人工井壁防砂性能評價實驗裝置的研制與應用

樓一珊，王盟盟，伍希林，高斐，陳若夫

1.長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100 2.中國石油川慶鉆探有限公司長慶鉆井總公司，陜西 西安 710018 3.荊州市測繪院，湖北 荊州 434000

疏松砂巖油藏在開發時常常面臨儲層出砂的嚴重困擾[1-5]。特別是高泥質細粉砂巖儲層，由于其自身泥質含量高，地層砂粒徑較小，導致常規機械防砂效果欠佳[6]。針對這一防砂難題，采用涂覆砂人工井壁防砂是一種重要的解決措施[7]。涂覆陶粒人工井壁防砂就是往出砂井出砂層位充填涂覆顆粒，在地層溫度及壓力的影響下，涂覆顆粒會在表層樹脂的作用下固結成一體從而形成具有滲透性的防砂屏障[8-12]。形成的人工井壁是實現防砂效果的關鍵，因此在進行施工前需要對其防砂性能進行系統評價以保證施工的效果[13,14]。

目前，國內外研究學者研發了多種防砂模擬實驗裝置[15]，包括田紅等[16]研制的防砂工藝物理模擬裝置，董長銀等[17]研發的用機械篩管綜合性能測試實驗裝置，馬帥等[18]、熊友明等[19]研發的氣井出砂模擬的防砂實驗裝置, HU等[20]研發的多層系可旋轉出砂模擬實驗裝置，張磊等[21]研制的出砂模擬試驗裝置, 石磊[22]研制的稠油熱采防砂模擬系統以及陳宗毅等[23]研制的防砂方法優選模擬試驗裝置的等相關設備。但這些實驗裝置大多是用來評價機械防砂的防砂效果，在實現人工井壁擋砂性能評價等方面相對不足[24]。為此，研制了評價人工井壁防砂性能的實驗裝置，可通過改變驅動流量、驅動壓差及實驗時間，模擬長時間高強度防砂對人工井壁的影響，評價人工井壁的防砂性能，為油田防砂設計提供理論和技術指導。

1 防砂性能評價實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

根據生產實際工況，基于相似原理，自行研制了人工井壁防砂性能評價實驗裝置，如圖1所示。整個裝置由4部分構成，分別是供液驅動系統、防砂模擬系統、供液循環系統和數據采集系統。該裝置采用與現場一致的人工井壁進行防砂實驗，模擬流體攜帶地層砂進入井筒這一過程，測試人工井壁的防砂性能。實驗時，由供液驅動系統推動實驗的液體或氣體通過管匯進入防砂模擬系統，流體攜帶地層顆粒流經模擬人工井壁，流體通過后進入供液循環系統，過濾后的液體重新進入供液儲箱，完成實驗循環。

注： 1—高壓變頻泵；2—溢流安全閥；3—流量傳感器；4，7，11—控制閥；5—防砂模擬系統；6，15—壓力傳感器；8—固液分離器；9—回流循環泵；10—供液箱；12—空氣壓縮機；13—數據采集系統；14—控制計算機。圖1 人工井壁防砂性能評價實驗裝置Fig.1 Experimental device for evaluating sand control performance of artificial sidewall

1)供液驅動系統。系統包括液體供給模塊與氣體供給模塊，液體供給模塊與氣體供給模塊進行并聯放置，可分別為液體和氣體的供給提供動力。液體供給模塊包括高壓變頻泵和安全溢流閥；氣體供給模塊為自帶減壓閥的空壓機。其中，高壓變頻泵為液體驅動提供動力，通過變頻調節提供驅動壓力，保障液體的穩定流動；溢流安全閥是一個實驗安全設備，當驅動壓力超過一定壓力值時，安全溢流閥會自動打開，多余的流體會從側部管道回流至供液箱中，以保障實驗的安全進行。

