預充填防砂篩管在海上砂巖油藏適應性評價

文 敏，鄧福成，劉書杰，曹硯峰（．中海油研究總院，北京0008；．長江大學，湖北　荊州43403）

預充填防砂篩管在海上砂巖油藏適應性評價

文 敏1，鄧福成2，劉書杰1，曹硯峰1
（1．中海油研究總院，北京100028；2．長江大學，湖北荊州434023）

我國海上油田使用獨立優質篩管或者放大篩管擋砂粒徑來提高產量，該措施有時會引起油井出砂不可控。設計了以礫石層為主要防砂介質的預充填防砂篩管，基于海上某油田地層特性的統計結果進行了防砂試驗，結果表明：米采指數與泥質含量及含砂量成反比關系，泥質含量在5%～10%時對篩管的堵塞影響較大，且米采指數前者是后者的2．5倍；調節生產壓差僅在短時間內有助于提高產量，對長效增產意義不大。對比預充填篩管與現場常用獨立優質篩管的防砂效果，發現前者對海上地層適應性范圍更廣，更能滿足油井防砂要求。

預充填篩管；海上油田；地層適應性；防砂

據統計，大多數防砂井采用的是機械防砂。目前最常見的機械防砂方式有：割縫篩管、繞絲篩管、礫石充填、優質篩管等［1-2］。預充填防砂篩管在現場應用的較少［3-4］。對于我國海上砂巖油藏，在開采初期對不同巖石特性和儲層特性的研究不夠，為了配合適度出砂技術使產量最大化，而盲目的使用獨立篩管或者是放大篩管擋砂精度，這樣使得很多油氣井出砂嚴重，引起大面積井下設備磨蝕、套管損壞、減產或者停產，甚至油井報廢等事故的發生。本文基于現有常用防砂篩管，主要結合繞絲篩管和網布篩管的特點，設計了礫石預充填防砂篩管，并利用防砂管效果評價試驗方法進行了預充填防砂篩管對南海西部地層的適應性研究，主要從泥質含量、地層的油砂比及配產的生產壓差這3項主要影響因素進行了分析。

1 預充填防砂管特征描述及評價原則

預充填篩管分為外保護層、充填過濾層和基管3個部分。由于繞絲管、金屬網布和割縫管對泥質敏感性較弱，適合與預充填的礫石配合使用，特別是繞絲管和割縫管對泥質敏感性最弱，同時從成本上考慮，割縫管和繞絲管成本較低。所以，本文在設計外保護層時選用梯形口繞絲模型，縫寬為a＝0．3mm，每根繞絲利用金屬連接條形焊接成一個繞絲整體。在篩管基管選擇上采用網布形式，基管上布滿過流孔，基管外側選用縫寬0．3mm的單層金屬網布層，防止充填的礫石顆粒在一定壓力下從篩管中脫落出來。考慮防砂管重力對作業施工的影響，選用材質更好、更具彈性且質量較輕的不銹鋼板作為防砂管最外層的繞絲保護層和內層基管，其上設有方便地層流體流動的導流孔。本文中設計的預充填防砂篩管其基管直徑為127mm（5英寸），充填厚度為20mm，填充礫石的尺寸為20～40目，篩管長度35 cm，其原理圖及實物圖如圖1所示。該預充填防砂管防砂利用緊壓礫石層進行防砂，借鑒于礫石充填的擋砂效果明顯優于其他類型的機械防砂管，且具有很強的地層適應性，耐高溫，耐酸堿。本文利用室內試驗研究了預充填防砂篩管對地層的適應性。

圖1 預充填防砂管示意

筆者利用中國石油大學（北京）的油井防砂模擬試驗裝置［5，6］完成了一系列預充填防砂篩管比較評價試驗。在此所用到的出砂量是每次試驗收集到的產出砂結合產液量計算而得，產量可用米采液指數來衡量［7］，如式（1）。式中：J為米采液指數，m3／（m·d·m Pa）；Q為流量，m3／d；h為防砂管有效過流長度，m；pe為儲層壓力，m Pa；pwf為井底壓力，m Pa。

2 試驗準備

弱固結砂巖在中國的淺海海域有著廣泛的分布，對于弱固結砂巖儲層的防砂方式的選擇涉及到眾多因素，受到粒度中值、均質系數、泥質含量等多種因素影響，對地層特性也同樣涉及到泥質含量、產液量中的油砂比等。本文在對海上某油田地層特性統計的基礎上，對預充填篩管的適應性進行了比較研究，其統計數據如1所示。

