油井防砂篩管適應(yīng)性試驗評價方法研究

匡韶華

(遼河油田 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)

油井防砂篩管適應(yīng)性試驗評價方法研究

匡韶華

(遼河油田 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)

防砂篩管的種類繁多，選擇合適的篩管類型、確定合理的篩管參數(shù)是機械防砂工藝設(shè)計的關(guān)鍵。提出了針對特定區(qū)塊或油井進(jìn)行篩管適應(yīng)性評價的試驗方法和篩管性能評價方法，并給出了試驗結(jié)果的數(shù)學(xué)計算方法，建立了一套油井防砂篩管適應(yīng)性試驗評價方法。該方法能夠定量反映篩管在特定儲層條件下的過流性能、擋砂性能、擋砂粒徑、抗堵塞性能和綜合性能，為篩管優(yōu)選和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供了更加準(zhǔn)確、直觀的指導(dǎo)。實際應(yīng)用表明，該方法合理可行。

篩管；評價方法；參數(shù)優(yōu)化；試驗

隨著防砂技術(shù)的發(fā)展，形成了種類繁多的防砂篩管，包括繞絲篩管、割縫篩管、金屬網(wǎng)布篩管、金屬棉篩管及金屬燒結(jié)氈篩管等[1]。這些篩管的擋砂介質(zhì)、機械結(jié)構(gòu)各不相同，其防砂效果主要取決于篩管本身的特性、地層砂的特性及流體的性質(zhì)。選擇合適的篩管類型、確定合理的篩管參數(shù)是機械防砂工藝設(shè)計的關(guān)鍵[2]。近些年來，通過室內(nèi)試驗評價，指導(dǎo)篩管優(yōu)選和參數(shù)優(yōu)化已經(jīng)成為了研究的熱點，并且研制出了多種篩管試驗評價裝置。但是，這些研究還沒有形成規(guī)范的試驗方法，也沒有能夠定量反映篩管在特定儲層條件下的過流性能、擋砂性能、擋砂粒徑、抗堵塞性能和綜合性能的評價方法[3-12]。本文利用已研制的防砂篩管適應(yīng)性評價試驗裝置，研究出了一種能夠定量對比不同篩管在特定儲層砂樣條件下的單項性能和綜合性能，可為機械防砂工藝設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 試驗裝置

試驗裝置主要由高壓試驗筒、高壓泵、配液罐、壓力傳感器、流量計、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和固液分離器等組成。如圖1。高壓試驗筒中安裝篩管樣件，并在篩管外圍填滿模擬地層砂；高壓試驗筒內(nèi)壁設(shè)有導(dǎo)流管和滲流筒，以促使流體均勻進(jìn)入填砂層中，并實現(xiàn)徑向流動狀態(tài)。

1—配液罐；2—高壓泵；3—壓力傳感器；4—高壓試驗筒；5—導(dǎo)流管；6—滲流筒；7—篩管樣件；8—模擬地層砂；9—固液分離器；10—流量計；11—儲液罐；12—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖1 防砂篩管適應(yīng)性評價試驗裝置示意

試驗過程中，在配液罐中配制的一定黏度的模擬液，利用高壓泵將其注入高壓試驗筒中，通過模擬地層砂進(jìn)入篩管樣件，再流出高壓試驗筒進(jìn)入固液分離器分理出通過篩管樣件的砂粒；分離后的模擬液通過流量計計量后進(jìn)入儲液罐。高壓試驗筒中至少設(shè)置2個壓力傳感器，分別采集篩管內(nèi)外側(cè)壓力。由于流體的驅(qū)動作用，模擬地層砂發(fā)生運移，部分砂粒通過篩管過濾層進(jìn)入固液分離器中，另一部分砂粒在篩管的阻擋作用下堆積架橋，導(dǎo)致篩管內(nèi)外壓差增大。

2 試驗方法

針對特定區(qū)塊或油井進(jìn)行防砂篩管適應(yīng)性評價的試驗方法如下：

1) 根據(jù)評價區(qū)塊或油井的儲層巖石粒徑分布和粘土礦物含量，按照不同質(zhì)量比，采用不同粒徑的石英砂、膨潤土(代替蒙脫石)和伊利石，混合均勻配制模擬地層砂。要求模擬地層砂的組成及粒度參數(shù)與儲層巖石的組成及粒度參數(shù)相近。

2) 將篩管樣件安裝于高壓試驗筒中，在篩管樣件外圍填滿模擬地層砂，蓋上高壓試驗筒端蓋。小排量注入清水將模擬地層砂潤濕。

3) 采用聚合物增粘劑與清水在配液罐中配制一定黏度的模擬液。模擬液的黏度應(yīng)與油層中流體的黏度相近。

4) 按照油井設(shè)計產(chǎn)液量與篩管防砂段長度的比值，再乘以篩管樣件長度折算得到試驗排量。利用高壓泵以恒定的試驗排量將模擬液注入高壓試驗筒中，對填充砂層進(jìn)行驅(qū)替。

