砂泥巖互層儲(chǔ)層防砂優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

南海WC疏松砂巖油藏具有出砂嚴(yán)重、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)和砂泥巖小層交錯(cuò)分布的特點(diǎn)。傳統(tǒng)防砂設(shè)計(jì)方法適用性差，導(dǎo)致篩管堵塞嚴(yán)重，產(chǎn)能持續(xù)下降，嚴(yán)重影響了油田的正常開發(fā)。為研究砂泥巖互層對(duì)防砂篩管的堵塞機(jī)理，優(yōu)選適合該類儲(chǔ)層的防砂方式，基于相似模擬原理研制了可旋轉(zhuǎn)式防砂物理模擬試驗(yàn)裝置。利用該試驗(yàn)裝置，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況重點(diǎn)考慮砂泥巖互層儲(chǔ)層的互層比與井筒井斜角兩大因素，評(píng)價(jià)分析了不同因素對(duì)防砂方式的影響。研究結(jié)果表明：互層比和井斜角對(duì)篩管防砂方式的選擇有顯著影響，當(dāng)互層比小于0.4時(shí)，優(yōu)先選用優(yōu)質(zhì)篩管防砂，反之則選用礫石充填防砂方式；井斜角小于45°時(shí)，互層比對(duì)礫石充填和防砂管堵塞程度影響較小；當(dāng)井斜角超過45°時(shí)，井斜角對(duì)防砂管堵塞程度的影響不可忽略。研究成果對(duì)于指導(dǎo)砂泥巖互層儲(chǔ)層的防砂優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

防砂；砂泥巖互層；互層比；井斜角；篩管防砂；物理模擬

中圖分類號(hào)：TE358

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2024.12.016

基金項(xiàng)目：中國海洋石油集團(tuán)有限公司重大科技專項(xiàng)“南海西部油田上產(chǎn)2000萬方關(guān)鍵技術(shù)研究”（CNOOC-KJ 135 ZDXM 38 ZJ 01 ZJ）。

Experimental Study on Optimized Sand Control in

Sandstone-Mudstone Interbedded Reservoirs

Liang Yukai1" Lou Yishan2" Liu Shanyong3" Peng Jianfeng1" Wang Lihua2" Gao Fei2

（1.Zhanjiang Branch of CNOOC （China） Co.，Ltd.；2.School of Petroleum Engineering，Yangtze University；3.Institute of Mud Logging Technology and Engineering，Yangtze University）

The unconsolidated sandstone reservoirs in the WC oilfield in the South China Sea is characterized by severe sand production，strong reservoir heterogeneity and staggered distribution of sandstone-mudstone interbeds.However，traditional sand control methods are less applicable to such reservoirs，resulting in severe screen blockage and continuous decline in productivity，which seriously affects its normal development.In order to understand the mechanism by which sandstone-mudstone interbed blocks the sand control screen and select the sand control method suitable for this type of reservoirs，a rotatable sand control physical simulation test device was developed according to the analogy simulation principle.Then，using the test device，and considering the interbed ratio of sandstone-mudstone interbedded reservoir and the wellbore inclination depending on field conditions，the influences of different factors on sand control methods were evaluated.The results show that the interbed ratio and wellbore inclination have significant impacts on the selection of sand control methods.When the interbed ratio is less than 0.4，high quality screen is preferred for sand control；otherwise，gravel pack sand control is applied.When the wellbore inclination is less than 45°，the interbed ratio has a relatively small impact on the gravel pack and blockage degree of sand control screen.When the wellbore inclination exceeds 45°，the impact of the wellbore inclination on the blockage degree of sand control screen cannot be ignored.The study results have important guiding significance for optimization of sand control in sandstone-mudstone interbedded reservoirs.

sand control；sandstone-mudstone interbed；interbed ratio；wellbore inclination；sand control of screen；physical simulation

