高凱歌,董長(zhǎng)銀,趙　林,劉浩伽,韓博宇

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國(guó)石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

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井樓油田礫石充填防砂參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究

高凱歌1,董長(zhǎng)銀1,趙林2,劉浩伽1,韓博宇2

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國(guó)石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

礫石層和機(jī)械篩管是礫石充填防砂的關(guān)鍵組成部分，其類型和性能決定了擋砂效果和防砂井產(chǎn)能。井樓油田井樓7區(qū)塊油藏出砂嚴(yán)重，為優(yōu)選礫石層充填方式和機(jī)械防砂篩管精度，使用擋砂介質(zhì)性能評(píng)價(jià)裝置，模擬現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)3種礫石層及8種不同篩管樣本進(jìn)行擋砂介質(zhì)性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到擋砂介質(zhì)的流通性能、擋砂性能、抗堵塞性能的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，并針對(duì)井樓7區(qū)塊進(jìn)行了礫石充填防砂參數(shù)優(yōu)選。

井樓油田； 礫石充填防砂；性能評(píng)價(jià)； 擋砂驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

疏松砂巖油藏由于自身膠結(jié)程度差、非均質(zhì)性強(qiáng)，在生產(chǎn)過(guò)程中普遍存在出砂問(wèn)題。礫石充填防砂是目前廣泛使用的防砂方式之一，擋砂介質(zhì)的主要作用是有效阻擋地層砂侵入井筒并保持一定滲透率使油氣暢流入井[1]，礫石層的性能決定了防砂井產(chǎn)能及防砂有效期。目前井樓油田井樓7區(qū)塊防砂篩管主要為擋砂精度為0.15 mm、0.20 mm的繞絲篩管和復(fù)合篩管，外徑分別為108 mm和202 mm，采用0.3～0.6 mm和0.425～0.85 mm兩種尺寸石英砂進(jìn)行雙級(jí)礫石充填。相對(duì)于單級(jí)礫石充填，雙級(jí)礫石充填的成本更高、施工難度更大。為降低施工成本的同時(shí)保證良好的防砂效果，礫石層充填方式、礫石尺寸以及機(jī)械篩管精度的優(yōu)選是目前井樓7區(qū)塊防砂決策的主要問(wèn)題之一。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)礫石層及篩管防砂性能評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量研究，而實(shí)驗(yàn)檢測(cè)是研究的主要技術(shù)手段之一[2-11]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文使用自行研制的防砂篩管與礫石層特性評(píng)價(jià)微觀驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)3種礫石層和8種篩管樣品進(jìn)行性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)井樓油田進(jìn)行礫石充填防砂參數(shù)優(yōu)化。

1　實(shí)驗(yàn)條件與方法

1.1擋砂介質(zhì)性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)原理

擋砂介質(zhì)性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)直接模擬地層流體攜帶地層砂沖擊擋砂介質(zhì)，并模擬擋砂介質(zhì)的擋砂及堵塞過(guò)程。流體攜帶的地層砂使用目標(biāo)區(qū)塊的地層砂，以穩(wěn)定的含砂率長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)替，同時(shí)測(cè)量機(jī)械篩管短節(jié)管壁和礫石層兩側(cè)的驅(qū)替流量、壓差和過(guò)砂量。在驅(qū)替過(guò)程中，由于地層砂的堵塞作用，擋砂介質(zhì)兩端的驅(qū)替壓差和流量會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量擋砂介質(zhì)兩端壓差和流量，根據(jù)達(dá)西公式求出擋砂介質(zhì)的滲透性變化。

1.2實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

擋砂介質(zhì)性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)采用防砂篩管與礫石層特性評(píng)價(jià)微觀驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)裝置，由主體裝置、儲(chǔ)液罐、混砂器、泵、壓差與流量計(jì)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，本次實(shí)驗(yàn)使用徑向流驅(qū)替部分。

