魏劍飛

中石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院修井完井研究所 山東 東營(yíng) 25700

1 研究的目的和意義

完井篩管是熱采水平井裸眼防砂完井技術(shù)的重要組成工具，它具有過(guò)濾面積大、滲透性高、堵漏能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在防砂完井過(guò)程中，篩管與其它完井配套工具連接在一起下入油層部位裸眼中。在油井生產(chǎn)過(guò)程中，油流通過(guò)篩管的過(guò)濾層進(jìn)入井筒，采出地面，而地層砂被阻擋在篩管與井筒環(huán)空內(nèi)，非常細(xì)的地層砂隨油流被產(chǎn)出，較大顆粒的地層砂聚積在環(huán)空內(nèi)形成自然充填層，進(jìn)一步提高了防砂效果。

通過(guò)對(duì)目前應(yīng)用的各種篩管的過(guò)濾層性能進(jìn)行分析，采用了繞絲層與金屬網(wǎng)層復(fù)合的過(guò)濾層結(jié)構(gòu)。過(guò)濾層內(nèi)層為繞絲層，外層為金屬網(wǎng)層，通過(guò)兩層過(guò)濾結(jié)構(gòu)提高了擋砂效果，增加了過(guò)濾層的強(qiáng)度，提高了過(guò)濾層的抗沖蝕能力。

但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的過(guò)程中，出現(xiàn)了以下問(wèn)題：

（1）目前選取篩管過(guò)濾粒徑是依據(jù)理論設(shè)計(jì)值，粒徑選擇不合適容易造成油井出砂和篩管堵塞導(dǎo)致產(chǎn)能下降；

（2）目前對(duì)篩管擋砂能力和抗沖蝕能力缺乏評(píng)價(jià)的方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，沒有形成理論；

（3）缺少對(duì)篩管擋砂能力和抗沖蝕能力進(jìn)行評(píng)價(jià)的試驗(yàn)裝置，無(wú)法模擬現(xiàn)場(chǎng)篩管生產(chǎn)情況。

針對(duì)以上的問(wèn)題，進(jìn)行了熱采水平井完井篩管擋砂性能評(píng)價(jià)研究和抗沖蝕性能評(píng)價(jià)研究，為篩管設(shè)計(jì)提供依據(jù)，根據(jù)不同油藏特性進(jìn)行篩管的篩選，使方案設(shè)計(jì)和單井應(yīng)用更有針對(duì)性。

2 熱采水平井完井篩管擋砂性能評(píng)價(jià)方法研究

通過(guò)微觀模擬、宏觀模擬和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)的篩管的實(shí)際防砂效果進(jìn)行了模擬評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)的主要思路是通過(guò)壓力傳感器連續(xù)采集篩管注入端內(nèi)外壓降的變化，從而反應(yīng)出篩管受到的堵塞和堵塞物的解除情況；通過(guò)測(cè)量通過(guò)篩管的流體流速，反應(yīng)篩管對(duì)于油氣的導(dǎo)流能力，從而評(píng)價(jià)防砂后對(duì)產(chǎn)能的影響；通過(guò)測(cè)量通過(guò)篩管后流體中所含有的砂粒質(zhì)量，從而評(píng)價(jià)濾砂管的對(duì)于不同級(jí)數(shù)砂粒的防砂性能；試驗(yàn)中過(guò)濾層隨時(shí)間變化的破壞程度可以模擬現(xiàn)場(chǎng)篩管的抗沖蝕能力。

首先從現(xiàn)場(chǎng)獲取地層砂樣和流體，根據(jù)粒度分析和粘度分析的結(jié)果配置試驗(yàn)砂樣和流體，試驗(yàn)時(shí)，在一定的注入壓力下，觀察流量、篩管內(nèi)外壓降隨時(shí)間的變化，根據(jù)變化情況來(lái)評(píng)價(jià)篩管的產(chǎn)能、堵塞和解堵性能；通過(guò)對(duì)篩管產(chǎn)出砂進(jìn)行粒度分析，結(jié)合實(shí)際地層砂的粒度分析和生產(chǎn)要求，來(lái)確定篩管的擋砂精度，評(píng)價(jià)篩管的擋砂性能。

