外保護套對預充填篩管過流能力的影響研究

外保護套作為機械篩管的重要組成部件，對篩管過流能力的影響不可忽略。為此，以預充填篩管為例，通過一套小型可視化防砂模擬試驗裝置研究了外保護套對預充填篩管過流能力的影響規律。試驗結果表明：隨著外保護套過流面積的增加，預充填篩管的米采油指數呈指數增加；當外保護套上的沖縫槽寬度小于地層原始砂粒徑中值的3倍時，砂粒通過沖縫槽時易發生架橋堵塞，導致篩管過流能力大幅度下降；當外保護套上的沖縫槽寬度大于等于地層原始砂粒徑中值的3倍時，外保護套上的沖縫槽對地層砂通過基本沒有影響，且有利于預充填篩管發揮其自解堵功能。所得結論可為預充填篩管外保護套的設計提供依據。

機械篩管； 預充填篩管； 礫石； 外保護套； 防砂模擬試驗

中圖分類號：TE93

文獻標識碼：A

DOI：10.16082/i.cnki.issn.1001-4578.2024.11.014

基金項目：國家自然科學基金面上項目“陸相頁巖油儲層氧化溶蝕-滲吸協同作用對孔喉縫演變機制及增產機理研究”（52074221）；國家自然科學基金青年科學基金項目“氣體加速效應作用下深層高壓氣藏分層壓裂井固相產出機理研究”（52104005）；陜西省青年科技新星項目“水平井全井筒氣體攜液機理研究”（2023KJXX-052）。

Influence of Outer Protective Sleeve on the

Flow Capacity of Concentric Screen

Ma Chengyun1" Dou Yihua1" Deng Jingen2" Dou Liangbin3" Jiang Hailong1" Zheng Jie1

（1.Mechanical Engineering College， Xian Shiyou University；2.College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum （Beijing）；3.College of Petroleum Engineering， Xian Shiyou University）

The outer protective sleeve is an important component of the mechanical screen， and its influence on the flow capacity of the screen cannot be ignored. Taking the concentric screen as an example， the influence of the outer protective sleeve on the flow capacity of the concentric screen was studied through a small visual sand control simulation test device. The test results show that as the open area of the outer protective sleeve increases， the productivity index per meter of the concentric screen increases exponentially. When the slot width on the outer protective sleeve is less than three times the median size of the original sand particles in the formation， bridging blockage easily occurs when sands pass through the slots， resulting in a significant decrease in the flow capacity of the screen. When the slot width on the outer protective sleeve is greater than or equal to three times the median size of the original sand particles in the formation， the slot on the outer protective sleeve has little effect on the passage of formation sand， and is favorable for the concentric screen to exert its self-unblocking function. The study conclusions provide a basis for the design of the outer protective sleeve of concentric screen.

mechanical screen；concentric screen；gravel；outer protective sleeve；sand control simulation test

0" 引" 言

機械篩管作為一種常用的井下防砂工具，通常由外保護套、擋砂介質和基管3部分組成，對于油氣長效穩產具有重要意義［1-2］。擋砂精度是篩管防砂的關鍵參數之一，關系到能否獲得較高的防砂后產能以及有效的阻擋地層砂［3-5］。在進行機械篩管防砂設計時，機械篩管的擋砂精度一般根據地層原始砂粒徑、生產條件和防砂目的綜合確定。外保護套作為篩管高效防砂的另一關鍵部件，是第一道擋砂屏障，主要作用是保護擋砂介質。如果外保護套上的布孔參數設計不合理，不僅影響篩管壓潰載荷性能［6］，而且孔眼容易被堵塞［7-8］，造成壓力損耗，影響篩管過流能力。尤其對于預充填防砂篩管［9-11］，礫石擋砂介質與外保護套直接接觸，在一定程度上，外保護套上的流道參數會直接影響預充填篩管的擋砂精度。目前，關于外保護套上布孔參數對機械篩管過流能力的影響研究較少。肖遙等［7］研究了沖縫外殼縫長和開口尺寸對機械篩管過流能力的影響，認為適當增大沖縫外殼縫長和開口尺寸可優化機械篩管整體抗堵塞性能和過流能力，但沒有揭示外保護套對機械篩管過流能力影響的內在機理。為此，本文以預充填篩管為例，開展了外保護套對篩管過流能力的影響研究，揭示外保護套上的布孔參數對篩管過流能力的影響規律，并提出外保護套上布孔參數的設計準則，以期為機械篩管外保護套的設計提供科學依據。

