基于防砂模擬試驗裝置的礫石充填防砂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究

張磊，曹硯鋒，潘豪　(中海油研究總院，北京 100028)

基于防砂模擬試驗裝置的礫石充填防砂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究

張磊，曹硯鋒，潘豪(中海油研究總院，北京 100028)

[摘要]渤海灣油井防砂主要以礫石充填防砂為主,為了進一步提高其擋砂效果,同時提高單井產(chǎn)能,基于渤海灣地區(qū)儲層特性的統(tǒng)計結(jié)果,利用防砂模擬試驗裝置,針對礫石充填防砂進行了效果評價。試驗結(jié)果表明:①在進行礫石充填粒度參數(shù)設(shè)計時,可將D50適當放大到(6~7.5)d50,產(chǎn)能相對Saucier擋砂理論提高了10%,且能夠有效防砂;②礫石充填最優(yōu)充填厚度為30~35mm,繼續(xù)提高礫石充填厚度對產(chǎn)量的貢獻較小。在進行防砂設(shè)計時,同時考慮防砂參數(shù)和充填厚度的影響,在其產(chǎn)能上可以得到進一步提高。

[關(guān)鍵詞]礫石充填;礫石尺寸;礫石層厚度;產(chǎn)能

據(jù)相關(guān)資料報道，全世界的油井約有40%需要防砂，并且這個比例還在逐年遞增[1,2]。渤海灣地區(qū)油藏基本上屬于疏松砂巖，該類油藏具有孔滲高、巖性膠結(jié)差、強度低、出砂可能性高等特征。目前，渤海灣普遍采用的防砂方式為礫石充填防砂完井。隨著開發(fā)的逐漸進行，困擾渤海灣油田開發(fā)的突出問題主要為：一是單井產(chǎn)能低；二是疏松砂巖儲層出砂嚴重[3]。因此如何有效地控制出砂、提高擋砂效果以及提高單井產(chǎn)量是渤海灣開發(fā)即刻需要解決的問題。

目前從渤海灣油田實際生產(chǎn)情況來看，礫石充填防砂完井雖能收到一定的防砂效果，但砂粒流動造成砂粒在井筒周圍的堆積，堵塞油流向井底流動的通道，嚴重影響了油井的產(chǎn)能[4,5]。而決定礫石充填防砂完井效果的主要因素集中在擋砂精度與充填礫石層厚度。因此，通過對不同礫石尺寸和不同礫石層厚度進行防砂性能比較研究，進一步對防砂參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，使得既能有效防止與控制油井出砂，節(jié)約生產(chǎn)成本，同時又能適當?shù)靥岣弋a(chǎn)能，為油田的長期穩(wěn)定生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1試驗裝置簡介

試驗設(shè)備主要是模擬儲層出砂后對孔滲特性以及產(chǎn)能的影響規(guī)律。該裝置相對以往裝置的不同之處在于將儲層出砂狀況與不同類型防砂管的防砂相結(jié)合。儲層產(chǎn)出砂經(jīng)過實際防砂管防砂后對產(chǎn)能產(chǎn)生影響，而同時不同防砂管及防砂參數(shù)又會影響儲層的出砂量及儲層特性的改變，進而影響產(chǎn)能。其試驗裝置主要組成部分(圖1)包括：油砂混合攪拌系統(tǒng)、加壓供液循環(huán)系統(tǒng)、出砂試驗?zāi)M裝置、油砂分離系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。

圖1　試驗裝置圖

其中加壓供液循環(huán)系統(tǒng)包括油泵、壓力控制系統(tǒng)、高壓管線、分流閥門等。油泵以恒壓向填砂容器供油，模擬地層生產(chǎn)壓差。試驗采用白油從容器出口流出后，在出口球閥下安裝砂液分離器，分離后的油循環(huán)使用。出砂試驗?zāi)M裝置由不銹鋼制成，耐高壓耐腐蝕，最高承壓可達40MPa。模型中填滿模擬地層砂，通過頂部加蓋壓實模擬地層壓力，有效模擬真實地層。在容器內(nèi)壁設(shè)有分流濾網(wǎng)，充分模擬井下徑向流動。

