油井出砂可視化模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程遠(yuǎn)方, 張懷文,2, 滕 飛, 韓忠英, 閆傳梁

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院, 山東 青島 266580; 2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院, 北京 102206)

在石油工業(yè)中,油井生產(chǎn)出砂是世界范圍內(nèi)的普遍問(wèn)題,每年用于此項(xiàng)研究的經(jīng)費(fèi)支出高達(dá)數(shù)億美元之巨[1-2]。油井出砂是指油井在生產(chǎn)過(guò)程中,由于地質(zhì)條件、開(kāi)采方式以及措施作業(yè)等各種綜合因素,使井底附近地層的巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致地層離散砂或脫落砂被地層產(chǎn)出流體攜帶進(jìn)入井筒,從而對(duì)油氣井生產(chǎn)造成一系列不利影響的過(guò)程或現(xiàn)象[3-4]。油田開(kāi)發(fā)出砂發(fā)生在地層深處,地層出砂過(guò)程在地面無(wú)法直接觀測(cè)。隨著油井生產(chǎn)的進(jìn)行和各種增產(chǎn)措施的實(shí)施,儲(chǔ)層變得更加復(fù)雜,使得油井出砂的研究更為困難[5-6]。

室內(nèi)油氣出砂模擬實(shí)驗(yàn)是通過(guò)模擬井眼及其生產(chǎn)環(huán)境來(lái)研究影響地層出砂的因素,從而將理論出砂模型與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合[7-8]。由于目前油井出砂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備核心部件是高壓井筒,無(wú)法直接觀測(cè)油井出砂時(shí)巖石的形態(tài)變化,為此筆者根據(jù)油井出砂模擬研究經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)了一套油井出砂可視化模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng),利用多發(fā)多收聲波探測(cè)方法,通過(guò)交叉路徑波速探測(cè),檢測(cè)整個(gè)巖樣出砂的位置和幾何形態(tài),實(shí)現(xiàn)了出砂研究的可視化,可以讓學(xué)生更為直觀的認(rèn)識(shí)油井出砂,進(jìn)而讓學(xué)生更好地探索油井出砂機(jī)理,設(shè)計(jì)油井防砂方案。

1 油井出砂可視化模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油井出砂可視化模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由填砂管主體、壓力控制部分、測(cè)量部分、出口分離計(jì)量部分、數(shù)據(jù)采集部分、聲波監(jiān)測(cè)部分等組成。圖1為整個(gè)系統(tǒng)的連接圖。填砂管內(nèi)部直徑為100 mm,高520 mm,耐壓50 MPa。

圖1 油井出砂可視化模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)步驟:(1)制備巖樣,將配制的砂土混合物分多次填入填砂管(見(jiàn)圖2)中,每填一層,都進(jìn)行壓實(shí)。最后對(duì)整個(gè)巖樣加載軸壓,壓力控制為預(yù)設(shè)壓力,加載時(shí)間為30 min；(2)打開(kāi)恒溫箱,調(diào)節(jié)填砂管溫度為實(shí)驗(yàn)溫度；(3)打開(kāi)恒流泵,通過(guò)調(diào)節(jié)流量控制入口壓力,形成不同的驅(qū)替壓差；(4)打開(kāi)超聲波監(jiān)測(cè)儀,對(duì)填砂管內(nèi)的砂體進(jìn)行聲波監(jiān)測(cè)并采集聲波數(shù)據(jù)；(5)記錄各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 填砂管主體

1.2 聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

巖樣聲波監(jiān)測(cè)儀采用揚(yáng)州東方超聲科技公司的巖樣聲波監(jiān)測(cè)儀(見(jiàn)圖3),主要技術(shù)參數(shù):發(fā)射電壓為10～1 000 V連續(xù)可調(diào)；多點(diǎn)四道寬帶接收機(jī)工作頻率為10 kHz～1 MHz；AD/DA轉(zhuǎn)換器時(shí)間測(cè)讀范圍為0～1 000 μs；φ30 mm聲波換能器耐壓為50 MPa,頻率350～650 kHz。