1" "試驗原理與方法

1.1" 試驗裝置

預充填篩管的防砂原理是指地層砂隨地層流體依次通過篩管與地層之間的環形空間、外保護套、礫石層和割縫基管的過程中，流體在壓差作用下通過篩管進入井筒，砂會逐漸滯留到礫石層（見圖1）。基于這一原理，引入了一種小型可視化防砂試驗裝置和方法，用于研究外保護套對篩管過流能力的影響。該試驗裝置主要包括4個區域：砂漿混合區域（模擬地層內的砂運移過程）、砂自由運移區域（模擬地層砂在篩管與地層之間的環形空間的運移過程）、砂通過擋砂介質區域（模擬地層砂通過篩管的過程）、砂流出區域（模擬地層砂在井筒內的運移過程）。小型可視化防砂試驗裝置的原理圖如圖2所示。該裝置最大的優點是將混砂區域和防砂模擬區域設置在一個內徑80 mm、外徑100 mm的透明管中（承壓5 MPa），且可采用接近地層的滲流速度模擬篩管防砂堵塞過程（試驗流速0～1 000 mL/min），避免了以往防砂試驗中采用高流速、高黏度或者高密度流體作為攜砂液所引入的試驗誤差［12-16］。

1.2 ""試驗步驟

防砂試驗主要包括以下步驟：

（1）將不同粒徑的商品砂按照一定比例混合用于模擬地層砂，粒度分布曲線見圖3。

（2）利用線切割加工外保護套，并與內徑60 mm、高30 mm的透明玻璃管、割縫片組裝成預充填防砂單元。

（3）將一定目數的礫石通過機械振動方式填充到防砂模擬單元中，見圖4。

（4）安裝防砂模擬單元（見圖5a～圖5c），并向擋砂介質內注入潔凈的攜砂流體（通常采用白油），排除擋砂介質內空氣對試驗結果的影響（見圖5d）；接著向防砂模擬裝置中加入模擬砂，保證初始砂漿體積分數為3%（見圖5e）；

（5）利用平流泵以30 mL/min的流量持續向混砂區注入攜砂液，攜帶砂粒向防砂單元運移。試驗過程中，開啟攪拌裝置，持續攪動，防止砂在混砂區域沉淀。

（6）記錄擋砂介質兩端壓差隨時間的變化。

（7）計算防砂管過流能力。防砂管過流能力是單位時間及單位壓差條件下每米篩管的流量，通常采用防砂篩管米采油指數衡量：

I=QΔph

（1）

式中：I為米采油指數，m3/ （m·d·MPa）；Δp為礫石層兩端的壓差， MPa；Q為流速，m3/d；h為篩管長度，m。

（8）計算砂通過率。砂通過率是隨流體通過外保護套上沖縫槽的砂質量占總試驗用砂質量的百分數。砂通過率越大，說明外保護套對篩管過流能力的影響越小。

2 ""試驗結果與分析

2.1" 過流面積對預充填篩管過流能力的影響

為研究外保護套過流面積對預充填篩管過流能力的影響，加工了8種不同類型的外保護套樣片（見圖6），其相對過流面積S（沖縫槽過流面積占外保護套總面積的百分數，簡稱過流面積）為7%～30%。將加工好的外保護套樣片與礫石、割縫基管組裝成預充填防砂單元。采用1.2的試驗步驟，在相同試驗條件下，分別對8種預充填防砂單元進行防砂模擬試驗。

在一定程度上，壓差曲線的變化能反映篩管的堵塞過程和堵塞程度。壓差越大，篩管堵塞越嚴重。圖7為8種不同過流面積外保護套樣片的壓差曲線。由圖7可知，壓差試驗曲線大體可分為加速上升段和逐漸穩定段。在加速上升段，驅替壓差逐漸增大，表明預充填防砂模擬單元逐漸被堵塞；在逐漸穩定段，驅替壓差曲線逐漸趨于穩定，說明地層砂在預充填防砂模擬單元內外的架橋堵塞過程已經完成。后續運移到外保護套表面的地層砂粒由于水動力、靜電吸附和重力等綜合作用，會沉淀堆積到先前形成的砂拱表面；隨著沉積厚度增加，產生的壓力損耗逐漸增加。但由于外保護套周圍的空間遠大于擋砂介質內的孔隙體積，所以地層砂在外保護套周圍的堆積過程對預充填篩管的堵塞過程和堵塞程度影響非常小，可忽略不計。由圖7也可以看出，在試驗后期，壓差曲線基本處于平緩狀態，在這種情況下，油田現場防砂井的產能基本處于穩定狀態。可見，在生產初期，降低外保護套對篩管的過流能力影響至關重要。