2不同礫石尺寸對比試驗研究

在現(xiàn)場經(jīng)常參照Saucier方法[6]，采用充填礫石尺寸優(yōu)選經(jīng)驗圖(圖2)進行防砂設(shè)計。當選擇礫石粒度中值D50與地層砂粒度中值d50比為14時，地層砂不受限制地穿過充填層流動，由于充填層滲透率高，地層砂在充填層內(nèi)不易形成“砂橋”，會大量出砂。當選擇礫石與砂粒中值比為6～14時，地層砂侵入充填層使?jié)B透率下降；當選擇礫石與砂粒中值比為5～6時，可有效阻擋地層砂進入充填層。因此Saucier建議礫石粒度中值為5～6倍的地層砂粒度中值，而且還建議盡可能使用較小直徑的礫石。

圖2　充填礫石尺寸優(yōu)選經(jīng)驗圖

為了研究礫石充填礫石層長期的擋砂效果，采用室內(nèi)防砂試驗方法[7]，進行了不同礫石尺寸條件下的出砂模擬試驗，以產(chǎn)能最優(yōu)為原則進行礫石尺寸的優(yōu)選[8]。

以渤海灣地層特征為樣本，建立試驗過程中的粒度樣本和泥質(zhì)質(zhì)量分數(shù)樣本。其地層砂粒度中值d50為150μm，地層砂的均勻系數(shù)為6，混合砂質(zhì)量分數(shù)為6%，泥質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為10%。試驗地層砂根據(jù)樣本粒度特征值采用工業(yè)標準目數(shù)石英砂(中砂和細砂)建立合適的混合配比，調(diào)整不同目數(shù)石英砂比例進行激光粒度測試，使配制后的石英砂與儲層粒度特征值符合。在填充介質(zhì)上選用現(xiàn)場最常用的8種標準尺寸10~16、10~20、10~30、16~30、20~40、30~40、40~50、40~60目工業(yè)礫石。在試驗中，其篩管長度35cm，內(nèi)部礫石層厚度20mm，油品黏度100mPa·s(密度0.9g/cm3)，試驗壓力1MPa。針對8種不同礫石尺寸，分別進行不同礫石尺寸下礫石充填出砂模擬試驗，見表1。

根據(jù)試驗結(jié)果，可以看出當2

按照固相微粒堵塞礫石孔喉的物理模型，無論是砂粒逐漸堵塞還是多粒橋架堵塞，當固相顆粒質(zhì)量濃度一定時，固液兩相通過喉道任意時刻的喉道面積上只有一個粒子存在，如圖3(a)；盡管一個粒子的粒徑大小不足以產(chǎn)生橋堵或填充，但隨著流入礫石顆粒間固相粒子質(zhì)量分數(shù)增大時，固液兩相通過喉道任意時刻的喉道面積上同時存在多個粒子，如圖3(b)。當存在的粒子直徑與礫石喉道相當時，這樣存在的粒子以橋架的方式在喉道處橋堵或填充。

根據(jù)不同n值下礫石充填評價試驗產(chǎn)能對比研究發(fā)現(xiàn)(圖4)，利用Saucier設(shè)計理論，產(chǎn)能并不是最優(yōu)的，根據(jù)試驗可放大到n為6~7.5倍時，使米采油指數(shù)達到最優(yōu)。當n>7.5時，米采油指數(shù)開始降低，當比值達到9.5倍時，米采油指數(shù)急劇降低，油中含砂量上升很快，同時結(jié)合礫石層中的最終含砂量可以明顯看出礫石層出現(xiàn)了嚴重的砂侵，同時試驗發(fā)現(xiàn)部分細砂通過礫石層及防砂管產(chǎn)出。當?shù)[石尺寸放大到10倍以后，防砂效果變差。雖然在適度出砂開采允許出砂量控制在0.5‰范圍內(nèi)，但對于礫石尺寸的設(shè)計不建議放大礫石尺寸過多，放大過多會引起黏土及細顆粒嚴重堵塞礫石層的孔喉，從而影響產(chǎn)能。將n適當放大到6~7.5倍左右，產(chǎn)能相對Saucier的經(jīng)典5~6倍擋砂理論提高了10%，且能夠有效防砂。結(jié)合渤海灣油田實際防砂經(jīng)驗來看，在儲層巖石強度較高、地面設(shè)備處理能力允許的條件下，適當放寬擋砂精度，對釋放產(chǎn)能有明顯的效果。

