適度出砂開采標準金屬網布優質篩管防砂參數設計實驗研究＊

王利華 鄧金根 周建良 何保生 曾祥林

(1.中國石油大學 (北京); 2.中海油研究總院)

我國近海油田有大量疏松砂巖油藏,開采過程中極易出砂,出砂量太大會造成砂埋井眼、磨蝕管柱、地面砂處理困難等問題,但防砂作業中如果嚴格控制出砂量又會造成防砂管堵塞從而影響產能,因此適度出砂開采技術被逐漸運用于海上油田開采[1-6]。該技術是通過可精確控制產出砂粒徑的優質篩管進行防砂,通過優質篩管嚴格的防砂精度設計允許一定范圍的小粒徑地層砂產出,以改善儲層物性和防止防砂層堵塞,提高產能。

目前適度出砂開采的防砂設計主要是通過現場試驗摸索,不僅周期長、代價大,而且由于現場條件的復雜多變性難以獲得規律性認識。為了解決該問題,筆者利用自行研制的室內全尺寸出砂模擬實驗裝置,針對標準金屬網布優質篩管(以下簡稱篩管),進行了大量不同防砂精度篩管出砂模擬實驗,測定了不同防砂精度篩管防砂后的流量、壓降及油中含砂量(出砂量),首次建立了適合國內海上油田疏松砂巖儲層適度出砂開采條件下篩管防砂參數設計圖版,并在NB35-2油田進行了應用。本文研究結果可為疏松砂巖適度出砂開采篩管防砂參數設計提供參考。

1 實驗及評價方法

1.1 實驗材料

實驗模擬地層砂采用工業標準目數石英砂,根據實際儲層粒度分布特性計算其粒度特征值(d10,d40,d50,d90,UC等),調整不同工業目數石英砂比例,使配制的石英砂與儲層粒度特征值吻合。實驗流體采用不同粘度白油,按照其粘度計算每種粘度白油的添加比例,在容器罐充分混合,以此來模擬地下原油實際粘度。

1.2 實驗裝置

全尺寸出砂模擬實驗裝置包括3個部分:模擬系統、循環系統、測量系統,如圖1所示。實驗油經高壓泵以設定的壓力從4個方向進入高壓釜體,通過釜體內壁分流網形成均勻徑向流動經過模擬地層砂,攜帶砂粒進入模擬井眼環空中,一部分細顆粒砂通過防砂管被流體攜帶出來,大部分砂粒在防砂管外表面堆積而形成砂橋。

全尺寸出砂模擬實驗裝置的優點在于,可以進行有圍壓情況下的徑向流動出砂規律評價試驗,改變了以往通過流體介質在小尺寸巖心中以軸向流動方式研究地層出砂規律的狀況,使地層出砂特征更符合實際條件。

圖1 全尺寸出砂模擬實驗裝置示意圖

1.3 實驗條件

根據目前國內海上疏松砂巖油藏粒度分布特點確定出實驗模擬石英砂粒度特征值見表1;模擬生產壓差為3 M Pa;模擬稠油粘度為200 m Pa·s;篩管防砂管參數為 50、100、150、230、300μm。

表1 篩管出砂模擬實驗模擬石英砂粒度特征值

1.4 評價方法

本次實驗以油、氣藏工程常用參數比采油指數作為評價指標。比采油指數計算表達式為

式(1)中:PI為比采油指數,m3/(d·M Pa·m);Q為通過防砂管或礫石層的流量,m3/d;m為防砂管或礫石充填層有效過流長度,m;Δp為生產壓差,M Pa。

由于本實驗中供油壓力并不能代表現場實際生產壓差,因此通過測試模擬儲層壓力梯度并利用平面徑向流壓力分布公式(2)來求取實際供給半徑200 m處的壓力(以此作為生產壓差),進而求得比采油指數,使實驗結論更接近現場生產實際條件。

式(2)中:p為供給半徑內任何一點的壓力,M Pa;p e為實驗供油進口壓力,M Pa;pwf為井底壓力,在本實驗中為一個標準大氣壓,M Pa;Re為實驗模擬儲層砂半徑,在本實驗中為高壓釜內徑0.430 m;Rw為井眼半徑,在本實驗中為模擬井眼半徑0.210 m;R為油藏實際供油半徑,在本試驗中取200 m。

2 實驗結果及分析

2.1 篩管防砂參數與出砂量、產能關系模擬實驗結果及分析

針對儲層粒度特性選擇篩管的防砂精度至關重要,防砂參數設計太大會造成防不住砂,而防砂參數設計太小又會嚴重影響產能。為了尋求防砂參數、產能和出砂量三者之間的最佳結合點,必須對不同防砂參數防砂管進行測試,建立出砂量、產能與防砂參數關系圖版。