0" 引" 言

在南海油氣田的開發(fā)過程中，大塊的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層開發(fā)已趨于成熟，挖掘砂巖小層的開采潛力是未來增儲(chǔ)上產(chǎn)的重點(diǎn)［1-2］。南海WC油田疏松砂巖油藏儲(chǔ)量規(guī)模大、開發(fā)難度高。隨著油氣開發(fā)的不斷深入，該類儲(chǔ)層砂泥巖交錯(cuò)，縱向上小砂體個(gè)數(shù)多達(dá)數(shù)百個(gè)，最薄的砂體不足0.1 m厚，造成防砂篩管非均勻堵塞情況增多。該類型儲(chǔ)層面臨如下挑戰(zhàn)：①砂泥巖互層、小夾層多且非均質(zhì)性強(qiáng)，增加了防砂設(shè)計(jì)難度；②砂粒與泥質(zhì)或黏土在篩管外表面環(huán)空及篩管內(nèi)擋砂介質(zhì)中的堵塞機(jī)理不相同，泥巖夾層在開采的過程中出現(xiàn)泥質(zhì)層間運(yùn)移，導(dǎo)致砂泥混合復(fù)合堵塞，影響防砂井產(chǎn)能，并且對(duì)該影響程度大小的判斷缺乏有效的評(píng)價(jià)手段［3-4］。因此，針對(duì)砂泥巖互層儲(chǔ)層開采特點(diǎn)確定合理的防砂方式及防砂參數(shù)是當(dāng)前迫切需要解決的關(guān)鍵問題。

梁玉凱，等：砂泥巖互層儲(chǔ)層防砂優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

目前國內(nèi)外關(guān)于防砂設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的研究較多，R.J.SAUCIER［5］通過大量試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)[石尺寸為地層砂粒度中值的5～6倍時(shí)，對(duì)礫石層滲透率影響最小，礫石層滲透率損失降至最低，對(duì)產(chǎn)量提升最大。而對(duì)防砂井筒堵塞機(jī)制的研究主要集中在對(duì)礫石充填層的堵塞過程。K.FURUI等［6］、劉東等［7］通過試驗(yàn)手段研究地層砂在礫石充填層多孔介質(zhì)中的侵入和運(yùn)移機(jī)制，分析了地層砂粒徑、侵入量及侵入厚度等因素對(duì)礫石充填層滲透率的影響。G.GILLESPIE等［8］考慮整個(gè)儲(chǔ)層非均質(zhì)系數(shù)（UC）及地層砂粒度中值D50的分布范圍，采用室內(nèi)試驗(yàn)手段，評(píng)價(jià)了不同篩管對(duì)產(chǎn)能的影響，提出了不同地層條件下4種完井方式優(yōu)選方法。目前，對(duì)防砂工藝的選取、完井篩管的選型與設(shè)計(jì)是取得良好防砂完井效果的關(guān)鍵，開展模擬井筒條件下防砂篩管堵塞特性試驗(yàn)是重要手段［9-11］。國內(nèi)鄧金根教授團(tuán)隊(duì)［12-16］研究了儲(chǔ)層泥質(zhì)含量、黏土吸水膨脹性對(duì)防砂方式選擇的影響，建立了適用于渤海灣地區(qū)適度防砂技術(shù)的防砂方式選擇圖版。李彥超等［17］采用多功能油藏驅(qū)替試驗(yàn)裝置和數(shù)值分析方法，模擬了不同礫石與地層砂粒徑比情況下砂粒運(yùn)移對(duì)礫石充填層滲透率的損害規(guī)律及礫石充填層堵塞機(jī)理。鄧福成等［18］針對(duì)金屬網(wǎng)布篩管被地層砂中微顆粒堵塞而造成低產(chǎn)或者停產(chǎn)的情況，開展了微顆粒對(duì)金屬網(wǎng)布篩管微顆粒堵塞機(jī)理研究。楊帥［19］通過試驗(yàn)得出結(jié)論，砂泥巖互層篩管堵塞機(jī)理與純砂巖篩管堵塞機(jī)理有所不同，且互層比作為砂泥巖互層最重要的特征對(duì)篩管堵塞具有明顯的影響。

上述研究未考慮砂泥巖互層分布和井型特點(diǎn)，然而目標(biāo)區(qū)塊具有砂巖小層多、互層比低、連通性差、膠結(jié)疏松等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)防砂設(shè)計(jì)方法適用性不強(qiáng)，可能會(huì)導(dǎo)致篩管堵塞加劇，產(chǎn)能下降。為此，結(jié)合其儲(chǔ)層特點(diǎn)，本文研制了一套針對(duì)多層系的室內(nèi)防砂物理模擬試驗(yàn)裝置。該裝置可模擬復(fù)雜砂泥巖互層、夾層等儲(chǔ)層，還能對(duì)不同井斜角進(jìn)行模擬；通過大量防砂模擬試驗(yàn)研究，建立了一套適合泥巖互層的防砂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。研究結(jié)果可為防砂工藝設(shè)計(jì)、完井篩管的結(jié)構(gòu)優(yōu)選與參數(shù)設(shè)計(jì)等提供科學(xué)依據(jù)。