為了進一步探究外保護套過流面積與米采油指數之間的關系，按照式（1）計算米采油指數，并進行了擬合，擬合結果如圖8所示。米采油指數隨著過流面積增大呈指數增加。這是由于過流面積較小時，地層砂在開采初期就會越快速滯留到外保護套表面，從而導致篩管內部擋砂介質的高效防砂功能失效。這進一步說明外保護套過流面積對預充填篩管過流能力的影響不可忽視。

2.2" 沖縫外保護套對預充填篩管過流能力的影響

為了簡化篩管加工工藝和降低流體對擋砂介質的沖蝕破壞程度，目前大部分篩管生產廠商僅選擇過流面積相對較小的沖縫外保護套作為預充填篩管的外保護套。對于金屬網布篩管，由于擋砂介質與外保護套不接觸（見圖9a），外保護套對金屬網布篩管的過流能力影響較小；但是對于預充填篩管，礫石擋砂介質與外保護套直接接觸（見圖9b）。因此，外保護套對預充填篩管過流能力的影響不可忽視。

從以下2個方面進一步研究沖縫外保護套對預充填篩管過流能力的影響規律：

（1）沖縫槽寬度對預充填篩管過流能力的影響。

（2）在礫石作用下，沖縫外保護套對預充填篩管過流能力的影響。

2.2.1" 沖縫槽寬度對預充填篩管過流能力的影響

當篩管僅由外保護套和基管組成時，在相同試驗壓差下，通過篩管的流量較大，實驗室很難監測數據。為此，采用砂通過率來反映外保護套對預充填篩管過流能力的影響程度。

圖10和圖11分別為不同試驗條件下外保護套上的沖縫槽寬度與地層原始砂粒度中值比（w/D50）對砂通過率及通過砂的粒度中值（d50）的影響。由圖10和圖11可以看出：隨著沖縫槽寬度的增加，砂通過率逐漸增加且通過砂的粒度中值也增加。其中：

（1）當w/D50=1時，砂通過率最小。此時，地層原始砂中的泥質顆粒（小于44 μm的顆粒）均被擋在了外保護套表面。這說明該尺寸沖縫槽的外保護套擋砂能力過強，導致外保護套表面迅速被堵塞，從而使篩管的過流能力在生產初期快速下降。

（2）當1lt; w/D50 ≤3時，隨著外保護套上的沖縫槽寬度增加，砂通過率逐漸增加且通過砂的粒度中值也逐漸增加。此時，隨著外保護套上的沖縫槽寬度增加，通過沖縫槽的泥質顆粒質量也隨之增加。這一特征可在一定程度上延緩外保護套堵塞，降低預充填篩管過流能力的下降速度。

（3）當w/D50gt;3時，砂通過率和通過砂的粒度中值曲線均呈現平緩上升的趨勢。這說明外保護套對砂通過能力影響較弱。在這種情況下，地層原始砂中的大部分泥質顆粒都能通過預充填篩管，且篩管內部的礫石擋砂介質能夠高效發揮其三維立體擋砂能力。在這種設計原則下，外保護套對預充填篩管過流能力的影響相對最小。

2.2.2" 礫石作用下沖縫外保護套對預充填篩管過流能力的影響

通過2.2.1研究發現，只有當外保護套上的沖縫槽寬度大于地層砂粒徑中值的3倍時，才能有效減弱外保護套對預充填篩管過流能力的影響。為了進一步驗證該結論，在外保護套和基管之間的環形空間填充350～1 000 μm礫石，構成預充填篩管防砂單元（見圖12a）。此時，外保護套上的沖縫槽與礫石間形成的復合孔隙（見圖12b）是第一道防砂屏障；外保護套和基管之間的礫石擋砂介質是第二道防砂屏障。在流體作用下，礫石會發生微移動，也正是由于礫石的微移動，促使砂滯留區域中的細砂粒隨流體通過滯留層，粗砂粒停留到滯留層，從而形成一種高孔隙度、高滲透率的砂滯留區。這一過程被稱為預充填篩管的自解堵過程（見圖13）。預充填篩管的這種優勢既實現了高效控制地層出砂的目標，又有效減弱了滯留砂對篩管過流能力的影響程度。

