海上高產(chǎn)氣田防砂擋砂精度設(shè)計(jì)研究

馬 帥熊友明于 東劉理明熊 軍杜建波

（1.西南石油大學(xué)油井完井技術(shù)中心，四川成都 610500；2.中海石油湛江分公司，廣東湛江 524000）

海上高產(chǎn)氣田防砂擋砂精度設(shè)計(jì)研究

馬 帥1，2熊友明1于 東2劉理明1熊 軍1杜建波1

（1.西南石油大學(xué)油井完井技術(shù)中心，四川成都 610500；2.中海石油湛江分公司，廣東湛江 524000）

高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管防砂是海上高產(chǎn)氣田常用的防砂工藝，擋砂精度設(shè)計(jì)的合理性直接影響防砂效果的好壞。由于缺乏該類氣田的防砂標(biāo)準(zhǔn)，擋砂精度設(shè)計(jì)多按照70年代Saucier提出的D50=（5～6）d50設(shè)計(jì)原則，考慮因素單一，對(duì)于特殊地層不具備針對(duì)性。制定了海上高產(chǎn)氣田的防砂有效標(biāo)準(zhǔn)，以流花氣田19-5實(shí)際地層巖心為例，進(jìn)行了均勻系數(shù)對(duì)擋砂精度設(shè)計(jì)影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示均勻系數(shù)越大最佳擋砂精度值越小。首次對(duì)泥質(zhì)含量對(duì)氣田擋砂精度設(shè)計(jì)影響規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果顯示泥質(zhì)含量越高最佳擋砂精度值越大，但泥質(zhì)含量較低時(shí)該影響可以忽略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，當(dāng)?shù)貙由澳噘|(zhì)含量高于14%時(shí)不宜采用高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管防砂。8×8組出砂模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果遵循D50=（3～5）d50，相對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，實(shí)驗(yàn)佐證了海上高產(chǎn)氣田精細(xì)防砂理念的正確性，為氣田防砂擋砂精度設(shè)計(jì)和防砂方案優(yōu)選提供了依據(jù)。

砂巖氣田；精細(xì)防砂；高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管；擋砂精度；防砂實(shí)驗(yàn)

防砂可靠性和產(chǎn)能是防砂過程中的矛盾問題，一味考慮防砂可靠性勢(shì)必會(huì)犧牲產(chǎn)能，而一味追求產(chǎn)能可能會(huì)導(dǎo)致防砂失效，所以需要找到一個(gè)合適的擋砂精度來平衡二者關(guān)系。目前國(guó)外的擋砂精度設(shè)計(jì)方法主要有Saucier［1］、Tiffin［2］和Johnson［3］方法，其中Saucier是國(guó)內(nèi)油田防砂設(shè)計(jì)最常用的一種方法，該法通過礫石充填實(shí)驗(yàn)得出D50=（5～6）d50的設(shè)計(jì)原則，其中D50為充填礫石粒度中值，d50為地層砂粒度中值。鄧金根［4-7］等針對(duì)海上疏松砂巖適度防砂進(jìn)行了擋砂精度的設(shè)計(jì)研究，對(duì)于適度出砂防砂［8-10］，推薦高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管擋砂精度設(shè)計(jì)仍為D50= （5～6）d50或稍放大一級(jí)，但該原則是針對(duì)常規(guī)油藏的。對(duì)于海上高產(chǎn)氣田，高速攜砂氣流對(duì)井下管柱沖蝕嚴(yán)重，如果設(shè)計(jì)結(jié)果過于寬松，難以保證防砂的持久有效，鑒于海上施工高風(fēng)險(xiǎn)高投入的特征，熊友明［11］對(duì)番禺30-1氣田提出高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管精細(xì)防砂的擋砂精度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，認(rèn)為氣田擋砂精度應(yīng)當(dāng)比傳統(tǒng)原則保守，對(duì)于海上高產(chǎn)氣田推薦D50=（4～4.5）d50的精細(xì)防砂設(shè)計(jì)原則，但該思想是基于番禺30-1氣田提出的，沒有充分考慮地層砂粒度均勻性和泥質(zhì)含量對(duì)擋砂精度的影響。

