新型泡沫金屬篩管堵塞機理及影響因素試驗研究

孫 金， 鄧金根， 王 堯， 王厚東， 劉凱銘

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(北京))，北京 102249；2.中海油能源發(fā)展采油技術服務公司，天津 300452)

新型泡沫金屬篩管堵塞機理及影響因素試驗研究

孫 金1， 鄧金根1， 王 堯2， 王厚東1， 劉凱銘1

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(北京))，北京 102249；2.中海油能源發(fā)展采油技術服務公司，天津 300452)

為了解新型泡沫金屬篩管的堵塞機理和優(yōu)化篩管結構，利用全尺寸防砂試驗裝置模擬泡沫金屬篩管的堵塞過程，采用比采油指數(shù)評價篩管堵塞程度，分析不同泥質含量、篩管精度和泡沫金屬層厚度下的堵塞程度及堵塞機理。結果表明，表層顆粒架橋是泡沫金屬篩管堵塞的主要原因，篩管的比采油指數(shù)隨泥質含量增大呈指數(shù)函數(shù)衰減，最終約穩(wěn)定在0.075 m3/(d·MPa·m)，與不含泥質時相比，下降了約78%；泡沫金屬層孔徑增大，比采油指數(shù)隨之增大；泡沫金屬層厚度增大，比采油指數(shù)的變化很小。新型泡沫金屬篩管堵塞機理及影響因素的研究結果，為進一步優(yōu)化篩管結構提供了理論依據(jù)。

泡沫金屬篩管 堵塞機理 表層顆粒 架橋 泥質含量 防砂

弱固結或未固結的疏松砂巖儲層出砂嚴重，針對這一問題研究發(fā)展了油氣井防砂完井技術，其中機械式防砂技術應用最為廣泛[1-3]。目前機械式防砂常用的篩管主要包括割縫篩管、繞絲篩管、金屬棉篩管和金屬網(wǎng)布篩管[4-6]，但在生產過程中存在篩管堵塞問題。

目前，國內外學者對篩管堵塞問題進行了大量研究。O.S.Larsen等[7]研究了金屬網(wǎng)布篩管的砂粒滯留機理；施進等[8]研究了篩網(wǎng)式防砂管結構對產能的影響；董長銀等[9]研究了細粉砂、泥質含量和流速等因素對篩網(wǎng)式防砂管堵塞程度的影響。但以上研究針對的都是常規(guī)防砂管，目前還沒有見到關于泡沫金屬篩管等新型防砂管堵塞機理及影響因素研究的公開報道。

泡沫金屬具有通透性高、耐磨、耐腐蝕和不易變形等性能，是一種理想的過濾材料[10-11]。筆者針對泡沫金屬的結構特性，設計了一種雙層結構防砂篩管，并利用自行研制的全尺寸防砂模擬試驗裝置[12-13]進行了室內模擬試驗，研究泥質含量、篩管精度和泡沫金屬層厚度等因素對泡沫金屬篩管堵塞程度的影響，分析其堵塞機理，以加快該型篩管的推廣應用、實現(xiàn)油氣井防砂完井技術的突破。

1 泡沫金屬篩管

泡沫金屬篩管的過濾材料為泡沫鋁。泡沫鋁是在純鋁或鋁合金中加入添加劑后經(jīng)過發(fā)泡制成的，具有密度低、剛度高、耐高溫、抗腐蝕、易加工、連通性好等優(yōu)點，孔隙度可達到80%以上，孔徑可調范圍為0.05～10.00 mm[14]，孔徑均勻度較高。以上特點表明，泡沫鋁適合作為篩管的過濾材料。泡沫金屬篩管設計為多層結構，包括帶孔基管、泡沫金屬層和保護管(見圖1)。其中，泡沫金屬層包括內外2層，采用外密內疏的孔徑結構，內層孔徑較大，可以保證固相顆粒進入泡沫金屬層后能夠順利排出；外層篩管孔徑較小，可以提高篩管的擋砂性能。

根據(jù)泡沫金屬層的厚度和精度，選用4種規(guī)格的篩管進行試驗，篩管長度均為0.45 m，外徑分別為170和180 mm，泡沫金屬層均包含內外2層，對應的泡沫金屬層總厚度分別為10和15 mm，篩管編號及相應的厚度和精度見表1(泡沫金屬的精度用孔密表示，即單位面積上的孔數(shù)，其值越小，孔徑越大)。

