錢欽, 王力智, 張雪梅, 車傳睿, 宋洋, 孫寶全, 董長(zhǎng)銀*, 黃有藝
(1.中國(guó)石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院, 東營(yíng) 257000; 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院, 青島 266580)
聚合物驅(qū)是目前油藏提高采收率的主要開發(fā)方式之一,在大慶、勝利及渤海油區(qū)應(yīng)用廣泛[1]。注入聚合物的黏度保留率評(píng)價(jià)是注聚驅(qū)是否成功的關(guān)鍵指標(biāo)之一[2-5]。對(duì)于疏松砂巖油藏的聚合物驅(qū)注聚井,在停注或作業(yè)時(shí)出現(xiàn)大量返吐地層砂,即注聚井出砂[6-8]。機(jī)械篩管是目前注聚井防砂的主要技術(shù)形式,篩管的選型和參數(shù)優(yōu)化不但要考慮其對(duì)地層砂的防砂效果,還需要考慮注聚期間篩管對(duì)聚合物溶液剪切降黏作用[9-10]。中外目前對(duì)聚合物剪切開展的研究主要為多孔介質(zhì)中的機(jī)械剪切[11-14],為獲得高黏度保留率,多數(shù)研究聚焦于微觀尺度的聚合物性能分析[15-16],對(duì)于聚合物在防砂篩管的機(jī)械剪切降黏開展研究較少,難以適應(yīng)工程尺度條件。針對(duì)注聚井過篩管聚合物溶液剪切降黏問題,王亭沂等[17]對(duì)聚合物剪切黏度保留率測(cè)試方法進(jìn)行了探討;陳偉等[18]、田玉芹等[19]對(duì)海上注聚井低剪切防砂工藝開展研究,發(fā)現(xiàn)縫狀繞絲濾砂管對(duì)長(zhǎng)鏈?zhǔn)礁叻肿泳酆衔锞哂休^低的機(jī)械剪切。目前研究均缺少直接針對(duì)機(jī)械篩管過聚合物溶液黏度保留性能的系統(tǒng)性評(píng)價(jià)方法。機(jī)械篩管防砂性能評(píng)價(jià)方面目前已有充分的研究[20-24],但沒有考慮注聚井機(jī)械篩管對(duì)聚合物溶液的剪切降黏影響。綜上所述,注聚井防砂篩管需要面對(duì)注入聚合物和返吐防砂兩種工況,目前對(duì)注聚井防砂篩管的優(yōu)選仍處于對(duì)聚合物溶液黏度保留性能和防砂性能分開評(píng)價(jià)的階段,缺乏統(tǒng)一的優(yōu)選方法[25]。
為此,以渤海油區(qū)典型注聚油田埕北油田為目標(biāo)油田,以繞絲篩管為例,針對(duì)注聚井繞絲篩管擋砂堵塞及對(duì)聚合物溶液的剪切降黏過程與規(guī)律,模擬注聚井井底流動(dòng)條件開展聚合物注入和地層砂返吐堵塞模擬實(shí)驗(yàn),分析不同縫型繞絲篩管對(duì)聚合物溶液的黏度降低率變化規(guī)律和對(duì)地層砂的堵塞規(guī)律,建立了綜合性能對(duì)比方法,計(jì)算了不同精度不同縫型的繞絲篩管定量評(píng)價(jià)指標(biāo),完成縫型縫寬優(yōu)化,為目標(biāo)油區(qū)繞絲篩管結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)與借鑒。
為了模擬注聚井篩管對(duì)聚合物流體的剪切降黏過程,以及注聚井返吐砂過程,構(gòu)建了注聚井篩管綜合性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置,主體裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置由配液罐、加砂器、液泵、集砂器、徑向主體模擬井筒、壓差與流量傳感器、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)組成。徑向主體模擬井筒內(nèi)徑450 mm,篩管安裝于模擬容器中央,用于模擬實(shí)際注入與返吐過程。徑向流井筒前后管道分別設(shè)置取樣口,對(duì)通過篩管前后聚合物進(jìn)行取樣。聚合物溶液取樣后采用安東帕流變儀MCR302進(jìn)行流變性測(cè)試。