實(shí)驗(yàn)使用一致的流體黏度、初始驅(qū)替流量、地層砂。隨著地層砂侵入，地層發(fā)生堵塞，擋砂介質(zhì)兩端壓差及流量發(fā)生變化。當(dāng)壓差、流量長(zhǎng)時(shí)間趨于穩(wěn)定后，說(shuō)明堵塞橋架達(dá)到平衡狀態(tài)，可以結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

1.3實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)在室溫條件下實(shí)施，溫度約為20 ℃，管線出口壓力均為大氣壓，實(shí)際壓力取決于實(shí)驗(yàn)排量、篩管與礫石層堵塞程度和流動(dòng)阻力。

井樓油田為稠油油藏蒸汽吞吐開采，經(jīng)過(guò)測(cè)算，實(shí)驗(yàn)流體采用2～10 mPa·s的增黏水。地層砂使用井樓7區(qū)塊Ⅳ2-3油層產(chǎn)出砂數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)配，粒度中值為0.229 mm，均勻系數(shù)為1.596(編號(hào)為S1)；篩管樣品共8種，樣品短節(jié)長(zhǎng)度240 mm，有效滲率長(zhǎng)度210 mm；實(shí)驗(yàn)使用3種充填礫石層，具體見表1和表2所示。

對(duì)于徑向流雙粒級(jí)充填方式，靠近篩管外壁處充填0.425～0.8 mm礫石，靠近模擬井筒內(nèi)壁處充填0.3～0.6 mm礫石。

表1　實(shí)驗(yàn)篩管短節(jié)樣品

表2　實(shí)驗(yàn)使用充填礫石

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

性能良好的擋砂介質(zhì)不僅要有效地阻擋地層砂進(jìn)入井筒，還要在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中保持一定滲透性以保持油井產(chǎn)能。實(shí)驗(yàn)中使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，使用流通性能指標(biāo)、擋砂性能指標(biāo)、抗堵塞性能指標(biāo)以及擋砂介質(zhì)的綜合性能指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)擋砂介質(zhì)的防砂性能優(yōu)劣，具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)[12-13]。

2.1篩管尺寸優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為檢驗(yàn)不同篩管尺寸(礫石層充填厚度)對(duì)防砂效果的影響，使用外徑分別為108 mm、202 mm的繞絲篩管和復(fù)合篩管、A2(0.425～0.85 mm)礫石層以及黏度為2～10 mPa·s的瓜膠溶液進(jìn)行徑向驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，擋砂介質(zhì)滲透率變化曲線如圖1和圖2所示。

圖1　井樓7區(qū)塊地層砂A2礫石不同復(fù)合篩管尺寸滲透率變化曲線

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在井筒尺寸相同條件下，4種擋砂介質(zhì)在驅(qū)替過(guò)程中滲透率變化規(guī)律相似，均隨地層砂的堵塞作用而逐漸降低并最后保持穩(wěn)定。使用大尺寸篩管會(huì)導(dǎo)致礫石層變薄，驅(qū)替過(guò)程中地層砂侵入?yún)^(qū)域比例占全部礫石層厚度較高，導(dǎo)致總體滲透率下降較快，整個(gè)驅(qū)替過(guò)程中的平均滲透率和最終滲透率都較低；而使用尺寸較小的篩管可獲得相對(duì)厚的礫石層，堵塞過(guò)程雖有地層砂侵入，但侵入?yún)^(qū)域所占總礫石層厚度的比例較低，驅(qū)替過(guò)程中的滲透率下降較慢，并且最終滲透率較高。

圖2　井樓7區(qū)塊地層砂A2礫石不同繞絲篩管尺寸滲透率變化曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，針對(duì)井樓油田井樓7區(qū)塊礫石充填防砂，推薦使用較小規(guī)格尺寸(77/108 mm)的篩管，以獲得較高的充填層厚度和較高的總體滲透率和流通性能。因此，后續(xù)擋砂介質(zhì)徑向流驅(qū)替實(shí)驗(yàn)均使用外徑為108 mm的機(jī)械篩管。

