渤海某油田油井出砂及篩管沖蝕分析

袁偉偉，張啟龍，陳 彬，徐 濤，賈立新

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室, 天津 300459）

油井出砂會導(dǎo)致地面設(shè)備磨損，嚴(yán)重的出砂會造成井筒沙埋無法供液[1-2]。特別針對投產(chǎn)時間較長的油井，隨著注水開發(fā)以及邊底水的推進(jìn)，油井含水率逐漸升高，導(dǎo)致儲層巖石強度降低，加大了油井的出砂風(fēng)險[3-5]。渤海油田近年來由于出砂原因造成檢泵甚至修井作業(yè)比例逐年提高，特別是由于篩管沖蝕穿孔導(dǎo)致的嚴(yán)重出砂問題日益突出。本文針對渤海某油田出砂較為嚴(yán)重的問題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對實際出砂井的天然地質(zhì)因素、生產(chǎn)控制因素和沖蝕穿孔等多個方面進(jìn)行了分析，并開展了篩管沖蝕實驗研究，進(jìn)一步論證了該油田篩管沖蝕的影響因素，為后期調(diào)整井開發(fā)防砂方案提供了一定的理論依據(jù)。

1 渤海某油田出砂情況

渤海某油田目前包含A、B 兩座平臺，其中A 平臺采油井34 口，B 平臺采油井32 口，本油田2009 年投產(chǎn)，分別經(jīng)歷了產(chǎn)能建設(shè)階段、綜合調(diào)整階段以及局部加密調(diào)整三個開發(fā)階段，目前該油田整體含水率為85%，年穩(wěn)產(chǎn)油88×104t 以上。該油田老井生產(chǎn)出砂情況較為頻繁，且部分井由于出砂嚴(yán)重?zé)o法供液，后期采用井筒側(cè)鉆繼續(xù)生產(chǎn)。經(jīng)統(tǒng)計A 平臺生產(chǎn)井中未發(fā)現(xiàn)出砂情況的僅有5 口，占A 平臺總井?dāng)?shù)的14.7%，B 平臺生產(chǎn)井中未發(fā)現(xiàn)出砂情況的有8口，占B 平臺總井?dāng)?shù)的25%。根據(jù)出砂井含砂量進(jìn)行劃分，A 平臺出砂井含砂量大于0.03%的共13 口，占比38.2%；B 平臺出砂井含砂量大于0.03%的共1口，占比3.1%，兩平臺其余出砂井均為微量含砂。由出砂嚴(yán)重導(dǎo)致無法產(chǎn)液，后期開窗側(cè)鉆井的共6 口，通過井徑成像測井技術(shù)發(fā)現(xiàn)，防砂篩管有一處有明顯破損，導(dǎo)致防砂失效，見圖1。

圖1 成像測井篩管位置發(fā)生破損

2 儲層出砂因素分析

通過對該油田取樣巖心進(jìn)行單軸抗壓強度測試發(fā)現(xiàn)，該油田儲層巖石強度較低，單軸抗壓強度在1.3～10 MPa 之間，泡水實驗表明巖心泡水48 h 后強度大幅下降，為0.1 Mpa，見表1。隨著油田開發(fā)生產(chǎn)后期注入水以及地層水的連通，儲層含水率升高，進(jìn)一步降低儲層的巖石強度，且該油田地飽壓差較低，隨著地層壓力的下降，生產(chǎn)過程中在井筒周圍出現(xiàn)脫氣現(xiàn)象，導(dǎo)致原油脫氣黏度提高，增加了巖石的拖曳力，從而加劇儲層出砂。

表1 巖石抗壓強度和泡水后強度

通過分析該油田不同開發(fā)油組的儲層泥質(zhì)含量發(fā)現(xiàn)，該油田開發(fā)的3 個油組泥質(zhì)含量較高，平均泥質(zhì)含量均高于10%，其中二油組最高泥質(zhì)含量為28.8%。根據(jù)黏土礦物成分分析數(shù)據(jù)，儲層蒙脫石含量平均占比70%，具有較強的吸水膨脹性，進(jìn)一步降低儲層巖石的強度，見圖2 和圖3。地層見水后，顆粒間原始毛細(xì)管力下降，黏土礦物遇水后膨脹分散，同時由于注水的反復(fù)沖刷，導(dǎo)致巖石發(fā)生拉伸破壞，加劇了地層出砂。