5) 連續(xù)注入模擬液一定時間后，停止試驗，收集液固分離器中的砂粒，將其烘干后，稱重，并做粒度分析。

6) 記錄模擬液黏度、模擬液排量、篩管內(nèi)外壓差、出砂量和出砂粒徑等數(shù)據(jù)，以供分析評價。

為了確保不同篩管的可比性，應(yīng)盡量采取相同的模擬液黏度、驅(qū)替排量和驅(qū)替時間的試驗參數(shù)進(jìn)行試驗。

3 防砂篩管適應(yīng)性評價方法

將試驗過程中記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算篩管的單項性能(過流性能、擋砂性能、擋砂粒徑和抗堵塞性能)評價參數(shù)；然后利用單項性能評價參數(shù)計算篩管的綜合性能評價參數(shù)，根據(jù)綜合性能評價參數(shù)值對比評價不同篩管在目標(biāo)區(qū)塊或油井的適應(yīng)性，指導(dǎo)篩管選擇和參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。

3.1 單項性能評價參數(shù)計算

3.1.1 過流性能

采用試驗過程中篩管的平均滲透率k作為篩管過流性能評價參數(shù)，來表征篩管的過流性能。過流性能評價參數(shù)k越大，表示篩管的過流能力越好。

(1)

(2)

式中：k為篩管過流性能評價參數(shù)，μm2；ki為第i時刻篩管的滲透率，μm2；Qi為第i時刻通過篩管的流量，mL/s；μ為模擬液黏度，mPa·s；L為篩管樣件有效過濾段長度，cm；p1i為第i時刻篩管外側(cè)壓力，10-1MPa；p2i為第i時刻篩管內(nèi)側(cè)壓力，10-1MPa；d1為篩管樣件過濾段外徑，cm；d2為篩管樣件過濾段內(nèi)徑，cm；N為試驗過程中的壓力測試點數(shù)。

3.1.2 擋砂性能

采用通過篩管的模擬液平均含砂量η作為篩管擋砂性能評價參數(shù)，來表征篩管的擋砂性能。

(3)

(4)

式中：η為篩管擋砂性能評價參數(shù)，%；m為通過篩管的總出砂量，L；V為通過篩管的總流體體積，L；Qi+1為第i+1時刻通過篩管的流量，L/min；ti+1為第i+1時刻的試驗時間，min；ti為第i時刻的試驗時間，min。

3.1.3 擋砂粒徑

按照出砂粒徑從小到大的順序繪制砂粒的累積粒度分布曲線。從累計粒度分布曲線中確定d90值，以該值作為篩管擋砂粒徑評價參數(shù)。確定油井設(shè)計要求的擋砂粒徑d值。

3.1.4 抗堵塞性能

計算試驗前一段時間內(nèi)篩管兩側(cè)的平均壓差p0，以及試驗后一段時間內(nèi)篩管兩側(cè)的平均壓差p。采用p0與p的比值s作為篩管抗堵塞性能評價參數(shù)，來表征篩管的抗堵塞性能。

(5)

3.2 綜合性能評價參數(shù)計算

利用篩管的單項性能參數(shù)，進(jìn)行加權(quán)平均法，計算得到篩管的綜合性能參數(shù)R。在進(jìn)行加權(quán)平均計算之前，需要對過流性能參數(shù)、擋砂性能參數(shù)、擋砂粒徑參數(shù)和抗堵塞性能參數(shù)進(jìn)行歸一化處理。

對篩管過流性能評價參數(shù)進(jìn)行歸一化處理：

(6)

式中：K為篩管過流性能評價參數(shù)歸一化值，無量綱；k為篩管過流性能評價參數(shù)，μm2；kmax為全部篩管中最大的過流性能評價參數(shù)，μm2。

對篩管擋砂性能評價參數(shù)進(jìn)行歸一化處理：

(7)

式中：H為篩管擋砂性能評價參數(shù)歸一化值，無量綱；η篩管擋砂性能評價參數(shù)，%；ηmax為全部篩管中最大的擋砂性能評價參數(shù)，%。

對篩管擋砂粒徑評價參數(shù)進(jìn)行歸一化處理：

(8)

式中：D為篩管擋砂粒徑評價參數(shù)歸一化值，無量綱；d90為篩管擋砂粒徑評價參數(shù)，mm；d為油井設(shè)計要求擋砂粒徑，mm。

對篩管抗堵塞性能評價參數(shù)進(jìn)行歸一化處理：

(9)