（1）試驗(yàn)砂樣配制原則

嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)取出的砂樣粒徑分布進(jìn)行配制，各級(jí)別的砂粒按比例配入。砂樣供選擇的粒徑包括：40μm，60μm，70μm，89μm，100μm，120μm，150μm，170μm，250μm，300μm。

（2）試驗(yàn)流體配制原則

配制流體模擬現(xiàn)場(chǎng)流體物性，主要以流體粘度為主要參考值。

（3）篩管試件

取整根篩管的一段，包括篩管外保護(hù)套、過(guò)濾層、沖孔板、基管及端環(huán)等結(jié)構(gòu)。

（4）篩管試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)

① 米采油指數(shù)

借用米采油指數(shù)來(lái)對(duì)篩管的產(chǎn)液能力進(jìn)行考量，米采油指數(shù)越大，篩管的產(chǎn)液能力越高，滲透性越好。

② 篩管出砂粒徑分析

利用激光粒度分析通過(guò)篩管過(guò)濾后的砂樣，擋砂能力合格的篩管需要符合兩個(gè)指標(biāo)：一方面，在標(biāo)稱擋砂粒徑以下級(jí)別的砂樣都必須含有；另一方面，超過(guò)標(biāo)稱擋砂粒徑的石英砂占全部砂樣質(zhì)量比需要在10%以下。

3 熱采水平井完井篩管擋砂性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置研制

本次研究針對(duì)篩管特點(diǎn)研制開發(fā)了完井篩管性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置，該裝置將篩管的性能評(píng)價(jià)手段從理論研究提高到工程評(píng)價(jià)研究，實(shí)現(xiàn)了以微觀模擬宏觀。這套裝置主要可以劃分為模擬系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等三個(gè)模塊。該裝置通過(guò)模擬完井篩管防砂性能的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證篩管過(guò)濾砂粒的效果。

3.1 試驗(yàn)裝置介紹

自主設(shè)計(jì)研制了一套篩管擋砂性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 篩管性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置主視圖

該裝置包含以下幾個(gè)模塊：

（1）模擬系統(tǒng)

該系統(tǒng)能夠承受達(dá)到20MPa的壓力，而且具有一定的耐腐蝕性能。為了進(jìn)一步貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地層，將在模型中充填不同目數(shù)的模擬地層砂，在容器里部安裝有濾網(wǎng)。

試驗(yàn)時(shí)按由內(nèi)而外地順序依次將篩管、模擬地層砂、分流濾網(wǎng)安裝好，然后把不同目數(shù)的模擬地層砂壓實(shí)。這種大尺度填砂管模型可以模擬不同條件下的出砂情況，從而優(yōu)化篩選濾砂管基本性能。

（2）循環(huán)系統(tǒng)

循環(huán)系統(tǒng)由柱塞泵、管線、多級(jí)液罐等組成，開始由注入泵將泵內(nèi)的液體以一定的壓力輸出，首先來(lái)到集散器，經(jīng)由集散器的作用分散到試驗(yàn)裝置，分別從九個(gè)不同方向的注入口注入試驗(yàn)筒，采出液經(jīng)過(guò)管線流入沉降池，而后經(jīng)多級(jí)沉降和過(guò)濾，最終重新回到泵吸入口，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（3）測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)由多個(gè)壓力和流量傳感器組成，其中壓力傳感器分布在注入端、篩管外壁、砂體中間等部位，可以通過(guò)壓力表對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集。流量采集主要是對(duì)在入口處對(duì)流體的流速進(jìn)行測(cè)量。

由于最終產(chǎn)出流體中含有一定量的細(xì)砂粒，因此需要隔一段時(shí)間對(duì)砂粒進(jìn)行收集，然后過(guò)濾烘干，用天子天平稱重，分析統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的出砂量。

3.2 試驗(yàn)裝置功能

該裝置可以模擬一定壓差和流量條件下不同類型濾砂管在地層中的擋砂效果以及對(duì)產(chǎn)量的影響，具體來(lái)說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)以下4個(gè)功能。

（1）出砂量測(cè)定；

（2）擋砂粒徑測(cè)定；

（3）堵塞情況分析；

（4）產(chǎn)量影響測(cè)定；

4 熱采水平井完井篩管擋砂性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

研究某區(qū)塊地層砂粒條件下的不同濾砂管性能。

4.2 試驗(yàn)材料

（1）砂樣

砂樣數(shù)據(jù)：D50＝0.23mm，D40＝0.26mm，D90＝0.06mm。均勻性系數(shù)c＝4.33，為非均勻砂，泥質(zhì)含量5%。