圖2 不同油組泥質(zhì)含量分布

圖3 黏土礦物中伊蒙混層含量比例

3 篩管沖蝕破損分析

目前國內(nèi)外對井下篩管的沖蝕破損研究較多，如微切削磨損理論、變形磨損理論、擠壓-薄片剝落磨損理論、絕熱剪切與變形局部化磨損理論和脆性材料的斷裂理論，等等。由于篩管結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及影響材料沖蝕破壞因素多樣，如環(huán)境因素、磨粒性質(zhì)和靶材的性質(zhì)，等等。其中環(huán)境因素又包括沖蝕速度、沖蝕角度和時間溫度等，磨粒性質(zhì)包括材料的硬度、形狀和破損性等，靶材的硬度、力學(xué)性能和物理性能等。因此，單一的理論研究并不能對該油田篩管沖蝕破損進(jìn)行判斷，針對該油田的實際篩管破損情況，本文通過室內(nèi)沖蝕模擬實驗進(jìn)行有針對性的研究，對今后該油田的防砂設(shè)計具有重要的指導(dǎo)作用。

3.1 篩管沖蝕模擬實驗

篩管沖蝕模擬實驗裝置為中海油自主研發(fā)的實驗設(shè)備，可模擬不同結(jié)構(gòu)全尺寸篩管短節(jié)以及篩管樣片等不同規(guī)格的沖蝕實驗，沖蝕流速控制范圍為0～120 m/s，并配備高清多角度攝像機對實驗過程進(jìn)行監(jiān)測。可實現(xiàn)不同沖蝕距離、不同沖蝕角度、不同沖蝕速度以及不同含砂濃度下的篩管試件的沖蝕實驗分析以及沖蝕壽命預(yù)測。本次實驗采用對射流沖蝕和過流沖蝕2 種沖蝕方案，其中射流沖蝕實驗主要針對不同沖蝕距離、流速以及不同含砂濃度對篩管的壽命進(jìn)行分析，過流沖蝕為要進(jìn)一步認(rèn)識篩管堵塞造成的局部熱點沖蝕，采用200 μm 金屬網(wǎng)布篩管短節(jié)，實驗測試排量為60 L/min。

3.2 沖蝕結(jié)果分析

不同沖蝕距離、不同沖蝕流速以及不同含砂濃度下篩管試件的沖蝕實驗數(shù)據(jù)見圖4 至6 圖。通過射流實驗得到以下結(jié)論。

圖4 沖蝕距離與破壞時間影響

（1）沖蝕壽命：距離為15～60 mm 時，篩管破壞的時間基本一致，約為18 min。當(dāng)距離大于55 mm時，篩管的沖蝕破壞時間逐漸延長，整體平均破壞時間為19.2 min。

（2）150/200 μm 篩管試件金屬網(wǎng)，沖蝕破壞時間隨速度的變化規(guī)律基本一致。

（3）篩管沖蝕壽命與出砂濃度，成-1.107 次方關(guān)系。

（4）外護(hù)罩出現(xiàn)明顯且較規(guī)則的沖蝕孔。外護(hù)罩下部的金屬網(wǎng)布出現(xiàn)不規(guī)則的破壞，且破壞面積普遍大于外護(hù)罩的破壞面積。

圖5 沖蝕速度與破壞時間影響

圖6 含砂濃度與破壞時間影響

圖7 為過流沖蝕實驗的實驗曲線。過流沖蝕實驗充分展示了篩管的沖蝕破壞階段，主要包括以下4個階段。

圖7 篩管過流沖蝕實驗數(shù)據(jù)

（1）堵塞階段：發(fā)生在測試開始時，表現(xiàn)為泵壓逐漸升高，說明此階段篩管逐漸發(fā)生堵塞，導(dǎo)致篩管過流面積逐漸減小。

（2）沖蝕磨損階段：隨著泵壓的逐漸穩(wěn)定，頻繁出現(xiàn)小范圍的波動，此階段說明篩管的擋砂介質(zhì)出現(xiàn)了輕微的沖蝕磨損，并伴有一定的斷絲，此時篩管仍然具有擋砂能力。

（3）沖蝕破壞階段：伴隨泵壓的逐漸降低，說明篩管沖蝕孔逐漸增大，并逐漸失去擋砂能力。

（4）沖蝕穿孔階段：此階段泵壓較低，說明篩管目前已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的沖蝕穿孔，完全不具備擋砂能力，通過拆解實驗篩管發(fā)現(xiàn)，篩管表面出現(xiàn)了5～10 mm 的穿透沖蝕孔。

4 結(jié)論

（1）該油田儲層巖石強度低，隨著生產(chǎn)后期含水率的升高，地層極易出砂，建議后期調(diào)整井開展具有針對性的防砂措施。

（2） 該油田生產(chǎn)過程中主要以微量含砂為主，通過對生產(chǎn)情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)壓差的變化和壓力激動是導(dǎo)致出砂的重要因素，建議生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制生產(chǎn)壓差，并減小壓力激動變化，通過逐漸調(diào)頻改善壓力激動過大的影響。

（3）從篩管破損實驗發(fā)現(xiàn)，該油田部分井由于出現(xiàn)篩管沖蝕破損導(dǎo)致防砂失效，并針對篩管沖蝕進(jìn)行了系統(tǒng)的分類分析，以及篩管沖蝕的影響因素分析，為今后篩管防砂失效研究提供了一定的實驗理論基礎(chǔ)。