2)防砂模擬系統。主要由3個部件組成，分別是填砂筒、人工井壁模擬單元及出液筒，如圖2(a)所示。填砂單元中加入配制的實驗砂粒，模擬地層砂；出液筒為液體產出提供流動通道。人工井壁模擬單元是一個金屬腔體，用于模擬人工井壁，如圖2(b)所示。其內部裝入涂覆顆粒，顆粒在一定壓力和溫度下固結形成人工井壁模型。其后模擬單元與其他部件組合，形成防砂模擬系統。實驗時，模擬生產流體流動過程，流體從進液口方向進入，通過地層砂流向人工井壁，然后進入出液筒流出。

圖2 防砂模擬系統Fig.2 Sand control simulation system

3)供液循環系統。包括供液箱、固液分離器和回流循環泵。對于供液箱，首先是儲存液體，通過高壓變頻泵實現供液；同時接受循環回流的液體和從安全溢流閥回流的液體，持續進行供液；此外，設置液位監測計，時刻監測儲箱液體，保障實驗順利進行。固液分離器就是通過振動篩網，過濾固體顆粒和分離液體，提供多組固液分離器，對不同時段內產出固相顆粒進行收集測量用于后續研究分析。回流循環泵就是將分離的液體回流到供液箱中。

4)數據采集系統。主要包括壓力傳感器、流量傳感器、數據采集及控制裝置、數據記錄顯示計算機。該系統主要負責實驗中實時壓力、流量等參數的記錄、顯示及處理，同時通過控制裝置來實現實驗的啟停、數據記錄以及安全保護。

1.2 實驗裝置特點

1)實驗裝置的流量可達2000L/h，驅動壓差為0～10MPa，可實現防砂后的長時間測試，滿足對現場工況下長時間防砂的真實模擬。

2)實驗裝置可以完成對油、氣、水的實驗評價，不僅可以供給液體，也可以供給氣體。根據實驗的設計，可以選擇合適的流體進行實驗測試。

3)實驗提供多組固液分離裝置，可記錄分析不同時段內出砂量的變化，為實驗評價提供準確數據。

4)實驗裝置可自動完成對實驗中各種參數的記錄和顯示，實驗中流體可自動循環、避免浪費，同時實現裝置控制的自動化，極大減輕了人員負擔，有助于開展長時間防砂評價。

1.3 技術參數

1)高壓變頻泵：額定流量為0～2000L/h，精度為0.3%；額定壓力為0～10MPa，工作頻率為0～30Hz。

2)人工井壁模擬單元：單元整體直徑為88mm，長度為45mm，承壓能力為15MPa；內部人工井壁模型直徑為60mm，長度為40mm。

3)填砂筒：圓柱金屬筒，筒內直徑為70mm，長度為120mm，承壓能力為20MPa。

4)壓力傳感器：共計2個，量程為0～15MPa，精度為0.1%。

5)流量傳感器：量程為0～3000L/h，精度0.1%。

6)供液箱：內部容積為500L。

2 實驗評價方法

2.1 實驗過程

1)配制地層砂。根據儲層粒度分布規律、黏土含量以及組分，通過工業砂粒以及黏土來配制實驗用砂。為了提高實驗的可信度，實驗用砂的粒度累積分布曲線上約10%、40%、50%和90%的粒徑要和目標地層保持高度相符。

2)制備人工井壁防砂單元。根據儲層條件設置涂覆顆粒的固結條件，將涂覆顆粒裝填完畢的模擬單元放置于恒溫箱中，設置固結溫度和時間，使顆粒固結形成人工井壁。每次實驗制作兩塊相同的固結巖心，一塊用于滲透率和強度測試，另一塊用于防砂實驗測試。

3)完成防砂模擬系統的裝配。先將配制好的地層砂充填到填砂筒內，后將人工井壁模擬單元和出液筒裝配到位，然后放置到實驗臺上。

4)安裝連通管匯，檢測校準設備。實驗啟動前，連接相關的實驗設備進行聯調聯試，確保實驗各系統設備正常工作，確保各級管線連接處于要求的密封狀態，無漏水漏油情況發生，進行壓力和流通測試并進行相關數據校準。