2 試驗評價方法

2.1 堵塞程度評價

試驗時，使用含砂的試驗油以基本恒定的壓差(高壓釜進出口兩端的壓差)長時間驅替，同時測量通過篩管的流量，驅替過程中流體攜帶的砂粒和泥質會逐步堵塞篩網(wǎng)，流量將逐漸降低，流量隨驅替時間發(fā)生變化，這種變化反映了篩管堵塞過程，可采用比采油指數(shù)表征泡沫金屬篩管的抗堵塞能力[15]。比采油指數(shù)越小，篩管的堵塞程度越嚴重,其數(shù)學表達式為：

(1)

式中：Jo為比采油指數(shù)，m3/(d·MPa·m)；Q為流量，m3/d；Δp為壓差，MPa；h為篩管長度，m。

2.2 試驗裝置及流程

全尺寸防砂模擬試驗裝置包括攪拌罐、泵、井下防砂模擬裝置(高壓釜、篩管) 和壓力計、流量計等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(見圖2)。

向攪拌罐中加入一定量的模擬砂，含砂試驗油經(jīng)隔膜泵以設定的壓力從4個方向進入高壓釜，通過高壓釜體內壁的分流網(wǎng)形成均勻徑向流,一部分細顆粒砂通過防砂管被流體攜帶出來,在出油口進行油砂分離即可得到出砂量，大部分砂粒在防砂管外表面堆積形成濾餅和砂橋，堵塞篩管。

選用的4種泡沫金屬篩管的擋砂精度為170～210 μm，根據(jù)1/3～2/3顆粒架橋理論，試驗用模擬砂的粒徑中值為105 μm，最大粒徑為250 μm。試驗用油為220#齒輪油，其密度為0.893 g/cm3，黏度為196 mPa·s，含砂比為3%(砂與試驗油的質量比)。試驗所用的泥質為膨潤土，其主要成分為蒙脫石。試驗模擬的是獨立篩管完井方式，即篩管與套管之間存在非礫石填充帶。試驗流程如下：

1) 連接好試驗裝置，將切割好的泡沫金屬篩管放在高壓釜中并固定密封好，然后蓋上高壓釜蓋；

2) 攪拌罐中加入約300 kg試驗用油，啟動高壓泵，循環(huán)試壓，確保試壓過程中無滲漏情況；

3) 開泵循環(huán)一段時間后，打開高壓釜蓋上的排氣閥進行排氣；

4) 配置泥質含量分別為0，5%，10%，15%，20%和25%(泥質含量為膨潤土占模擬砂質量的比例)的模擬砂；

5) 先利用不含砂的試驗油循環(huán)5 min，測量此時的流量，然后向攪拌罐中加入3%的模擬地層砂，加砂過程中開啟攪拌系統(tǒng)，攪拌均勻后，先在低壓差下循環(huán)20 min，然后逐漸加壓至試驗壓差；

6) 砂液攪拌均勻后，啟動高壓泵，將試驗壓差(即高壓釜進出口兩端的壓差)固定為7 MPa，開始試驗，同時測量流量，待流量基本穩(wěn)定后，結束試驗。

7) 試驗結束后，將模擬原油、模擬砂分別置入到指定的容器內，待環(huán)保部門進行回收處理。

3 泡沫金屬篩管堵塞的影響因素分析

3.1 泥質含量

采用編號為180-70-80(參數(shù)見表1)的泡沫金屬篩管進行泥質含量分別為0,5%，10%，15%，20%和25%的篩管堵塞試驗，其流量與驅替時間的關系如圖3所示。

由圖3可知，未向試驗油加砂前(0～5 min)，篩管未發(fā)生堵塞，流經(jīng)篩管的流量很大，而加砂后(5～10 min)篩管的流量快速降低，說明流體中攜帶的砂和泥質導致篩管堵塞，流量降低的過程反映了篩管的堵塞過程，10～20 min時的流量波動是由于試驗過程中的加壓操作導致的。由于加砂前后流量相差較大，難以從圖3看出穩(wěn)定后各泥質含量下的流量，將壓差穩(wěn)定在7 MPa后的流量轉化為比采油指數(shù)，分析其堵塞程度，結果見圖4。

