機械防砂篩管擋砂介質堵塞機制及堵塞規(guī)律試驗

董長銀，賈碧霞，劉春苗，吳建平，王登慶，孫德旭，韓曉龍

(1.中國石油大學石油工程學院，山東青島 266555;2.青海油田 鉆采工藝研究院，甘肅敦煌 736200;3.勝利油田采油工藝研究院，山東東營 257003;4.青海油田天然氣開發(fā)公司，青海 格爾木 816000)

機械防砂篩管擋砂介質堵塞機制及堵塞規(guī)律試驗

董長銀1，賈碧霞2，劉春苗1，吳建平3，王登慶3，孫德旭3，韓曉龍4

(1.中國石油大學石油工程學院，山東青島 266555;2.青海油田 鉆采工藝研究院，甘肅敦煌 736200;3.勝利油田采油工藝研究院，山東東營 257003;4.青海油田天然氣開發(fā)公司，青海 格爾木 816000)

針對防砂井由于機械篩管及礫石層等擋砂介質被堵塞而造成低產或停產的情況，開展防砂井擋砂介質堵塞機制研究，提出非充填帶的橋架充填堵塞機制和擋砂介質內部橋架堵塞機制。利用機械篩管微觀驅替堵塞模擬試驗裝置對機械篩管多層濾網擋砂層的堵塞過程、堵塞機制及影響規(guī)律進行系統的試驗模擬，研究影響擋砂篩網堵塞程度的主要因素及其影響規(guī)律。結果表明:生產時間、出砂速度、粉細砂含量、泥質含量、原油黏度等是影響擋砂介質堵塞過程及堵塞程度的主要因素;試驗結果揭示了擋砂介質堵塞程度與影響因素之間的定性和定量規(guī)律;試驗數據可以通過擬合用于建立擋砂介質堵塞滲透率比與上述參數之間的定量經驗關系模型，進一步預測特定地質與生產條件下防砂井擋砂介質堵塞程度隨生產時間的變化規(guī)律。

防砂;機械篩管;擋砂介質;堵塞機制;堵塞規(guī)律;試驗研究

疏松砂巖油藏防砂井的生產實踐表明，擋砂介質(機械篩管的擋砂層和礫石層)的堵塞已經逐步成為困擾防砂井正常生產的主要問題之一［1］。防砂井生產過程中，地層流體攜帶地層細砂、機械雜質、黏土泥質等固相堵塞物沖擊擋砂介質，如果固相介質不能順利通過擋砂層，則會附著或侵入擋砂層內部;如無法排出則會造成擋砂層滲透率降低，形成堵塞，進而嚴重影響油井產量。關于防砂井堵塞機制的研究目前主要集中在較厚的擋砂礫石層的堵塞機制方面［2-5］，主要通過試驗手段研究地層細砂在礫石層多孔介質中的侵入和運移機制，單純分析地層砂粒徑、侵入量及侵入厚度對礫石層滲透率的影響規(guī)律。文獻［6］～［10］中對注聚合物防砂井的堵塞物成分進行了化驗分析，并提出了相應的化學解堵方法。上述關于防砂井堵塞機制的研究沒有涉及大量應用的機械防砂篩管較薄的擋砂濾網介質的堵塞機制與規(guī)律，并且關于粉細砂、泥質含量、產量、出砂速度、流體黏度對堵塞過程及堵塞程度的影響機制及規(guī)律的研究較欠缺。針對上述問題，筆者開展機械防砂篩管擋砂介質堵塞機制及堵塞規(guī)律的試驗研究，分析影響堵塞過程的主要因素及其影響規(guī)律，為堵塞防砂井的解堵施工參數優(yōu)化設計及解堵效果預測提供理論依據。

1 機械篩管擋砂介質的堵塞機制

1.1 擋砂介質特征及堵塞物來源

油氣井防砂使用的機械防砂篩管主要有繞絲篩管、割縫襯管、金屬棉濾砂管、樹脂石英砂濾砂管、金屬網布(氈)濾砂管、精密復合微孔濾砂管等，在濾砂管內部有濾砂層即擋砂介質。機械篩管防砂井在生產過程中擋砂介質容易被泥質、粉細砂等堵塞物堵塞，造成篩管滲透率降低，形成新的表皮系數，從而造成油井產量降低甚至停產。雖然應用的機械防砂篩管介質多達十幾種，但其擋砂介質多為多層濾網類、割縫縫隙類、金屬棉類和顆粒類4類。擋砂介質實質是固相多孔介質，具有一定的孔喉尺寸及滲透率和孔隙度，其滲透性保證足夠的流體通過能力，而孔喉尺寸決定了其擋砂性能。