圖3 巖樣聲波監(jiān)測(cè)儀

該套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)填砂管內(nèi)砂體的波速變化,可以判斷巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化,從而判斷出砂位置。聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括聲波監(jiān)測(cè)儀和聲波換能器。聲波換能器成對(duì)、呈直線分布在填砂管管體的兩側(cè)(見(jiàn)圖2)。聲波探頭穿過(guò)填砂管管壁與填砂管內(nèi)的巖樣緊密貼合。

該套設(shè)備測(cè)試范圍廣,可以完成對(duì)大體積、大長(zhǎng)度巖樣的縱波測(cè)量,同時(shí)可以完成一發(fā)多收,多點(diǎn)發(fā)射、多點(diǎn)多通道接收,定時(shí)自動(dòng)采集。

2 巖樣出砂多發(fā)、多收超聲波探測(cè)方法

聲波監(jiān)測(cè)使用的是超聲波監(jiān)測(cè)[9-10],一般采用頻率在20 kHz～1 GHz范圍內(nèi)的聲波。超聲波可以在多種介質(zhì)中傳播,但是氣體和液體不能傳播橫波。超聲波監(jiān)測(cè)需使用能產(chǎn)生和接收超聲波的聲波換能器,完成聲波信號(hào)和電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換[11]。巖樣聲波速度由下式確定[12]:

(1)

式中,vp為巖樣縱波聲速；L為巖樣長(zhǎng)度；t為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的縱波首波發(fā)射—接收時(shí)；t0為標(biāo)定聲波在探頭中傳播的固有時(shí)間。

圖4為多發(fā)多收聲波監(jiān)測(cè)原理圖。三對(duì)聲波探頭排布在填砂管的兩側(cè),每對(duì)聲波探頭都包括一個(gè)發(fā)射探頭和一個(gè)接收探頭。探頭1、探頭2、探頭3的間距分別116 mm、97 mm。當(dāng)發(fā)射探頭1發(fā)射聲波信號(hào)時(shí),接收探頭1、2、3都會(huì)接收到信號(hào)。同樣,當(dāng)發(fā)射探頭2和3發(fā)射聲波信號(hào)時(shí),接收探頭1、2、3也會(huì)接收到信號(hào)。通過(guò)多點(diǎn)發(fā)射和接收就形成了多條交叉路徑和交叉點(diǎn),通過(guò)對(duì)這些交叉路徑和交叉點(diǎn)的聲波監(jiān)測(cè),就可以探測(cè)出巖樣內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)變化,從而得知巖樣出砂位置等信息。

圖4 聲波監(jiān)測(cè)原理示意圖

在理解多發(fā)多收的聲波監(jiān)測(cè)方法后,就可以進(jìn)行油井出砂驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。制備好巖樣后,按照?qǐng)D1的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接儀器,調(diào)節(jié)恒溫箱溫度為實(shí)驗(yàn)溫度；打開(kāi)恒流泵,調(diào)節(jié)流量,控制驅(qū)替壓差為1 MPa；打開(kāi)超聲波監(jiān)測(cè)儀,發(fā)射聲波信號(hào),每隔5 min記錄一次聲波數(shù)據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的縱波首波,將整理后的數(shù)據(jù)作成圖5曲線,以便進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

圖5 巖樣縱波與時(shí)間關(guān)系曲線

圖5中的1發(fā)1收表示發(fā)射探頭1發(fā)射、接收探頭1接收,1發(fā)2收表示發(fā)射探頭1發(fā)射、接收探頭2接收,其他曲線的命名規(guī)則相同。圖6為聲波換能器的位置坐標(biāo)圖,坐標(biāo)原點(diǎn)為巖心左端面的中心。由圖5可知,各條線的初始點(diǎn)波速并不相等,這主要是因?yàn)閹r樣的壓實(shí)不均勻造成的,但仍然可以從各曲線的變化趨勢(shì)得出一些規(guī)律。結(jié)合圖6可以看出,在前5 min,各個(gè)位置的聲波數(shù)值基本無(wú)變化,只有曲線1發(fā)1收波速下降了約300 m/s,說(shuō)明坐標(biāo)原點(diǎn)0 mm位置處開(kāi)始出現(xiàn)了砂粒流失。