表1 海上油田儲層特性統計數據

從表1可以看出，海上油田的儲層特性為：粒度中值90%集中在100～250μm；均質系數80%集中在3～10，均質性較好；泥質含量90%集中在1%～20%，基本上以蒙脫石和伊利石為主。在試驗配砂時，首先用激光粒度分析儀測定中砂（80～120目）和細砂（160～200目）的粒徑，并按照試驗要求進行配砂，相對于粒度中值為150μm，選取的配砂比為中砂與細砂比為3∶4，并根據質量比來建立泥質含量以及油砂比的質量分數，試驗中所用油品黏度為50mPa·s，密度為0．9 g／cm3。

3 不同泥質含量對比研究

由于泥質含量容易堵塞篩管的孔喉直徑，降低生產后期油井產量，所以在防砂設計中，泥質含量對防砂方式的選取具有重要意義。參考表1數據，在試驗中把泥質含量分為5%、10%及20%3種不同的條件進行分析，同時考慮到地層的泥質極限。當儲層泥質含量很高時，在生產的過程中假設出砂全為泥質，為此在試驗過程中，考慮泥質極限情況，即相對應試驗配砂全為泥質。在試驗中考慮了泥質與產液量的相對含量為2%情況下的預充填防砂篩管的堵塞性能。為此，分別針對5種不同泥質含量分別進行預充填型篩管防砂性能的影響評價對比試驗，其相應的試驗條件如表2所示。

表2 不同泥質含量對比試驗的試驗條件　%

通過建立不同泥質含量下的防砂試驗模擬條件，對每組試驗測試防砂管的流量、出砂量等隨時間的變化規律，并對產出砂進行粒度測試，其試驗結果如圖2～3及表3所示。

表3 不同泥質含量下防砂管模擬試驗結果

圖2 不同泥質含量下流量對比

圖3 不同泥質含量下出砂量對比

由圖2可以看出，在生產初期，篩管流量都很高，隨著生產的進一步進行，同時防砂管堵塞，流量下降的很快，最后生產的產液量達到一個穩定狀態。5種泥質含量下預充填篩管模擬試驗米采指數隨生產液中的泥質含量的升高而降低。從圖示2還可以看出，在篩管模擬初期，4者的初始米采基本相同，隨著模擬試驗的進行，泥質含量越高篩管堵塞的越快，且穩定的越快，當泥質含量小于5%時，生產穩定后篩管的米采指數相近。同時，泥質含量大于10%時，穩定后的米采指數相近，說明泥質含量在5%～10%對篩管的堵塞影響較大，同時也可以明顯看出兩者之間前者的米采指數是后者的2．5倍。對于泥質含量總量為4%，主要是在泥質含量2%試驗穩定后，加倍添加粘土來增加泥質含量。從試驗結果看出，試驗流量隨著粘土的加入逐漸降低，但下降梯度不大，隨著試驗的進行，其流量趨于穩定。從產出粒徑分析，在沒有泥質含量的情況下，試驗的出砂粒徑大，說明地層砂在泥質的影響情況下，無論多少都會在篩管外壁形成泥餅，從而建立起防砂管外的新的擋砂屏障。由圖3可以看出，4者穩定后，油中的含砂量隨著泥質含量的增加而降低，采出液的含砂量都不高，遠低于海上油田防砂標準的門限值。

考慮到20～40目礫石的孔喉直徑為139．6mm，在相同的試驗條件下，同時利用經驗法（0．8～1．0d50）［8-11］確定海上油氣田常用的相同防砂精度（150μm）下的獨立優質篩管進行試驗，表4為不同泥質含量下獨立優質篩管試驗的測試數據。

表4 不同泥質含量下獨立優質篩管試驗的測試數據

圖4是優質篩管與預充填篩管穩定后米采指數比較圖，可知在相同的地層條件下，預充填篩管穩定后的米采指數較獨立優質篩管有很大的提高，其升高幅值在34%以上，同時預充填篩管的油中含砂量在0．01‰以下，基本上是獨立優質篩管防砂油中含砂量的20%以下，特別是當產出液中的泥質含量增高的情況下，產液強度提升效果更明顯，在泥質含量20%時，其產液量提升了將近64．2%，這說明預充填防砂篩管不同泥質含量條件下具有更好的地層適應性，其兼容了礫石充填防砂對泥質敏感弱的優點。