2.2礫石層充填粒級(jí)及礫石尺寸優(yōu)選實(shí)驗(yàn)分析

使用相同的機(jī)械篩管、地層砂樣品及實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別進(jìn)行A1(0.3～0.6 mm單粒級(jí)充填)、A2(0.425～0.850 mm單粒級(jí)充填)、A3(兩種礫石雙粒級(jí)充填)防砂效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比單粒級(jí)礫石充填和雙粒級(jí)礫石充填的防砂效果。

2.2.1 地層砂和F1復(fù)合篩管不同充填層實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

使用F1復(fù)合篩管進(jìn)行支撐，分別使用A1、A2、A3礫石層進(jìn)行充填，使用井樓7區(qū)地層砂和黏度為2～10 mPa·s的瓜膠溶液進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。擋砂介質(zhì)滲透率變化曲線如圖3所示，計(jì)算得到的各項(xiàng)性能指標(biāo)如圖4所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，3組驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中均未觀察到地層砂通過(guò)擋砂介質(zhì)，說(shuō)明3種充填方式均能滿足擋砂要求，擋砂性能指標(biāo)均為1； A3(雙粒級(jí))礫石層的流通性能指標(biāo)為1.0，綜合流通性能最好；A2的流通性能指標(biāo)為0.81，略低于A3，但相差不大；礫石層流通性相對(duì)較差；A1礫石由于粒徑較細(xì)，地層砂不易侵入，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗堵塞性； A3礫石層和A2礫石層的抗堵塞性略差； A3充填方式的綜合性能指標(biāo)為1.0，綜合性能最好；A2的綜合指標(biāo)為0.86，與A3相差不大。

圖3　井樓7區(qū)塊地層砂F1復(fù)合篩管=三種充填方式實(shí)驗(yàn)的滲透率變化對(duì)比

圖4　S1F1三種充填方式各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)比

2.2.2 不同充填層實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

使用R2繞絲篩管進(jìn)行支撐，分別使用A1、A2、A3礫石層進(jìn)行充填，使用井樓7區(qū)塊地層砂和黏度為2～10 mPa·s的瓜膠溶液進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。擋砂介質(zhì)滲透率變化曲線如圖5所示，計(jì)算得到的各項(xiàng)性能指標(biāo)如圖6所示。

圖5　井樓7區(qū)塊地層砂R2繞絲篩管　　　三種充填方式實(shí)驗(yàn)的滲透率變化對(duì)比

圖6　S1R2三種充填方式各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)比

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，3組驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中均未觀察到地層砂通過(guò)擋砂介質(zhì)，說(shuō)明3種充填方式均能滿足擋砂要求，擋砂性能指標(biāo)均為1；A3(雙粒級(jí))礫石層的流通性能指標(biāo)為1.0，綜合流通性能最好；A2的流通性能指標(biāo)為0.82，略低于A3但相差不大；A1礫石由于粒徑較細(xì)，地層砂不易侵入，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗堵塞性； A3充填方式的綜合性能指標(biāo)為0.91，綜合性能最好；A2的綜合指標(biāo)為0.84，與A3相差不大。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，針對(duì)井樓7區(qū)塊復(fù)合篩管礫石充填，推薦采用0.425～0.850 mm單粒級(jí)礫石充填方式，既能保證擋砂效果，又可以保持一定的流通性能，并可以簡(jiǎn)化施工程序，降低施工成本。

2.3篩管擋砂精度優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 不同篩管精度優(yōu)選實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

使用F1、F2、R1、R2四種外徑為108 mm、精度分別為0.15、0.20 mm的復(fù)合篩管和繞絲篩管，A2和A3礫石層，井樓7區(qū)塊地層砂，以及黏度為2～10 mPa·s的瓜膠溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于礫石充填情況下的防砂效果，起主要作用的是礫石層，篩管僅起到支撐礫石層的作用，對(duì)其他性能影響不大。因此，無(wú)法在礫石充填情況下對(duì)篩管精度進(jìn)行優(yōu)選，需要進(jìn)行篩管直接阻擋地層砂性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。