當(dāng)時(shí)間到達(dá)10 min時(shí),各曲線的縱波速度都出現(xiàn)了不同程度的下降,說(shuō)明其對(duì)應(yīng)檢測(cè)的位置0 mm、58 mm、106 mm、116 mm處發(fā)生了不同程度的出砂現(xiàn)象,并且由聲波下降的幅度來(lái)看,出砂程度沿橫坐標(biāo)軸逐漸加重,出砂面積加寬,形成了類似喇叭口的孔隙空間。

圖6 聲波換能器位置坐標(biāo)圖

當(dāng)時(shí)間到達(dá)15 min時(shí),由1發(fā)1收、1發(fā)2收、2發(fā)1收曲線的縱波速度進(jìn)一步下降,則0 mm、58 mm處進(jìn)一步出砂。換能器監(jiān)測(cè)的2發(fā)3收、3發(fā)2收、3發(fā)3收波速出現(xiàn)下降,說(shuō)明164 mm、213 mm處出現(xiàn)砂粒流失,出砂位置進(jìn)一步加深。

當(dāng)時(shí)間到達(dá)20 min時(shí),1發(fā)2收、2發(fā)1收、3發(fā)3收曲線進(jìn)一步下降,而2發(fā)3收、3發(fā)2收曲線變化不大,說(shuō)明此時(shí)164 mm處出砂面積沒(méi)有加寬而是繼續(xù)縱深發(fā)展。25 min時(shí),2發(fā)3收、3發(fā)2收、3發(fā)3收曲線波速下降,位置164 mm、213 mm處出砂面積加寬。

綜上所述,可得地層出砂的規(guī)律如圖7所示:實(shí)驗(yàn)中巖心的出砂位置由端面(0 mm)向底端(213 mm)發(fā)展,即由井口逐漸向地層縱深處發(fā)展。

圖7 地層出砂動(dòng)態(tài)圖

在這個(gè)過(guò)程中,首先是孔隙中的自由砂隨著流體流出,接著由于地層和井口壓差的作用,井口處出現(xiàn)出砂；然后失去中心支撐的砂體,受到的上覆有效應(yīng)力增大,出砂面積加大、位置加深；下一階段,砂體較穩(wěn)定,出砂面積不變,然而砂體骨架顆粒仍受流體的拖曳力發(fā)生剝落,出砂向縱深發(fā)展；最后由于上覆有效應(yīng)力再次增加,砂體坍塌,出砂面積繼續(xù)加大,出砂位置繼續(xù)加深,如此往復(fù)。整個(gè)過(guò)程中,聲波縱波的變化與巖心出砂情況具有很大的一致性,聲波探測(cè)技術(shù)可以在一定程度上反映出砂的程度以及出砂的位置,在一定程度上實(shí)現(xiàn)了出砂的可視化。

4 結(jié)論

(1) 多發(fā)多收聲波探測(cè)方法通過(guò)對(duì)交叉路徑的監(jiān)測(cè),可以檢測(cè)整個(gè)巖樣出砂的位置和程度,實(shí)現(xiàn)了出砂研究的可視化,可以作為出砂研究的重要輔助手段。

(2) 油井出砂可視化方法的實(shí)現(xiàn)為油井出砂和防砂的研究提供了更加豐富的方法,對(duì)于實(shí)現(xiàn)常規(guī)油氣藏的安全高效開(kāi)采具有指導(dǎo)意義。

(3) 開(kāi)展油井出砂的可視化方法研究,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生從多種角度解決問(wèn)題的意識(shí)、發(fā)散思維、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究能力有重要意義,為相關(guān)的教學(xué)和科研工作提供了有益借鑒。