基于滲透率損失規律分析的稠油井割縫篩管割縫寬度優化

黃勇 董長銀 周玉剛,3 游紅娟 劉亞賓 王卓飛

1.中國石油新疆油田公司工程技術研究院；2.中國石油大學(華東)石油工程學院；3.中海石油(中國)有限公司天津分公司

稠油油藏具有儲量豐富、開發潛力大、出砂風險較高的特點［1-2］。新疆油田某油區內廣泛發育稠油油藏，開采方式以熱采為主，儲層埋深淺、膠結差，油井普遍存在出砂問題、井筒砂埋嚴重，防砂方式以獨立割縫篩管為主，防砂后篩管堵塞嚴重，油井產能驟減嚴重，對于割縫篩管滲透率損失機理與規律認識不夠，對割縫篩管縫寬優化缺少理論依據，防砂效果缺乏有效保障。

目前針對割縫篩管滲透率損失機理與規律以及縫寬等設計參數優化的研究主要集中在常規油氣藏領域。董長銀等通過分析篩管擋砂后滲透率變化預測其堵塞程度，揭示介質滲透率損失與生產時間、地層砂特征信息等因素的定性和定量關系，擬合得到擋砂介質堵塞程度預測模型［3-5］，但擋砂實驗驅替流體主要以清水和增黏水為主；陳慧娟、龐偉等基于稠油熱采井傳熱與傳質分析以及混合遺傳多目標優化等方法，建立了水平井蒸汽吞吐過程中井筒內壓力分布和流體入流剖面預測模型［6-7］，分析割縫寬度等參數對油井產能的影響規律并進行優化分析［8-9］。有學者結合實驗與數值模擬進行割縫內流場模擬，探究縫寬、縫型等參數對地層砂運移的影響［10-12］，以適度出砂為原則建立縫寬設計經驗模型［13-14］，對割縫寬度設計模型進行優化、修正［15-16］。綜上所述，目前針對割縫篩管滲透率損失機理與設計參數優化的研究主要針對常規油氣藏生產與地質條件，一方面在割縫篩管滲透率損失機理與規律方面沒有考慮稠油與地層砂的復合堵塞效應，另一方面對于割縫篩管參數優化缺乏統一的評價標準，優化過程忽略了割縫篩管綜合防砂性能評價。

筆者針對稠油熱采井割縫篩管滲透率損害以及縫寬優化，模擬稠油熱采井地質與生產條件開展割縫篩管擋砂堵塞模擬實驗，分析稠油、地層砂堵塞作用下割縫篩管滲透率損失規律，探究割縫寬度對割縫篩管滲透率損失速度和損失幅度的影響，并通過割縫篩管防砂性能定量評價，完成縫寬優化，為目標油區割縫篩管參數設計提供指導與借鑒。

1 割縫篩管擋砂實驗

1.1 實驗原理與實驗方法

對于稠油熱采井，投產初期未出砂階段，井下流動主要為油水兩相混合流動，如圖1(a)所示；油井出砂后井下涉及地層水、稠油、地層砂混合流動，儲層產出砂、稠油被攜帶入流至井筒，在割縫篩管過濾、阻擋作用下，部分稠油和粒徑較大的地層砂沉積于割縫篩管內部及表面，并形成具有一定孔喉結構的橋架結構，如圖1(b)所示。地層砂和稠油的沉積導致割縫篩管發生一定程度的堵塞并造成滲透率損失。研究表明，地層砂與稠油的沉積與割縫篩管縫寬關系密切。

高溫高壓擋砂介質堵塞、評價實驗裝置如圖2所示，包括流體供給系統、旁注系統、徑向流驅替模擬井筒、數據采集系統等。液體供給系統主要由儲液罐和液泵組成，旁注系統可將稠油、聚合物等以恒定速度注入徑向流模擬井筒，徑向流驅替模擬井筒側壁開設可視化窗口，觀察模擬井筒內流體流動和篩管短節堵塞情況，數據采集系統包括計算機、流量計和差壓傳感器等，用于采集壓力、流量等數據，自動加砂系統向驅替液體中以指定速度加入地層砂。

圖1 稠油熱采井擋砂介質擋砂示意圖Fig.1 Sand retention sketch of sand retention medium in heavy oil thermal well