防砂井擋砂介質堵塞物主要為固相顆粒，其主要來源有:①地層粉細砂，即地層出砂中的細質成分;②黏土泥質，主要為地層膠結物中的黏土礦物等［6］;③鉆完井過程中固相污染物，如鉆井液固相顆粒、射孔造成的碎屑等;④原油中的膠質瀝青質;⑤生產過程中形成的有機垢和無機垢［7］。固相堵塞物提供了堵塞源，而其堵塞過程和堵塞程度則受固相堵塞物成分、油井產量、出砂速度、原油黏度等因素的影響。

1.2 堵塞機制

(1)非充填空間的分選橋架充填堵塞機制。對于機械篩管防砂，施工后井內油層部位下入機械篩管阻擋從地層產出的地層砂，在篩管與套管之間形成環(huán)空，該環(huán)空及射孔孔眼內均無充填物充填，稱為非充填帶。油井投產后，地層流體攜帶固相顆粒(地層砂及堵塞物)產出，固相顆粒會以分選橋架的機制充填滿機械篩管外部的非充填帶，形成低滲透層，對油井造成堵塞，降低產量。分選橋架機制是指地層砂伴隨堵塞物隨地層流體產出沖擊防砂篩管。在生產初期，部分足夠細的固相顆粒進入篩管擋砂介質內部(或被繼續(xù)排出或堵塞在擋砂介質內部)，而粒徑大于擋砂介質孔喉直徑或縫寬的固相顆粒無法進入擋砂介質內部而被阻擋在篩管外部，較粗的顆粒堆積到一定厚度后，形成新的多孔介質擋砂層，但其孔喉尺寸更小。該孔喉很小的多孔介質會阻擋更細的地層砂粒。以此類推，直到空間被完全充填。從篩管向外部延伸，堵塞的顆粒粒徑越來越小，其滲透性也越來越低，增加流動阻力，造成油井產量下降。

(2)篩管擋砂介質內部橋架堵塞機制。擋砂介質內部橋架堵塞機制是指細質固相顆粒進入擋砂多孔介質內部，擋砂介質孔隙的不規(guī)則性及非均質性導致進入的固相顆粒難以排出，造成機械篩管滲透率降低，形成堵塞。無論是鉆井液中的固相顆粒還是射孔過程中產生的微粒以及地層粉細砂都會對擋砂介質滲透率產生影響。對原始滲透率較高的機械防砂篩管，嚴重堵塞情況下滲透率傷害會超過90%。

根據上述分析，篩管擋砂介質內部橋架堵塞過程及最終堵塞程度與固相堵塞物成分、油井產量、出砂速度、原油黏度等因素直接相關。

2 擋砂介質堵塞規(guī)律試驗

2.1 試驗目的與試驗方法

機械篩管擋砂介質堵塞規(guī)律試驗的目的是通過室內堵塞試驗研究堵塞程度隨驅替時間、流量、粉細砂含量、泥質含量、原油黏度等生產條件變化的定性和定量關系，為堵塞程度預測及解堵參數設計提供基礎和依據。

利用機械篩管微觀驅替堵塞模擬試驗裝置進行堵塞規(guī)律試驗。使用含有堵塞物的流體長時間驅替擋砂篩網，同時測量擋砂篩網兩側的驅替壓差。驅替過程中流體攜帶的堵塞物會逐步堵塞篩網，測量篩網兩側壓差與流量，便可計算其滲透率隨時間的變化，這種變化反映篩管堵塞情況。

擋砂介質的堵塞過程實質是擋砂介質滲透率的變化從而對油井產能產生不良影響的過程，其堵塞程度使用擋砂介質堵塞滲透率k及滲透率比kr的變化量表示。

擋砂介質堵塞滲透率k直接反映堵塞過程對井底流動造成的影響。堵塞過程中，隨著生產時間的增加，擋砂介質滲透率越來越低;滲透率越低或下降得越快，表示堵塞越嚴重。試驗過程中，擋砂篩網或礫石層的堵塞滲透率根據采集得到的流量及壓差數據計算