5)根據實驗方案，設定參數，啟動實驗。實驗中利用高壓變頻泵來控制供液循環系統，保證壓力保持在實驗要求的范圍內。與此同時，打開計算機監測實驗中壓力和流量的變化，并根據數據采集系統來進行相關數據的收集記錄。

6)對出口端流出的液體通過固液分離器進行固液分離，利用回流循環泵使分離出的液體回流到儲液箱中繼續循環使用，對于產出的固體顆粒進行相應處理及測量。

7)監測記錄實驗中各種參數變化，如果在實驗中的流量和壓力都保持穩定一個小時之后，同時這個數據波動都小于5%，產能達到穩定階段，記錄數據，停止實驗，拆卸實驗設備，取出模擬單元并拍照，測量滲透率和強度。

2.2 評價指標

在進行人工井壁的防砂性能評價時，流通性、防砂效果、抗堵性能以及固結強度都是重要評價指標。因此，擬采用以下評價指標進行評價：

1)滲透率。可反映人工井壁的流通能力，根據達西定律可得：

(1)

式中：K為滲透率，D；Q為通過人工井壁的流量，cm3/s；μ為流體黏度，mPa·s；L為過流長度，cm；A為過流面積，cm2；Δp為礫石層內外壓降，10-1MPa。

2)采油指數。其數值越大，反映產能越大，抗堵性能越強：

(2)

式中:I為采油指數，m3/(MPa·d)。

3)含砂濃度。測量實驗中產出的固相顆粒的質量，并根據實驗流量計算出流體中的含砂濃度。一般認為含砂濃度小于3t/(104m3)符合防砂要求。

4)人工井壁固結強度。測量實驗前后的固結巖心的抗壓強度，計算其強度下降幅度。固結強度大小反映了固結的好壞，強度下降幅度大小則反映人工井壁的損壞程度，強度下降幅度越大則人工井壁實驗后損壞越嚴重。

3 實例應用

3.1 油田特征

文昌油田分布著大量低滲疏松砂巖油藏，在其開發時面臨常規防砂失效和產能不足的困擾[25]。因此計劃采用涂覆陶粒人工井壁復合防砂來解決問題，需對其防砂效果進行驗證。

儲層屬于非均質性較強的極細泥質粉砂巖，粒度中值d50集中在26～55μm，平均值為40μm，非均質系數為5～10，黏土礦物含量偏高為9.0%～24.0%，平均值為14.8%，其中伊-蒙混層占比平均為43.1%，儲層吸水膨脹性較強。其地層溫度大約為60℃，地層壓力為10MPa。

3.2 室內實驗評價

根據油田儲層特征，配制實驗用砂，依據行業標準制作實驗用人工井壁模擬單元，開展防砂模擬實驗。配制實驗用模擬地層砂的粒度中值為40μm，非均質系數為10～15，黏土礦物含量為15%，實驗配砂粒度曲線與儲層粒度曲線對比如圖3所示。實驗選用16/30目、20/40目和40/70目的涂覆陶粒，同時選用擋砂精度80、90、100、110、120μm的金屬網布分別與涂覆陶粒進行組合測試，固結溫度設定為60℃，固結時間為12h，如圖4所示。

圖3 實驗配砂粒度曲線與儲層粒度曲線對比 Fig.3 Comparison of experimental sand granular curves and reservoir particle size curves

圖4 實驗材料Fig.4 Experimental materials

共完成15組防砂評價測試，評價了不同防砂參數下的防砂效果，對實驗獲得數據進行計算分析。表1為進行防砂實驗前后涂覆陶粒人工井壁的滲透率和強度數據。

表1 實驗前后固結涂覆陶粒的滲透率和強度Table 1 Permeability of the coated sand before and after experiment

