Design and Application of High-Flow-Rate Shunt Screen for Horizontal Wells
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摘要:
水平井砾石充填过程中因砂桥形成导致桥堵，为提高旁通通道的过流截面利用率和工作可靠性，基于旁通分流砾石充填技术原理，研制大排量旁通筛管，优化旁通通道结构，将传统旁通筛管中的充填管替换为喷砂环，形成“喷砂环-输送管”结构。通过地面物模试验和现场试验验证，相比传统型旁通筛管，大排量旁通筛管在输送管过流截面扩大47.1%，沿程摩阻压降减少53.8%，在充填速率上较传统技术提高180%，应用井投产后360天内累积产油量提高31.2%。结果表明，大排量旁通筛管具有优异的旁通通道输送能力，可实现快速循环充填，有效减轻储层污染，减少砾石与地层砂的掺混，可为提高单井产量提供一种技术手段。
Abstract:To tackle the challenge of sand bridge-induced blockages during gravel packing in horizontal wells and to boost packing efficiency, a novel high-flow-rate shunt screen has been devised. Grounded in the principles of shunt gravel packing technology, this screen innovatively replaces the traditional packing tube with a nozzle ring within the shunt channel, establishing a "nozzle ring–transport tube" configuration. This structural modification markedly enhances the utilization rate and reliability of the shunt channel's flow cross-section. Relative to conventional shunt screens, the high-flow-rate shunt screen achieves a 47.1% increase in the transport tube's flow cross-section and a 53.8% reduction in the channel's frictional pressure drop. Laboratory modeling tests and field trials have confirmed that the high-flow-rate shunt screen delivers an 180% improvement in packing rate and a 31.2% boost in cumulative oil production over the initial 360 days of well production. These findings highlight the screen's superior slurry transport capabilities, which facilitate rapid circulation and packing, effectively minimize reservoir contamination and gravel–formation sand mixing, and ultimately lead to a substantial increase in single-well productivity.
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Keywords:
- horizontal well /
- gravel pack /
- shunt tube /
- flow section /
- packing rate
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砾石充填技术是水平井常用的防砂手段，相比独立筛管防砂具有更好的效果[1]。然而，筛管外环空在施工过程中易形成砂桥堵塞[2]，导致砂浆输送受阻，进而引发充填不均、井段充填亏空等问题，严重影响单井产量[3–5]。为解决这一问题，旁通分流砾石充填技术应运而生[6]，其核心在于通过旁通通道使砂浆能够绕过砂桥继续向前输送，从而实现全井段的密实充填。目前，该技术在国内外已得到广泛应用。国外研究主要集中在优化充填工艺和工具设计提高充填效率和单井产量[7–8]；国内则在一些复杂井型中开展了应用研究，并取得了一定的成果[9–10]。然而，现有传统型旁通筛管的旁通通道过流截面较小，输送能力不足，导致充填速率低、施工时间长[11]，且容易引发储层污染和砾石与地层砂的掺混等问题，限制了该技术的进一步发展。
为此，针对传统型旁通筛管的局限性，通过优化旁通通道结构，将传统充填管替换为喷砂环，形成“喷砂环-输送管”结构，在此基础上，对新型旁通筛管的结构设计进行理论分析和优化，并通过地面物模试验验证其输送能力，结合现场试验进一步评估新型旁通筛管在实际应用中的性能表现。
