微顆粒成分對金屬網布篩管的堵塞機理實驗研究

鄧福成，林海，曹硯鋒，潘豪，閆偉

1 長江大學機械工程學院，荊州 424023 2 湖北省油氣鉆完井工具工程技術研究中心，荊州 424023 3 中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459 4 中海油研究總院，北京 100028 5 中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249

微顆粒成分對金屬網布篩管的堵塞機理實驗研究

鄧福成1,2,5*，林海3，曹硯鋒4，潘豪4，閆偉5

1 長江大學機械工程學院，荊州 424023 2 湖北省油氣鉆完井工具工程技術研究中心，荊州 424023 3 中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459 4 中海油研究總院，北京 100028 5 中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249

針對金屬網布篩管被地層砂中微顆粒堵塞而造成低產或停產的情況，展開微顆粒對金屬網布篩管堵塞機理的研究，提出微顆粒成分及出砂次序對金屬網布篩管堵塞機理的影響。利用油氣井防砂模擬實驗裝置模擬了微顆粒防砂過程中金屬網布篩管的堵塞過程及堵塞機理，分析了影響金屬網布篩管堵塞程度的因素及規律。結果表明：(1) 金屬網布篩管對微顆粒中蒙脫石含量非常敏感，蒙脫石含量越高，堵塞越嚴重，產能下降越快，致使其產生嚴重堵塞的蒙脫石含量分界線為10%。(2)微顆粒混合組分越多，金屬網布篩管堵塞速度越快，堵塞程度越嚴重；微顆粒組分為單一組分時，純蒙脫石堵塞后的米采指數最小。(3)篩管外泥餅顆粒外粗內細、明顯分層，說明黏土的水化膨脹性及泥餅的形成是造成金屬網布篩管孔喉堵塞的重要原因。

防砂微顆粒；金屬網布篩管；堵塞；泥質含量；含砂量

0 前言

理論防砂設計時，主要考慮的因素包括：①生產井儲層強度情況；②油藏孔隙壓力情況；③初始防砂成本；④可靠性和防砂產能；⑤完井維修費用；⑥地層砂的分布形式[1]。但現場選用篩管類型時考慮最多的是防砂的可靠性及地層的粒度分布形式[2]。國內外對防砂方式設計及篩管類型選擇開展了很多研究。如礫石尺寸設計時用到Saucier法則：5～6倍地層砂粒度中值(d50)[3]。優質篩管精度設計時用到Schwartz方法[4]：主要考慮UC(d40/d90)分布范圍和地層砂粒度的特征值d10、d40、d70。割縫篩管及繞絲篩管精度設計時用到Stain和Coberly方法[5]：主要考慮地層砂粒度的特征值d85和d10。以上方法雖然已在現場使用，但在設計過程中未考慮地層砂中的微顆粒部分，特別是在深海深水油氣藏中。

微顆粒可分為細粉砂顆粒(d50≤45 μm)和泥質(d50= 2 μm)。對于細粉砂含量較高的地層，油田現場防砂設計時主要是采用礫石充填與其他篩管配合使用的方式。后來Tiffen在防砂設計時引入了2個新參數來評價地層砂的粒度分布[6]：分選系數SC(d10/d95)及細顆粒含量(地層砂中小于45 μm顆粒所占總量的質量百分比)，對于泥質含量或細粉砂含量高的地層主要采用礫石充填完井。Temana油田[7]細顆粒含量(<45 μm)=35%，生產初期采用礫石充填，而后發現該方法表皮系數很高，一部分井采用了繞絲篩管防砂，但要限制生產壓差。

調研發現，目前對微顆粒成分(<45 μm)對防砂方式影響的研究很少，雖然礫石充填的效果較好，但礫石充填的成本是獨立優質篩管的好幾倍，如果在完井設計中普遍采用礫石充填不僅會增加完井操作時間，同時也會大幅增加完井成本。本文針對油田常用的金屬網布篩管，利用防砂實驗，研究微顆粒含量及組分對金屬網布篩管堵塞機理的影響，分析微顆粒含量較高時，金屬網布篩管的選擇機制。