由圖4可知，當壓差穩(wěn)定在7 MPa后，流量逐漸降低并最終趨于穩(wěn)定，且泥質含量越小，對應的比采油指數(shù)越大，說明泥質含量增大，加劇了篩管的堵塞程度。

不同泥質含量下流量穩(wěn)定后對應的比采油指數(shù)測量結果見圖5。對圖5中的實測數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到比采油指數(shù)與泥質含量之間的經(jīng)驗函數(shù)關系為：

Jo=0.075+0.269e-0.168Vsh

(2)

式中：Vsh為泥質含量，%。

可見，比采油指數(shù)隨泥質含量增加呈指數(shù)函數(shù)遞減，最終比采油指數(shù)約穩(wěn)定在0.075 m3/(d·MPa·m)，比不含泥質含量時下降了約78%，說明泡沫金屬篩管適用于泥質含量較低的儲層。

對式(2)求導，可以得到比采油指數(shù)的衰減速度，即：

(3)

由式(3)可看出，隨著泥質含量增大，比采油指數(shù)的衰減速度將逐漸變緩，即比采油指數(shù)的下降速度先快后慢，當泥質含量較低時，泡沫金屬篩管對泥質較敏感，然而隨著泥質含量增大，其敏感性越來越小。

3.2 泡沫金屬的精度

對采用不同泡沫金屬精度的外徑170 mm篩管進行泥質含量分別為0，5%和10%的堵塞試驗，壓差穩(wěn)定在7 MPa時的比采油指數(shù)見圖6。

由圖6可看出，當壓差穩(wěn)定在7 MPa時，2種泡沫金屬精度的篩管，其比采油指數(shù)均逐漸降低并趨于穩(wěn)定，但降低幅度不同，當外層泡沫金屬的孔徑較大時(精度為992孔/cm2)，穩(wěn)定后的比采油指數(shù)相對更高，為方便對比分析，將不同泥質含量下不同泡沫金屬精度的篩管穩(wěn)定后的比采油指數(shù)列入表2。

表2 不同泥質含量下不同精度篩管流量穩(wěn)定后的比采油指數(shù)

Table 2 The specific productivity index of different precision of screen at different shale contents

由表2可見:外層泡沫金屬精度降低有利于提高篩管的比采油指數(shù)，在一定程度上可以改善篩管的抗堵塞能力；但隨著泥質含量增大，篩管抗堵塞能力逐漸減弱。

3.3 泡沫金屬層厚度

對表1中的4種篩管進行了泥質含量分別為0，5%和10%的堵塞模擬試驗，穩(wěn)定后的比采油指數(shù)如圖7所示。

由圖7可看出，對于4種類型的泡沫金屬篩管，不同泡沫金屬層厚度下的比采油指數(shù)差別很小，說明泡沫金屬層的厚度對篩管的堵塞程度沒有明顯的影響，增加篩管層的厚度并不能使砂子在泡沫金屬層中產生明顯滯留，減小泡沫金屬層的厚度也不能減弱篩管的堵塞程度，因此，單純依靠減小泡沫金屬層的厚度對于改善泡沫金屬篩管的抗堵塞能力比較有限。

4 堵塞機理分析

篩管堵塞物主要為一些固相顆粒，包括地層砂、地層中的泥質、鉆完井過程中的固相污染物、生產過程中產生的無機垢和有機垢等，篩管被這些固相堵塞物堵塞后，就會使篩管滲透率降低，形成新的表皮系數(shù)，從而造成油井產量降低。一般來說，篩管的堵塞機制主要包括表層架橋堵塞和內部截留2種形式[16-17]。

表層架橋堵塞的機理是：獨立篩管完井的開發(fā)井，篩管和套管之間無礫石充填，出砂時，地層的游離固相顆粒以分選架橋的形式直接聚集在篩管的外部，使固相顆粒無法進入擋砂介質內部而被阻擋在篩管外部，而更細的固相顆粒則繼續(xù)在表面架橋形成新的砂層，但其孔喉尺寸更小，形成的多孔介質會阻擋更細的地層砂粒，從而形成濾餅引起篩管堵塞。

內部截留包含架橋和吸附2種機理：一方面，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，在擋砂介質的孔隙內部形成砂橋，造成篩管滲透率降低；另一方面，當過濾介質孔道彎曲細長、孔道形狀不規(guī)則時，足夠細的顆粒進入過濾介質內部后將產生吸附作用，同樣會降低篩管的滲透率，引起篩管堵塞。

