砂泥巖互層坍塌對表皮系數(shù)的影響規(guī)律實驗研究

陳偉宏，柯澳香，馬智雄

（長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100）

水平井技術被廣泛應用于南海東部各油田的高效開發(fā)中，然而在儲層段鉆進過程中時常會鉆遇到砂泥巖夾層，產(chǎn)生井眼縮徑或者坍塌掉塊，造成井眼不規(guī)則變形，導致下部完井管柱下入困難甚至下不到設計井深等，影響作業(yè)時效和安全，甚至對油井產(chǎn)能產(chǎn)生不利影響。通過對以往環(huán)空表皮系數(shù)的研究進展調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前的環(huán)空表皮系數(shù)研究多從理論推導的方向進行，缺少從實驗方向的研究。并且理論推導模型涉及參數(shù)繁多，計算方法復雜，在工程實踐中往往難以計算。而在生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)空表皮系數(shù)主要是使用不穩(wěn)定試井方法測得，只能測出總環(huán)空表皮系數(shù)，由于影響環(huán)空表皮系數(shù)因素過多，這種方法精準度相對較低。在泥巖段由于泥巖水化膨脹，導致泥巖坍塌，通常使用盲管將其封隔[1-4]。在砂巖段，通常使用篩管進行防砂處理，然而在砂泥巖互層段，泥巖坍塌后地層砂堆積在環(huán)空中，從盲管段運移至篩管段堵塞篩管，導致篩管的產(chǎn)能下降[5-8]。

1 實驗裝置

1.1 實驗裝置

根據(jù)油田現(xiàn)場實際工況，基于相似原理，設計了一套全可視水平井盲管-割縫篩管組合測算環(huán)空表皮系數(shù)研究實驗裝置。實驗裝置見圖1，包括監(jiān)測系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、井筒模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。其中監(jiān)測系統(tǒng)包含壓力表、壓差傳感器、流量計，主要作用是對管線壓力、壓差、流量進行監(jiān)測，防止泵壓超過井筒最大載荷發(fā)生事故。循環(huán)系統(tǒng)包括電機、高分子隔膜泵、回流管線、安全閥門、儲液混砂罐，其中電機和高分子隔膜泵的作用是為循環(huán)管線提供動力，回流管線是為了防止泵壓過載，保證實驗安全，儲液混砂罐是為了儲存液體，并將砂礫與液體充分混合均勻，防止大量砂礫集中進入高分子隔膜泵，損壞隔膜。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括計算機、數(shù)據(jù)采集器，主要作用是采集實時數(shù)據(jù)、對泵頻進行適時調(diào)整，以得到較好實驗數(shù)據(jù)。

圖1 盲管-割縫篩管組合完井方式環(huán)空顆粒運移分布規(guī)律實驗裝置圖

井筒模擬系統(tǒng)包括有機玻璃井筒，三種不同組合比例的盲管-割縫篩管防砂管柱以及夾持裝置（圖2），為了能夠讓裝置更加符合真實工況，根據(jù)南海某油田的現(xiàn)場完井管柱尺寸進行等比例縮放。縮放后，模擬井筒外徑為60 mm，盲篩管尺寸為30 mm，環(huán)空尺寸為10 mm。并設計了盲篩比為3∶1、2∶2、1∶3 三種不同比例的盲管-割縫篩管完井防砂管柱。

圖2 盲管-割縫篩管組合完井方式環(huán)空表皮系數(shù)測算實驗裝置實物圖

實驗裝置的運行過程如下：在實驗前按照地層砂粒度測試結果配制好地層砂，再將實驗所需的攜砂液與地層砂在儲液混砂罐中進行配制，在高分子隔膜泵的抽吸作用下沿著管線進入環(huán)空表皮系數(shù)測試裝置，巖屑顆粒在盲管-割縫篩管環(huán)空中運移后進入儲液混砂罐繼續(xù)循環(huán)。在運移過程中，各類傳感器對運移情況進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集器對各類數(shù)據(jù)進行采集，計算機進行數(shù)據(jù)處理，攪拌裝置在儲液混砂罐中持續(xù)進行攪拌。

1.2 實驗設計方案

設計方案見表1，在油田實際生產(chǎn)過程中，伴隨著砂泥巖互層持續(xù)坍塌，地層砂在環(huán)空中不斷堆積，直至堵塞環(huán)空。壓差、流量不斷隨著時間變化，故通過給定泵頻的方式來確定流速。統(tǒng)計油田現(xiàn)場平均流速為0.002 4 m/min，通過計算，確定采用3 Hz 的泵頻可達到油田實際平均流速。

表1 實驗設計方案

2 理論模型

2.1 環(huán)空表皮系數(shù)的計算方法

地層砂在井眼環(huán)空中自然堆積，當流體從地層中進入篩管時，坍塌的地層砂會對流體產(chǎn)生阻力，產(chǎn)生一定附加壓降，故用環(huán)空表皮系數(shù)Ss表示環(huán)空堆積砂附加壓降[9]；篩管環(huán)空表皮系數(shù)計算式如式（1）所示：