1. 筛管结构设计
1.1 旁通充填技术工作原理
以顶部正向循环充填为例，通过在完井管柱外侧铺设旁通通道，使砂浆在环空遇阻时能够经旁通通道绕过砂桥继续向前输送，从而有效延续循环充填过程。如图1所示，该技术将充填施工分为2个阶段：阶段1中，砂浆优先在筛管外环空输送，直至上部井段完成充填[12]；阶段2中，砂浆转入旁通通道，越过桥堵后继续充填下部井段，最终实现全井段的密实充填，提高充填效率并消除充填亏空[13]。
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图 1 旁通充填施工过程1. 二开井眼 2. 悬挂器 3. 封隔器 4. 充填滑套 5. 充填服务工具 6. 光套管 7. 冲管 8. 筛管9. 第一桥堵 10. 三开井眼 11. 喷射孔 12. 旁通通道 13. 上部井段 14. 下部井段Figure 1. The 2 typical stages of alternate path gravel pack1.2 传统型旁通筛管结构局限
如图2所示，传统型旁通筛管上铺设的旁通通道可划分为旁通管和双层接箍2部分[14–15]，旁通通道结构如图3所示，其中旁通管提供筛管本体部分的旁通通道，可进一步划分为输送管和充填管，输送管负责跨越桥堵向砂堤前缘输送砂浆，而充填管负责向砂堤前缘喷射砂浆；双层接箍提供跨越接箍部分的旁通通道，外层由过流外套、过流短节和接箍构成，内层由基管和内插管构成，内外层相夹形成环形混液腔[16]，负责汇聚来自上游各输送管的砂浆，并重新分配给下游各旁通管。旁通管长度占整个旁通通道的70%以上，且其过流截面小于双层接箍，是影响旁通通道输送能力的首要因素。
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图 2 传统型旁通筛管工具结构1. 输送管 2. 喷砂环 3. 喷射孔 4. 外保护管 5. 双层接箍内插管 6. 输送-滤砂单元 7. 过流外套8. 过流短节 9. 充填管 10. 环形槽 11. 滤砂网 12. 滤网保护管 13. 输送管内孔 14. 基管Figure 2. Structure of the conventional shunt screen![]()
图 3 传统型旁通筛管旁通通道结构（轴向剖开平铺展示）1.旁通管部分 2. 双层接箍部分 3. 相邻筛管旁通通道 4. 输送管 5. 喷砂环 6. 喷射孔 7. 充填管Figure 3. Structure of the shunt channel in the conventional shunt screen (displayed by axially cutting and laying flat)传统型旁通筛管的旁通管存在2处结构缺陷：1）当充填施工进入阶段2后，砂浆在旁通通道内由跟端经长距离输送至下部井段砂堤前缘，由于充填管在结构上并不与下游筛管的旁通通道连通，在充填其外侧环空前后都处于闲置状态，过流截面利用率低；2）筛管本体部位的各根输送管相互独立，仅在两端的双层接箍环形混液腔处连通，如果其中某根输送管发生单点形变或堵塞，则整根输送管无法正常参与输送，旁通通道工作可靠性低。
传统型旁通筛管输送摩阻大，施工中后期地面泵压将显著上升，为避免井底压力过高压裂地层进而引发投产后水淹[17]，需大幅降低排量，大幅延长工时，进而增加施工风险，近井地带受携砂液浸泡污染更加严重；井壁更易失稳，砾石在筛管外环空掺混更多地层砂，导致充填层渗透率显著下降，影响单井产量[18–19]。
1.3 大排量旁通筛管结构
由于旁通管过流截面在几何维度受到旁通管厚度和工具外径限制，同时周向跨度不能过度遮盖其下方滤砂网的过滤面，不能直接增加过流截面。因此，在过流截面不变的条件下，通过优化旁通通道结构以提高其利用率和工作可靠性，进而研制大排量旁通筛管。
如图4所示，大排量旁通筛管外径188 mm，基管规格ϕ127 mm，单根标准长度9.9 m，本体部位包含6个输送-滤砂单元和5个喷砂环，呈间隔状套装于基管外并固定，相邻喷砂环间隔1.1 m，形成“喷砂环-输送管”结构。其中，喷砂环开设3个喷射孔，将砂浆喷射进入筛管外环空，其内部环形槽沟通各旁通管；输送-滤砂单元由滤砂网、滤网保护管、3根输送管、外保护管组成，提供跨越筛管本体的砂浆输送旁通通道，具备滤砂和支撑保护功能。
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图 4 大排量旁通筛管工具结构1. 输送管 2. 喷砂环 3. 喷射孔 4. 外保护管 5. 双层接箍内插管 6. 输送-滤砂单元 7. 过流外套8. 过流短节 9. 充填管 10. 环形槽 11. 滤砂网 12. 滤网保护管 13. 输送管内孔 14. 基管Figure 4. Structure of the high-flow-rate shunt screen如图5所示，“喷砂环-输送管”结构针对传统型旁通筛管结构缺陷所做改进体现在2方面。