圖1 注聚井篩管性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
實(shí)驗(yàn)時(shí)將篩管短節(jié)固定于徑向流主體模擬井筒中。篩管對(duì)聚合物溶液黏度保留性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)?zāi)M注聚井反注過程,采用聚合物由篩管內(nèi)部向外驅(qū)替,待注入壓力趨于穩(wěn)定后,分別在徑向流單元出入口取樣并立即進(jìn)行流變性測(cè)試;擋砂堵塞實(shí)驗(yàn)?zāi)M注聚后返吐地層砂過程,主要考慮地層砂顆粒的機(jī)械堵塞,采用清水?dāng)y帶砂粒由外向內(nèi)驅(qū)替篩管短節(jié)。
埕北油田地層砂粒徑中值分布在0.125~0.134 mm范圍內(nèi),根據(jù)典型地層砂樣品的篩析數(shù)據(jù),采用不同粒徑石英砂顆粒復(fù)配實(shí)驗(yàn)用砂,砂樣粒度對(duì)比如圖2所示。復(fù)配砂粒度中值d50為0.130 1 mm,泥質(zhì)含量8%,均勻系數(shù)為8。實(shí)驗(yàn)采用梯形縫、弧形縫、倒梯形縫3種類型繞絲篩管如圖3所示,以縫型最窄處縫寬作為標(biāo)稱精度,精度范圍為250、210、180、150 μm。篩管內(nèi)外徑相同分別為107、138 mm。基管孔數(shù)300孔/m,篩管短節(jié)長(zhǎng)度為250 mm。
圖2 實(shí)驗(yàn)所用地層砂與實(shí)際砂樣粒度對(duì)比
圖3 實(shí)驗(yàn)所用篩管樣品
聚合物溶液采用聚丙烯酰胺干粉(生產(chǎn)廠家愛森絮凝劑公司)配制,根據(jù)油田地層水礦化度(表1),室內(nèi)復(fù)配地層水溶解聚合物干粉,低速攪拌2 h后靜置1~2 h使用。聚合物在室溫條件、剪切速率7.34 s-1下測(cè)得表觀黏度為50 mPa·s,濃度為1 850 mg/L。實(shí)驗(yàn)所用流體及參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)流速條件配置與典型注聚井井底基準(zhǔn)表觀流速等效,典型井基準(zhǔn)流速0.4 m3/h·m,折算實(shí)驗(yàn)室對(duì)應(yīng)聚合物注入流量為0.1 m3/h;防砂性能測(cè)試階段為加快篩管堵塞過程,采用清水?dāng)y砂以1.2 m3/h驅(qū)替篩管。
相同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)3種縫型對(duì)聚合物流通性能對(duì)比,記錄3種縫型繞絲篩管驅(qū)替內(nèi)外壓差計(jì)流量變化曲線如圖4所示。
圖4 精度150 μm下3種縫型篩管壓力變化曲線
相同流量下梯形縫流動(dòng)壓差最高,平衡后約4.5 kPa,略高于弧形縫(4 kPa)。倒梯形縫流動(dòng)壓差最低,出現(xiàn)一定波動(dòng)后平衡在3 kPa。由于驅(qū)替流速相同,根據(jù)滲透率變化關(guān)系,流體在達(dá)到流動(dòng)平衡后倒梯形縫篩管表現(xiàn)出最高的滲透率,而弧形縫滲透率略高于梯形縫。