1 金屬網布篩管堵塞機理實驗

1.1 實驗目的及實驗裝置

以往研究防砂篩管的防砂性能都是基于單個防砂單元進行比較評價的，此類模擬實驗尺寸小，與實際生產條件有很大的差異。為此，筆者利用中國石油大學(北京)的油氣井防砂模擬實驗裝置[8-9]完成了一系列的比較評價實驗，如圖1所示。該實驗是基于全尺寸防砂管進行的，利用隔膜泵和安全閥等一系列設備模擬穩定油藏的生產條件，并進行有圍壓情況下的井筒內油砂混合液徑向流動規律評價實驗，可以更好地從整體上去評價篩管的性能。實驗過程中，通過對流量、壓力、出砂量等參數進行測量，便可分析不同完井條件下油井產量與出砂量隨時間的變化規律。

1.2 實驗分析原則

為了評價金屬網布篩管在模擬生產過程中的性能，同時為了滿足實際實驗要求，即平衡防砂與產能之間的矛盾，尋求一種適合油氣田長期開發的防砂方式，提出了在保證防砂效果的前提下盡可能提高產能的原則。因此，需要研究不同防砂方式下出砂量和產能的變化規律，以此來評價金屬網布篩管的抗堵塞性能。本文所述出砂量是每次實驗收集到的產出砂結合產液量計算得到的出砂濃度，產量可用米采液指數來計算[10]，見公式(1)。

式中：J—米采液指數，m3/(m·d·MPa)；

Q—流量，m3/d；

h—防砂管有效過流長度，m；

pr—儲層壓力，MPa；

pbf—井底流體壓力，MPa。

圖1 金屬網布防砂管防砂效果及抗堵能力評價裝置流程圖Fig. 1 Evaluation device of sand control effect and anti-choking ability of the metal mesh screen

2 微顆粒對金屬網布篩管的堵塞機理實驗

2.1 蒙脫石含量對金屬網布篩管堵塞的影響

實驗用砂粒度中值d50為146 μm，均質系數UC為7；泥質含量Vsh黏土礦物總含量為0～20%；防砂管尺寸為5 1/2”；金屬網布篩管防砂參數為150 μm；實驗流體為白油，黏度100 mPa·s；生產壓差為2 MPa。共進行了5組不同蒙脫石含量的金屬網布篩管防砂模擬實驗，對每組實驗測試其通過防砂管的流量、防砂管壓差、出砂量等參數，并進行激光粒度測試分析，測試數據如表1所示，實驗結果如圖2所示。

根據金屬網布篩管在不同蒙脫石含量下，實驗穩定后的產能、出砂量和產出砂的粒徑變化得出：(1)金屬網布篩管防砂穩定后產能均隨蒙脫石含量的增加而降低，金屬網布篩管受蒙脫石含量影響明顯，產能下降較快。這說明金屬網布篩管對微顆粒中蒙脫石的含量非常敏感，蒙脫石水化膨脹后在篩管表面形成泥餅后造成堵塞，降低了篩管過流能力及其抗堵塞能力。縱然金屬網布篩管有一定的自潔能力，但是當實驗蒙脫石含量達到10%后，篩管外壁形成泥餅的速度超過了其自身抗堵塞能力，由于篩管外層泥餅的存在降低了篩管的過流能力，致使篩管在實驗過程中的米采指數急劇下降。(2)蒙脫石含量超過10%后由于膨脹而加劇堵塞，形成泥餅，只有少量泥質和極細砂粒產出。可見蒙脫石在金屬網布篩管防砂時，易形成泥餅，是影響防砂方式選擇與產能發揮的關鍵因素。

2.2 微顆粒成分對金屬網布篩管的堵塞機理

建立金屬網布篩管在不同微顆粒組分下的防砂模型，實驗過程中主要采用的模擬條件如下：①細粉砂含量為100%；②伊利石含量100%；③蒙脫石含量100%；④蒙脫石和伊利石分別占比為50%；⑤細粉砂、蒙脫石和伊利石分別占比為33.33%。實驗過程中，每次實驗的總體含砂量為6%，采用的防砂篩管擋砂精度為60 μm，在實驗開始前，將微顆粒組分均勻混合后加入實驗油中，實驗結果如圖3所示。

表1 不同蒙脫石含量下，金屬網布篩管出砂模擬實驗結果Table 1 The results of the metal mesh screen sanding simulation experiments with different montmorillonite contents

圖2 不同蒙脫石含量下，金屬網布篩管產能和出砂量對比實驗Fig. 2 The capacity and sand production of the metal mesh screen with different montmorillonite contents