1" 儲(chǔ)層基本特征

WC油田疏松低滲儲(chǔ)層泥質(zhì)含量較高，物性相對(duì)較差，巖心平均孔隙度25.6%～29.5%，平均滲透率19.3～57.9 mD，屬高孔、中低滲儲(chǔ)層。儲(chǔ)層粒度的分布是選擇防砂方式的主要依據(jù)，WC油田某井巖心粒度資料表明，不同層位粒度也會(huì)有差異。圖1顯示A組的粒度中值D50為150～250 μm和B組粒度中值D50為150～220 μm。

2" 砂泥巖互層防砂物理模擬試驗(yàn)方法

2.1" 試驗(yàn)原理及裝置

互層比是指砂巖儲(chǔ)層泥巖夾層厚度占儲(chǔ)層總厚度的比值，該值可反映砂、泥巖互層中泥巖的分布特點(diǎn)。當(dāng)前防砂試驗(yàn)裝置大都僅僅模擬砂體出砂特點(diǎn)，鮮有考慮層間相互干擾以及互竄對(duì)篩管防砂堵塞的影響，而該因素在砂泥巖互層分布的儲(chǔ)層開采中往往無法忽略。因此，為了真實(shí)模擬該類儲(chǔ)層，在有圍壓條件下進(jìn)行防砂篩管模擬試驗(yàn)，設(shè)計(jì)物模裝置時(shí)需考慮如何實(shí)現(xiàn)分層（從左至右互層比為0.75、0.50、0.25和0）模擬，基于該考慮模擬了互層比概況如圖2所示。

另外，目前眾多試驗(yàn)裝置僅僅以垂直井筒作為研究對(duì)象，未考慮由于井型變化（斜井、水平井等）導(dǎo)致的井壁坍塌對(duì)流動(dòng)性和堵塞規(guī)律的影響。為了克服該缺陷，在建立物模裝置時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整井筒傾斜角度的操作條件，以便模擬不同井斜角的出砂規(guī)律。綜合前述要求與考慮，設(shè)計(jì)了防砂模擬試驗(yàn)裝置，如圖3所示。

為了評(píng)價(jià)油氣開采過程中砂泥巖互層分布引起的泥質(zhì)運(yùn)移或儲(chǔ)層坍塌等對(duì)井筒內(nèi)防砂管堵塞規(guī)律的影響，論證適度出砂開采中防砂管獨(dú)立防砂的適用范圍，將防砂管在試驗(yàn)中的過流能力（即防砂管整體滲透率k）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。攜砂流體在通過防砂篩管時(shí)，其所攜帶的砂和泥會(huì)逐漸堵塞篩管，致使篩管的過流面積逐漸減小，阻力隨之增大，導(dǎo)致篩管內(nèi)、外壓差和流量發(fā)生變化。通過壓力傳感器和流量儀實(shí)時(shí)記錄篩管內(nèi)外的壓力和流量，可計(jì)算篩管整體滲透率k的變化：

k=qμ2πhΔplnDidi（1）

式中：k為防砂管整體滲透率，mD；

q為流量，L/h；

μ為流體黏度，mPa·s；

h為測試篩管長度，cm；

Δp為壓差，MPa；

Di為篩管內(nèi)半徑，mm；

di為篩管外半徑，mm。

2.2" 試驗(yàn)材料及條件

試驗(yàn)材料主要包括全尺寸防砂管、原油和礫石層等。試驗(yàn)采用的防砂篩管選取符合美國API目數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的金屬網(wǎng)布復(fù)合優(yōu)質(zhì)篩管，其基管尺寸76 mm，擋砂層網(wǎng)布精度150 μm，長度1 000 mm，篩管外徑約為94 mm，如圖4所示。另外，由于地下原油獲取困難，以工業(yè)白油來模擬地下溫度時(shí)原油黏度，采用工業(yè)陶粒（0.60～1.40、0.40～1.00、0.25～0.40 mm）。

儲(chǔ)層條件：模擬砂泥巖交錯(cuò)分布儲(chǔ)層，通過改變砂體厚度來改變互層比參數(shù)；為定量分析地層互層比對(duì)防砂方式選擇的影響，以WC油田某井為參照對(duì)象，模擬粒度、泥質(zhì)含量及黏土礦物組分等參數(shù)。基于真實(shí)儲(chǔ)層粒度分布（D10、D40、D50、D90，非均質(zhì)系數(shù)等）特點(diǎn)，模擬參數(shù)與儲(chǔ)層參數(shù)符合程度90％以上；對(duì)于泥巖層段，模擬真實(shí)儲(chǔ)層礦物組分，其中蒙脫石含量符合程度90％以上；采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)目數(shù)的石英砂作為試驗(yàn)用地層砂，調(diào)整不同目數(shù)石英砂的比例，使配制的石英砂與儲(chǔ)層粒度特征值相符，如圖5所示。