（2）篩管

選用7in優(yōu)化設(shè)計(jì)后的成品篩管，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為30cm，過(guò)濾粒徑：取120μm、150μm、200μm、220μm。

（3）試驗(yàn)配件

配件材料包括粘度100mpa.s的模擬油以及電子天平、恒溫干燥箱等。

4.3 試驗(yàn)步驟

（1）試驗(yàn)筒準(zhǔn)備

① 開泵并進(jìn)行調(diào)試，直到壓力能夠保持穩(wěn)定；

② 向注入泵灌進(jìn)液體（水），保證有液體均勻流出注入孔，于此期間校對(duì)壓力測(cè)量系統(tǒng)；

③ 為了對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行試壓工作，我們關(guān)閉試驗(yàn)筒的出口，試驗(yàn)壓力為8MPa，壓力顯示沒有下降并且整個(gè)試驗(yàn)裝置沒有漏失處為標(biāo)準(zhǔn)。

（2）填放砂樣

將篩管與試驗(yàn)筒密封，而后將配好的模擬地層砂導(dǎo)入樣機(jī)，填勻壓實(shí)。

（3）擋砂性能試驗(yàn)

① 開泵，泵壓2.5MPa；

② 出口用容器收集產(chǎn)出液，并稱重；

③ 記錄壓力表讀數(shù)，每隔1min采集一個(gè)點(diǎn)；

④ 待流量壓力穩(wěn)定后，提高泵壓到3.5MPa繼續(xù)試驗(yàn)；

⑤ 對(duì)采出液中砂粒進(jìn)行過(guò)濾洗滌稱重；

⑥ 使用激光粒度儀進(jìn)行砂粒粒徑分布測(cè)試。

4.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）7in篩管，過(guò)濾粒徑120μm擋砂性能試驗(yàn)結(jié)果

① 流量壓力數(shù)據(jù)

100min內(nèi)流量隨時(shí)間逐漸下降，同時(shí)壓力逐漸上升，100min以后流量壓力同時(shí)突變，表明篩管孔眼堵塞，而后流量接近于0，最終驅(qū)動(dòng)壓力為3.2MPa，流量約0.1 kg/min。

② 出砂情況分析

前100min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續(xù)又有少量砂產(chǎn)出。試驗(yàn)共累計(jì)出砂9.05g。用激光粒度分析儀測(cè)得的砂樣粒徑分析結(jié)果可以看出產(chǎn)出砂以細(xì)粉砂為主，粒徑最大0.177mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.125的砂子占6.32%，滿足防砂要求。

（2）7in篩管，過(guò)濾粒徑150μm 擋砂性能試驗(yàn)結(jié)果

① 流量壓力數(shù)據(jù)

前110min壓力隨流量的下降而上升，110min后趨于穩(wěn)定，壓力增大到3.2MPa左右，流量穩(wěn)定在0.12 kg/min。

② 出砂情況分析

前100min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續(xù)又有少量砂產(chǎn)出。試驗(yàn)共累計(jì)出砂12.123g。用激光粒度分析儀測(cè)得的砂樣粒徑分析結(jié)果可以看出產(chǎn)出砂以細(xì)粉砂為主，粒徑最大0.210mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.149的砂子占7.53%，滿足防砂要求。

（3）7in篩管，過(guò)濾粒徑200μm 擋砂性能試驗(yàn)結(jié)果

① 流量壓力數(shù)據(jù)

前65min壓力隨流量的下降而上升，65min后趨于穩(wěn)定，壓力增大到3.1MPa左右，流量穩(wěn)定在0.3 kg/min。

② 出砂情況分析

前65min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續(xù)又有少量砂產(chǎn)出。試驗(yàn)共累計(jì)出砂30.35g。用激光粒度分析儀測(cè)得的砂樣粒徑分析結(jié)果可以看出產(chǎn)出砂以細(xì)粉砂為主，粒徑最大0.297mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.21的砂子占8.75%，滿足防住地層砂的要求。

