文昌油田調(diào)整井防砂優(yōu)化設(shè)計

王利華 （長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

閆新江 （中海石油研究總院，北京100027）

樓一珊 （長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

鄧金根 （中國石油大學(xué) （北京）石油工程學(xué)院，北京102249）

海上疏松砂巖油藏埋藏淺，成巖性差，出砂可能性較大，必須進(jìn)行防砂完井[1]。選擇合理的防砂方式及防砂參數(shù)是關(guān)鍵，防砂方式及防砂參數(shù)設(shè)計不合理，將會導(dǎo)致油井出砂嚴(yán)重或產(chǎn)能降低等問題。國內(nèi)外學(xué)者在防砂設(shè)計方面研究較多，Gillespie等[2]通過大量的試驗研究，給出了繞絲篩管、優(yōu)質(zhì)篩管、預(yù)充填篩管及礫石充填完井的選擇方法。鄧金根等[3]將泥質(zhì)含量及黏土礦物吸水膨脹性作為防砂方式優(yōu)選的重要因素，建立了防砂方式優(yōu)選圖版。如何根據(jù)文昌油田的具體儲層特性，選用合理的設(shè)計方法，達(dá)到最佳的防砂效果并盡可能提高油井的單井產(chǎn)能是該文要重點論述的關(guān)鍵問題。

文昌油田位于中國南海珠江口盆地西部，為受斷層控制的層狀邊水構(gòu)造油藏，物性好，為中高孔中滲油田。儲層巖石膠結(jié)疏松，單軸抗壓強度3.3～5.7MPa，是典型的弱固結(jié)砂巖油藏。文昌油田投產(chǎn)后部分油井出砂，嚴(yán)重影響油井的正常生產(chǎn)及設(shè)備維護，新鉆調(diào)整井防砂難度大。因此有必要對文昌油田防砂失效原因、適合高效開發(fā)文昌油田調(diào)整井的防砂設(shè)計作深入的研究。

1 油井防砂失效分析

根據(jù)出砂預(yù)測結(jié)果，文昌油田開發(fā)初期出砂可能性極大，生產(chǎn)井全部采取防砂完井。投產(chǎn)后部分

油井出砂，嚴(yán)重影響了油井正常生產(chǎn)和設(shè)備維護。出砂井防砂數(shù)據(jù)見表1。

A1H井在井口使用200μm除砂罐收集到了體積分?jǐn)?shù)為7.22‰的產(chǎn)出砂，A1H 井配產(chǎn)壓差2.5MPa，經(jīng)測量A1H井實際生產(chǎn)壓差4.5MPa，產(chǎn)出液含水率63%。地層砂和黏土礦物在篩管表面堆積形成泥餅，降低了篩管過流能力，泥餅的存在進(jìn)一步引起篩管憋壓，導(dǎo)致實際生產(chǎn)壓差高于配產(chǎn)壓差。復(fù)合篩管中心防砂網(wǎng)在生產(chǎn)壓差作用下受力擠壓變形，網(wǎng)孔變形引起篩管防砂參數(shù)變大是A1H井出砂的主要原因。A2H井儲層砂粒度中值平均95μm，根據(jù)計算20～40目陶粒的平均孔喉直徑為139.46μm，使用20～40目陶粒無法阻擋地層砂的流動。按照Saucier礫石尺寸設(shè)計理論，A2H井采用40～60目礫石充填防砂更為合理。礫石尺寸設(shè)計不合理是A2H井防砂失效的原因；A7H井防砂失效原因與A2H井類似。

表1 出砂井防砂數(shù)據(jù)

A6H井儲層砂粒度中值平均90μm，按照Saucier礫石尺寸設(shè)計理論采用40～60目石英砂充填可以滿足防砂要求。40～60目工業(yè)礫石的孔喉直徑為87.96μm，理論上大于該尺寸的地層砂均無法通過礫石層，但在井口處采用200μm的除砂罐收集到體積分?jǐn)?shù)為52‰的產(chǎn)出砂。A6H井水平段長度為400m，按照完井設(shè)計應(yīng)充填13220kg石英砂，實際充填10787kg，篩管雖然被石英砂覆蓋，但環(huán)空沒有完全充填滿，充填層壓實程度低。地層砂在流體攜帶下通過未壓實的充填層進(jìn)入井筒。水平段長度大，石英砂充填效果不理想是A6H井出砂的主要原因；A4H井防砂失效原因與A6H井類似。

由此可見，復(fù)合篩管防砂參數(shù)變大、礫石充填尺寸設(shè)計不合理以及充填不完整是該區(qū)塊油井防砂失效的主要原因。

2 調(diào)整井防砂初步設(shè)計

為提高油田產(chǎn)量，設(shè)計新鉆2口調(diào)整井進(jìn)行開發(fā)。新鉆調(diào)整井防砂時必須考慮老井防砂失效原因，實現(xiàn)高效開發(fā)。

