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摘要：用专门为水平井砾石充填设计的3d模拟器研究了4个影响水平井砾石充填效能的主要因素。这些因素包括沉淀作用、砾石含量、注入率、传输液粘度。实验中模仿砾石充填过程，用模拟器进行砾石充填的效能研究工作。通过粘度从1到51cp变化，注入率每分钟变化1-4桶，砾石含量每分钟变化0.5-4磅，以此来研究传输液对砾石充填效能的影响。这3个影响砾石沉淀的因素，能影响砾石在水平位置充填过程中砾石聚集的效能。
关键词：砾石充填，注入率，砾石含量，粘度
前言
油层出砂是油田开发过程中经常遇到的问题，不仅给采油工艺带来许多麻烦，而且影响储层采油速度及油气采收率，严重时甚至造成井壁坍塌、套管损坏，乃至油井报废。目前，国内外在防砂工艺方面均有长足发展，使国内的防砂工艺花样翻新。从长远的观点看来，水平井是开发油藏的主要手段，其经济价值大大超出直井。出砂又是油井开采中难题，水平井的工艺相对复杂，这样研究水平井的防砂显得十分重要。值得注意的是，水平的防砂主要以砾石充填为主，然而目前阶段对于水平井砾石充填机理的研究还是停留在不成熟的阶段。有必要进行进一步的探讨。
1 砾石充填的因素研究中问题
国内外的专家为了能获得一个有效的砾石充填过程，已经发表了影响砾石传输和安置的诸多文献。建立了一个关于筛管参数、流体和砾石特性、完井配置、井眼斜度倾角的函数，并做了实验，测量了充填效率。研究发现，模型可以用来确定砾石充填过程的平衡块的高度；砾石浓度和粘度越低，流动率越高，在尾管和筛管中流体流动的阻力越大，充填效率越高。同时流体粘度越大，砾石含量越高，环内速度越大，砾石充填的效率就越高。然而他们的工作是基于垂直井的。
Nguyen et al.利用3d数值模拟器展示了直井和水平井的砾石充填分析。他们研究结论概括为：标准方程是不考虑物理学基本原理和条件的经验公式。后来，Winter-feld和Schroder发明了限定部件的数值模拟器，预测斜井内射孔和环内的砾石停滞。但是在研究中，该模型对水平井的适用性并没有被考虑。
2 砾石充填过程及方法原理
2.1砾石充填设计
砾石充填模型最主要的用途是能够决定砾石充填设计的主要目标。当然决定砾石充填设计的方法很多。该模型致力于确保结合不同的条件得到最有效的砾石充填方法。要满足这样的要求，这需要在以下几项中做出选择：
（1）以高流速和1-2ppg低砾石浓度为特征的高流速水充填；
（2）含有聚合物流体和8-15%高浓度砾石的泥浆充填；
（3）用交联聚合物凝胶以压裂速率打入，形成具有高砾石浓度的压裂充填。
砾石的选择包括砾石尺寸和质量。砾石尺寸要保证砾石具有一定的渗透性，并且能阻止地层砂穿过砾石填充段。通常取常见的侧壁中心的底层砂粒样品，或者人造砂进行筛滤分析。可用的方法包括：最大砂粒确定砾石尺寸的Coberly方法和基于砾石、地层沙粒的平均尺寸的Saucier方法[1]。
砾石充填筛管选择：这包括筛管长度，筛管外径，割缝尺寸和筛管类型。割缝尺寸的选择根据最小砾石颗粒的1/2-2/3的原则去选择。可用的筛管类型包括标准筛管，预包装筛管，金属丝网眼筛管。筛管外径必须保证足够的空隙以确保砾石的传输和沉积。运输流体的选择：运输流体必须有足够的粘度以确保在某一注入率下砾石的传输和沉积。
2.2研究方法及原理
该模拟器被命名为水平井砾石充填模拟器，借助该模拟器对3口水平井的砾石充填工作进行模拟。结果证明了该解决方法的正确性，同时在砾石充填过程中，HGPSIM有模拟砾石传输、沉积以及决定临界工作参数的能力。下面是三个模拟范例：