2.3.2 直接阻擋地層砂篩管擋砂精度優(yōu)選

在礫石充填條件下，礫石層主要起到擋砂作用。對(duì)于井樓7區(qū)塊，由于采用蒸汽吞吐熱采方式，交替注熱和生產(chǎn)可能會(huì)使礫石層失效，在此情況下，篩管就將承擔(dān)防砂功能。

使用F1、F2、R1、R2四種外徑為108 mm，精度分別為0.15、0.20 mm的復(fù)合篩管和繞絲篩管，井樓7區(qū)地層砂，清水進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，模擬現(xiàn)場(chǎng)礫石充填層失效、篩管直接防砂的情況。4種篩管在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中滲透率變化曲線如圖7所示，過(guò)砂率對(duì)比如圖8所示。

圖7　不同篩管直接阻擋地層實(shí)驗(yàn)滲透率變化

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著驅(qū)替進(jìn)行，不同精度的繞絲篩管和復(fù)合篩管滲透率均隨時(shí)間下降；精度0.15 mm和0.20 mm的復(fù)合篩管的過(guò)砂率分別為9.3%和13%；而相應(yīng)精度的繞絲篩管的過(guò)砂率只有0.85%和1.80%，即精度為0.15 mm篩管的擋砂效果要明顯好于精度為0.20 mm篩管。因此，針對(duì)井樓7區(qū)塊蒸汽吞吐的生產(chǎn)條件，當(dāng)?shù)[石層失效后篩管會(huì)直接面對(duì)地層砂，推薦選擇0.15 mm精度機(jī)械篩管進(jìn)行防砂。

圖8　不同精度篩管過(guò)砂率對(duì)比

3　結(jié)論與建議

(1)礫石層充填方式、礫石尺寸以及機(jī)械篩管精度的優(yōu)選是目前井樓油田井樓7區(qū)塊防砂決策的主要問(wèn)題之一，本文通過(guò)大量物模實(shí)驗(yàn)，對(duì)各項(xiàng)礫石充填防砂參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了優(yōu)選推薦。

(2)針對(duì)井樓7區(qū)塊地層砂(粒度中值0.229 mm)，3種礫石充填方式A1(0.30～0.6 mm)、A2(0.425～0.85 mm)、A3(兩種粒級(jí)復(fù)合)礫石層均能滿足擋砂要求。A1礫石層表現(xiàn)出較好的抗堵塞性；A2礫石層和A3礫石層的流通性能較好；A2礫石層和A3礫石層的綜合性能均較好，A3礫石層的綜合防砂性能更好一些。但考慮簡(jiǎn)化防砂設(shè)計(jì)和施工程序以及降低施工成本等因素，對(duì)于井樓7區(qū)塊地層砂推薦采用A2單粒級(jí)礫石充填方式。

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，規(guī)格尺寸較小的108 mm復(fù)合篩管和繞絲篩管能獲得相對(duì)較厚的礫石層，驅(qū)替過(guò)程中的滲透率下降較慢，且最終滲透率較高。對(duì)于井樓7區(qū)塊地層砂，推薦使用較小規(guī)格尺寸的(77/108 mm)的防砂篩管，以獲得較厚的礫石充填層、較高的總體滲透率和流通性能。

(4) 限于實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)流體使用清水和增黏水進(jìn)行，實(shí)際油井中多為油氣水混合物，情況更加復(fù)雜。建議后續(xù)采用更接近于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件的高黏流體開展進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

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編輯：王金旗

1673-8217(2016)05-0113-04

2016-04-27

高凱歌，1993年生，中國(guó)石油大學(xué)(華東)在讀碩士研究生，從事采油工程、防砂完井方向研究。

TE345

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