對比人工井壁實驗前后的防砂滲透率，可發現滲透率有不同程度的下降，其陶粒尺寸越小，滲透率下降幅度越明顯，最大達到15%。考慮到地層粒度小且黏土礦物含量高，這意味著細微砂粒及黏土顆粒侵入了人工井壁堵塞了流通的孔道，進而降低了滲透率。隨著涂覆陶粒尺寸的增大，可發現滲透率的下降幅度減弱。這是因為較大尺寸涂覆陶粒形成的防砂屏障的孔道較大，滲透性更強，對地層砂微粒起到了疏導作用，減弱了孔道堵塞。因而推薦使用大尺寸涂覆陶粒進行防砂實驗。

對比防砂實驗前后人工井壁的強度，實驗前涂覆陶粒固結強度為6～8MPa，陶粒固結情況良好；實驗后其強度有7%～10%的不同程度下降。其中40/70目涂覆陶粒降低幅度最小，其次是16/30目涂覆陶粒，20/40目涂覆陶粒降低幅度最大。在經歷流體劇烈沖刷和驅動壓差共同作用下，3種涂覆陶粒強度降低幅度均在10%以內，仍然能夠保持良好的穩固性，涂覆陶粒膠結狀況良好，反映其具有較強的耐沖蝕性能，滿足防砂需要。

圖5為防砂實驗后獲得的不同防砂參數下的采油指數。隨著涂覆陶粒尺寸的增大，其采油指數有巨大提升，這意味著涂覆陶粒尺寸增大在形成人工井壁時將具有更好的流通性能和抗堵塞性能。同時在金屬網布擋砂精度較小時，3種涂覆陶粒在這種防砂條件下，整體流通性能較為接近；但隨著金屬網布擋砂精度的增大，流通性能也隨之有了明顯改善。針對當前地層條件，其中16/30目涂覆陶粒+120μm金屬網布流通性能明顯優于其他組，具有更好的表現。

圖6為防砂實驗后獲得不同防砂參數下的含砂濃度。可以看出實驗后的含砂濃度均小于3t/(104m3)，說明了涂覆陶粒人工井壁在該油田具有良好的防砂效果，其防砂效果遠遠優于常規防砂的要求，其中防砂效果最佳的是40/70目涂覆陶粒+80μm金屬網布的防砂組合，其含砂濃度只有0.05t/(104m3)。但是出砂濃度較低，也側面反映了這種防砂組合可能存在嚴重的堵塞，需要考慮采油指數以及滲透率綜合來進行評價。同時也說明，防砂方式具備進一步擴大陶粒尺寸和金屬網布擋砂精度的空間，來減輕堵塞和釋放生產能力。

圖5 不同防砂參數下的采油指數 圖6 不同防砂參數下的含砂濃度 Fig.5 Oil production indexes under different sand control parameters Fig.6 Sand concentration under different sand control parameters

綜合考慮人工井壁實驗中滲透率和抗壓強度的變化、產能釋放以及防砂效果，推薦16/30目涂覆陶粒+120μm金屬網布組合。考慮其防砂效果較好，可嘗試繼續放大涂覆陶粒尺寸或者金屬網布擋砂精度來進行進一步驗證，從而實現產能釋放和有效防砂的最大化。

4 結論

1)研制了人工井壁防砂性能評價實驗裝置，實驗流量可達2000L/h，實驗驅動壓差為0～10MPa，可實現長時間高強度防砂實驗。

2)實驗裝置可通過滲透率和采油指數的變化反映油井防砂后產能的變化，通過出口端含砂濃度的大小反映人工井壁的防砂效果，通過固結陶粒的強度變化反映其抗沖蝕能力。

3)實驗完成了對文昌油田低滲疏松砂巖儲層的涂覆陶粒人工井壁防砂性能的評價。實驗表明，涂覆陶粒人工井壁針對該儲層具有良好的防砂效果。綜合考慮多種評價指標，推薦現場使用16/30目涂覆陶粒+120μm金屬網布的組合，同時可根據生產需求適度放大防砂參數提高產能。

4)實驗裝置可模擬流體攜砂的一維流動，未考慮實際工況中流體的三維徑向流動，這將是下一步的研究方向。