式中，ks為篩網或礫石層堵塞滲透率，μm2;Q為采集的流體流量，m3/s;μ為流體黏度，Pa·s;Ls為篩網擋砂厚度，m;A為篩網面積，m2;Δp為通過擋砂介質兩側的壓差，Pa。

擋砂介質堵塞滲透率比kr是指堵塞后的擋砂介質滲透率與擋砂介質原始滲透率ks0(入井前未堵塞時的最高滲透率)的比值，即

2.2 試驗裝置與試驗材料

擋砂介質堵塞規(guī)律試驗采用中國石油大學(華東)油氣井防砂實驗室的機械篩管微觀驅替堵塞模擬試驗裝置。該裝置由主體容器、泵、沉砂計量罐、儲液罐、流量壓力測量儀器、管線及閥門、攝像器材、數據采集系統、配套管線及其他附件組成，如圖1所示。

圖1 機械篩管微觀驅替堵塞模擬試驗裝置Fig.1 Experimental equipment of micro displacement and plugging simulation

堵塞規(guī)律試驗的環(huán)境為室內，溫度為室內常溫;試驗流體采用清水及瓜膠黏性溶液。擋砂介質使用多層機械濾砂網樣品，如圖2(a)所示。流體中混入堵塞物，由石英砂/陶粒砂(作為基質)、地層粉細砂、泥質(使用其他微細材料代替)、稠油按不同比例混合。試驗堵塞物如圖2(b)、(c)、(d)所示。

圖2 試驗材料Fig.2 Materials used for experiments

3 試驗結果分析

3.1 堵塞過程試驗結果

使用上述試驗裝置和材料進行了系列擋砂介質堵塞機制及規(guī)律試驗。通過60#(理論擋砂精度為0.167～0.183 mm)和90#(0.100～0.110 mm)篩網的堵塞試驗分析擋砂篩網的堵塞過程。本次試驗堵塞物由100%的粒徑在0.18 mm以下粉細砂組成，使用清水驅替，泵頻30 s－1，驅替流量為7～9 L/min。圖3(a)為本次試驗使用的兩層篩網組合;圖3(b)為試驗結束后，拆開篩網內部的堵塞情況。在篩網之間堵塞了部分侵入篩網內部的砂粒，部分砂粒進入篩網內部且無法排出，造成堵塞。圖3(c)、(d)分別為試驗開始、結束時的照片。部分極細的砂粒順利通過篩網，但部分侵入篩網內部的砂粒堵塞篩網介質。

圖3 60#/90#篩網及100%粉細砂堵塞試驗照片Fig.3 Photos of plugging simulation test(60#/90#mesh and 100%fines)

圖4為篩網兩側壓差及流量變化曲線。在流量基本穩(wěn)定的情況下，篩網兩側壓差(圖4(a)中壓差2)逐步上升，說明篩網的滲透率由于堵塞作用而逐步下降，表明了篩網的堵塞過程。圖5為根據試驗數據計算得到的篩網滲透率及滲透率比隨驅替時間的變化曲線。在試驗開始后篩網滲透率迅速下降至篩網原始滲透率的14%左右，然后降速減緩，最后趨于穩(wěn)定，保持在原始滲透率的1%左右。

圖4 60#/90#篩網100%粉細砂堵塞試驗壓差和流量曲線Fig.4 Differential pressure and flow rate curves in blocking test(60#/90#mesh and 100%fines)

圖5 篩網滲透率變化曲線Fig.5 Variation curves of screen permeability

60#/90#篩網100%粉細砂堵塞試驗條件及結果為:混細砂比例100%、初始流量8.0 L/min、平均流量7.67 L/min、初始驅替壓差1.324 3 kPa、平均驅替壓差8.5693 kPa、最終驅替壓差13.2182 kPa、平均滲透率 5.99 μm2、最終滲透率 2.44 μm2、平均滲透率比0.022、最終滲透率比0.009、平均滲透率傷害0.978、最終滲透率傷害0.991。