式中：ΔPs-原油流過儲層砂堆積層時的附加壓降，10-1MPa；Kh-水平方向地層砂堆積層的滲透率，μm2；Kv-垂直方向地層砂堆積層的滲透率，μm2；L-割縫篩管的長度，m；qo-油井的配產(chǎn)，即為實驗中流量，m3/d；Bo-流體體積系數(shù)。

3 實驗結果

3.1 實驗及數(shù)據(jù)分析

實驗后發(fā)現(xiàn)，從流量波動階段到平穩(wěn)階段所需時間更長，基本在40 min 以上，波動階段流體攜砂量較多，從透明井筒中看到，流體沖蝕地層砂產(chǎn)生的流體通道較少，全堵塞工況相較于不完全堵塞工況對于流體流量和壓力的影響更顯著，地層砂與黏土產(chǎn)生的壓實層體積更大。

盲篩比為3∶1，黏土含量為10%、12.5%、15%（水為流體介質），10%的黏土含量的壓力波動變化較為劇烈，流量發(fā)生了不穩(wěn)定的突變；12.5%的黏土含量的壓力和流量波動較為平穩(wěn)；15%的黏土含量時，流量基本無變化。

盲篩比為2∶2，黏土含量為10%、12.5%、15%（水為流體介質），10%的黏土含量的流量與壓力波動變化較平穩(wěn)，穩(wěn)定后流量值波動范圍為320～340 kg/h，壓力值在1.4～1.7 MPa；12.5%的黏土含量的壓力和流量發(fā)生波動不明顯，流量穩(wěn)定在250 kg/h，壓力穩(wěn)定在1.5 MPa；15%的黏土含量時，流量穩(wěn)定在360 kg/h，壓力穩(wěn)定在1.1～1.5 MPa。

盲篩比為1∶3，黏土含量為10%、12.5%、15%（水為流體介質）。10%的黏土含量的流量與壓力波動變化較大，穩(wěn)定后流量值波動范圍為180～210 kg/h，壓力值在1.0～1.5 MPa；12.5%的黏土含量的壓力和流量發(fā)生波動不明顯，流量穩(wěn)定在150～170 kg/h，壓力穩(wěn)定在3.0～3.2 MPa；15%的黏土含量時，流量穩(wěn)定在150～170 kg/h，壓力穩(wěn)定在4.5～5.0 MPa。

3.2 環(huán)空表皮系數(shù)計算結果分析

根據(jù)式（1）計算出環(huán)空表皮系數(shù)，計算過程中采用的地層砂計算參數(shù)見表2。

表2 環(huán)空表皮系數(shù)計算參數(shù)表

在完全堵塞的工況下，三種黏土含量的環(huán)空表皮系數(shù)集中在0.18～1.62。

從圖3 可以看出，盲篩比不同時，篩管長度大于總長度1/2，對環(huán)空表皮系數(shù)影響比較顯著，黏土含量為10%、12.5%、15%，盲篩比為1∶3 的環(huán)空表皮系數(shù)分別是盲篩比為2∶2 的環(huán)空表皮系數(shù)的1.6 倍、4.9 倍、1.45倍。篩管長度小于總長度1/2 時，盲篩比對環(huán)空表皮系數(shù)的影響不大，盲篩比為2∶2 和3∶1 時，環(huán)空表皮系數(shù)幾乎不變。

圖3 盲篩比影響環(huán)空表皮系數(shù)

從圖4 可以看出，黏土含量不同時，黏土含量大于12.5%，黏土含量對環(huán)空表皮系數(shù)的影響比較顯著，三種盲篩比在15%的黏土含量時的環(huán)空表皮系數(shù)分別是12.5%的黏土含量環(huán)空表皮系數(shù)的8.2 倍、6.9 倍和2倍；黏土含量小于12.5%時，黏土含量對環(huán)空表皮系數(shù)的影響較小，10%的黏土含量的環(huán)空表皮系數(shù)與12.5%的黏土含量的環(huán)空表皮系數(shù)相差不大。

圖4 黏土含量影響環(huán)空表皮系數(shù)

4 結論

（1）通過物理的方法模擬現(xiàn)場實際工況，設計了一套測算環(huán)空表皮系數(shù)的全可視化的室內(nèi)實驗裝置，利用這套裝置對不同比例盲管-割縫篩管組合完井方式以及不同黏土含量下的環(huán)空表皮系數(shù)進行測算，得到了不同盲篩比、不同黏土含量對環(huán)空表皮系數(shù)的影響規(guī)律，為水平井砂泥巖段優(yōu)化盲篩組合完井方式提供了理論依據(jù)。

（2）在堵塞工況下，當篩管長度大于總長度的1/2時，盲篩比對環(huán)空表皮系數(shù)影響顯著，增大2～4 倍。當篩管長度小于總長度1/2 時，環(huán)空表皮系數(shù)受到影響小。當黏土含量小于12.5%時，黏土含量對環(huán)空表皮系數(shù)的影響不明顯，黏土含量大于12.5%時，環(huán)空表皮系數(shù)會增大2～8 倍。