利用氮气泡沫提高水平井砾石填充效率：针对弱砂岩储层的数值模拟研究

《Geoenergy Science and Engineering》：Enhancing gravel packing efficiency in horizontal wells with nitrogen foam: A numerical simulation study for weakly sandstone reservoirs

氮气泡沫固砂技术在水平井中的应用研究通过实验和数值模拟优化了充填参数，采用三区层流模型模拟充填过程，确定了SDBS浓度1.5%、泡沫质量67%、泵送流速65立方米/小时等关键参数，现场试验在P15井达到97.53%充填效率。

　　在油气井工程中，砾石充填技术是一项重要的防砂手段，尤其在水平井的应用中更为关键。由于水平井的井眼偏角和地层不稳定特性，传统的砾石充填方法常面临诸如早期砂床堵塞、操作压力过大以及地层破裂等挑战。为解决这些问题，本研究聚焦于氮气泡沫的流变特性，通过实验数据构建了其粘度预测模型，并结合经典流体力学与颗粒流理论，开发出一种更为精确的三层流体流动模型，用于模拟氮气泡沫砾石充填过程。研究还通过数值模拟分析了影响充填效率的关键参数，包括砾石粒径、泡沫质量、起泡剂浓度、泵送流量以及砂浓度。实验结果表明，在起泡剂SDBS（十二烷基苯磺酸钠）浓度为1.5%时，氮气泡沫展现出最佳的起泡性能和强砂承载能力。通过以某油田的水平井P15为案例进行模拟，研究发现优化后的参数组合，如泵送速率为65立方米/小时、砾石密度为1600千克/立方米、泡沫质量为67%、砂浓度为7.5%，显著提升了充填效率。现场验证表明，在高流体损失的孤东油田中，这些优化条件下的充填效率达到了约97.53%。该研究为氮气泡沫在水平井砾石充填中的应用提供了坚实的理论基础，同时为现场操作提供了有价值的参考数据。

砾石充填技术自上世纪70年代起就被广泛应用于水平井中，其主要目的是维持井筒稳定性、防止砂粒进入井筒，以及确保油气井的高效生产。然而，由于水平井的井眼偏角较大，且地层渗透性不均，使得传统充填方法在实际操作中存在诸多困难。早期研究发现，当井眼偏角超过45度时，充填过程容易出现早期堵塞现象，从而影响施工效果。为改进充填模型，研究者开发了大型模拟装置，考虑了偏角和流体损失等因素对充填效率的影响。随后，一种分阶段充填方法被提出，利用不同粘度的流体来提高偏角井中的砾石分布效果，特别是在非牛顿流体的应用上取得了进展。进一步的研究引入了循环充填模拟器，用于分析偏角、筛管偏心度和流速等因素对充填效率的具体影响。尽管这些模型在一定程度上提高了充填过程的预测能力，但早期的模型未能充分考虑筛管缝隙阻力，导致其在预测早期堵塞方面的准确性不足。随着研究的深入，平衡沙丘理论通过引入维度分析，生成了半经验的充填效率公式，为后续研究奠定了基础。

在充填效率的研究中，关键参数如临界流速对α波高度的确定起到了重要作用。此外，摩擦模型的研究揭示了在β波阶段，井筒环空阻力的增加会导致充填压力升高，进而提高地层破裂的风险。因此，如何在保证充填效果的同时，降低施工压力，成为研究的重要方向。早期的砾石运输模型基于两相流理论，将井筒分为移动砂床和悬浮颗粒两层。然而，该模型未能准确预测静态砂床的形成，因此研究者提出了改进的三层模型，加入了静态砂床的成分，从而提升了模型的准确性。随后，研究者对两层模型进行了优化，通过将下层视为具有52%固含量的砾石床，上层视为流体-颗粒悬浮体系，提高了对α波高度的估算能力。近年来，针对不同井眼条件和地层特性，研究者对充填模型进行了进一步优化，使充填过程更加符合实际操作需求。

随着计算机技术和数值模拟方法的发展，研究人员开始利用更复杂的模型来分析充填过程。最初的准三维模型通过微元法描述质量与动量守恒，但由于缺乏对充填细节的深入理解，模型的实用性受到一定限制。随后，有限体积法被引入，使得轴向和径向流动的模拟更加精确，从而提高了充填行为预测的可靠性。近年来，一种完整的三维数值模型被提出，该模型综合考虑了流体性质、砾石特性以及流动条件，为充填过程的模拟提供了更全面的视角。此外，脉冲充填技术的研究也取得了进展，通过液压脉冲提高砾石迁移能力，从而改善充填效率并减少多余的砂床形成。这些技术的发展为水平井砾石充填提供了更多选择，同时也推动了充填过程的精细化研究。