3.2 堵塞程度影響因素及其影響規(guī)律

將各堵塞物成分按不同比例混合形成不同類型的堵塞物，每次試驗改變試驗條件參數便可得到堵塞程度隨堵塞時間以及各試驗參數之間的變化規(guī)律。

3.2.1 試驗時間

圖6為兩次典型的堵塞試驗過程中擋砂介質堵塞滲透率隨時間的變化曲線。

圖6 100%粉細砂和粉細砂/泥質堵塞程度變化試驗結果Fig.6 Test plugging degree curves of 100%fines and fines/clay

由圖6可知，在試驗開始后介質滲透率迅速下降并降得很低，然后緩慢降低，最后趨于穩(wěn)定。其余系列試驗均反映了這一規(guī)律。由于試驗中的堵塞物含量較高，因此堵塞達到穩(wěn)定時間較短。這表明對于防砂水平井，擋砂介質的堵塞主要發(fā)生在防砂后投產的早期，隨著生產繼續(xù)，堵塞雖然逐步加劇但堵塞程度變化減緩。

3.2.2 堵塞物中粉細砂含量

不同粉細砂含量(基質為礫石)下試驗壓差、滲透率傷害變化曲線如圖7所示。

由于堵塞物中粉細砂含量不同，驅替壓差及滲透率傷害過程表現出明顯差異。堵塞物中粉細砂含量越高，堵塞速度越快。圖8為根據3次試驗得到的最終驅替壓差與堵塞滲透率隨粉細砂含量的變化關系。堵塞物中粉細砂含量越高，同樣條件下最終堵塞越嚴重。

3.2.3 堵塞物中泥質含量

不同泥質含量下的試驗驅替壓差及最終堵塞滲透率比變化曲線如圖9所示。

結果表明，在流量基本相同的情況下，由于泥質含量不同，試驗過程中的驅替壓差有明顯差異，泥質含量是影響堵塞程度的主要因素之一。堵塞物中泥質含量越高，驅替壓差上升越快，表明堵塞速度及最終堵塞程度隨泥質含量的增加而明顯增加。

圖7 不同粉細砂含量試驗中驅替壓差和滲透率傷害曲線Fig.7 Test differential pressure and permeability damage curves under different fine contents

圖8 最終驅替壓差和堵塞滲透率隨粉細砂含量變化的關系曲線Fig.8 Final test differential pressure and permeability curves under different fine contents

圖9 不同泥質含量試驗的壓差對比及最終堵塞滲透率曲線Fig.9 Comparision of differential pressure and final permeability ratio under different clay contents

3.2.4 流體黏度

圖10為分別使用清水與瓜膠溶液(10 mPa·s)時的驅替壓差對比曲線，圖11為堵塞物不同泥質含量條件下分別使用清水與瓜膠溶液驅替得到的最終堵塞滲透率對比曲線。

試驗結果表明，高黏瓜膠溶液堵塞試驗的擋砂介質滲透率隨泥質含量的變化規(guī)律同使用清水時一致，都隨著泥質含量的增加而降低。在其他條件相同的情況下，以瓜膠溶液作驅替液時介質的最終滲透率總明顯低于以清水作驅替液時的情況，即擋砂介質最終堵塞滲透率隨著流體黏度的增大而降低。這表明，地層流體黏度對擋砂介質堵塞過程及程度有明顯影響，稠油油藏中較高原油黏度會加劇堵塞過程。

圖10 清水與瓜膠溶液驅替的壓差曲線Fig.10 Displacement differential pressure with of water and gel

圖11 清水與瓜膠驅替時的最終滲透率隨泥質含量變化Fig.11 Variation of final permeability with clay content of water and gel displacement

3.2.5 流量(油井產量)

圖12為其他試驗條件相同、驅替介質不同條件下得到4組試驗的最終堵塞滲透率隨驅替流量的變化曲線。試驗流量(對應油井產量)對堵塞程度的影響體現出無規(guī)律的特征，根據試驗條件不同，堵塞程度隨流量增加出現加劇和減弱現象，其影響規(guī)律具有非單調性。本試驗中，由于堵塞物是被流體攜帶沖刷篩網，因此高流量的試驗中流體攜砂能力強，出砂速度較快。根據前面的堵塞機制分析，高出砂速度時，篩網外圍的非充填空間迅速被來砂橋架充填，形成附加過濾層，堵塞物被流體攜帶進入篩網內部從而使得被堵塞的幾率大大降低;當出砂速度較慢時，來砂中的細質堵塞物更有機會逐步侵入篩網內部堵塞擋砂介質。