圖2 實驗裝置流程圖Fig.2 Process of experiment device

為了模擬稠油井未出砂階段和出砂階段井下擋砂介質堵塞情況，采用分階段驅替的實驗方法，將篩管短節固定、安裝于徑向流模擬井筒，通過液體供給系統向模擬井筒內以指定排量泵送清水驅替篩管短節，時長約300 s，計算篩管短節初始滲透率，300 s后通過旁注系統將預先灌裝于中間容器中的稠油以指定速度注入驅替液體中，實驗進行至1 800 s，保持清水和稠油的持續注入，同時向驅替液中加入地層砂，觀察割縫篩管兩側壓差變化，當壓差達到平衡后結束實驗。實驗開始加砂后，在集砂罐內定時收集通過篩管短節的地層砂，結束后行洗油、烘干、稱重及粒度分析等操作，分析割縫篩管過砂情況。實驗全程使用數據采集系統進行流量、壓差等數據采集，結合篩管尺寸等參數利用徑向流達西定律計算實驗過程中割縫篩管滲透率，分析滲透率損失。

1.2 實驗材料與實驗條件

實驗驅替流體為清水，黏度約1 mPa · s，稠油取自新疆油田目標區塊，地面脫氣原油黏度約為7 500 mPa · s，模擬地層砂根據目標工區出砂井產出砂粒度分布曲線復配得到，中值粒徑約為250μm，均值系數為8，泥質含量為15%，其粒度分布曲線如圖3所示。割縫篩管設計參數中流通面積比與割縫寬度對篩管防砂性能影響明顯，實驗目的為割縫寬度優化，在使用不同縫寬割縫篩管進行實驗時，通過調節割縫密度保持篩管流通面積比一致。

圖3 實驗所用模擬地層砂粒徑分布圖Fig.3 Particle size distribution of the simulated formation sand used in the experiment

根據目標工區油井日產液量、油井油管尺寸以及實驗徑向流驅替模擬井筒基本參數計算實驗所用清水排量和稠油排量，目標工區某稠油井平均產液量200 m3/d，水平井生產段長度428 m，含水率95%左右，折合得到實驗室內液泵排量1.125 m3/h，實驗過程中，將液泵排量設置為1.2 m3/h，稠油排量為0.06 m3/h，實驗室驅替液體中實際含水率95.2%，實驗室液體流量與含水率和實際生產條件分別相差6.67%和0.2%。實驗過程中使用自動加砂器向驅替流體中混入模擬地層砂，加砂速度約為50 g/min。徑向流驅替模擬井筒外側包裹電加熱套，實驗時將電加熱套加熱溫度設置為70℃。

2 割縫篩管堵塞過程中滲透率變化規律分析

根據上述實驗原理和實驗方法，使用縫寬0.25~0.50 mm割縫篩管進行擋砂堵塞模擬實驗，實驗過程中，割縫篩管滲透率及其變化如圖4所示。T1階段對應驅替時間0~300 s，為清水驅替階段；T2階段對應驅替時間300~1 800 s，為清水+稠油驅替階段；T3階段對應驅替時間1 800~3 300 s，為清水+稠油+地層砂驅替階段。

圖4 割縫篩管滲透率隨時間變化Fig.4 Variation of slotted screen permeability over the time

由圖4可知，清水驅替階段，驅替流體中只有清水，割縫篩管滲透率均為初始滲透率，不同縫寬篩管的流通面積比均保持一致，其初始滲透率相差不大，均在4.5~6μm2范圍內；清水攜帶稠油驅替階段，稠油黏度較高，在篩管割縫內沉積導致篩管過流面積減小并發生滲透率損失，當高黏度稠油在割縫內持續沉積以及流動壓差升高至較高值時，沉積在割縫內的稠油在較高壓差作用下突破篩管割縫的阻擋、通過篩管，篩管過流面積和滲透率又得到一定程度的恢復，因此在清水+稠油驅替階段，割縫篩管滲透率發生一定幅度的損失并在一定范圍內持續波動，達到動態平衡，定義該階段為稠油堵塞階段；清水攜帶稠油與地層砂混合復合驅替階段，地層砂由于稠油的黏附以及篩管割縫的阻擋作用沉積在篩管割縫內，稠油黏附地層砂形成油砂混合物和橋架結構沉積在篩管割縫內不易突破，導致篩管過流面積急劇減小，割縫篩管滲透率損失超過95%，隨油砂混合物持續沉積，割縫篩管滲透率下降至極低值后滲透率損失速度逐漸減小并最終穩定在0.3μm2左右，定義該階段為復合堵塞階段。