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图 5 大排量旁通筛管旁通通道结构（轴向剖开平铺展示）1. 旁通管部分 2. 双层接箍部分 3. 相邻筛管旁通通道 4. 输送管 5. 喷砂环 6. 喷射孔7. 充填管Figure 5. Structure of the shunt channel in the high-flow-rate shunt screen (displayed by axially cutting and laying flat)1）取消了传统型旁通筛管中的充填管，改由喷砂环承担充填功能，避免充填管在输送过程中闲置，提高过流截面的利用率。
大排量旁通筛管的滤网总面积为3.27 m2，筛管主体部分的旁通通道由3根输送管和5个喷砂环组成。旁通通道对滤网的遮盖面积为1.818 m2，遮盖率为55.57%，输送管的过流截面积为2 442.1 mm2。相比之下，传统型旁通筛管的滤网总面积同样为3.27 m2，其筛管主体部分的旁通通道由3根输送管和2根充填管组成，旁通通道对滤网的遮盖面积为1.816 m2，遮盖率为55.53%，输送管的过流截面积为1 160.2 mm2，充填管的过流截面积为773.6 mm2。通过结构优化，旁通通道的过流截面全部分配给输送管，大排量旁通筛管在保持与传统型旁通筛管相近滤网遮盖率的同时，输送管的过流截面积提升了47.1%，从而增强了旁通通道的输送能力。
2）筛管本体布置有5个喷砂环，喷砂环内的环形槽起到混液腔的作用，将3根旁通管连通起来形成网状结构，若其中某根输送管发生单点形变或堵塞，液流可随时绕过该点继续输送，从而有效提高旁通通道工作可靠性。
2. 输送能力测试试验
2.1 地面物模试验方法
为定量评价输送管过流截面对旁通通道输送能力的影响程度，实施了地面物模试验，旁通通道沿程摩阻压降是试验过程中的评价指标[20]，针对同长度同规格的大排量旁通筛管和传统型旁通筛管，对比测试相同排量条件下的沿程摩阻压降。
试验采用ϕ127 mm规格的大排量旁通筛管（样件1）和传统型旁通筛管（样件2）各3根，单根长度9.9 m。为测试沿程摩阻压降，将样件的喷射孔焊死形成密闭通道，并配备ϕ127 mm规格试验塞4个。试验用料包括0.4～0.8 mm粒度人工砂和羟丙基胍胶成胶剂，用于配置高黏砂浆以弥补试验样件长度的不足。循环系统由3台Q400PCY14-1B柱塞泵、1个2 m3储料搅拌罐、4个导流密封试验塞、2个Y型四通接头、2个Y型三通接头、2个DN80电动球阀以及不同规格的高压胶管组成，所有连接均采用法兰接头。测量控制系统包括1个DN80-5.6 MPa电磁流量计、1个YTZ-150电阻远传压力表、1台全自动变频调速控制柜、1台NDJ-5S数字式旋转黏度仪，以及配套的动力电缆和信号控制线。
地面物模试验系统如图6所示，先将样件1和样件2分别连接成30 m长的测试管柱并固定，连接循环系统和测控系统后注入1.5 m3清水。随后依次接通样件1和样件2，进行循环调试，检查系统是否正常工作。接着向储料搅拌罐内加入羟丙基胍胶成胶剂和人工砂，配置成10%携砂比的砂浆，搅拌至黏度达到80 mPa·s。分别测试样件1和样件2，维持排量0.3 m3/min，记录流量和压力数据，待读数稳定后逐步提高排量至1.0 m3/min，以0.1 m3/min为增量，共测试8个排量等级。
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图 6 地面物模试验系统1. 大排量旁通筛管（样件1） 2. 传统型旁通筛管（样件2）3. 电动球阀1 4. 电动球阀2 5. 电阻远传压力表 6. 柱塞泵 7. 储料搅拌罐 8. 全自动变频调速控制柜 9. 电磁流量计 10. 试验塞Figure 6. Laboratory simulation system of slurry transportation in alternate path2.2 试验结果及分析
旁通通道沿程摩阻压降如图7所示。
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图 7 沿程摩阻压降测试结果Figure 7. Testing results of frictional pressure drop along alternate path相比传统型旁通筛管，在相同排量条件下，大排量旁通筛管的沿程摩阻压降平均减少53.8%，从而证明其优秀的旁通通道输送能力。当充填施工进入阶段2之后，旁通通道沿程摩阻压降成为砂浆全井循环压降的主要组成部分，因此，使用大排量旁通筛管的优势在于有效控制该部分压降，在保持合理的携砂液地层漏失率条件下，仍可保持相对较高的排量，以提高充填速率缩短工时，进而有利于减轻储层污染，减少砾石-地层砂掺混。
3. 现场试验
3.1 应用井基本工况
ZB221区块的5口水平井（ZB221-P8、P2、P3、P5和P6）投产于2020~2022年，均为高孔隙度、高渗透性的浅层稠油油藏。5口井均采用顶部充填工艺，P8井、P2井、P3井、P5井和P6井充填段长度分别为552 m、603 m、526 m、492 m和548 m。其中，ZB221-P8井应用了大排量旁通筛管，而其它4口邻井则使用传统型旁通筛管。所有井均采用三开井身结构，水平段为ϕ215.9 mm裸眼，上部ϕ244.5 mm技术套管悬挂ϕ127 mm筛管，施工参数和物料准备基本一致，便于对比分析。
3.2 施工过程
选择ZB221-P6井作为ZB221-P8井的重点参照对象。施工排量为0.2～1.0 m3/min，地面泵压控制在5～8 MPa为宜；如果当前充填效率<95%且地面泵压达到10 MPa，则必须降低排量，以保证实施循环充填，避免压裂地层造成砾石在局部井段过度充填；如果当前充填效率>95%且地面泵压达到15 MPa，则判定为循环充填完毕，立即停泵。