聚丙烯酰胺溶液為高分子非牛頓流體,其表觀黏度與測(cè)量條件密切相關(guān)。采用旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行流變性測(cè)試,在轉(zhuǎn)子標(biāo)定轉(zhuǎn)速(7.34 s-1)下測(cè)得的表觀黏度為標(biāo)定黏度μ。在聚合物流體通過繞絲篩管縫隙時(shí)發(fā)生剪切作用導(dǎo)致溶液黏度下降,黏度降低率計(jì)算公式為
(1)
式(1)中:ks為黏度降低率,無(wú)量綱;μb為通過篩管前的溶液黏度,mPa·s;μa為通過篩管后的溶液黏度, mPa·s。
不同縫寬縫型條件下聚合物標(biāo)定黏度降低率變化規(guī)律如圖5所示。可以看出,篩管對(duì)聚合物標(biāo)定黏度降低率均與縫寬/精度呈明顯反比,縫寬由150 μm升至250 μm時(shí)分別下降30%~75%??p寬的提高增大了流動(dòng)空間,從而降低了縫內(nèi)聚合物溶液的流動(dòng)速度,使得篩管對(duì)聚合物高分子團(tuán)盤曲折疊結(jié)構(gòu)的損傷程度降低,表現(xiàn)為聚合物標(biāo)定黏度降低率的下降。
圖5 不同縫寬縫型條件下聚合物標(biāo)定黏度降低率
縫型結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物流動(dòng)過程影響明顯,而非牛頓流體流態(tài)對(duì)表觀黏度的測(cè)量影響較大,相同縫寬/精度條件下,各縫型篩管對(duì)聚合物溶液黏度降低率差異明顯。在4種縫寬下梯形縫黏度降低率均處于最高值,標(biāo)定降低率0.689%~1.301%,高于弧形縫(0.687%~0.985%)和倒梯形縫(0.23%~0.646%)。
分別對(duì)不同縫寬縫型篩管進(jìn)行地層砂堵塞實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄的壓力及流量變化,計(jì)算滲透率變化曲線如圖6所示??梢钥闯觯m然精度條件相同,但是不同縫型結(jié)構(gòu)滲透率變化存在較大差異。
圖6 不同縫型結(jié)構(gòu)篩管滲透率變化曲線
初始階段3種篩管滲透率近似并基本保持穩(wěn)定。150 μm精度下,清水?dāng)y砂驅(qū)替階段弧形縫篩管最先發(fā)生堵塞,滲透率由7.044 μm2迅速降低至0.046 μm2,滲透率損害99.3%;梯形與倒梯形縫篩管分別在1 000 s和1 300 s開始堵塞,產(chǎn)生滲透率損害99.4%和99.2%。篩管堵塞后形貌如圖7所示,地層砂嵌入篩管介質(zhì)孔隙中并在表面形成一層致密砂橋。
圖7 篩管堵塞形貌
篩管縫型結(jié)構(gòu)是造成上述堵塞規(guī)律差異的重要因素,如圖8所示。150 μm精度條件下,弧形寬-窄-寬的縫隙結(jié)構(gòu)相最易堵塞,相比于梯形縫隙結(jié)構(gòu)缺少“自潔”作用,同時(shí)橋架擋砂層比倒梯形縫結(jié)構(gòu)更薄,形成所需時(shí)間短;梯形外窄、內(nèi)寬的縫隙結(jié)構(gòu)使得篩管本身具有“自潔”作用,即地層砂一旦通過縫隙很容易進(jìn)入井筒不發(fā)生堵塞縫隙,但一旦被較大顆粒堵塞縫隙,就會(huì)迅速形成橋架擋砂層,相比倒梯形縫堵塞要快。
圖8 不同縫型結(jié)構(gòu)篩管擋砂示意圖
180 μm精度的倒梯形與弧形縫篩管在1 330 s和1 660 s分別發(fā)生堵塞,最終滲透率為0.065、0.081 μm2,而梯形縫篩管在整個(gè)驅(qū)替過程中滲透率沒有明顯變化。這是由于弧形、倒梯形縫隙結(jié)構(gòu)均有利于地層砂顆粒在縫隙橋架沉積形成新的擋砂層,易被較小粒徑地層砂堵塞,二者堵塞規(guī)律相似,但倒梯形縫形成橋架結(jié)構(gòu)更厚,篩管堵塞程度更嚴(yán)重;梯形縫結(jié)構(gòu)受較大地層顆粒影響明顯,在篩管精度180 μm、地層砂粒度中值130 μm條件下,地層砂難以形成有效擋砂橋架層,因此篩管未發(fā)生明顯堵塞。在210 μm以及大于210 μm的高精度條件下,3種縫型均難以有效阻擋粒徑中值130 μm地層砂。