目前氣田常用的防砂方法為高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管防砂和礫石充填防砂兩種，二者的防砂理念是一致的。礫石充填依靠充填礫石擋砂，礫石間隙出液，高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管靠管柱實(shí)體部分擋砂，篩網(wǎng)縫隙出液，其核心都是擋砂精度的設(shè)計(jì)。在前人的研究基礎(chǔ)上［12-17］，筆者對(duì)流花19-5區(qū)塊進(jìn)行高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管防砂模擬實(shí)驗(yàn)，主要分析地層砂均勻系數(shù)和泥質(zhì)含量對(duì)高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管擋砂精度的影響。

1 室內(nèi)出砂模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用流花氣田19-5現(xiàn)場(chǎng)返回的巖心以及人工配制的各樣品，結(jié)合不同擋砂精度的篩網(wǎng)，模擬產(chǎn)層條件（溫度、壓力、井筒周圍滲流速度）下的出砂情況。精細(xì)防砂高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管擋砂實(shí)驗(yàn)步驟如下。

（1）將地層砂搗碎使其處于松散狀態(tài)，或人工調(diào)配適當(dāng)粒度的砂粒并將其充填于巖心填砂管中；

（2）圍壓加至地層壓力大小；

（3）按照?qǐng)D1連接實(shí)驗(yàn)裝置，恒溫箱保持在產(chǎn)層溫度；

（4）將氮?dú)庖跃仓車鷿B流速度泵入巖心填砂管，同時(shí)測(cè)量填充砂兩端的壓力及流量、總出砂量；

（5）根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)反推充填砂滲透率。

圖1 室內(nèi)出砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置

應(yīng)注意，真實(shí)氣井生產(chǎn)過程中往往伴隨產(chǎn)水，可能是氣層本來含水也可能是周邊水入侵。為了模擬這一真實(shí)反映，在填砂桶內(nèi)放置總體積5%的鹽水，實(shí)驗(yàn)采用填砂桶體積565.2 mL，故加入28.26 mL飽和K+的NaCl溶液，分散在砂?？p隙之中。

2 防砂標(biāo)準(zhǔn)制定

防砂標(biāo)準(zhǔn)的制定需要同時(shí)滿足防砂有效性和產(chǎn)能最大化兩個(gè)原則。

2.1 防砂有效性

根據(jù)原油集輸條件，要求原油的含砂量不宜超過0.03%，即每萬(wàn)方原油最多含砂3 t，目前流行的稠油適度防砂可以將該標(biāo)準(zhǔn)放寬至0.05%～0.07%，但這些都是基于原油的。氣的流動(dòng)特征和出砂、攜砂原理以及對(duì)井下管柱工具的沖蝕與原油有一定差異，且目前國(guó)內(nèi)外沒有針對(duì)氣井生產(chǎn)提出合理的含砂量上限。防砂有效性原則需滿足兩點(diǎn)：（1）確保井下管柱工具在較高產(chǎn)量下能夠長(zhǎng)期安全生產(chǎn)，即含砂的氣體對(duì)管柱的沖蝕不能過大；（2）出砂量不能超出平臺(tái)處理能力。防砂后，氣井出砂能夠同時(shí)滿足以上兩點(diǎn)，則視為防砂有效。驗(yàn)證能否安全生產(chǎn)一年以上只有通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例進(jìn)行取證，這里采用番禺30-1氣田的生產(chǎn)實(shí)例進(jìn)行說明。

番禺30-1氣田有9口生產(chǎn)井采用高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管防砂，生產(chǎn)一年多后所有井都能夠正常作業(yè)，且沒有發(fā)生油管被地層砂沖蝕壞的情況。9口井平均日產(chǎn)氣50.4×104m3，年出砂量均控制在3 t以下，認(rèn)為該工作制度下，能夠保證井下管柱的長(zhǎng)期有效性。為了與油井統(tǒng)一，這里采用氣體單位體積含砂量Sc來表征。

即每萬(wàn)方天然氣含砂量不超過0.163 kg時(shí)，認(rèn)為氣井能夠安全生產(chǎn)。

2.2 產(chǎn)能最大化

防砂的目的不僅僅是為了防住砂，還要在保證防砂有效性的前提下追求氣井產(chǎn)能的最大化，因此需要在二者之間尋求一個(gè)平衡點(diǎn)即防砂標(biāo)準(zhǔn)。這里通過以下兩個(gè)實(shí)例進(jìn)行說明。