圖4 不同泥質含量下優質篩管與預充填篩管穩定后米采指數比較

4 不同含砂量對比研究

考慮到南海西部油田不同的地層條件，其巖石的孔隙度及滲透率不一樣，則在生產過程中，各油井的產量不盡相同，生產設計針對地層的相對物性建立對應的生產制度，這樣會引起生產過程中油層生產液中的含砂量不一樣，現根據南海西部地層出砂特性，建立了3種油砂比，分別進行3組不同油砂比（3%、6%、9%）下礫石預充填型篩管防砂性能的影響評價試驗，如圖5所示，試驗中泥質含量為10%。

圖5 不同油砂比下流量對比

從圖5可以看出，在相同的生產壓力初期，防砂管的過流流量都很高，隨著生產的進一步進行，流量逐漸降低并穩定。隨著地層產出液中含砂量的增加，預充填防砂篩管的米采指數下降，當地層強度越低，則在生產過程中，出砂可能性越大，同時出砂量越大，這樣對篩管的堵塞越嚴重。儲層在生產過程中，地層的出砂量對生產產量影響很大，當防砂管外環空流體的含砂量小于3%時，其對篩管的堵塞作用相對較小，含砂量增加對米采指數的影響很大，但在含砂量達到6%以后，其增加的幅度明顯減小，如圖6。

圖6 不同油砂比下出砂量對比

在相同的試驗條件下，選用海上油田最常用的150μm獨立優質篩管進行試驗，表5為不同油砂比下獨立優質篩管試驗的測試數據。

表5 不同油砂比下獨立優質篩管試驗的測試數據

圖7是優質篩管與預充填篩管穩定后米采指數比較圖，由圖示可知，在相同的地層條件下，預充填篩管穩定后的油中含砂量在0．03‰以下，基本上是獨立優質篩管防砂油中含砂量的10%以下，同時米采指數提高了19．6%～54．6%，這說明預充填防砂篩管在不同地層產出砂量的條件下具有更好的地層適應性。

圖7 不同油砂比下優質篩管與預充填篩管穩定后米采指數比較

5 不同生產壓差對比研究

對于不同的油井，生產壓差是配產中的重要參數，生產壓差的確定，即在一定程度上確定了油井的生產產量及油井生產過程中的出砂情況。在疏松砂巖或者弱膠結砂巖油藏中，生產井采用了不同的機械完井篩管，其同樣對產量有很大的影響。在試驗過程中，當試驗流量穩定0．5 h后，提高驅動壓差，進行下一個壓力的試驗，圖8～9是預充填防砂篩管在不同驅動生產壓差下的試驗結果。

圖8 預充填防砂篩管不同試驗壓力與流量原始數據

圖9 預充填防砂篩管不同試驗壓力的米采指數與出砂量曲線

由圖8～9可知，在試驗過程中，隨著生產壓差的增加，防砂后的產液流量會隨著壓力有個階梯性增大，并隨著試驗的進行逐漸穩定，但是相對應的米采指數隨著提升壓力的瞬間有個很大的波動，而后繼續趨于穩定，同時在壓力增大的瞬間，出砂量增大，說明提升壓力的同時打破了原有防砂管外砂橋的平衡，有部分砂粒通過防砂管隨白油產出，隨著壓力的穩定，在防砂管外重新建立新的砂橋，平衡砂粒分布。防砂管外的重新架橋說明試驗過程中出現了防砂解堵現象，更加印證了預充填型篩管在使用過程中不容易堵塞。表6為不同生產壓差下的獨立優質篩管防砂試驗的測試數據，分別測試了生產壓差在1、2、3mPa時防砂管的性能。通過對預充填篩管和獨立優質篩管的比較，發現相同的生產壓力條件下，試驗穩定后預充填防砂篩管的米采油指數比獨立優質篩管的高50%，這說明預充填篩管在相同的地層條件下比獨立優質篩管的適應性更好。通過不同生產壓差條件下的試驗可以看出，在生產過程中，調節油田的生產制度對長遠提高油田產量的意義不大，只能增加短時間內單井的產量。