ZB221-P8井和ZB221-P6井施工参数记录如图8至图10所示，同时，结合CAL测井曲线、完井管柱外径、反循环洗井洗出砂量实时计算充填效率如图11所示，以辅助判定阶段1和阶段2是否完成[21]。
阶段1从施工开始至地面泵压曲线第1峰值，在该阶段，桥堵点上部环空因砂堤持续增长而逐渐失去输送能力，同时旁通通道尚未开始发挥作用，2口井地面泵压逐渐提高至10 MPa。
阶段2从地面泵压曲线第1峰值至施工结束。对于ZB221-P8井，阶段2启动之后，迅速将排量降至0.8 m3/min，地面泵压则随之降至安全范围内，此时排量与大排量旁通筛管输送能力相匹配，直至施工结束。对于ZB221-P6井，由于砂浆在过流截面较小的旁通通道内输送距离持续增加，因此阶段2存在3个10 MPa峰值，排量依次降至0.4，0.3和0.2 m3/min才能获得安全地面泵压。
3.3 充填效果评价
ZB221区块5口井的旁通充填评价分析结果汇总如表1所示。充填速率是施工过程中评价旁通通道输送能力的指标，相比4口邻井，ZB221-P8井阶段2充填速率提高180%，在砾石充填量相近的情况下，整体施工时长缩短48.5%。大排量旁通筛管的安全排量可维持在0.8 m3/min，而传统型旁通筛管的安全排量仅为0.2～0.4 m3/min。由此带来的直接有益效果是实现快速循环充填进而减少漏失，尤其在阶段2，ZB221-P8井携砂液返出率保持在82.8%，而4口邻井平均仅为49.4%，意味着大部分携砂液进入储层造成污染。
表 1 现场试验评价结果Table 1. Results of evaluation on field test井号 充填阶段 排量/
（m3·min−1）携砂比，% 最高泵压/
MPa携砂液
返出率，%漏失速率/
（m3·min−1）阶段充填量/m3 充填速率/
m3/min施工时长/
min充填效率，% ZB221-P8 阶段1 1 6～8 10 88.1 0.11 4.21 0.075 152 98.7 阶段2 0.8 5 15 82.8 0.131 3.19 0.042 ZB221-P2 阶段1 1 6～8 10 90.3 0.107 4.83 0.072 331 97 阶段2 0.2～0.4 5 15 50.9 0.124 3.3 0.011 ZB221-P3 阶段1 1 6～8 10 87.5 0.113 4.41 0.069 289 95.9 阶段2 0.2～0.4 5 15 45.8 0.136 2.68 0.018 ZB221-P5 阶段1 1 6～8 10 91 0.106 4.09 0.078 274 95.5 阶段2 0.2～0.4 5 15 53 0.122 2.54 0.017 ZB221-P6 阶段1 1 6～8 10 88.4 0.108 4.57 0.069 286 96.4 阶段2 0.2～0.4 5 15 47.8 0.125 2.76 0.014 追踪5口井开井360 d内生产动态数据，如表2所示。单井累积产油量是投产后评价充填效果的指标，ZB221-P8井的累积产油量相比4口邻井提高31.2%，产液含水率情况基本一致。其提产原因初步判定为，缩短工时有效减轻了储层污染，并降低了砾石和地层砂的掺混程度。ZB221-P8井生产动态充分体现了优化旁通通道结构的必要性。
表 2 ZB221区块5口井生产动态追踪数据（开井360d）Table 2. Production performance of 5 gravel packing wells in Block ZB221 (360 well-opening days)井号 累积产油
量/×104m3产油年递
减率，%年平均
含水率，%含水率上升
幅度/百分点ZB221-P8 3.21 16.3 63.2 10.2 ZB221-P2 2.53 17.5 60.1 8.4 ZB221-P3 2.85 15.5 55.4 7.9 ZB221-P5 1.95 14.8 58.9 6.3 ZB221-P6 2.46 16.9 62.8 10.4 4. 结 论
1）与传统旁通筛管相比，大排量旁通筛管能够显著提升输送能力，有效缩短充填时间并提高充填效率，提高水平井砾石充填效果。
2）在复杂地质条件下，大排量旁通筛管长期稳定性和可靠性仍需进一步验证，未来需进一步研究大排量旁通筛管在不同地质条件下的适应性，以及其在多井段、长水平段充填中的应用效果。
3）大排量旁通筛管应用范围和施工工艺上与传统旁通筛管一致，建议在后续研究中结合数值模拟与现场试验，优化旁通筛管的结构设计，以进一步提升其性能和应用范围。
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图 1 旁通充填施工过程
1. 二开井眼 2. 悬挂器 3. 封隔器 4. 充填滑套 5. 充填服务工具 6. 光套管 7. 冲管 8. 筛管9. 第一桥堵 10. 三开井眼 11. 喷射孔 12. 旁通通道 13. 上部井段 14. 下部井段
Figure 1. The 2 typical stages of alternate path gravel pack
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图 2 传统型旁通筛管工具结构