2.1 滲透率損失幅度隨縫寬變化規律分析

定義割縫篩管在稠油堵塞階段和復合堵塞階段穩定后的滲透率為稠油堵塞滲透率和復合堵塞滲透率，不同縫寬割縫篩管擋砂堵塞過程中各項滲透率如表1所示。計算篩管稠油堵塞滲透率以及復合堵塞滲透率與初始滲透率的比值，即稠油堵塞滲透率比與復合堵塞滲透率比，如圖5所示。

表1 不同縫寬割縫篩管滲透率Table 1 Permeability of slotted screens with different slot widths

圖5 不同縫寬割縫篩管滲透率比對比Fig.5 Comparison of permeability ratio between slotted screens with different slot widths

由表1、圖5可知，不同縫寬割縫篩管初始滲透率差距不大，但稠油堵塞滲透率和復合堵塞滲透率受縫寬影響明顯，除縫寬0.35 mm稠油堵塞滲透率略低外，均隨縫寬增加而呈現提高的趨勢，尤其是當割縫寬度增加至0.45 mm時，篩管復合堵塞滲透率有明顯提升，提高至0.209μm2。圖5中，篩管稠油堵塞階段和復合堵塞階段滲透率比總體呈現先增加后降低的趨勢，在縫寬0.35 mm和0.40 mm處滲透率比較低。縫寬小于0.35 mm或縫寬大于0.40 mm時，稠油堵塞滲透率比與復合堵塞滲透率比均隨縫寬增大而增大。在稠油堵塞和復合堵塞階段，篩管堵塞后滲透率比總體呈現增加的趨勢，在縫寬0.35 mm和0.40 mm處滲透率比較低。

2.2 滲透率損失速度隨縫寬變化規律分析

為了對比不同縫寬割縫篩管在稠油堵塞階段和復合堵塞階段滲透率損失速度，定義滲透率絕對損害速度與滲透率相對損害速度，滲透率絕對損害速度為篩管在單位時間內發生的滲透率損失值，滲透率相對損害速度為單位時間內篩管滲透率損失值與初始滲透率的比值，滲透率絕對損害速度與相對損害速度隨篩管縫寬變化如圖6所示。稠油堵塞階段，割縫篩管滲透率絕對損害速度和滲透率相對損害速度隨縫寬增加呈現高度一致的變化規律，除縫寬0.35 mm滲透率損害速度偏高以外，其他縫寬處滲透率損害速度均隨縫寬增加而呈現降低的趨勢。復合堵塞階段，滲透率相對損害速度和絕對損害速度隨縫寬增加而降低。對比圖6(a)和圖6(b)可知，復合堵塞階段割縫篩管滲透率絕對損害速度和相對損害速度均要高于稠油堵塞階段。

圖6 不同縫寬割縫篩管滲透率損失速度對比Fig.6 Comparison of permeability loss velocity between slotted screens with different slot widths

3 割縫篩管防砂性能定量評價與縫寬優化

進行割縫篩管防砂性能評價時，需要考慮篩管流通性能、抗堵塞性能、擋砂性能以及綜合防砂性能，流通性能主要取決于篩管復合堵塞階段以及稠油堵塞階段滲透率大小，抗堵塞性能主要取決于篩管堵塞后滲透率比以及滲透率相對損害速度和絕對損害速度，擋砂性能主要受篩管擋砂率影響，不同縫寬篩管擋砂率與過砂中值粒徑見表2。割縫篩管擋砂率隨縫寬增大而降低，當縫寬低于0.35 mm時，擋砂率均高于90%，而篩管過砂中值粒徑隨縫寬增大而增大，當縫寬低于0.35 mm時，篩管過砂中值粒徑基本保持在140μm以內。

表 2不同縫寬篩管擋砂率和過砂粒徑Table 2 Sand retention ratio and passed-sand particle size of screens with different slot widths