從圖3可以明顯看出，當微顆粒組分為純蒙脫石或細粉砂時，流量在開始階段均出現先降后增趨勢，但前者趨勢相較后者不明顯。說明在防砂初期，篩管表面迅速形成泥餅(蒙脫石水化膨脹)或建立有效砂拱(細粉砂在篩管表面架橋)，過濾單元的有效過流面積減小，流量降低。隨著實驗進行，由于篩管表面堵塞后產生的不均勻過流速度，使泥餅堵塞面積略微減小或砂拱失效，使過流面積增大，內外表面建立的壓差效應弱化，流量增大。但泥餅的致密性受不均勻流速的影響比砂拱小，所以砂拱失效后流量增加幅度更大，細粉砂作用條件下流量達到穩定的時間比蒙脫石的長。伊利石條件下對壓力不敏感，實驗前期未出現流量先降后增的趨勢。細粉砂作用條件下，穩定后流量最高，伊利石次之，蒙脫石最低。

在蒙脫石和伊利石雙重作用下，實驗初期流量急劇下降，分析認為在這一階段蒙脫石水化膨脹效應起主要作用，與蒙脫石單獨作用表現趨勢相似，流量先降后增，但增加的幅度并不大。該現象表明一旦油井見水，黏土礦物中蒙脫石的水化膨脹作用將導致篩管表面快速形成泥餅，因堵塞程度不均導致產生不均勻過流速度，但泥餅的致密性對流速的不均勻性不敏感。此外，單純蒙脫石作用致使流量下降值比二者共同作用的小，主要是因為單純蒙脫石膨脹形成的泥餅單獨作用不及伊利石和膨脹的蒙脫石共同作用形成的泥餅強。在蒙脫石、伊利石和細粉砂三者共同作用條件下，穩定后流量比蒙脫石和伊利石共同作用的低。主要是由于泥餅和砂拱共同作用條件下，篩管表面堵塞程度最高，不均勻流速已不能打破其平衡程度，對流速敏感的砂拱不能滿足建立—打破—再建立條件，即壓力擾動現象不明顯，甚至不存在。

總體來說：(1)純細粉砂對篩管的堵塞速率最慢，篩管過濾單元堵塞后有效過流面積較大，穩定后流量相比其他條件高。(2)伊利石、蒙脫石和細粉砂三者綜合作用時，篩管堵塞速率最快，較短時間內流量達到穩定，且其值最低。其原因可解釋為微顆粒混合組分越多，泥餅和砂拱共同作用越強，篩管堵塞程度越嚴重，有效過流面積越小，致使流量快速下降并迅速達到穩定值。(3)伊利石和蒙脫石共同作用時，受致密泥餅和蒙脫石水化膨脹共同影響，穩定后流量比單純蒙脫石或伊利石的低。

2.3 出砂次序對金屬網布篩管的堵塞機理

在防砂設計中，微顆粒組分及含量對防砂方式的選取有非常重要的影響，特別是泥質容易堵塞篩管的孔喉，降低生產后期油井產量。當儲層泥質含量很高時，假設生產的過程中地層所出砂全為泥質，此時的實驗條件為地層出砂的極限條件，結合油氣藏在生產過程中的出砂秩序，地層出砂首先是儲層中游離的微顆粒(泥質和微量細粉砂)，而后一旦發生地層骨架砂破壞將會引起大量出砂(骨架砂破壞初始出砂也為細粉砂)。本實驗為了模擬儲層生產初始出砂及骨架砂破壞初始出砂的過程，設計了以下實驗，其實驗過程共分5步。

圖3 金屬網布篩管在不同微顆粒組分條件下的米采指數Fig. 3 The oil-production index per meter of the metal mesh screen blocked by micro particles with different contents

(1)在實驗油中混入1 kg的黏土，此時黏土比例為4‰(泥質與實驗油質量之比)。通過觀察出油口油品顏色判定，初期油品中含有一定量黏土，20 min后，油品變清。(2)在實驗油中再混入1 kg黏土，此時黏土比例為8‰。觀察出油口油品顏色，判定初期油中含有一定量黏土，20 min后，油品變清。較第一次添加的黏土量來說，其流量降低不明顯。(3)繼續在實驗油中混入5 kg黏土，此時黏土比例為2.8%。觀察出油口油品顏色，判定初期油品中同樣含有一定量黏土，20 min后，油品變清。(4)流量穩定后繼續加入4 kg黏土，此時黏土比例達到4.8%。觀察油品顏色，初期3 min內，油品顏色有些許變黃，而后變清。(5)實驗流量穩定后，繼續向混砂罐中加入5.77 kg細粉砂(標準工業目數160～200 目)，實驗流量繼續下降。圖4為實驗過程中的米采指數曲線。