實(shí)際注聚井在生產(chǎn)過程中存在3個(gè)過程:篩管注聚合物→關(guān)井?dāng)y砂流體返吐→篩管堵塞后重新注聚,對(duì)應(yīng)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)如圖9(a)~圖9(c)過程所示。在堵塞實(shí)驗(yàn)結(jié)束后由篩管內(nèi)部重新注入聚合物,驅(qū)替平穩(wěn)后測(cè)試聚合物溶液流變物性。為充分體現(xiàn)堵塞及反向注入解堵過程,選用150 μm精度篩管進(jìn)行堵塞后注入實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)后篩管與井筒內(nèi)照片如圖10所示。
圖9 注聚井工況模擬實(shí)驗(yàn)示意圖
倒梯形縫篩管在堵塞平穩(wěn)后,表面均勻堵塞地層砂顆粒。由篩管內(nèi)向管外注入聚合物溶液,堵塞砂團(tuán)迅速脫落,流動(dòng)平穩(wěn)后觀察到篩管表面光滑,幾乎無(wú)地層砂顆粒堵塞情況[圖10(a)],井筒內(nèi)可見大量從篩管表面脫落的砂團(tuán)沉積至底部,如圖10(b)所示。對(duì)于梯形縫和弧形縫繞絲篩管[圖10(c)和圖10(d)],在聚合物溶液流動(dòng)穩(wěn)定后提出篩管,表面仍可見較多的地層砂顆粒堵塞物。說明倒梯形縫的內(nèi)窄外寬結(jié)構(gòu),有利于篩管堵塞后的反向注入解堵,而縫隙的內(nèi)寬外窄結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)解堵造成負(fù)面影響。
圖10 實(shí)驗(yàn)后篩管表面及井筒內(nèi)照片
取實(shí)驗(yàn)后聚合物溶液進(jìn)行流變性測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖11所示。可以看出,堵塞后的梯形縫與弧形縫篩管對(duì)聚合物標(biāo)定黏度降低率為8.837%和7.51%,遠(yuǎn)高于未堵塞時(shí)。倒梯形縫篩管對(duì)聚合物黏度降低率相較于未堵塞時(shí)雖有所上升,但仍處于較低水平,標(biāo)定黏度降低率僅為2.312%。探析其原因,倒梯形縫與弧形縫篩管結(jié)構(gòu)使其反注時(shí)解堵程度差,地層砂顆粒形成砂橋緊密充填縫隙,導(dǎo)致了縫隙處流通面積遠(yuǎn)小于縫隙面積,聚合物溶液在致密砂橋中的流動(dòng)產(chǎn)生了較高的黏度損害。因此篩管較好的解堵能力能夠保證注入后期對(duì)聚合物不產(chǎn)生高黏度損害。
圖11 不同縫型篩管對(duì)聚合物黏度降低率的影響
由于篩管對(duì)聚合物溶液具有剪切降黏效果,3次采油需要聚合物流體注入地層時(shí)的黏度保持在較高程度,因此需要優(yōu)選對(duì)聚合物黏度傷害最小的篩管結(jié)構(gòu)參數(shù)。篩管對(duì)通過其空隙的聚合物溶液黏度保留程度即為篩管保黏性能,定義Sr為篩管保黏性能指標(biāo),采用標(biāo)定黏度降低率為主要評(píng)價(jià)依據(jù),使用完全堵塞后過篩管聚合物溶液黏度保留率進(jìn)行修正,Sr越高說明篩管對(duì)聚合物黏度損害越小。定義篩管保黏性能指標(biāo)計(jì)算公式為
Sr=(1-ks)Xf
(2)