（1）在深海环境中裸眼完井的一段6-5/8英寸、1778英尺的水平井段。这口井是在近海开钻的：垂深6939英尺，水平延伸1778英尺。计算出预定的砾石充填过程模拟的有关数据。此项模拟范例，首先模拟了沉积效应（在模拟器中起关键作用）。第一次模拟得到的最后充填效率是有22.75%，在沉积效应影响下是71.52%。第二次模拟得到的最后充填效率是74.6%。
（2）在深海环境中裸眼完井的一段直径8.5英寸、2266英尺长的水平井段。这口井也是近海完鉆：垂深6939英尺，水平延伸2266英尺。此项模拟范例，首先模拟了沉积效应（在模拟器中起关键作用）。第一次模拟得到的最后充填效率是有13.79%，在沉积效应影响下是61.25%。第二次模拟得到的最后充填效率是61.43%。
（3）在深海环境中裸眼完井的一段直径8.5英寸、1073英尺长的水平井段。这口井也是近海完钻：垂深5030英尺，水平延伸1073英尺。此项模拟范例，首先模拟了沉积效应（在模拟器中起关键作用）。第一次模拟得到的最后充填效率是有44.98%%，在沉积效应影响下是99.38%。第二次模拟得到的最后充填效率是105%。
3 影响因素分析
3.1不稳定因素对沉积效应的影响
在用解决路径的雅可比矩阵去预算偏微分时，每个相互关联的变量都假定有小的不确定性。模型方程的数值解法，独立用于计算偏微分时，会产生不确定性的误差传递。为了研究影响程度，要进行不确定因素的敏感性研究以估算它在充填效率中的影响[2]。
3.2 砾石浓度和注入率对沉积效应的影响
当砾石浓度在0.5ppg到10ppg变化，注入率在1bpm变化到8bpm。砾石浓度和注入率越高，沉积效应越差。当浓度处于0.5到3.5ppg时，注入率越低，预测的沉积效应影响越小。伴随注入率增长，沉积因素几乎稳定下降。当砾石浓度较高，超过3.5ppg时，随着注入率的增长，沉积效应稳定下降，然后十分突然的下降，一直持续到第二次稳定下降。
3.3 砾石浓度和注入率对充填效率的影响
研究砾石浓度和注入率对充填效率的影响时，注入率1-8bpm范围内变化，砾石浓度在0.5-10ppg范围内变化。分为两方面进行模拟，考虑沉积效应和不考虑沉积效应。
（1）不考虑沉积效应。注入率高到4-8bpm时，模型预测的充填效率非常接近实际。当注入率低于4bpm时，有轻微的变化。实验结果证明：模拟结果与现场实践吻合度很好。
（2）考虑沉积效应。该模型预测的范例，充填效率在整个注入率和砾石浓度的范围内普遍比没有沉积效应影响的范例高些。这暗示着忽略沉积效应影响的水平井砾石充填模型预测的砾石充填效率偏低。注入率低到1-2bpm且砾石浓度较低时，预测的充填效率稍稍偏高。伴随注入率的升高，提高砾石浓度，充填效率稳定升高；降低砾石浓度，充填效率稳定降低。然而下降存在自然的震荡现象。最终的结论可以总结为：较高的充填效率可以通过高注入率以及高砾石浓度得到。
3.4 流体浓度对充填效率的影响
研究流体粘度对充填效率的影响时，变化粘度在1-51cp范围内，注入率在1-4bpm范围内，砾石浓度在0.5-4.0ppg范围内。模拟结果显示，不管沉积效应考虑与否，当其他因素大范围内变化时，粘度对充填效率的影响很小。低粘度的流体、低浓度的砾石浓度，充填效率相对较高，且在整个注入率范围内更加稳定。同时，这也肯定了水平井砾石充填的一般现场经验，即低浓度砾石大部分用水或盐水做运输液。
4 结论
（1）高注入率情况下，如果不考虑沉积效应的影响，对于整个范围的砾石浓度而言，预测的充填效率十分接近。
（2）注入率比较低时，预测的砾石充填效率与最低砾石浓度预测的最高值有一定差异。
（3）这些范例中，对于整个范围的输入参数而言，考虑沉积效应影响的预测充填效率比不考虑沉积效应相对高些。