圖4　礫石充填評價試驗結(jié)果圖

3不同礫石層厚度對比試驗研究

建立同樣的地層砂以及混合油砂質(zhì)量濃度等進行試驗分析，針對4種礫石層厚度，分別建立試驗壓差1MPa的防砂試驗，礫石充填尺寸為16~30目，進行不同礫石層厚度對比試驗，見表2。從試驗結(jié)果可以看出，當?shù)[石層厚度大于30mm以上，防砂效果較好，產(chǎn)能與含砂量趨于穩(wěn)定。

表2　不同礫石層厚度對比試驗結(jié)果

根據(jù)不同礫石層厚度下米采油指數(shù)對比圖(圖5)，礫石層厚度對米采油指數(shù)的變化影響較大，總體來說，礫石層厚度越大，米采油指數(shù)越高，同時產(chǎn)出液中的含砂量越低。礫石層厚度在30、35、42mm情況下，穩(wěn)定后的米采油指數(shù)相差不大，特別是當?shù)[石層厚度增加至30mm后，生產(chǎn)過程中對米采油指數(shù)的貢獻很小。而礫石層厚度20mm下的米采指數(shù)為礫石層厚度在30、35、42mm時的75%，礫石層厚度15mm下的米采油指數(shù)最低。

圖5　不同礫石層厚度下米采油指數(shù)對比

在此選用30~35mm左右的礫石層厚度作為礫石充填防砂的擋砂介質(zhì)。同時在完井過程中，對防砂完井設(shè)計中井壁與篩管間隙提出了要求。根據(jù)篩管設(shè)計，可以在鉆井過程中，采用擴眼器適當擴大井眼直徑；或者為了實現(xiàn)采收率的最大化，適當采用小規(guī)格的篩管。

4結(jié)論與認識

1)利用渤海灣防砂的特點，針對不同礫石尺寸進行了一系列的防砂試驗，對礫石充填的防砂參數(shù)進行了研究，發(fā)現(xiàn)其n越大，砂侵越嚴重，礫石層的堵塞現(xiàn)象越明顯，在進行礫石充填粒度參數(shù)設(shè)計時，可將D50適當放大到(6~7.5)d50左右，產(chǎn)能相對Saucier的經(jīng)典5~6倍擋砂理論提高了10%，且能夠有效防砂。

2)基于防砂試驗，發(fā)現(xiàn)礫石充填的最優(yōu)充填厚度為30~35mm，繼續(xù)提高礫石充填厚度對產(chǎn)量的影響較小，在此提出了礫石充填的最優(yōu)充填厚度，結(jié)合礫石充填的粒度參數(shù)數(shù)據(jù)，建立完善的礫石充填完井防砂參數(shù)組合。

[參考文獻]

[1]Talaghat M R, Esmaeilzadeh F, Mowla D.Sand production control by chemical consolidation[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2009,67:34～40.

[2]萬仁溥，羅英俊.采油技術(shù)手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004.

[3]鄒洪嵐,汪緒剛,鄧金根.大型疏松砂巖油藏出砂產(chǎn)能模擬試驗及防砂方式優(yōu)選[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009, 28(S1): 142～145.

[4]Richard M H , Robert C B, Vernon C,et al.An evaluation method for screen-only and gravel-pack completions[J].SPE73772,2002.

[5]何生厚,張琪.油氣井防砂理論及其應(yīng)用[M].北京：中國石化出版社,2003.

[6]Saucier R S.Considerations in gravel pack design[J]. SPE4030，1996.

[7]王利華,鄧金根,周建良,等.適度出砂開采標準金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管防砂參數(shù)設(shè)計實驗研究[J].中國海上油氣,2011,23(2):107～110.

[8]萬仁溥.現(xiàn)代完井工程[M].第3版.北京：石油工業(yè)出版社，2000.

[編輯]帥群

[引著格式]張磊，曹硯鋒，潘豪.基于防砂模擬試驗裝置的礫石充填防砂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版) ,2015,12(26):70~73.

[中圖分類號]TE358.1

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)26-0070-04

[作者簡介]張磊(1984-)，男，工程師，長期從事油氣田鉆完井設(shè)計研究工作，zhanglei9@cnooc.com.cn。

[基金項目]國家科技重大專項(2011ZX05024-003)。

[收稿日期]2015-01-20