圖5所示為實驗后防砂管外側的泥餅結構。觀察可見泥餅有明顯分層，緊貼防砂管外壁的顆粒非常細膩，判定其組分應為黏土，泥餅外表面顆粒度較內層粗，明顯為細粉砂顆粒。證明在實驗過程中，黏土首先在防砂管外形成了泥餅，實驗中加的黏土和細粉砂繼續在最初形成的泥餅外堆積，泥餅厚度逐漸增加，同時流量逐漸下降。由此認為，黏土的水化膨脹性及泥餅的形成是造成金屬網布篩管孔喉堵塞的重要原因。

圖4 黏土和細粉砂作用下篩管的實驗流速和壓力Fig. 4 The flow rate and pressure raw data of the metal mesh screen blocked by clay and fine-silty sand

圖5 實驗篩管外泥餅斷面圖Fig. 5 The mud cake profile of the screen

3 結論

(1)金屬網布篩管防砂穩定后的產能隨蒙脫石含量的增加而降低，且下降程度較快。蒙脫石含量在10%左右時，形成的泥餅超過自身抗堵塞能力，防砂效果最差。

(2)微顆粒組分越多，金屬網布篩管堵塞越快；顆粒組分越多，對篩管的堵塞能力越強。

(3)出砂次序對篩管的堵塞效果沒有影響，但篩管外的泥餅結構不同，有次序的出砂會在篩管外產生分層明顯的泥餅。

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Experimental study of plugging mechanisms of metal mesh screens with different particle compositions

DENG Fucheng1,2,5, LIN Hai3, CAO Yanfeng4, PAN Hao4, YAN Wei5
1 School of Mechanical Engineering, Yangtze University, Jingzhou 424023, China 2 Hubei Province Engineering Research Centers of Oil & Gas Drilling and Completion Tools, Jingzhou 424023, China 3 CNOOC China Limited, Tianjin Branch, Tianjin 300451, China 4 CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China 5 College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum-Beijing, Beijing 102249, China

The micro-particles in oil and gas reservoir sand can block the metal mesh used to stop sand particles entering the product stream, which will cause the production to decrease or shutdown. In order to help resolve these problems, this paper studied the mechanisms of micro-particles plugging metal mesh. The plugging mechanisms of metal mesh screen caused by different micro-particles compositions at different sand production sequences were put forward. The oil and gas well sand control simulation experimental device was used to study the plugging process, plugging mechanisms and effects of the metal mesh screen on the sand control process by micro-particles. The factors affecting the degree of plugging of the metal mesh screen was also studied here. The results show that: (1) The metal mesh screen plugging is very sensitive to the montmorillonite content of the micro-particles. The higher the montmorillonite content, the more rapidly the production capacity decreased. The boundary of the serious blockage of montmorillonite contents is 10%. (2) The more components of the micro-particles, the faster the metal mesh screen was blocked, and the blockage was more serious. When the micro-particles are a single group, the oil well production index of the blocked screen pipe with pure montmorillonite is minimum. (3) The mud cake outside the screen is apparently layered. It shows that the hydration swelling characteristics of clay and the formation of the mud cake are two important factors that cause the pore throat blockage of the metal mesh screen.

micro-particles; metal mesh screen; plug; montmorillonite content; sand content

*通信作者, dengfucheng128@163.com

2017-02-13

國家自然科學基金(51504040)、湖北省技術創新重大項目(2016ACA181)和長江青年基金(2015cqn43)聯合資助

鄧福成, 林海, 曹硯鋒, 潘豪, 閆偉. 微顆粒成分對金屬網布篩管的堵塞機理實驗研究. 石油科學通報, 2017, 04: 500-506

DENG Fucheng, LIN Hai, CAO Yanfeng, PAN Hao, YAN Wei. Experimental study of plugging mechanisms of metal mesh screens with different particle compositions. Petroleum Science Bulletin, 2017, 04: 500-506. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2017.04.046

10.3969/j.issn.2096-1693.2017.04.046

(編輯 馬桂霞)