2.3" 試驗(yàn)方案

砂泥巖互層特點(diǎn)防砂物理模擬試驗(yàn)方案如圖6所示。由圖6可以看出，試驗(yàn)方案分為2部分，第一部分是模擬儲(chǔ)層特點(diǎn)，改變互層比含量，以建立直井井筒開采過程中隨互層比變化的防砂管堵塞曲線，分析影響規(guī)律及敏感期間；第二部分是根據(jù)模擬儲(chǔ)層特點(diǎn)，針對(duì)砂泥巖等厚交錯(cuò)儲(chǔ)層，改變井斜角，以建立定向井開采過程中隨井斜角變化的防砂管堵塞曲線，分析井筒坍塌對(duì)防砂管的影響規(guī)律。圖6中凈毛比表示凈砂層有效厚度與毛砂層巖有效厚度的比值。

3" 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1" 直井中互層比對(duì)篩管防砂完井堵塞的影響規(guī)律

由于存在環(huán)空區(qū)間，泥巖層在流體攜帶下向整個(gè)防砂管外表面流動(dòng)，導(dǎo)致防砂管整體堵塞。而礫石充填防砂中，礫石層限制了泥質(zhì)的縱向流動(dòng)，會(huì)降低該因素的影響。為定量分析地層互層比對(duì)防砂方式選擇的影響，以南海WC油田珠江組儲(chǔ)層為研究對(duì)象，考慮砂泥巖互層小層多，儲(chǔ)層分布不均等特點(diǎn)，進(jìn)行不同互層比（0.75、0.50、0.25和0）條件下的出砂模擬對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)介質(zhì)采用黏度為80 mPa·s的工業(yè)白油模擬地下原油，篩管選用225 μm金屬網(wǎng)布復(fù)合優(yōu)質(zhì)篩管，泥巖層由石英等固相顆粒及黏土""" 礦物組成，其中泥質(zhì)含量占50%，砂巖層含15%蒙脫石。試驗(yàn)初始流量根據(jù)油田單井產(chǎn)量測算為2 000 L/h，循環(huán)介質(zhì)采用黏度為80 mPa·s的工業(yè)白油模擬地下原油，分別進(jìn)行10組不同互層比條件下的模擬試驗(yàn)。圖7為2種不同防砂方式下?lián)跎敖橘|(zhì)滲透率隨互層比變化的關(guān)系圖，整個(gè)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)見表1。

如圖7所示：當(dāng)互層比為0.6時(shí)，裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂與礫石充填防砂堵塞程度相同，當(dāng)互層比小于0.6時(shí)，砂泥巖儲(chǔ)層層間互竄導(dǎo)致的篩管堵塞要低于同樣條件下礫石充填防砂中礫石層堵塞。因此在現(xiàn)場防砂方式優(yōu)選中，當(dāng)互層比小于0.6時(shí)可優(yōu)先選用裸眼+礫石充填防砂。

3.2" 井斜角對(duì)篩管防砂完井堵塞的影響規(guī)律

隨著井斜角的增加，在開發(fā)階段儲(chǔ)層的坍塌風(fēng)險(xiǎn)增高，為分析定向井在開采階段中的井壁垮塌和砂泥巖互竄導(dǎo)致的防砂管堵塞規(guī)律，進(jìn)行了不同井斜角下的對(duì)比試驗(yàn)研究。控制基礎(chǔ)試驗(yàn)條件一致，互層比為0.5，即采用1∶1砂泥混合（從上至下分別為泥-砂-泥-砂，共計(jì)4層）配比，循環(huán)用的流體介質(zhì)采用黏度為80 mPa·s的工業(yè)白油模擬地下原油，分別開展井斜角在0°、30°、45°、60°、75°和90°的模擬試驗(yàn)共計(jì)12組，試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)見表2。

圖8所示為同一防砂方式下不同井斜角的防砂試驗(yàn)對(duì)比圖。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著井斜角的增加堵塞越明顯，表明此時(shí)滲透率也越小。

