg；ρF为携砂液密度，ppg；为体积系数，无量纲；De为等效直径；μF为携砂液粘度cps。
(2)充填砾石尺寸小于1mm临界流速为：
4、将不同沙丘比平衡堤临界流速转换为排量
步骤三：计算水平段压力降
1、计算上部环空液体流动牛顿雷诺数，式中，D水为剩余环空等效水力直径；
2、根据计算的雷诺数，求取范宁摩擦系数f，
3、计算水平段携砂液以及混合液压降梯度，
4、建立冲管、筛管环空压降与流速关系模型
求取压降、流速多元二次方程系数av2+bv+c＝Δp，利用最小二乘法对函数进行拟合回归，求取a、b、c三个参数，并利用一元二次函数求根公式(如下)计算冲、筛环空的流速。
5、将冲、筛环空流速转换为排量
步骤四：计算水平段不同沙丘比条件下的所需排量
将步骤二中平衡堤临界排量与步骤三中冲、筛环空排量求和，此值为单位长度下充填段所需的泵排量Q。
实际作业中由于裸眼段会产生一定滤失，通过求得的泵排量与返出率相比，计算出实际裸眼段所需排量Q入以及地面返出流量Q返。
步骤五：计算砾石泵入段流经管线的压降
1、地面泵入管汇压降计算
(1)依据步骤四计算的排量Q入，计算地面管汇流速v1＝5.615×Q入/(60×S1/144)；
(2)依据流速计算地面管汇雷诺数，
(3)计算地面管汇摩擦系数,
(4)计算地面管汇流动压降梯度，
2、井筒泵入管汇压降计算
依据步骤五中计算方法依次计算井筒中不同尺寸的钻杆压降梯度。
步骤六：计算砾石返出段流经管线的压降
1、冲管返出压降计算
(1)依据步骤四计算的返出排量Q入，计算冲管返出流速v1＝5.615×Q返/(60×S1/144)；
(2)依据流速计算冲管汇雷诺数，
(3)计算冲管摩擦系数,
(4)计算冲管流动压降梯度，
2、环空返出压降计算
依据步骤六计算方法依次计算充填作业中环空返出流到的压降梯度。
步骤七：计算充填作业α波至筛管底部压力
1、计算返出管线至冲管底部压力，等于冲管底部携砂液产生的水头与步骤六计算的流道压降之和，
2、计算泵入作业中α波充填时的井底压力，等于步骤五计算流经压降、冲管底部压力之和与混砂液产生的水头之差，
步骤八：计算充填作业β波至筛管顶部压力
1、依据步骤四计算的地面返出流量Q返，计算冲管、筛管之间在一定流量条件下的环空流动速度，vs/w＝5.615×Q返/(60×(Ss-Sw)/144)；
2、依据计算的环空流速，计算冲、筛环空流动雷诺数，
3、计算冲、筛环空摩擦系数，
4、计算冲、筛环空压力降，
5、计算充填作业β波压力
步骤九：计算砾石充填地层破裂压力
依据砾石充填流程，将实际地层破裂压力转化为地面破裂压裂，具体为地层实际破裂压力与混砂液在井筒中产生的水头之差，再加上充填时由于摩阻产生的压降，具体为：
通过上述九个步骤的计算分别得到水平井裸眼砾石充填作业中不同沙丘比条件下、不同排量下α波产生的压力、不同β波产生的压力、以及地层破裂压力四个参数的关系，可以从中优选出不压裂地层条件下的作业排量及沙丘比；并通过调整基础数据中的管柱尺寸、砾石参数、携砂液密度及粘度等对充填作业进行详细优选，满足现场安全作业及高质量作业要求。
实施例3
下面结合具体的实例对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：
1、基础数据整理
(1)钻具参数
工具 深度 长度/ft 外径/in 内径in
地面泵入管汇 200 3 2
钻杆1 3900 3900 5.5 4.788
钻杆2 6800 3000 5.5 4.788
盲管 7000 200 5.5 4.892
筛管 8400 1400 6.4 4.892
冲管 1550 4 3.34
(2)地层及井眼数据
2、依据步骤二相关方法，计算不同砂丘比条件下泵排量
砂丘比 0.5 0.6 0.7 0.75 0.785 0.83 0.86 0.88
砂高/in 4.59 5.51 6.43 6.89 7.21 7.62 7.89 8.08
平衡堤面积/in2 8.408 12.025 17.338 21.098 23.589 26.577 28.405 29.539
剩余面积/in2 25.629 22.013 16.700 12.940 10.449 7.461 5.632 4.499