在实际应用中，水平井砾石充填面临诸多挑战，尤其是在低破裂压力和长井筒长度的松散砂岩地层中。传统的高密度砾石在充填过程中难以平衡足够的流速与地层稳定性，容易导致地层破坏或充填失败。为此，超轻质砾石充填技术应运而生，通过多种方法降低砾石密度，从而在减少施工压力的同时提高充填效果。然而，低密度材料虽然能有效减少早期堵塞，但其压实效果依赖于流体流动，因此在高度偏斜的井眼中可能表现不佳。相比之下，高密度材料虽能提供更好的稳定性，但容易在充填过程中引发α波堵塞，影响整体效果。因此，研究者在充填过程中需要综合考虑砾石密度、流体粘度以及井筒几何形状等因素，以实现最佳的充填效率。

针对上述问题，本研究引入了氮气泡沫作为新型充填流体，其低密度和良好的密封性能有助于控制流体损失并提高施工效率。特别是在低压力地层中，氮气泡沫的使用能够有效减少流体侵入，保护地层结构，同时增强砂粒的悬浮能力。在煤层气开采领域，氮气泡沫已被成功应用于清除砂粒沉积，恢复井的生产能力。此外，通过添加稳定剂和表面活性剂，研究者优化了泡沫的稳定性，延长了其使用寿命，使其在不同地层条件下具有更强的适应性。泡沫的非牛顿流变特性使其在复杂井眼条件下表现出更高的操作灵活性，有助于应对多变的地层环境。

近年来，泡沫流体技术在压裂、提高采收率（EOR）以及井筒清洁等领域得到了广泛应用。氮气泡沫因其低密度和良好的流变性能，被证明是控制施工压力、减少流动阻力、保护地层完整性以及降低流体损失的有效手段。其强大的颗粒运输能力使其成为一种理想的携砂流体，尤其适用于水平井和偏斜井的充填作业。尽管氮气泡沫在垂直井中的应用已有一定基础，但针对水平井的研究仍较为有限。因此，本研究旨在填补这一空白，通过系统实验和数值模拟，深入探讨氮气泡沫在水平井砾石充填中的应用潜力。

为了更准确地模拟氮气泡沫在井下高温高压条件下的流变行为，本研究采用毛细管流变仪进行了实验分析，以确定其在不同温度和压力下的粘度特性。实验装置配备有3毫米内径、5米长度的毛细管，能够提供精确的流变数据。通过这些实验，研究团队获得了氮气泡沫作为幂律流体的流变参数，并进一步建立了其粘度预测模型。该模型不仅考虑了温度和压力的影响，还结合了经典管道流动理论与颗粒流力学，为充填过程的模拟提供了更坚实的理论基础。在此基础上，研究者进一步优化了三阶段流体流动模型，使其能够更全面地反映氮气泡沫在水平井中的充填行为。

数值模拟的结果表明，氮气泡沫在水平井充填过程中的表现受到多个关键参数的影响，包括泡沫质量、起泡剂浓度、泵送流量、砂浓度以及井筒几何形状等。通过系统的参数分析，研究团队确定了最优的充填条件，如泡沫质量为67%、起泡剂浓度为1.5%、泵送速率为65立方米/小时、砂浓度为7.5%以及砾石密度为1600千克/立方米。这些参数的优化不仅提高了充填效率，还降低了施工压力和地层破裂的风险。模拟计算显示，在这些优化条件下，充填效率可达到约97.53%，显示出氮气泡沫在水平井砾石充填中的强大性能。

在实际应用中，氮气泡沫的使用还需要考虑井下环境的复杂性。例如，在海上油田中，由于作业窗口狭窄，流体损失问题尤为突出。因此，研究者建议通过引入轻质材料和优化注入速率，来减少水合物形成和过度渗漏的风险。此外，泡沫的稳定性和使用寿命也是影响其应用效果的重要因素。通过使用稳定剂和表面活性剂，泡沫的性能得到了显著提升，使其在不同地层条件下具有更强的适应性。同时，泡沫的低密度特性使其在欠平衡钻井中表现出色，能够有效防止流体侵入，保护地层结构。

为了验证氮气泡沫在实际作业中的应用效果，本研究选取了孤东油田的一口高流体损失水平井P15作为案例。在该井的现场试验中，研究团队采用了优化后的充填参数，包括泡沫质量、起泡剂浓度、泵送速率和砂浓度等。现场验证结果表明，在这些优化条件下，充填效率达到了约97.53%，充分证明了氮气泡沫在水平井砾石充填中的高效性。这一结果不仅为该技术的实际应用提供了有力支持，也为后续的优化研究提供了宝贵的数据基础。

综上所述，本研究通过系统的实验分析和数值模拟，深入探讨了氮气泡沫在水平井砾石充填中的应用潜力。研究发现，氮气泡沫凭借其独特的流变特性，能够在减少施工压力的同时提高充填效率，尤其适用于高流体损失和低破裂压力的地层。通过优化关键参数，如起泡剂浓度、泡沫质量、泵送速率和砂浓度，研究团队成功实现了高效、稳定的充填效果。此外，研究还表明，氮气泡沫的使用能够有效减少早期堵塞现象，提高井筒稳定性，并降低地层破裂的风险。这些研究成果不仅为水平井砾石充填技术提供了新的思路，也为现场操作提供了可靠的理论支持和实践指导。未来，随着更多创新材料和技术的引入，氮气泡沫在复杂地层条件下的应用前景将更加广阔。