2.1 設(shè)計依據(jù)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能計算系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點相當(dāng)于一個神經(jīng)元，可以記憶、處理一定的信息，并與其他節(jié)點并行工作。利用反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用由教師學(xué)習(xí) （監(jiān)督學(xué)習(xí)）的學(xué)習(xí)方式，這種學(xué)習(xí)方式 “教師”給出了與所有輸入模式對應(yīng)的輸出模式的 “正確答案”，即期望輸出 （目標(biāo)），用于學(xué)習(xí)過程的輸入輸出模式的集合稱為訓(xùn)練樣本集；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)根據(jù)一定的學(xué)習(xí)規(guī)則進(jìn)行學(xué)習(xí)，每一次學(xué)習(xí)過程完成后，“教師”都要考察學(xué)習(xí)的結(jié)果，即實際輸出與期望輸出的差別 （誤差），以此決定網(wǎng)絡(luò)是否需要再次學(xué)習(xí)，并根據(jù)誤差信號調(diào)整學(xué)習(xí)的過程，使網(wǎng)絡(luò)實際輸出和期望輸出的誤差隨著學(xué)習(xí)的反復(fù)進(jìn)行而逐漸減小，直至達(dá)到要求的性能指標(biāo)為止。

儲層粒度特性及泥質(zhì)含量是進(jìn)行防砂方式設(shè)計的基礎(chǔ)。由于受現(xiàn)場取心的限制，無法獲得新鉆調(diào)整井的儲層巖心。因此使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對調(diào)整井儲層物性參數(shù)進(jìn)行預(yù)測。以探井實測粒度、黏土礦物數(shù)據(jù)、沉積微相、測井資料為基礎(chǔ)，建立樣本庫，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測調(diào)整井的粒度中值d50、非均質(zhì)因數(shù)C、黏土含量等，結(jié)果見表2?？梢钥闯稣{(diào)整井儲層段粒度屬于粉砂巖到細(xì)砂巖之間，非均質(zhì)性強，泥質(zhì)含量高，但黏土礦物的吸水膨脹弱，不易堵塞防砂管。

對于疏松砂巖油藏，適度出砂是提高油井產(chǎn)能的一項新技術(shù)，采油平臺對產(chǎn)出砂的處理能力是能否采用適度出砂技術(shù)的重要條件。目前文昌油田采油平臺增加了除砂裝置，平臺除砂裝置利用電機帶動旋流器旋轉(zhuǎn)，使除砂器內(nèi)部產(chǎn)生特定的離心旋流場，從而實現(xiàn)不同密度介質(zhì)之間的分離。對于油中含砂體積分?jǐn)?shù)為0.1‰、砂粒粒度中值d50＝90μm的工況，動態(tài)除砂器分離效率可達(dá)93%以上。

2.2 防砂方式理論設(shè)計

選用文獻(xiàn) [2]方法和文獻(xiàn) [3]方法對文昌油田防砂方式進(jìn)行理論設(shè)計。文獻(xiàn)[2]方法考慮地層砂非均質(zhì)因數(shù)C、粒度中值d50絕對值范圍、粒度中值d50相對值范圍3個因素的影響。文獻(xiàn)[3]方法考慮儲層粒度中值d50、黏土礦物含量（黏土礦物在地層中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、蒙脫石含量、非均質(zhì)因數(shù)C等因素對防砂方式的影響。

根據(jù)文獻(xiàn) [3]方法，即使黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過20%，如果黏土礦物中吸水膨脹性強的蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于＜8%，仍可使用優(yōu)質(zhì)篩管來防砂，且不會發(fā)生嚴(yán)重的堵塞。當(dāng)非均質(zhì)因數(shù)C＞10時，應(yīng)盡量采用金屬棉優(yōu)質(zhì)篩管來保證防砂效果。

表2 調(diào)整井儲層粒度及泥質(zhì)含量

針對文昌油田的儲層特性，文獻(xiàn) [2]推薦使用礫石充填完井，文獻(xiàn) [3]推薦使用優(yōu)質(zhì)篩管完井。兩種方法設(shè)計結(jié)果誰更適合文昌油田，有必要通過室內(nèi)出砂模擬試驗驗證，確保油田生產(chǎn)的安全和高效開發(fā)。

3 室內(nèi)出砂模擬試驗

根據(jù)儲層粒度及泥質(zhì)含量特性，使用自主研制的全尺寸出砂模擬裝置進(jìn)行室內(nèi)出砂模擬試驗。試驗裝置包括模擬系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)及測量系統(tǒng)3部分 （見圖1）。試驗時在高壓釜體中放入篩管，將模擬石英砂填入容器罐內(nèi)，設(shè)定高壓泵工作壓力，加壓循環(huán)白油，記錄各點壓力、流量及油中含砂量。