式(2)中:Sr為篩管過聚合物黏度保留性能指標(biāo),無(wú)量綱;Xf為堵塞后保黏修正系數(shù),無(wú)量綱,倒梯形縫、弧形縫、梯形縫篩管Xf分別取0.977、0.925、0.912。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,不同精度及縫型篩管保黏性能如圖12所示。各篩管保黏性能指標(biāo)均高于0.9,說明三類繞絲篩管整體對(duì)聚合物溶液黏度損害較小。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,250 μm精度倒梯形縫篩管保黏性能指標(biāo)最高為0.975,最低指標(biāo)出現(xiàn)在150 μm精度梯形縫,為0.900。在堵塞后保黏修正系數(shù)的校正下,相同精度條件,倒梯形縫篩管保黏性能指標(biāo)明顯高于其他兩種縫型,其次為弧形縫,梯形縫篩管最低;隨篩管精度增大,保黏性能指標(biāo)出現(xiàn)不同程度上升,但上升速度逐漸變緩,提高篩管精度對(duì)聚合物溶液黏度保留率只能得到有限的提升。
圖12 保黏性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
使用機(jī)械篩管防砂性能評(píng)價(jià)軟件對(duì)3種繞絲篩管在不同精度條件下的流通性能、抗堵塞性能、擋砂性能指標(biāo),根據(jù)堵塞規(guī)律實(shí)驗(yàn)的3種單項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算防砂性能指標(biāo)。防砂性能指標(biāo)Sz為滲透性能、擋砂性能和抗堵性能的綜合體現(xiàn),根據(jù)擋砂性能指標(biāo)Sd、滲透性能指標(biāo)Sl和抗堵性能指標(biāo)Sk通過加權(quán)平均計(jì)算得到,計(jì)算公式為
綜上所述,平片無(wú)張力疝修補(bǔ)術(shù)治療效果明顯優(yōu)于疝環(huán)充填式修補(bǔ)術(shù),且具有較快的恢復(fù)速度,較低的并發(fā)癥發(fā)生率等特點(diǎn),值得在臨床中推廣和應(yīng)用。
Sz=WkSk+WlSl+WdSd
(3)
Wk+Wl+Wd=1
(4)
式中:Wd為擋砂性能權(quán)重系數(shù),無(wú)量綱;Wl為滲透性能權(quán)重系數(shù),無(wú)量綱;Wk為抗堵性能權(quán)重系數(shù),無(wú)量綱;Sz為防砂性能指標(biāo),無(wú)量綱。
上述權(quán)重系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),根據(jù)人為主觀經(jīng)驗(yàn)確定,用于調(diào)整特定的防砂儲(chǔ)層或區(qū)塊對(duì)于防砂工藝在擋砂性能、抗堵性能和滲透性能不同方面的要求。對(duì)于一般情況,機(jī)械篩管的首要功能是擋砂和防砂,同時(shí)兼顧流通性和抗堵塞性,因此上述權(quán)重系數(shù)設(shè)置時(shí)擋砂性能占絕對(duì)主要地位,一般推薦取Wd=0.6,Wk=0.2和Wl=0.2。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)具體防砂需求和評(píng)價(jià)目的靈活調(diào)整。各參數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖13所示。
圖13 篩管防砂參數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果