根據上述分析，防砂井防砂后的出砂速度(即產液量與含砂率的乘積)對于擋砂介質堵塞過程及堵塞程度有重要影響。

3.3 試驗結果的應用

系列擋砂介質堵塞機制及規(guī)律試驗表明，影響擋砂介質堵塞過程及堵塞程度的主要因素包括油井液體含砂率、粉細砂含量、泥質含量、原油黏度、產量、生產時間等。試驗得到的定性及定量數據結果，經過流速與生產時間等效折算后，其影響規(guī)律可應用實際防砂油井的擋砂介質堵塞規(guī)律研究，通過經驗擬合建立擋砂介質堵塞滲透率比kr與上述參數之間的定量經驗關系模型，進而開發(fā)配套的防砂井堵塞評價與預測軟件，用于預測特定的地質與生產條件下防砂井擋砂介質堵塞程度隨生產時間的變化規(guī)律，為解堵工藝的選擇以及解堵施工參數的優(yōu)化提供依據。

圖12 最終堵塞滲透率隨流量的變化Fig.12 Variation of final plugging permeability with flow rate

4 結論

(1)生產時間、出砂速度、粉細砂含量、泥質含量、流體黏度等是影響擋砂介質堵塞過程和堵塞程度的主要因素。粉細砂、泥質、高黏流體均會加劇堵塞，而出砂速度對篩管擋砂介質內部橋架堵塞的影響規(guī)律呈現非單調性。

(2)試驗得到的定性及定量數據可應用于實際防砂油井的擋砂介質堵塞規(guī)律研究，建立的擋砂介質堵塞滲透率比與生產參數之間的定量經驗關系模型可用于預測特定地質與生產條件下防砂井擋砂介質堵塞程度隨生產時間的變化規(guī)律。

(3)在堵塞規(guī)律試驗中，液體中固相含砂率的控制非常難以接近現場實際情況，試驗中的含砂率普遍較高，導致堵塞時間難以模擬實際井的堵塞生產時間。

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Blocking mechanism and blocking laws experiments of sand retention media in mechanical screens

DONG Chang-yin1，JIA Bi-xia2，LIU Chun-miao1，WU Jian-ping3，WANG Deng-qing3，SUN De-xu3，HAN Xiao-long4
(1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China;2.Drilling and Production Research Institute of Qinghai Oilfield，Dunhuang 736200，China;3.Oil Production Technology Research Institute of Shengli Oilfield，Dongying 257003，China;4.Natural Gas Exploration Company，Qinghai Oilfield，Geermu 816000，China)

The productivity of sand control wells tends to decrease considerably due to the gradual blocking of sand retention media in screen or gravel-pack by formation fines and others.Aimed at the above problem，the blocking mechanism of screen porous media was studied，which concerns non-packed cavity outside screen bridge packing mechanism and the mechanism of inner bridge blocking of screen media.The blocking process，blocking mechanism and affecting regularity of multi-layer sand retention media were simulated by a visual blocking simulation experimental apparatus.The experimental results indicate that the production time，sand production rate，fines content in formation sand，clay content，oil viscosity are the main factors to affect the blocking process.The qualitative and quantitative relationships between the above factors and the final blocking damage degree are presented by using the experimental data，which can be used to fit the empirical formula describing the above relationships.It's very helpful to predict the variation of sand retention media blocking degree with the production time under given reservoir and production conditions.

sand control;mechanical screen;sand retention media;blocking mechanism;blocking law;experimental study

TE 358.1

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.05.015

1673-5005(2011)05-0082-07

2011－06－29

國家自然科學基金項目(50704035);國家“863”計劃項目(2006AA09Z351)

董長銀(1976－)，男(漢族)，河南衛(wèi)輝人，副教授，博士，從事采油工程、多相流、油氣井防砂理論與技術研究。

(編輯 李志芬)