等效直径/in 3.700 3.463 3.117 2.855 2.575 2.176 1.890 1.689
流动速度/ft/sec 4.85 4.70 4.47 4.29 4.09 3.78 3.54 3.36
排量/BPM 3.870 3.286 2.535 2.042 1.582 1.044 0.738 0.559
3、依据步骤三相关方法，计算不同砂丘比下水平段压力降梯度
4、依据步骤四相关方法，计算不同砂丘比下所需排量及返出排量
砂丘比 0.5 0.6 0.7 0.75 0.785 0.83 0.86 0.88
泵入排量BPM 14.483 12.233 9.162 7.191 5.984 4.686 4.018 3.688
返出排量BPM 13.759 11.621 8.704 6.831 5.685 4.452 3.817 3.504
5、依据步骤五相关方法，计算砾石泵入阶段各流道的压力降
6、依据步骤六相关方法，计算砾石返出段各流道的压力降
7、依据步骤7-9相关方法，计算α波、β波以及地层破裂压力并进行对比分析优选
通过对砾石充填作业各个管路的模拟计算，能够计算出α波、β波、地层破裂压力三组数据与不同沙丘比的关系，将所得数据绘图能够优选出最佳泵排量，本例作业井通过优选沙丘比在0.75条件下所需泵排量为7BPM，α波压力521psi，β波压力1210psi，均小于底层破裂压裂1279psi，所以本井在进行砾石充填作业时可采用7BPM排量进行作业；并且通过正交实验计算方法，可分别模拟充填工具的尺寸、携砂液参数、砾石尺寸等相关参数，对砾石充填作业进行优化设计模拟。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水平井砾石充填模拟计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
根据充填工具尺寸参数及地层参数计算维持不同沙丘比下平衡堤的环空流速及排量；
根据环空流速及排量确定充填作业中水平环空段的摩阻及压力降，利用质量守恒定律建立筛管与地层环空系统、筛管与冲管环空系统的平衡方程，依据两系统压力梯度相等原则，回归冲管与筛管环空流速及排量；
计算砾石充填作业中流入段各个管汇节点、及充填返出段各环空节点的压力降；
根据环空流速及排量、摩阻及压力降、各环空节点的压力降计算充填作业中α波在筛管底部产生的压力、β波作业时产生的压力与地层破裂压力；
将不同沙丘比的排量、不同排量下α波产生的压力、不同β波产生的压力、以及地层破裂压力制图汇总，优化现场作业参数的选择。
2.根据权利要求1所述的一种水平井砾石充填模拟计算方法，其特征在于，所述方法根据平衡堤在筛管、地层环空的不同高度进行分类计算：
(1)当沙丘高度H大于井眼半径R时，
(2)当沙丘高度H小于筛管半径r时，
(3)当沙丘高度H大于筛管半径r、小于井眼半径R时，
3.根据权利要求1所述的一种水平井砾石充填模拟计算方法，其特征在于，所述计算维持不同沙丘比下平衡堤的环空流速具体为：
(1)充填砾石尺寸大于1mm临界流速为：
式中，DG为砾石直径；ρG为砾石颗粒密度；ρF为携砂液密度；为体积系数；De为等效直径；μF为携砂液粘度；
(2)充填砾石尺寸小于1mm临界流速为：
4.根据权利要求1所述的一种水平井砾石充填模拟计算方法，其特征在于，所述回归冲管与筛管环空流速及排量具体为：
通过设定不同流速，建立冲管与筛管环空中流速与压降关系，利用二次函数对流速与压降关系进行拟合并求取相关系数；利用筛管与地层环空压降作为已知条件求解冲管与筛管的环空流速。
5.根据权利要求1所述的一种水平井砾石充填模拟计算方法，其特征在于，所述计算充填作业中α波在筛管底部产生的压力、β波作业时产生的压力与地层破裂压力具体为：
依据砾石充填流入管线及返出管线进行节点分析计算并汇总，其中，α波在筛管底部产生的压力为：
其中，充填β波产生压力为：
其中，地层破裂压力为：
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