（4）7in篩管，過(guò)濾粒徑220μm 擋砂性能試驗(yàn)結(jié)果

① 流量壓力數(shù)據(jù)

前55min壓力隨流量的下降而上升，55min后趨于穩(wěn)定，壓力增大到3.07MPa左右，流量穩(wěn)定在0.41kg/min。

② 出砂情況分析

前55min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續(xù)又有少量砂產(chǎn)出。試驗(yàn)共累計(jì)出砂45.68g。用激光粒度分析儀測(cè)得的砂樣粒徑分析結(jié)果可以看出產(chǎn)出砂以細(xì)粉砂為主，粒徑最大0.354mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.220的砂子占14.38%，滿足防砂要求。

4.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析

① 流量隨時(shí)間的變化

試驗(yàn)過(guò)程中，4種精度的篩管的曲線變化規(guī)律大體一致，但是曲線斜率有所區(qū)別，表現(xiàn)為擋砂精度越高，流量變化速率越大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，120μm篩管發(fā)生了堵塞，其他篩管可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持流速恒定。

② 壓力隨時(shí)間的變化

試驗(yàn)過(guò)程中，4種精度的篩管的曲線變化規(guī)律大體一致，但是曲線斜率有所區(qū)別，表現(xiàn)為擋砂精度越高，壓力變化速率越大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將注入壓力提高到3.5MPa后，200μm篩管有10min壓力調(diào)整期，而其他組并無(wú)此現(xiàn)象。

③ 米采油指數(shù)隨時(shí)間的變化

四種過(guò)濾粒徑的篩管米采油指數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律大體一致，但是曲線斜率有所區(qū)別，表現(xiàn)為擋砂精度越高，米采油指數(shù)變化速率越大。濾砂管精度從120μm 提高到后220μm，米采油指數(shù)增加了3.27倍，表明擋砂精度越高，對(duì)產(chǎn)能影響越大。

5 熱采水平井完井篩管抗沖蝕過(guò)濾層性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

利用試驗(yàn)裝置進(jìn)行了抗沖蝕過(guò)濾層性能試驗(yàn)，利用一定含砂濃度的高速流體，沖擊過(guò)濾層試件表面，根據(jù)過(guò)濾層隨時(shí)間變化的破壞程度來(lái)模擬在生產(chǎn)情況下過(guò)濾層的抗沖蝕能力。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在采液強(qiáng)度0.4 ～0.7 m3/（d.m），生產(chǎn)壓差小于10MPa的情況下，抗沖蝕過(guò)濾層均未發(fā)生破壞，能滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求。實(shí)現(xiàn)了采液強(qiáng)度小于0.8m3/（d.m）、生產(chǎn)壓差10MPa以內(nèi)不被破壞的目標(biāo)。

6 結(jié)論

（1）形成了一套完井篩管擋砂性能評(píng)價(jià)方法，通過(guò)流體介質(zhì)攜帶砂，模擬地層出砂，觀察砂通過(guò)篩管對(duì)壓力和流量的影響規(guī)律來(lái)評(píng)價(jià)篩管的性能，對(duì)產(chǎn)出砂進(jìn)行粒度分析，結(jié)合實(shí)際地層砂的粒度分析和生產(chǎn)要求，來(lái)評(píng)價(jià)篩管的擋砂效果。

（2）研制了一套完井篩管性能評(píng)價(jià)裝置，包括模擬系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)三大部分，可進(jìn)行51/2in和7in兩種規(guī)格不同過(guò)濾粒徑的篩管擋砂性能評(píng)價(jià)。

（3）針對(duì)區(qū)塊砂樣，進(jìn)行了7in篩管擋砂能力評(píng)價(jià)試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中的流量和壓力變化趨勢(shì)大致相同，試驗(yàn)中120μm篩管堵塞，150μm、200μm和220μm篩管流量趨于穩(wěn)定，提高壓力后，四種篩管流量略有提高，穩(wěn)定后的米采油指數(shù)隨著過(guò)濾粒徑的增大而增大；

（4）利用完井篩管性能評(píng)價(jià)裝置對(duì)抗沖蝕過(guò)濾層進(jìn)行性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，篩管的抗沖蝕強(qiáng)度能夠滿足采液強(qiáng)度小于0.8m3/（d.m）、生產(chǎn)壓差10MPa以內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求。