（1）產(chǎn)能優(yōu)先原則。隨著篩網(wǎng)縫隙增大，出砂量隨之增大，但篩管—井筒環(huán)空填充層的剩余滲透率呈現(xiàn)出先增大后減小然后再增大的趨勢(shì)，這與Saucier礫石充填實(shí)驗(yàn)的規(guī)律是一致的。在圖2中所示的情況下，在出砂量尚未達(dá)到防砂有效上限163 g/104m3時(shí)，剩余滲透率即產(chǎn)能先達(dá)到第1個(gè)極值，當(dāng)出砂量達(dá)到163 g/104m3后，剩余滲透率已經(jīng)開始減小，此時(shí)應(yīng)當(dāng)以產(chǎn)能優(yōu)先原則選擇剩余滲透率達(dá)到第1個(gè)極值時(shí)的擋砂精度。

圖2 產(chǎn)能優(yōu)先原則

（2）防砂優(yōu)先原則。圖3與圖2趨勢(shì)整體一致，但滲透率達(dá)到第1個(gè)極值時(shí)，出砂量已經(jīng)超過了防砂有效標(biāo)準(zhǔn)163 g/104m3，故此時(shí)應(yīng)當(dāng)以防砂有效為優(yōu)先原則選擇相應(yīng)擋砂精度。

圖3 防砂優(yōu)先原則

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文實(shí)驗(yàn)部分全部遵循防砂優(yōu)先原則，以下分析中只需要對(duì)出砂量進(jìn)行分析。

3 均勻系數(shù)對(duì)擋砂精度的影響

定義均勻系數(shù)UC=d40/d90，該值越小表示均勻性越強(qiáng)。取UC分別為1.83、4.33、6.39、9.68的4種相同粒度中值（d50=203 μm）、相同泥質(zhì)含量（m=7.2%）的地層巖心進(jìn)行室內(nèi)出砂模擬實(shí)驗(yàn)，巖心數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)樣品參數(shù)（不同均勻系數(shù)）

實(shí)驗(yàn)圍壓18.3 MPa，溫度130 ℃，泵入氮?dú)馑俾?.23 m3/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示各臨界擋砂精度即為最佳擋砂精度，出砂量測(cè)試結(jié)果見圖4。

圖4 均勻系數(shù)對(duì)擋砂精度影響

由圖4可看出，均勻系數(shù)越高最佳擋砂精度值越小，各均勻系數(shù)巖心對(duì)應(yīng)的擋砂精度和對(duì)應(yīng)的Saucier設(shè)計(jì)原則見表2。

表2 均勻系數(shù)影響結(jié)果

均勻系數(shù)低的巖心其粒度集中分布在d50左右，在篩網(wǎng)縫隙較小時(shí)出砂量很小，當(dāng)篩網(wǎng)縫隙增大到一定值后出砂量迅速增加，此后又變化平緩；均勻系數(shù)高的巖心粒度分布分散，隨著篩網(wǎng)縫隙的增大，出砂量變化較為穩(wěn)定。

4 泥質(zhì)含量對(duì)擋砂精度的影響

取不同泥質(zhì)含量的5種相同粒度中值、相同均勻系數(shù)（UC=4.33）的地層巖心進(jìn)行室內(nèi)出砂模擬實(shí)驗(yàn)。巖心數(shù)據(jù)見表3，出砂測(cè)試結(jié)果見圖5。

表3 實(shí)驗(yàn)樣品參數(shù)（不同泥質(zhì)含量）

圖5 泥質(zhì)含量對(duì)擋砂精度影響

由圖5可看出，泥質(zhì)含量越高最佳擋砂精度值越大，各泥質(zhì)含量巖心對(duì)應(yīng)的擋砂精度和對(duì)應(yīng)的Saucier設(shè)計(jì)原則見表4。

