井樓油田礫石充填防砂參數優化實驗研究

高凱歌,董長銀,趙　林,劉浩伽,韓博宇

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580；2.中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院)

?

井樓油田礫石充填防砂參數優化實驗研究

高凱歌1,董長銀1,趙林2,劉浩伽1,韓博宇2

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580；2.中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院)

礫石層和機械篩管是礫石充填防砂的關鍵組成部分，其類型和性能決定了擋砂效果和防砂井產能。井樓油田井樓7區塊油藏出砂嚴重，為優選礫石層充填方式和機械防砂篩管精度，使用擋砂介質性能評價裝置，模擬現場條件對3種礫石層及8種不同篩管樣本進行擋砂介質性能評價實驗。根據動態實驗數據計算得到擋砂介質的流通性能、擋砂性能、抗堵塞性能的量化評價指標，并針對井樓7區塊進行了礫石充填防砂參數優選。

井樓油田； 礫石充填防砂；性能評價； 擋砂驅替實驗

疏松砂巖油藏由于自身膠結程度差、非均質性強，在生產過程中普遍存在出砂問題。礫石充填防砂是目前廣泛使用的防砂方式之一，擋砂介質的主要作用是有效阻擋地層砂侵入井筒并保持一定滲透率使油氣暢流入井[1]，礫石層的性能決定了防砂井產能及防砂有效期。目前井樓油田井樓7區塊防砂篩管主要為擋砂精度為0.15 mm、0.20 mm的繞絲篩管和復合篩管，外徑分別為108 mm和202 mm，采用0.3～0.6 mm和0.425～0.85 mm兩種尺寸石英砂進行雙級礫石充填。相對于單級礫石充填，雙級礫石充填的成本更高、施工難度更大。為降低施工成本的同時保證良好的防砂效果，礫石層充填方式、礫石尺寸以及機械篩管精度的優選是目前井樓7區塊防砂決策的主要問題之一。

近年來，國內外學者針對礫石層及篩管防砂性能評價進行了大量研究，而實驗檢測是研究的主要技術手段之一[2-11]。針對上述問題，本文使用自行研制的防砂篩管與礫石層特性評價微觀驅替模擬實驗裝置，對3種礫石層和8種篩管樣品進行性能評價實驗，并對井樓油田進行礫石充填防砂參數優化。

1　實驗條件與方法

1.1擋砂介質性能評價實驗原理

擋砂介質性能評價實驗直接模擬地層流體攜帶地層砂沖擊擋砂介質，并模擬擋砂介質的擋砂及堵塞過程。流體攜帶的地層砂使用目標區塊的地層砂，以穩定的含砂率長時間驅替，同時測量機械篩管短節管壁和礫石層兩側的驅替流量、壓差和過砂量。在驅替過程中，由于地層砂的堵塞作用，擋砂介質兩端的驅替壓差和流量會發生變化，通過測量擋砂介質兩端壓差和流量，根據達西公式求出擋砂介質的滲透性變化。

1.2實驗裝置與實驗方法

擋砂介質性能評價實驗采用防砂篩管與礫石層特性評價微觀驅替模擬實驗裝置，由主體裝置、儲液罐、混砂器、泵、壓差與流量計以及數據采集系統組成，本次實驗使用徑向流驅替部分。

實驗使用一致的流體黏度、初始驅替流量、地層砂。隨著地層砂侵入，地層發生堵塞，擋砂介質兩端壓差及流量發生變化。當壓差、流量長時間趨于穩定后，說明堵塞橋架達到平衡狀態，可以結束實驗。

1.3實驗材料與實驗條件

本實驗在室溫條件下實施，溫度約為20 ℃，管線出口壓力均為大氣壓，實際壓力取決于實驗排量、篩管與礫石層堵塞程度和流動阻力。

井樓油田為稠油油藏蒸汽吞吐開采，經過測算，實驗流體采用2～10 mPa·s的增黏水。地層砂使用井樓7區塊Ⅳ2-3油層產出砂數據進行復配，粒度中值為0.229 mm，均勻系數為1.596(編號為S1)；篩管樣品共8種，樣品短節長度240 mm，有效滲率長度210 mm；實驗使用3種充填礫石層，具體見表1和表2所示。

對于徑向流雙粒級充填方式，靠近篩管外壁處充填0.425～0.8 mm礫石，靠近模擬井筒內壁處充填0.3～0.6 mm礫石。

表1　實驗篩管短節樣品

表2　實驗使用充填礫石

2　實驗結果分析

性能良好的擋砂介質不僅要有效地阻擋地層砂進入井筒，還要在整個生產過程中保持一定滲透性以保持油井產能。實驗中使用實時數據進行計算，使用流通性能指標、擋砂性能指標、抗堵塞性能指標以及擋砂介質的綜合性能指標來評價擋砂介質的防砂性能優劣，具體計算方法見文獻[12-13]。

2.1篩管尺寸優選實驗結果分析

為檢驗不同篩管尺寸(礫石層充填厚度)對防砂效果的影響，使用外徑分別為108 mm、202 mm的繞絲篩管和復合篩管、A2(0.425～0.85 mm)礫石層以及黏度為2～10 mPa·s的瓜膠溶液進行徑向驅替實驗，擋砂介質滲透率變化曲線如圖1和圖2所示。