（4）不管沉积效应考虑与否，运输液粘度对充填效率都有一定的影响。对于输入参数整个范围而言，充填效率都在80%以上。
（5）敏感性研究显示水平井砾石充填必须考虑沉积效应，因为忽略沉积效应的预测模型预测的充填效率值偏低。
（6）这项研究同时显示伴随这砾石浓度和注入率的上升，沉积效应的影响会下降。
关键词：砾石充填，注入率，砾石含量，粘度
前言
油层出砂是油田开发过程中经常遇到的问题，不仅给采油工艺带来许多麻烦，而且影响储层采油速度及油气采收率，严重时甚至造成井壁坍塌、套管损坏，乃至油井报废。目前，国内外在防砂工艺方面均有长足发展，使国内的防砂工艺花样翻新。从长远的观点看来，水平井是开发油藏的主要手段，其经济价值大大超出直井。出砂又是油井开采中难题，水平井的工艺相对复杂，这样研究水平井的防砂显得十分重要。值得注意的是，水平的防砂主要以砾石充填为主，然而目前阶段对于水平井砾石充填机理的研究还是停留在不成熟的阶段。有必要进行进一步的探讨。
1 砾石充填的因素研究中问题
国内外的专家为了能获得一个有效的砾石充填过程，已经发表了影响砾石传输和安置的诸多文献。建立了一个关于筛管参数、流体和砾石特性、完井配置、井眼斜度倾角的函数，并做了实验，测量了充填效率。研究发现，模型可以用来确定砾石充填过程的平衡块的高度；砾石浓度和粘度越低，流动率越高，在尾管和筛管中流体流动的阻力越大，充填效率越高。同时流体粘度越大，砾石含量越高，环内速度越大，砾石充填的效率就越高。然而他们的工作是基于垂直井的。
Nguyen et al.利用3d数值模拟器展示了直井和水平井的砾石充填分析。他们研究结论概括为：标准方程是不考虑物理学基本原理和条件的经验公式。后来，Winter-feld和Schroder发明了限定部件的数值模拟器，预测斜井内射孔和环内的砾石停滞。但是在研究中，该模型对水平井的适用性并没有被考虑。
2 砾石充填过程及方法原理
2.1砾石充填设计
砾石充填模型最主要的用途是能够决定砾石充填设计的主要目标。当然决定砾石充填设计的方法很多。该模型致力于确保结合不同的条件得到最有效的砾石充填方法。要满足这样的要求，这需要在以下几项中做出选择：
（1）以高流速和1-2ppg低砾石浓度为特征的高流速水充填；
（2）含有聚合物流体和8-15%高浓度砾石的泥浆充填；
（3）用交联聚合物凝胶以压裂速率打入，形成具有高砾石浓度的压裂充填。
砾石的选择包括砾石尺寸和质量。砾石尺寸要保证砾石具有一定的渗透性，并且能阻止地层砂穿过砾石填充段。通常取常见的侧壁中心的底层砂粒样品，或者人造砂进行筛滤分析。可用的方法包括：最大砂粒确定砾石尺寸的Coberly方法和基于砾石、地层沙粒的平均尺寸的Saucier方法[1]。
砾石充填筛管选择：这包括筛管长度，筛管外径，割缝尺寸和筛管类型。割缝尺寸的选择根据最小砾石颗粒的1/2-2/3的原则去选择。可用的筛管类型包括标准筛管，预包装筛管，金属丝网眼筛管。筛管外径必须保证足够的空隙以确保砾石的传输和沉积。运输流体的选择：运输流体必须有足够的粘度以确保在某一注入率下砾石的传输和沉积。
2.2研究方法及原理
该模拟器被命名为水平井砾石充填模拟器，借助该模拟器对3口水平井的砾石充填工作进行模拟。结果证明了该解决方法的正确性，同时在砾石充填过程中，HGPSIM有模拟砾石传输、沉积以及决定临界工作参数的能力。下面是三个模拟范例：
（1）在深海环境中裸眼完井的一段6-5/8英寸、1778英尺的水平井段。这口井是在近海开钻的：垂深6939英尺，水平延伸1778英尺。计算出预定的砾石充填过程模拟的有关数据。此项模拟范例，首先模拟了沉积效应（在模拟器中起关键作用）。第一次模拟得到的最后充填效率是有22.75%，在沉积效应影响下是71.52%。第二次模拟得到的最后充填效率是74.6%。