between gravel and outer protective sleeve

圖14為外保護套上沖縫槽寬度與地層砂粒徑中值的比值（w/D50）同米采油指數之間的關系。由圖14可以看出：當w/D50lt;3時，隨著w/D50增加，米采油指數呈線性增加趨勢；當w/D50gt;3時，隨著w/D50增加，米采油指數基本保持不變。根據三分一架橋原則，當w/D50lt;3時，地層砂容易在沖縫槽口發生架橋堵塞（見圖15右），阻止了地層砂在礫石孔隙或復合孔隙中建立砂橋，在這種情況下，預充填篩管的自解堵功能會失效；隨著w/D50增加，預充填篩管的自解堵功能逐漸凸顯，米采油指數明顯增加。當w/D50＞3時，地層砂幾乎不會在沖縫槽內發生架橋堵塞，從而能充分保證地層砂與礫石間的相互作用（見圖15左），此時，米采油指數達到最大。

可以認為，只有當w/D50gt;3，預充填篩管的自解堵功能才會充分發揮，其抗堵塞能力才會實現最大化。因此，在有效保護防砂介質的前提下，外保護套沖縫槽寬度應盡可能大于或接近地層砂粒徑中值的3倍，以減弱外保護套對預充填篩管過流能力的影響。

3" 結論與認識

基于對外保護套與預充填篩管過流能力之間關系的研究，主要認識如下：

（1）外保護套作為機械篩管的重要組成部件，其過流面積越大，對篩管過流能力的影響越小；過流面積較小時，地層砂在生產初期就會快速滯留到外保護套表面，從而導致篩管內部擋砂介質的高效防砂功能失效。

（2）預充填篩管的過流能力與外保護套過流面積呈指數增加關系。外保護套過流面積越大，越有利于礫石擋砂介質發揮其自解堵功能，進而有效延長預充填篩管的堵塞周期。

（3）對于由外保護套與礫石、割縫基管組成的預充填篩管，在設計外保護套上的沖縫槽寬度時，沖縫槽寬度應盡可能大于或接近地層原始砂粒度中值的3倍。這一設計原則有助于減弱外保護套對預充填篩管過流能力的影響。

［1］

董長銀，張清華，高凱歌，等．擋砂介質變形及擋砂精度變化規律研究［J］．石油機械，2016，44（10）：97-102．

DONG C Y， ZHANG Q H， GAO K G， et al.Study on sand control screen media deformation and sand retention precision［J］.China Petroleum Machinery， 2016， 44（10）： 97-102．

［2］" 張啟龍，黃中偉，李中，等．渤海油田防砂篩管綜合優選方法研究及應用［J］．石油機械，2023，51（9）：54-63．

ZHANG Q L， HUANG Z W， LI Z， et al.Research and application of comprehensive optimization method for sand control liner in Bohai oilfield［J］.China Petroleum Machinery， 2023， 51（9）： 54-63．

［3］" 董長銀，張清華，高凱歌，等．機械篩管擋砂精度優化實驗及設計模型［J］．石油勘探與開發，2016，43（6）：991-996．

DONG C Y， ZHANG Q H， GAO K G， et al.Screen sand retaining precision optimization experiment and a new empirical design model［J］.Petroleum Exploration and Development， 2016， 43（6）： 991-996．

［4］" 董長銀，宋洋，周玉剛，等．天然氣水合物儲層泥質細粉砂擋砂介質堵塞規律與微觀擋砂機制［J］．石油學報，2020，41（10）：1248-1258．

DONG C Y， SONG Y， ZHOU Y G， et al.Plugging law and microscopic sand retention mechanism of sand retaining medium of argillaceous fine silt sand in gas hydrate reservoirs［J］.Acta Petrolei Sinica， 2020， 41（10）： 1248-1258．

［5］" 孫孟瑩，鄧金根，謝濤，等．超輕預充填防砂篩管控砂解堵機理研究［J］．石油機械，2023，51（11）：124-131．

SUN M Y， DENG J G， XIE T， et al.Research on sand control and block removal mechanism of ultralight prepacked sand control liner［J］.China Petroleum Machinery， 2023， 51（11）： 124-131．