在壓力釜中放置防砂參數為50μm的篩管,在壓力容器中填充模擬石英砂,設定供液泵工作壓力為3 M Pa,開始加壓循環流體,測試各點壓力、流量與油中含砂量,大致實驗時間1.5h。當流量穩定后結束該組實驗,拆卸裝置,改變防砂管參數分別為100、150、230、300μm,重復實驗。流量及油中含砂量測試結果如圖2、3所示。

圖2 篩管出砂模擬實驗不同防砂參數流量隨時間變化曲線

圖3 篩管出砂模擬實驗不同防砂參數油中含砂量隨時間變化曲線

從圖2、3可以看出,不同防砂參數條件下,隨著實驗的進行,不管是流量還是油中含砂量,二者均較快地降低到一個穩定階段,說明在油井出砂的過程中,產出砂會逐漸在防砂管表面堆積,對防砂管過流面積有一定的堵塞,形成一個相對穩定的環空砂堆積層,使流量與出砂量逐漸穩定。另外,隨著防砂參數的放大,流量與油中含砂量均會隨之增加,三者之間的增加幅度與內在關系將在下面重點討論。

2.2 繪制篩管產量、油中含砂量與防砂參數關系圖版

本文的主要目的是建立不同出砂量情況下篩管防砂參數的設計方法,并分析防砂后產能變化規律,因此需要針對實驗數據點進行擬合,回歸三者之間的關系式,以此作為設計依據。對各組實驗穩定后的流量、壓降、油中含砂量進行統計,并計算比采油指數,其與篩管防砂參數的關系見表2。

表2 篩管出砂模擬實驗數據(實驗穩定后測量;實驗砂 d50=170.1μm)

為了分析篩管防砂參數對產能與油中含砂量的影響,以ω/d50為橫坐標,以比采油指數與油中含砂量為縱坐標,建立三者之間的關系,如圖4所示。由圖4可知,隨著篩管防砂參數的放大,油中含砂量與產能增加:油中含砂量的增加基本成線性關系,說明篩管防砂參數是影響油中含砂量的關鍵因素;產能呈對數關系遞增,慢慢趨于穩定,說明一旦微顆粒在防砂管外表面架橋,會形成一個相對穩定的環空堆積帶,在沒有壓力波動的情況下,產能逐漸穩定。因此可以認為,放大防砂參數,會導致出砂量、產能增加,但放大到一定程度,出砂量仍在增加,而產能增大的幅度會逐漸變小,因此必須尋找三者之間的最優平衡點,既滿足防砂的要求,又能實現產能最大化。

圖4 篩管出砂模擬實驗產能、油中含砂量與篩管防砂參數(ω/d50)關系曲線

對測試數據點進行回歸,可建立三者之間的回歸關系

對于海上油田,傳統防砂設計中對出砂量的要求基本控制在0.3‰以內。將此出砂量要求代入公式(3)可得出篩管防砂參數與儲層砂粒度中值的關系式

由于適度出砂開采可以提高油井的單井產能,因此可以在傳統防砂設計的基礎上適當放大篩管的防砂參數。根據實驗建立的關系,當油中含砂量控制在0.5‰以內時,根據公式(3)可得到篩管的防砂參數可以放大到

根據該結論,將公式(5)、(6)代入到公式(4)中,可以計算出適度出砂開采時比采油指數相對傳統防砂設計的變化率

3 油田應用

NB35-2油田主要為明化鎮組疏松砂巖油藏,儲層單軸抗壓強度在3 M Pa以內,開采即會出砂;粒度中值分布在170～180μm之間。目前該油田主要采取礫石充填及篩管方式防砂,而采用篩管進行適度出砂開采是目前該區塊增產的重要手段之一。利用公式(5)、(6)分別計算該油田篩管的防砂參數(圖5)。

圖5 NB35-2油田明化鎮組油藏篩管防砂參數設計

為了對現場實際產能效果進行分析,對NB35-2油田A平臺開采同一層位的5口定向井開采初期平均采油強度和4年平均采油強度進行了統計對比(圖6)。由圖6可知,采用230μm篩管比采用175 μm篩管平均日產油提高了32%。目前 A 12、A 13和A 16井均能正常生產,沒有發現大量出砂情況。

圖6 NB35-2油田不同防砂參數篩管產能對比

4 結論

利用自行研制的實驗裝置,分析了標準金屬網布優質篩管防砂參數與油井產能、出砂量的關系,建立了適度出砂條件下篩管防砂參數設計圖版,結果表明:當出砂量控制在0.3‰以內時,要求篩管防砂參數ω≤0.88 d50;適度出砂開采可放大防砂參數到ω≤1.27 d50,此時出砂量控制在0.5‰以內,相對于傳統防砂設計可提高油井產能30%以上。目前,該研究成果已成功應用于NB35-2油田,取得了良好的生產效果和防砂效果。

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