（2）在深海环境中裸眼完井的一段直径8.5英寸、2266英尺长的水平井段。这口井也是近海完鉆：垂深6939英尺，水平延伸2266英尺。此项模拟范例，首先模拟了沉积效应（在模拟器中起关键作用）。第一次模拟得到的最后充填效率是有13.79%，在沉积效应影响下是61.25%。第二次模拟得到的最后充填效率是61.43%。
（3）在深海环境中裸眼完井的一段直径8.5英寸、1073英尺长的水平井段。这口井也是近海完钻：垂深5030英尺，水平延伸1073英尺。此项模拟范例，首先模拟了沉积效应（在模拟器中起关键作用）。第一次模拟得到的最后充填效率是有44.98%%，在沉积效应影响下是99.38%。第二次模拟得到的最后充填效率是105%。
3 影响因素分析
3.1不稳定因素对沉积效应的影响
在用解决路径的雅可比矩阵去预算偏微分时，每个相互关联的变量都假定有小的不确定性。模型方程的数值解法，独立用于计算偏微分时，会产生不确定性的误差传递。为了研究影响程度，要进行不确定因素的敏感性研究以估算它在充填效率中的影响[2]。
3.2 砾石浓度和注入率对沉积效应的影响
当砾石浓度在0.5ppg到10ppg变化，注入率在1bpm变化到8bpm。砾石浓度和注入率越高，沉积效应越差。当浓度处于0.5到3.5ppg时，注入率越低，预测的沉积效应影响越小。伴随注入率增长，沉积因素几乎稳定下降。当砾石浓度较高，超过3.5ppg时，随着注入率的增长，沉积效应稳定下降，然后十分突然的下降，一直持续到第二次稳定下降。
3.3 砾石浓度和注入率对充填效率的影响
研究砾石浓度和注入率对充填效率的影响时，注入率1-8bpm范围内变化，砾石浓度在0.5-10ppg范围内变化。分为两方面进行模拟，考虑沉积效应和不考虑沉积效应。
（1）不考虑沉积效应。注入率高到4-8bpm时，模型预测的充填效率非常接近实际。当注入率低于4bpm时，有轻微的变化。实验结果证明：模拟结果与现场实践吻合度很好。
（2）考虑沉积效应。该模型预测的范例，充填效率在整个注入率和砾石浓度的范围内普遍比没有沉积效应影响的范例高些。这暗示着忽略沉积效应影响的水平井砾石充填模型预测的砾石充填效率偏低。注入率低到1-2bpm且砾石浓度较低时，预测的充填效率稍稍偏高。伴随注入率的升高，提高砾石浓度，充填效率稳定升高；降低砾石浓度，充填效率稳定降低。然而下降存在自然的震荡现象。最终的结论可以总结为：较高的充填效率可以通过高注入率以及高砾石浓度得到。
3.4 流体浓度对充填效率的影响
研究流体粘度对充填效率的影响时，变化粘度在1-51cp范围内，注入率在1-4bpm范围内，砾石浓度在0.5-4.0ppg范围内。模拟结果显示，不管沉积效应考虑与否，当其他因素大范围内变化时，粘度对充填效率的影响很小。低粘度的流体、低浓度的砾石浓度，充填效率相对较高，且在整个注入率范围内更加稳定。同时，这也肯定了水平井砾石充填的一般现场经验，即低浓度砾石大部分用水或盐水做运输液。
4 结论
（1）高注入率情况下，如果不考虑沉积效应的影响，对于整个范围的砾石浓度而言，预测的充填效率十分接近。
（2）注入率比较低时，预测的砾石充填效率与最低砾石浓度预测的最高值有一定差异。
（3）这些范例中，对于整个范围的输入参数而言，考虑沉积效应影响的预测充填效率比不考虑沉积效应相对高些。
（4）不管沉积效应考虑与否，运输液粘度对充填效率都有一定的影响。对于输入参数整个范围而言，充填效率都在80%以上。
（5）敏感性研究显示水平井砾石充填必须考虑沉积效应，因为忽略沉积效应的预测模型预测的充填效率值偏低。
（6）这项研究同时显示伴随这砾石浓度和注入率的上升，沉积效应的影响会下降。