表6 不同油砂比下獨立優質篩管試驗的測試數據

6 結論

1） 提高生產壓差時，預充填篩管有解堵現象發生，說明預充填篩管不易堵塞。但是，調節生產過程中的油井生產壓差，僅在短時間內有助于提高產量，并不能長效提高產量。

2） 通過防砂模擬試驗，發現米采指數與泥質含量及含砂量成反比關系，泥質含量在5%～10%對預充填防砂篩管的堵塞影響較大，前者的米采指數是后者的2．5倍。對于儲層泥質含量在5%～10%的地層可以通過室內防砂試驗比較的方法來進行防砂方式的選取，降低了海上油田的現場試驗費用。

3） 針對海上油田的儲層物性特點對預充填防砂篩管進行防砂試驗，分析了不同儲層物性（泥質含量和油砂比）下預充填篩管和常用獨立優質篩管的性能，預充填篩管的性能遠優于常用的優質篩管，如果能在海上油田完井防砂中廣泛使用，會大力提高海上油田的鉆完井效率及生產效率，使得海上油田的經濟收益最大化。

［1］ Syed H amid，G．Scott Lester，Darrell W．A dkins．A Fiber-O ptic InspectionSystemfor PrepackedScreens ［R］．SP E 53797，1999．

［2］ 周思宏．疏松砂巖油藏膨脹篩管裸眼防砂技術［J］．石油礦場機械．2007，36（4）：80-83．

［3］ Brow ne S V，Ryan D F，Cham bers B D，et al．Sim ple A pproach to the Cleanup of H orizontalW ellsWith Pre-packed Screen Completions［R］．SP E 30116，1995．

［4］ H arrison D J，JohnsonmH，Richard B．Comparative Study of Prepacked Screens［R］．SP E 20027，1990．

［5］ 鄒洪嵐，汪緒剛，鄧金根，等．大型疏松砂巖油藏出砂產能模擬試驗及防砂方式優選［J］．遼寧工程技術大學學報（自然科學版）2009，28（增刊）：142-145．

［6］ 王利華，鄧金根，周建良，等．適度出砂開采標準金屬網布優質篩管防砂參數設計試驗研究［J］．中國海上油氣，2011，23（2）：107-110．

［7］ 萬仁溥．現代完井工程（第三版）［m］．北京：石油工業出版社，2000：14-35．

［8］ RichardmH odge，Robert C Burton，Vernon Constien，et al．A n Evaluationmethod for Screen-O nly and Gravel-Pack Completions［R］．SP E 73772，2002．

［9］ RichardmH odge，Robert C Burton，Vernon Constien，et al．A n evaluationmethod for screen-only and gravelpack completions［R］．SP E73772，2002．

［10］ Sch wartz D．Successful Sand Control Design for High Rate Oil and W ater W ells［R］．SP E 2330，1969．

［11］ Saucier R S．Considerations in Gravel Pack Design ［R］．1996，SP E Reprint No．43．

Adaptability to the Formation Appraisal Analysis of Pre-Packed Screen in Offshore Oil Field

WENmin1，DENG Fucheng2，LIU Shujie1，CAO
Yanfeng1
（1．CNOOC Research Institute，Beijing100028，China；2．Yangtze University，Jingzhou434023，China）

Using screen independently or enlarge screen size to im prove production in China′s off- shore oilfield so metimes causes well sanding to be uncontrollable．In this paper，pre-packed screen is introduces，w hich design in sand controlis gravellay er．Based on the offshore oilfield formationcharacteristics，the pre-packed screen is used to research on the screen effect in sand control experiment．It is found that（1）the fluid productivity index permeter（FPIPm）is inversely proportional relationship with clay content and sand content．W hen the clay content is between 5%and 10%，the influence of the screen clogged is bigger．T he former FPIPmis 2．5 times of the latter．（2）Itis only for a short time to im prove the production with adjusting the draw dow n pressure．So this is not a good idea to increase production for a long time．A nd these results are analyzed comparatively with high quality sieve screen independent．Itis found that the formation adaptability of the pre-packed screen is wider than high quality sieve screen under the offshore oilfield formation．So the pre-packed screen ismore satisfy the sand control requirements．

pre-packed screen；offshore oilfield；formation adaptability；sand control

T E925．307

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．008

2014-11-23

國家科技重大專項（2011Z X05024-003-02）

文 敏（1982-），女，湖北荊門人，工程師，碩士，2008年畢業于中國石油大學（北京），現主要從事鉆完井工藝及技術研究。