1. 输送管 2. 喷砂环 3. 喷射孔 4. 外保护管 5. 双层接箍内插管 6. 输送-滤砂单元 7. 过流外套8. 过流短节 9. 充填管 10. 环形槽 11. 滤砂网 12. 滤网保护管 13. 输送管内孔 14. 基管
Figure 2. Structure of the conventional shunt screen
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图 3 传统型旁通筛管旁通通道结构（轴向剖开平铺展示）
1.旁通管部分 2. 双层接箍部分 3. 相邻筛管旁通通道 4. 输送管 5. 喷砂环 6. 喷射孔 7. 充填管
Figure 3. Structure of the shunt channel in the conventional shunt screen (displayed by axially cutting and laying flat)
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图 4 大排量旁通筛管工具结构
1. 输送管 2. 喷砂环 3. 喷射孔 4. 外保护管 5. 双层接箍内插管 6. 输送-滤砂单元 7. 过流外套8. 过流短节 9. 充填管 10. 环形槽 11. 滤砂网 12. 滤网保护管 13. 输送管内孔 14. 基管
Figure 4. Structure of the high-flow-rate shunt screen
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图 5 大排量旁通筛管旁通通道结构（轴向剖开平铺展示）
1. 旁通管部分 2. 双层接箍部分 3. 相邻筛管旁通通道 4. 输送管 5. 喷砂环 6. 喷射孔7. 充填管
Figure 5. Structure of the shunt channel in the high-flow-rate shunt screen (displayed by axially cutting and laying flat)
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图 6 地面物模试验系统
1. 大排量旁通筛管（样件1） 2. 传统型旁通筛管（样件2）3. 电动球阀1 4. 电动球阀2 5. 电阻远传压力表 6. 柱塞泵 7. 储料搅拌罐 8. 全自动变频调速控制柜 9. 电磁流量计 10. 试验塞
Figure 6. Laboratory simulation system of slurry transportation in alternate path
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图 7 沿程摩阻压降测试结果
Figure 7. Testing results of frictional pressure drop along alternate path
表 1 现场试验评价结果
Table 1 Results of evaluation on field test
井号 充填阶段 排量/
（m3·min−1）携砂比，% 最高泵压/
MPa携砂液
返出率，%漏失速率/
（m3·min−1）阶段充填量/m3 充填速率/
m3/min施工时长/
min充填效率，% ZB221-P8 阶段1 1 6～8 10 88.1 0.11 4.21 0.075 152 98.7 阶段2 0.8 5 15 82.8 0.131 3.19 0.042 ZB221-P2 阶段1 1 6～8 10 90.3 0.107 4.83 0.072 331 97 阶段2 0.2～0.4 5 15 50.9 0.124 3.3 0.011 ZB221-P3 阶段1 1 6～8 10 87.5 0.113 4.41 0.069 289 95.9 阶段2 0.2～0.4 5 15 45.8 0.136 2.68 0.018 ZB221-P5 阶段1 1 6～8 10 91 0.106 4.09 0.078 274 95.5 阶段2 0.2～0.4 5 15 53 0.122 2.54 0.017 ZB221-P6 阶段1 1 6～8 10 88.4 0.108 4.57 0.069 286 96.4 阶段2 0.2～0.4 5 15 47.8 0.125 2.76 0.014 
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表 2 ZB221区块5口井生产动态追踪数据（开井360d）
Table 2 Production performance of 5 gravel packing wells in Block ZB221 (360 well-opening days)
井号 累积产油
量/×104m3产油年递
减率，%年平均
含水率，%含水率上升
幅度/百分点ZB221-P8 3.21 16.3 63.2 10.2 ZB221-P2 2.53 17.5 60.1 8.4 ZB221-P3 2.85 15.5 55.4 7.9 ZB221-P5 1.95 14.8 58.9 6.3 ZB221-P6 2.46 16.9 62.8 10.4
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