各縫型篩管的單項(xiàng)指標(biāo)整體變化規(guī)律一致,隨篩管精度增大,流通性能與抗堵塞性能上升但擋砂性能下降:同一縫型條件下,當(dāng)篩管精度大于180 μm,地層砂難以堵塞篩管,篩管抗堵塞性能指標(biāo)均較高,處于0.97~0.99,流通性能指標(biāo)為1。其中梯形縫篩管以其自潔作用效果在180 μm精度下就表現(xiàn)出較高的流通能力和抗堵塞能力。低精度篩管總體上能保持更有擋砂性能。同一精度條件下,梯形縫由于外窄內(nèi)寬縫隙結(jié)構(gòu),篩管抗堵塞及流通性能最優(yōu)。在精度為150 μm時(shí)弧形縫寬-窄-寬縫隙結(jié)構(gòu)使得篩管擋砂性能最優(yōu);中高精度(>150 μm)條件,倒梯形縫總能保持最優(yōu)擋砂性能。
對(duì)比相同精度條件下篩管防砂性能指標(biāo),在低精度(150 μm)條件下弧形縫性能最優(yōu),為0.797 3,高于梯形縫(0.785 8)和倒梯形縫(0.676 2);中高精度下(>150 μm),倒梯形縫總能保持最優(yōu)的防砂性能。而同一縫型、不同精度之間對(duì)比顯示,弧形、梯形縫精度由150 μm升至250 μm,防砂性能指標(biāo)分別下降23.2%和19.0%;倒梯形縫則在180 μm精度下表現(xiàn)出最優(yōu)防砂性能(0.731 9),此時(shí)的擋砂、抗堵塞與流通能力處于均衡最高值。
基于篩管保黏性能和防砂性能優(yōu)化結(jié)果,定義綜合對(duì)比指標(biāo)S,其計(jì)算公式為
S=WrSr+(1-Wr)Sz
(5)
式(5)中:S為綜合對(duì)比指標(biāo),無(wú)量綱;Wr為保黏性能偏重系數(shù),無(wú)量綱,Wr為小于1的正數(shù),根據(jù)對(duì)篩管保黏性能側(cè)重程度確定,推薦取值0.6。
注聚井篩管參數(shù)優(yōu)化依據(jù)及性能指標(biāo)如表3所示。
表3 注聚井篩管參數(shù)綜合優(yōu)化依據(jù)
3種篩管不同精度下的綜合對(duì)比指標(biāo)如圖14所示。根據(jù)優(yōu)選結(jié)果,在低精度(150 μm)條件下弧形縫表現(xiàn)出最高的綜合性能,綜合對(duì)比指標(biāo)為0.869;中高精度下(>150 μm),倒梯形縫總能保持最優(yōu)的綜合性能。不同精度之間對(duì)比顯示,弧形、梯形縫精度由150 μm升至250 μm,綜合對(duì)比指標(biāo)分別下降8.3%和6.6%;倒梯形縫則在180 μm精度下表現(xiàn)出最優(yōu)綜合性能。由于篩管精度過大時(shí)不具備擋砂能力,因此不推薦180 μm以上精度。
圖14 綜合對(duì)比指標(biāo)結(jié)果
(1)干凈篩管對(duì)聚合物黏度損害較低,而篩管堵塞后對(duì)聚合物黏度損害程度大大增強(qiáng),重新注聚時(shí)篩管的自解堵能力對(duì)保黏性能指標(biāo)起決定性影響。相同精度條件下,倒梯形縫篩管保黏性能指標(biāo)為(0.971~0.975),高于弧形縫(0.916~0.919)和梯形縫(0.900~0.906);不同縫型繞絲篩管對(duì)聚合物黏度損害程度均與精度呈明顯負(fù)相關(guān)。
(2)縫型結(jié)構(gòu)對(duì)擋砂堵塞影響明顯。在地層流體攜砂返吐條件下,弧形、倒梯形縫隙結(jié)構(gòu)均利于砂粒在縫隙中橋架沉積形成新的擋砂層而堵塞;梯形縫隙結(jié)構(gòu)使得篩管本身具有“自潔”作用,不容易被小尺寸地層砂堵塞縫隙。綜合考慮擋砂、流通及抗堵塞性能,低精度(150)條件下弧形縫防砂性能最優(yōu),為0.797 3,高于梯形縫(0.785 8)和倒梯形縫(0.676 2);中高精度下(>150 μm),倒梯形縫總能保持最優(yōu)的防砂性能。
(3)考慮注聚井防砂篩管的保黏性能和防砂性能需求,建立了綜合性能對(duì)比方法。根據(jù)綜合對(duì)比結(jié)果,針對(duì)粒度中值0.13 μm地層砂,150~180 μm精度的篩管存在擋砂能力,在150 μm精度下弧形縫篩管綜合性能最優(yōu),而180 μm精度條件下倒梯形縫最優(yōu)。