圖9為試驗(yàn)所得不同井斜角對(duì)篩管最終滲透率的影響曲線圖。由圖9可知，對(duì)于礫石充填防砂，由于環(huán)空中充填滿礫石層，開采過程中基本不存在井壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)互層比一定時(shí)，井斜角變化對(duì)防砂管或礫石層堵塞影響較小，可以忽略。對(duì)于優(yōu)質(zhì)篩管防砂，井斜角30°～60°為坍塌加劇區(qū)間，當(dāng)井斜角超過45°時(shí)，防砂管堵塞程度超過礫石充填防砂。因此，在現(xiàn)場防砂設(shè)計(jì)中必須考慮井斜角的因素來進(jìn)行防砂方式優(yōu)選。

4" 實(shí)例應(yīng)用

以南海WC油田明化鎮(zhèn)組儲(chǔ)層為例，其儲(chǔ)層特性見表3。

利用所建立的砂泥巖互層設(shè)計(jì)方法，分別對(duì)該區(qū)塊進(jìn)行防砂方式優(yōu)化設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)通過該設(shè)計(jì)方法應(yīng)用，該區(qū)塊可采用優(yōu)質(zhì)篩管防砂，不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的篩管堵塞問題，且能極大的釋放產(chǎn)能。應(yīng)用結(jié)果與適度出砂開采設(shè)計(jì)目標(biāo)一致，并且得到了現(xiàn)場產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

結(jié)合前人研究成果，基于室內(nèi)防砂物理模擬試驗(yàn)，結(jié)合我國南海海域砂泥巖互層儲(chǔ)層不同完井方式下的產(chǎn)能評(píng)價(jià)結(jié)果，提出了考慮砂泥巖互層和井型特點(diǎn)的防砂方式優(yōu)選方法，并建立了相關(guān)設(shè)計(jì)圖版，如圖10所示。

（1）當(dāng)D50lt;50 μm，采用礫石充填防砂方式。

（2）當(dāng)50 μmlt;D50lt;250 μm：①互層比lt;0.4，采用礫石充填防砂方式；②互層比gt;0.4，井斜角lt;45°，采用優(yōu)質(zhì)篩管防砂方式；③互層比gt;0.4，井斜角gt;45°，采用礫石充填防砂方式。

（3）當(dāng)D50gt;250 μm：①非均質(zhì)系數(shù)gt;5.0，采用金屬纖維優(yōu)質(zhì)篩管防砂；②非均質(zhì)系數(shù)lt;5.0，采用金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管防砂方式。

5" 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）建立了南海泥砂巖夾層油藏防砂篩管堵塞試驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置與方法，模擬定向井砂泥巖互層優(yōu)質(zhì)篩管、礫石充填完井等防砂完井方式。通過模擬對(duì)比分析地層出砂過程中井筒滲透率，進(jìn)行防砂井筒堵塞特性的地面模擬試驗(yàn)。在前人研究基礎(chǔ)上增加了互層比與井斜角的因素，擴(kuò)大了適度出砂開采的應(yīng)用范圍。

（2）在保證泥質(zhì)含量和黏土"""" 礦物成分等條件不變的情況下，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同互層比對(duì)篩管防砂方式的選擇有顯著影響。當(dāng)互層比小于0.6時(shí)，優(yōu)先選用礫石充填防砂，大于0.6時(shí)選用優(yōu)質(zhì)篩管防砂方式。

（3）相較于傳統(tǒng)防砂設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)造性地運(yùn)用了相似模擬原理，開發(fā)了可旋轉(zhuǎn)式防砂物理模擬試驗(yàn)裝置，并通過結(jié)合實(shí)際工況重點(diǎn)與考慮砂泥巖互層儲(chǔ)層的互層比與井筒井斜角兩大因素，評(píng)價(jià)分析不同因素對(duì)防砂方式的影響，使得防砂方式具有普適性和高效性。

（4）根據(jù)考慮井型特點(diǎn)的模擬試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，井斜角對(duì)不同防砂方式的影響不同，井斜角變化對(duì)礫石充填防砂影響較小，可以忽略。然而，當(dāng)井斜角超過45°時(shí)，其對(duì)優(yōu)質(zhì)篩管防砂的影響不可忽略，井斜角增加使得篩管滲透率明顯降低。

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第一梁玉凱，高級(jí)工程師，生于1981年，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣田開發(fā)專業(yè)，現(xiàn)從事采油工藝技術(shù)研究與應(yīng)用工作。地址：（570311）海南省海口市。電話：（0898）69090469。email：liangyk1@cnooc.com.cn。2024-06-28宋治國