圖1　井樓7區塊地層砂A2礫石不同復合篩管尺寸滲透率變化曲線

由實驗結果可知，在井筒尺寸相同條件下，4種擋砂介質在驅替過程中滲透率變化規律相似，均隨地層砂的堵塞作用而逐漸降低并最后保持穩定。使用大尺寸篩管會導致礫石層變薄，驅替過程中地層砂侵入區域比例占全部礫石層厚度較高，導致總體滲透率下降較快，整個驅替過程中的平均滲透率和最終滲透率都較低；而使用尺寸較小的篩管可獲得相對厚的礫石層，堵塞過程雖有地層砂侵入，但侵入區域所占總礫石層厚度的比例較低，驅替過程中的滲透率下降較慢，并且最終滲透率較高。

圖2　井樓7區塊地層砂A2礫石不同繞絲篩管尺寸滲透率變化曲線

根據實驗結果分析，針對井樓油田井樓7區塊礫石充填防砂，推薦使用較小規格尺寸(77/108 mm)的篩管，以獲得較高的充填層厚度和較高的總體滲透率和流通性能。因此，后續擋砂介質徑向流驅替實驗均使用外徑為108 mm的機械篩管。

2.2礫石層充填粒級及礫石尺寸優選實驗分析

使用相同的機械篩管、地層砂樣品及實驗參數分別進行A1(0.3～0.6 mm單粒級充填)、A2(0.425～0.850 mm單粒級充填)、A3(兩種礫石雙粒級充填)防砂效果評價實驗，對比單粒級礫石充填和雙粒級礫石充填的防砂效果。

2.2.1 地層砂和F1復合篩管不同充填層實驗結果對比

使用F1復合篩管進行支撐，分別使用A1、A2、A3礫石層進行充填，使用井樓7區地層砂和黏度為2～10 mPa·s的瓜膠溶液進行驅替實驗。擋砂介質滲透率變化曲線如圖3所示，計算得到的各項性能指標如圖4所示。由實驗結果可知，3組驅替實驗中均未觀察到地層砂通過擋砂介質，說明3種充填方式均能滿足擋砂要求，擋砂性能指標均為1； A3(雙粒級)礫石層的流通性能指標為1.0，綜合流通性能最好；A2的流通性能指標為0.81，略低于A3，但相差不大；礫石層流通性相對較差；A1礫石由于粒徑較細，地層砂不易侵入，表現出較強的抗堵塞性； A3礫石層和A2礫石層的抗堵塞性略差； A3充填方式的綜合性能指標為1.0，綜合性能最好；A2的綜合指標為0.86，與A3相差不大。

圖3　井樓7區塊地層砂F1復合篩管=三種充填方式實驗的滲透率變化對比

圖4　S1F1三種充填方式各項性能指標對比

2.2.2 不同充填層實驗結果對比

使用R2繞絲篩管進行支撐，分別使用A1、A2、A3礫石層進行充填，使用井樓7區塊地層砂和黏度為2～10 mPa·s的瓜膠溶液進行驅替實驗。擋砂介質滲透率變化曲線如圖5所示，計算得到的各項性能指標如圖6所示。

圖5　井樓7區塊地層砂R2繞絲篩管　　　三種充填方式實驗的滲透率變化對比

圖6　S1R2三種充填方式各項性能指標對比

由實驗結果可知，3組驅替實驗中均未觀察到地層砂通過擋砂介質，說明3種充填方式均能滿足擋砂要求，擋砂性能指標均為1；A3(雙粒級)礫石層的流通性能指標為1.0，綜合流通性能最好；A2的流通性能指標為0.82，略低于A3但相差不大；A1礫石由于粒徑較細，地層砂不易侵入，表現出較強的抗堵塞性； A3充填方式的綜合性能指標為0.91，綜合性能最好；A2的綜合指標為0.84，與A3相差不大。

根據實驗結果分析，針對井樓7區塊復合篩管礫石充填，推薦采用0.425～0.850 mm單粒級礫石充填方式，既能保證擋砂效果，又可以保持一定的流通性能，并可以簡化施工程序，降低施工成本。

2.3篩管擋砂精度優選實驗結果分析

2.3.1 不同篩管精度優選實驗結果對比

使用F1、F2、R1、R2四種外徑為108 mm、精度分別為0.15、0.20 mm的復合篩管和繞絲篩管，A2和A3礫石層，井樓7區塊地層砂，以及黏度為2～10 mPa·s的瓜膠溶液進行實驗。實驗結果表明，對于礫石充填情況下的防砂效果，起主要作用的是礫石層，篩管僅起到支撐礫石層的作用，對其他性能影響不大。因此，無法在礫石充填情況下對篩管精度進行優選，需要進行篩管直接阻擋地層砂性能評價實驗。