出砂模擬試驗以采油工程中常用的米采油指數(shù)及油中含砂量作為評價指標(biāo)。米采油指數(shù)計算表達(dá)式為：

圖1 室內(nèi)出砂試驗流程圖

式中，Jos為米采油指數(shù)，m3/（d·MPa·m）；Q為通過防砂管的流量，m3/d；Δp為生產(chǎn)壓差，MPa；l為防砂管有效過流長度，m。

出砂模擬試驗共分為2部分，首先進(jìn)行礫石充填防砂和優(yōu)質(zhì)篩管獨立防砂的對比試驗，確定適合調(diào)整井儲層的防砂方式，然后進(jìn)行防砂參數(shù)的優(yōu)選。

3.1 防砂方式優(yōu)選試驗

防砂方式優(yōu)選試驗的米采油指數(shù)及出砂量見圖2、圖3。隨著試驗的進(jìn)行，地層砂逐漸在防砂管（或礫石層）表面堆積，形成一個相對穩(wěn)定但滲透率較低的產(chǎn)出砂堆積層，使得通過防砂管的流量Q及出砂量逐漸趨于穩(wěn)定。由于礫石充填產(chǎn)生附加表皮效應(yīng)，增大了流體的滲流阻力，使得礫石充填防砂的米采油指數(shù)低于優(yōu)質(zhì)篩管獨立防砂。優(yōu)質(zhì)篩管具有一定的 “自潔”解堵能力，使得部分小粒徑地層砂能夠通過優(yōu)質(zhì)篩管進(jìn)入油管，表現(xiàn)為優(yōu)質(zhì)篩管出砂量高于礫石充填出砂量。但優(yōu)質(zhì)篩管獨立防砂的防砂效果能夠滿足海上油田生產(chǎn)設(shè)備對產(chǎn)出砂的處理能力。綜合考慮2種防砂方式的米采油指數(shù)及出砂量，確定文昌油田使用優(yōu)質(zhì)篩管獨立防砂。

3.2 防砂參數(shù)優(yōu)選試驗

防砂參數(shù)設(shè)計過大會導(dǎo)致出砂量過大，防砂失效，防砂參數(shù)設(shè)計過小會降低油井米采油指數(shù)。為達(dá)到油井產(chǎn)量及出砂量的最優(yōu)化，分析優(yōu)質(zhì)篩管防砂參數(shù)對油井米采油指數(shù)、出砂量的影響規(guī)律，共進(jìn)行了5組不同防砂參數(shù)下的出砂模擬試驗，試驗穩(wěn)定后的米采油指數(shù)及出砂量如圖4所示。

可以看出隨著優(yōu)質(zhì)篩管防砂參數(shù)的放大，米采油指數(shù)呈對數(shù)遞增，慢慢趨于穩(wěn)定，說明微顆粒在防砂管表面形成砂橋，在沒有壓力波動的情況下，米采油指數(shù)會逐漸穩(wěn)定。文昌油田調(diào)整井配產(chǎn)100～150m3/d，優(yōu)質(zhì)篩管防砂參數(shù)低于90μm油井產(chǎn)能將低于配產(chǎn)要求。隨著優(yōu)質(zhì)篩管防砂參數(shù)的放大，出砂量呈線性遞增。防砂參數(shù)超過120μm后，油中含砂量超過海上最大帶砂生產(chǎn)極限 （0.5‰），除砂器無法滿足除砂要求。

圖2 防砂方式優(yōu)選試驗米采油指數(shù)對比

圖3 防砂方式優(yōu)選試驗出砂量對比

根據(jù)調(diào)整井配產(chǎn)情況，綜合考慮油井單井產(chǎn)量、出砂量及平臺的砂處理能力，推薦文昌油田調(diào)整井防砂參數(shù)為90～120μm。

4 結(jié) 論

篩管網(wǎng)孔變形、礫石充填尺寸設(shè)計不合理以及充填不完整是油井防砂失效的主要原因。針對文昌油田儲層特性，運用文獻(xiàn) [2]方法和文獻(xiàn) [3]方法進(jìn)行防砂方式理論設(shè)計，再結(jié)合出砂模擬試驗最終推薦文昌油田調(diào)整井采用防砂參數(shù)為90～120μm的優(yōu)質(zhì)篩管進(jìn)行防砂，該防砂方案在保證防砂效果的前提下盡可能的提高了該油田的單井產(chǎn)量，對文昌油田調(diào)整井的高效開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

圖4 防砂參數(shù)優(yōu)選試驗結(jié)果

[1]何生厚，張琪 .油氣井防砂理論及其應(yīng)用 [M].北京：中國石化出版社，2003.

[2]Gillespie G，Deem C K，Malbrel C.Screen selection for sand control based on laboratory tests [J].SPE64398，2000.

[3]鄧金根，李萍，王利華，等 .渤海灣地區(qū)適度防砂技術(shù)防砂方式優(yōu)選 [J].石油鉆采工藝，2011，33（1）：98～101.