［6］" 彭玉丹．布孔參數對防砂篩管強度性能的影響研究［D］．青島：中國石油大學（華東），2020．

PENG Y D.Research on the influence of hole distribution parameters on the strength performance of sand control screen［D］.Qingdao： China University of Petroleum（East China）， 2020．

［7］" 肖遙，宋昱東，李根，等．機械篩管沖縫外殼結構參數優化設計［J］．石油工業技術監督，2023，39（1）：15-20．

XIAO Y， SONG Y D， LI G， et al.Optimum design of calking crust structure parameters on mechanical sieve tubes［J］.Technology Supervision in Petroleum Industry， 2023， 39（1）： 15-20．

［8］" MAYORGA C E A， ROOSTAEI M， UZCTEGUI A A， et al.Sand control optimization for rubiales field： trade-off between sand control， flow performance and mechanical integrity［C］∥SPE Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference.Virtual： SPE， 2020： SPE 199062-MS．

［9］" 董星亮．新型預充填篩管在渤海QHD32-6油田的應用［J］．石油鉆采工藝，2020，42（4）：414-416．

DONG X L.Application of a new type of pre-packed screen in the Bohai QHD32-6 oilfield［J］.Oil Drilling amp; Production Technology， 2020， 42（4）： 414-416．

［10］" MA C Y， FENG Y C， LIN H， et al.CFD-DEM investigation of blocking mechanism in pre-packed gravel screen［J］.Engineering Analysis With Boundary Elements， 2021， 132： 416-426．

［11］" MA C， DOU Y， DENG J， et al.Numerical simulations of sand-screen performance in unconsolidated prepacked gravel screen［J］.Energy Science amp; Engineering， 2023， 12（3）： 983-1003．

［12］" 劉晨楓，董長銀，孟召蘭，等．泡沫金屬防砂介質砂粒運移規律及堵塞機理試驗［J］．石油機械，2022，50（5）：82-90．

LIU C F， DONG C Y， MENG Z L， et al.Experimental study on migration and plugging mechanism of sand particles in metal foam sand control medium［J］.China Petroleum Machinery， 2022， 50（5）： 82-90．

［13］" 張麗平，鄒劍，李勇，等.疏松砂巖儲層過篩管新型防砂管柱結構研究及應用［J］.鉆采工藝，2023，46（2）： 53-58.

ZHANG L P，ZOU J，LI Y，et al.Research and Application of New Sand Control Pipe String Structure for Passing Screen in Unconsolidated Sandstone Reservoir［J］.Drilling amp; Production Technology，2023，46（2）： 53-58.

［14］" 田曉勇，張京華，白云飛，等.先期防砂篩管頂部固井一體化技術［J］.石油鉆采工藝，2023，45（5）：575-580，586.

TIAN X Y，ZHANG J H，BAI Y F，et al.Integrated technology of pre-completion sand control and screen top up cementing［J］.Oil Drilling amp; Production Technology，2023，45（5）： 575-580，586.

［15］" 董長銀，陳琛，周博，等.油氣藏型儲氣庫出砂機理及防砂技術現狀與發展趨勢展望［J］.石油鉆采工藝，2022，44（1）：43-55.doi：10.13639/j.odpt.2022.01.008

DONG C Y，CHEN C，ZHOU B，et al.Sand production mechanism and sand control technology status and prospect of oil-gas reservoir type gas storage［J］.Oil Drilling amp; Production Technology，2022，44（1）： 43-55.

［16］" 孟文波，劉書杰，黃 熠，等.海上長水平井旁通篩管礫石充填技術及應用［J］.中國海上油氣，2021，33（6）：166-173.

MENG W B， LIU S J， HUANG Y ，et al.Gravel packing technology of bypass screen and its application in offshore long horizontal wells［J］.China Offshore Oil and Gas，2021，33（6）：166-173.

［17］" MA C Y， DENG J G， DONG X L， et al.A new laboratory protocol to study the plugging and sand control performance of sand control screens［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering， 2020， 184： 106548.

第一馬成云，講師，生于1987年，2020年畢業于中國石油大學（北京）油氣井工程專業，獲博士學位，現從事鉆井防漏堵漏、油氣井防砂完井等方面研究工作。地址：（710065）陜西省西安市。email：mcy0000@163.com。

2024-04-28

任" 武