針對不同縫寬篩管在稠油堵塞階段和復合堵塞階段，使用機械篩管防砂性能評價軟件進行割縫篩管在不同堵塞階段流通性能、抗堵塞性能、擋砂性能以及綜合防砂性能指標計算，如表3所示。篩管的流通性能指標、抗堵塞性能指標以及擋砂性能指標分別是依據篩管擋砂堵塞過程中的滲透率、滲透率損害速度以及擋砂情況計算得到的定量評價指標，而綜合性能指標為兼顧擋砂性能、流通性能以及抗堵塞性能得到的綜合指標，需要結合現場防砂需求對流通性能指標、抗堵塞性能指標以及擋砂性能指標進行加權計算得到［17］。由于稠油堵塞階段驅替液中不含地層砂，因此將篩管擋砂性能指標全部指定為1。由表可知，在稠油堵塞以及復合堵塞階段，篩管流通性能指標以及抗堵塞性能指標均隨縫寬增大而提高，而擋砂性能指標隨篩管縫寬增大而降低，即提高割縫寬度，會提高篩管流通性能和抗堵塞性能，但會導致擋砂性能變差。

表3 稠油堵塞與復合堵塞階段篩管防砂性能指標計算結果Table 3 Calculation results of screen’s sand control performance indexes in heavy oil plugging stage and combined plugging stage

一般出砂稠油井生產包括前期不出砂以及后期出砂2個階段，分別計算稠油井未出砂和出砂階段篩管防砂性能指標，通過加權平均處理后得到適應于出砂稠油井整個生產過程的機械篩管防砂性能指標，計算方法為

式中，Xt為整個生產階段防砂性能指標；Xc為稠油堵塞階段防砂性能指標；Xf為復合堵塞階段防砂性能指標；Wc為稠油堵塞階段防砂性能指標加權系數；Wf為復合堵塞階段防砂性能指標加權系數。其中Wc和Wf需要根據稠油井出砂嚴重程度和出砂時間由定性經驗確定，二者關系為

新疆油田某稠油熱采區塊內油井一般投產2~3個月內開始出砂，生產周期在10個月左右，以該部分油井為例，確定稠油堵塞和復合堵塞階段防砂性能指標加權系數分別為0.3和0.7，并據此得到該油區內稠油井整個實驗過程機械篩管防砂性能指標，如表4所示。0.25 mm割縫篩管流通性能指標和抗堵塞性能指標最低，而擋砂性能指標最高；0.50 mm割縫篩管流通性能指標和抗堵塞性能指標最高，而擋砂性能指標最低；綜合性能指標計算結果表明，在新疆油田某油區地質和生產條件下，對于目標工區d50為0.25 mm的地層砂，優化割縫篩管縫寬為0.30 mm。

表 4全過程篩管防砂性能指標計算結果Table 4 Calculation results of screen’s sand control performance indexes in the whole process

4 結論

(1)不同縫寬割縫篩管初始滲透率基本一致，在發生稠油堵塞時，割縫篩管滲透率均發生較為明顯的損失并最終達到平衡，損失幅度均超過20%，繼續發生復合堵塞后，篩管滲透率損失進一步增大，實驗條件下，割縫篩管發生復合堵塞后滲透率均降至0.3μm2以內。

(2)割縫篩管擋砂堵塞過程中，稠油堵塞滲透率和復合堵塞滲透率和滲透率比整體上隨縫寬增加而呈現提高的趨勢，滲透率損失幅度逐漸增大，增大縫寬，有利于降低割縫篩管在稠油堵塞階段和復合堵塞階段的滲透率損害速度，當割縫寬度增加至0.45 mm時，篩管復合堵塞滲透率有明顯提升，提高至0.209μm2。

(3)針對割縫篩管分別進行稠油堵塞階段和復合堵塞階段防砂性能指標定量計算，隨縫寬增加，篩管流通性能和抗堵塞性能提高，但擋砂性能變差，通過加權計算的方法對比整個驅替過程割縫篩管防砂性能指標，結果表明，對于新疆油田某油區中值粒徑0.25 mm的地層砂，縫寬0.30 mm割縫篩管綜合防砂性能最好。