2.3.2 直接阻擋地層砂篩管擋砂精度優選

在礫石充填條件下，礫石層主要起到擋砂作用。對于井樓7區塊，由于采用蒸汽吞吐熱采方式，交替注熱和生產可能會使礫石層失效，在此情況下，篩管就將承擔防砂功能。

使用F1、F2、R1、R2四種外徑為108 mm，精度分別為0.15、0.20 mm的復合篩管和繞絲篩管，井樓7區地層砂，清水進行驅替實驗，模擬現場礫石充填層失效、篩管直接防砂的情況。4種篩管在實驗過程中滲透率變化曲線如圖7所示，過砂率對比如圖8所示。

圖7　不同篩管直接阻擋地層實驗滲透率變化

由實驗結果可知，隨著驅替進行，不同精度的繞絲篩管和復合篩管滲透率均隨時間下降；精度0.15 mm和0.20 mm的復合篩管的過砂率分別為9.3%和13%；而相應精度的繞絲篩管的過砂率只有0.85%和1.80%，即精度為0.15 mm篩管的擋砂效果要明顯好于精度為0.20 mm篩管。因此，針對井樓7區塊蒸汽吞吐的生產條件，當礫石層失效后篩管會直接面對地層砂，推薦選擇0.15 mm精度機械篩管進行防砂。

圖8　不同精度篩管過砂率對比

3　結論與建議

(1)礫石層充填方式、礫石尺寸以及機械篩管精度的優選是目前井樓油田井樓7區塊防砂決策的主要問題之一，本文通過大量物模實驗，對各項礫石充填防砂參數進行系統分析，并基于實驗結果給出了優選推薦。

(2)針對井樓7區塊地層砂(粒度中值0.229 mm)，3種礫石充填方式A1(0.30～0.6 mm)、A2(0.425～0.85 mm)、A3(兩種粒級復合)礫石層均能滿足擋砂要求。A1礫石層表現出較好的抗堵塞性；A2礫石層和A3礫石層的流通性能較好；A2礫石層和A3礫石層的綜合性能均較好，A3礫石層的綜合防砂性能更好一些。但考慮簡化防砂設計和施工程序以及降低施工成本等因素，對于井樓7區塊地層砂推薦采用A2單粒級礫石充填方式。

(3)根據實驗結果分析，規格尺寸較小的108 mm復合篩管和繞絲篩管能獲得相對較厚的礫石層，驅替過程中的滲透率下降較慢，且最終滲透率較高。對于井樓7區塊地層砂，推薦使用較小規格尺寸的(77/108 mm)的防砂篩管，以獲得較厚的礫石充填層、較高的總體滲透率和流通性能。

(4) 限于實驗條件，實驗流體使用清水和增黏水進行，實際油井中多為油氣水混合物，情況更加復雜。建議后續采用更接近于實際現場條件的高黏流體開展進一步實驗研究。

[1]董長銀.油氣井防砂理論與技術[M].山東青島：中國石油大學出版社，2012：38-46.

[2]王曉彬,唐慶,牛艷花,等.水平井防砂篩管評價實驗[J].石油鉆采工藝,2011,33(5):49-52.

[3]施進,李鵬,賈江鴻,等.篩網式濾砂管擋砂效果室內試驗[J].石油鉆探技術,2013,41(3):104-108.

[4]祁大晟,裴柏林.塔里木盆地東河油田機械防砂物理實驗研究[J].天然氣地球科學,2008,19(1):133-136.

[5]王曉彬,劉民,董云龍,等.大港油田水平井篩管完井擋砂參數優化研究[J].石油地質與工程,2014,28(2):129-131.

[6]陳宗毅,王偉章,陳陽,等.防砂方法優選模擬試驗裝置[J].石油機械,2006,34(6):8-10.

[7]張磊,曹硯鋒,潘豪,等.基于防砂模擬試驗裝置的礫石充填防砂參數優化設計研究[J].長江大學學報(自科版),2015,(26):70-73.

[8]董長銀,賈碧霞,劉春苗,等.機械防砂篩管擋砂介質堵塞機制及堵塞規律試驗[J].中國石油大學學報(自然科學版),2011,35(5):82-88.

[9]朱春明,王希玲,張海龍,等.礫石充填層滲透率實驗研究[J].海洋石油,2015,35(1):67-69,73.

[10]王志剛,李愛芬,張紅玲,等.礫石充填防砂井礫石層堵塞機理實驗研究[J].石油大學學報(自然科學版),2000,24(5):49-51.

[11]胡才志,裴柏林,李相方,等.礫石充填井堵塞機理實驗研究[J].石油大學學報(自然科學版),2004,28(3):40-42.

[12]董長銀,崔明月,彭建峰,等.氣田水平井防砂篩管類型優選與精度優化試驗[J].中國石油大學學報(自然科學版),2015,39(6):104-109.

[13]王地舉,董長銀,彭元東,等.春光油田白堊系儲層機械防砂篩管性能評價與優選實驗[J].科學技術與工程,2015,15(25):120-124.

編輯：王金旗

1673-8217(2016)05-0113-04

2016-04-27

高凱歌，1993年生，中國石油大學(華東)在讀碩士研究生，從事采油工程、防砂完井方向研究。

TE345

A