以上為常規(guī)機械篩管的堵塞機理，為研究泡沫金屬篩管的堵塞機制，對試驗后的篩管進行切割，觀察其內部固相顆粒的分布。觀察發(fā)現(xiàn)，獨立篩管完井時，油中的模擬砂和泥質直接在篩管表面架橋，導致篩管外層被濾餅覆蓋，極大地降低了篩管的滲透率，說明表層架橋堵塞在泡沫金屬篩管的堵塞過程中起到了重要作用；篩管外層的內表面以及篩管內層的內外2個表面均未見明顯砂橋，偶爾可見少數(shù)顆粒。試驗后利用篩管的內層泡沫金屬進行了過油測試，發(fā)現(xiàn)試驗油可自由通過篩管內層，說明篩管的內部基本沒有發(fā)生堵塞，進一步說明表層架橋堵塞是泡沫金屬篩管的主要堵塞原因。

由以上分析可知，主要是由于地層砂和泥質在表層的架橋作用引起泡沫金屬篩管堵塞，而內部的截留作用很弱，說明單純減小篩管內外泡沫金屬層的厚度并不能提高抗堵塞能力，不同泡沫金屬層厚度下的堵塞程度分析結果也驗證了這一點。

5 結論及建議

1) 泥質含量對篩管的堵塞程度影響較大，隨著泥質含量增大，比采油指數(shù)呈指數(shù)函數(shù)衰減，說明泡沫金屬篩管對儲層泥質較為敏感，適用于泥質含量較低的儲層；增加外層泡沫金屬的孔徑，在一定程度上有利于提高篩管的抗堵塞能力；泡沫金屬層的厚度對篩管的堵塞影響很小，基于抗堵塞和經(jīng)濟性的考慮，可適當降低外層泡沫金屬層的精度、減小其厚度。

2) 試驗表明，泡沫金屬篩管的內部截留作用很弱，表層架橋堵塞是泡沫金屬篩管發(fā)生堵塞的主要原因。

3) 影響篩管堵塞的因素很多，包括泥質含量、篩管結構、擋砂精度、細粉砂含量、流體流速和防砂完井方式等，研究時僅考慮了獨立篩管完井方式下泥質含量和篩管結構對堵塞程度的影響，而且篩管結構比較單一，后續(xù)研究泡沫金屬篩管的堵塞時，應進一步優(yōu)化篩管的結構和考慮更多的影響因素。

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[編輯 滕春鳴]

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Experimental Study on Plugging Mechanisms and Influencing Factors of a New Foam Metal Screen

Sun Jin1, Deng Jingen1, Wang Yao2, Wang Houdong1, Liu Kaiming1

(1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting(ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)),Beijing102249,China; 2.CNOOCEnergyDevelopment&OilProductionServicesCorporation,Tianjin300452,China)

In order to study the plugging mechanisms and optimize the structure of foam metal screen,the plugging process for foam metal screens was simulated by a large-scale sand control simulation device. With the screen plugging degree evaluating the specific productivity index, the plugging degree and mechanism under the different shale content, the screen precision and the thickness of the foam metal were analyzed. The experimental results showed that surface particle bridging was the main cause of foam metal screen plugging. The specific productivity index exponentially decreases with the increase of shale content where it finally stabilized at 0.075 m3/(d·MPa·m), which decreased by 78% compared with the index where there was no shale content. When the pore size of foam metal is increased, the specific productivity index increases. The increase of foam metal thickness had slight impact on the specific productivity index. The experimental study of plugging mechanism and influencing factors of foam metal screen provided theoretical basis for the optimization of screen structure.

metal screen with foam； plugging mechanism； surface particle； bridging； shale content； sand control

2014-11-07；改回日期：2015-06-14。

孫金(1987—)，男，山東棗莊人，2009年畢業(yè)于中國石油大學(華東)石油工程專業(yè)，2012年獲中國石油大學(華東)油氣井工程專業(yè)碩士學位，在讀博士研究生，主要從事石油工程巖石力學及油氣井防砂等方面的研究。

國家科技重大專項“復雜結構井優(yōu)化設計與控制關鍵技術”(編號：2011ZX05009-005)資助。

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