表4 泥質(zhì)含量影響結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，泥質(zhì)含量較低時(shí)最佳擋砂精度受泥質(zhì)含量影響很小，但總體上呈現(xiàn)出泥質(zhì)含量越高最佳擋砂精度越大的趨勢(shì)，主要原因是黏土顆粒容易附著在篩網(wǎng)縫隙上，縮小了實(shí)際縫寬，表現(xiàn)出最佳擋砂精度變大的現(xiàn)象。當(dāng)泥質(zhì)含量逐漸增大到一定程度后，黏土的堵塞效應(yīng)增強(qiáng)，對(duì)最佳擋砂精度的影響也增大。泥質(zhì)含量超過14%后，堵塞效應(yīng)明顯增大，當(dāng)泥質(zhì)含量達(dá)到21.36%時(shí)擋砂精度達(dá)到216 μm，對(duì)應(yīng)的Saucier設(shè)計(jì)公式為D50=6.48d50，這是不符合常規(guī)氣田防砂規(guī)律的。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，近井帶泥質(zhì)含量減少，出砂量會(huì)不斷增大，最終導(dǎo)致防砂失效，所以對(duì)于高泥質(zhì)含量的地層不推薦采用高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管防砂。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后在篩網(wǎng)上可觀察到明顯的泥質(zhì)附著。

5 結(jié)論

（1）對(duì)海上高產(chǎn)氣田防砂的高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管擋砂精度設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，針對(duì)該類氣田制定了有效防砂標(biāo)準(zhǔn)，即每萬(wàn)方天然氣含砂量不超過0.163 kg。在該標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行的出砂模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致遵循D50=（3～5）d50，相對(duì)于傳統(tǒng)的D50=（5～6）d50，該實(shí)驗(yàn)從另一方面佐證了氣田精細(xì)防砂的理念。

（2）地層砂均勻系數(shù)對(duì)擋砂精度設(shè)計(jì)影響顯著，當(dāng)均勻系數(shù)較低時(shí)，可以適當(dāng)放寬篩管縫寬；反之，需要針對(duì)小顆粒縮小篩管縫寬。

（3）實(shí)驗(yàn)表明泥質(zhì)含量較低時(shí)，對(duì)擋砂精度設(shè)計(jì)影響較小，可以忽略不考慮。泥質(zhì)含量高于14%則嚴(yán)重影響擋砂精度設(shè)計(jì)結(jié)果，故高泥質(zhì)含量的地層不適合采用高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管防砂。

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（修改稿收到日期 2013-10-25）

〔編輯 朱 偉〕

Research on precision design of sand control on high yield offshore gas field

MA Shuai1, 2, XIONG Youming1, YU Dong2, LIU Liming1, XIONG Jun1, DU Jianbo1

（1. Oil Completion Center, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. CNOOC Zhanjiang Branch, Zhanjiang 524000, China）

Advanced high quality screen sand control is a commonly used sand control technology for high yield offshore gas field, and the rationality of sand control precision design directly affects sand control effect. Currently, Because the sand standards of this kind gas field is rare, the most popular design method of sand control precision is the Saucier’s D50=（5～6）d50method which was proposed in the 1970s. And this method wasn’t suitable to some special formation due to simple consideration factors. This paper puts out an effective sand control standard which fits the offshore gas field perfect. Taking the actual formation cores in LiuHua 19-5 gas field as example, the experiment of testing the effect of sand uniformity coefficient on sand controlling precision design was conducted, and the results showed that a higher uniformity coefficient may cause a lower accuracy of sand control. For the first time the effect of sand clay content on the precision were studied, and another conclusion comes that the higher the clay content the greater the precision value and this phenomenon can be ignored if the clay content is not that high. We also found that the advanced high quality screen sand control should not be used if the clay content is higher than 14%. 8 × 8 set of sand simulation results follow D50=（3～5）d50, which is different from the traditional method put forward by Saucier, and prove that the method of fine sand control is reasonable for sandstone gas field. All these conclusions can provide basis for sand control precision design in sandstone gas field and sand control scheme optimization.

sandstone gas field; fine sand control; advanced high quality screen; accuracy of sand control; sand control test

馬帥，熊友明，于東，等. 海上高產(chǎn)氣田防砂擋砂精度設(shè)計(jì)研究［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（6）：48-51.

TE257

A

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0048 – 04

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“深水鉆完井工程”（編號(hào)：2011ZX05026-001-04-01）。

馬帥，1989年生。在讀碩士研究生，從事防砂、完井方面的研究工作。E-mail：mashuai_swpu@163.com。

文章編號(hào)：1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0052 – 03