式中：S為篩管抗堵塞性能評價參數(shù)歸一化值，無量綱；s為篩管抗堵塞性能評價參數(shù)，無量綱；smax為全部篩管中最大的抗堵塞性能評價參數(shù)，無量綱。

篩管綜合性能評價參數(shù)R為

R=W1K+W2H+W3D+W4S

(10)

式中：W1為篩管過流性能評價權(quán)重系數(shù)；W2為篩管擋砂性能評價權(quán)重系數(shù)；W3為篩管擋砂粒徑評價權(quán)重系數(shù)；W4為篩管抗堵塞性能評價權(quán)重系數(shù)。推薦 W1=0.2，W2=0.2，W3=0.2，W4=0.4。

權(quán)重系數(shù)可以根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，如進(jìn)行適度防砂設(shè)計時，可適當(dāng)提高過流性能評價權(quán)重系數(shù)，降低其它權(quán)重系數(shù)。

在相同的試驗條件下，篩管的綜合性能評價參數(shù)R值越大，表示篩管在評價區(qū)塊或油井中的適應(yīng)性越好。

4 室內(nèi)試驗

采用本文方法對金屬棉篩管、金屬網(wǎng)布篩管、鑲嵌式濾網(wǎng)篩管和整體燒結(jié)濾網(wǎng)篩管在渤海某稠油油田的防砂適應(yīng)性進(jìn)行室內(nèi)試驗評價。將這4種篩管加工成6根不同試驗樣件，不同篩管試驗樣件如圖2所示。篩管試驗樣件的主要參數(shù)如表1。

圖2 4種篩管的試驗樣件

試驗樣件編號篩管類型擋砂精度/mm規(guī)格尺寸/mm過濾段長度/mm1#金屬棉篩管0.15139.7(5英寸)5002#金屬網(wǎng)布篩管0.12139.7(5英寸)5003#金屬網(wǎng)布篩管0.15139.7(5英寸)5004#金屬網(wǎng)布篩管0.20139.7(5英寸)5005#鑲嵌式濾網(wǎng)篩管0.20139.7(5英寸)5006#整體燒結(jié)濾網(wǎng)篩管0.16139.7(5英寸)350

根據(jù)渤海某稠油油田主力油組儲層物性參數(shù)，采用不同粒徑的石英砂和粘土礦物，按照一定的比例混合(如表2)，配制成模擬地層砂。模擬地層砂的組成和粒度參數(shù)與儲層巖石的組成和粒度參數(shù)相近。采用聚陰離子纖維素HV與清水配制80～120mPa·s的模擬液。

表2 模擬地層砂配比

利用防砂篩管適應(yīng)性評價試驗裝置，在相同的模擬地層砂、模擬液和試驗排量條件下，按上述試驗方法分別對6種不同篩管試驗樣件進(jìn)行試驗。試驗排量設(shè)定為2L/min。通過室內(nèi)試驗，得到6種不同篩管試驗樣件壓差隨驅(qū)替時間的變化曲線如圖4。出砂量及出砂粒徑d90值如表3。

圖3 不同篩管試驗樣件壓差隨驅(qū)替時間的變化曲線

按照防砂篩管適應(yīng)性評價方法對試驗獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到計算結(jié)果如表4。其中，油井設(shè)計要求的擋砂粒徑d值為200μm；篩管抗堵塞性能評價參數(shù)S值按照試驗后半期的平均壓差與試驗前半期的平均壓差的比值計算；綜合性能評價參數(shù)R值計算式中的權(quán)重系數(shù)取值為W1=0.2，W2=0.2，W3=0.2和W4=0.4。

表3 不同篩管試驗樣件的出砂量及出砂粒徑d90值

表4 不同篩管試驗樣件評價參數(shù)計算數(shù)據(jù)

從表4中可以看出，綜合性能評價參數(shù)R值最高的是4#金屬網(wǎng)布篩管(200μm)，其次是6#整體燒結(jié)濾網(wǎng)篩管(160 μm)，因此，這2種篩管在目標(biāo)油層條件下的適應(yīng)性好。R值最低的是5#鑲嵌式濾網(wǎng)篩管(200 μm)，由于該篩管的過流面積小，導(dǎo)致其過流性能和抗堵塞性能變差，綜合性能評分值低，故這種篩管在目標(biāo)油層條件下的適應(yīng)性較差。根據(jù)試驗評價的結(jié)果，推薦渤海某稠油油田采用4#金屬網(wǎng)布篩管(200 μm)或6#整體燒結(jié)濾網(wǎng)篩管(160 μm)進(jìn)行防砂作業(yè)。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

2012—2015年，利用本文研究的油井防砂篩管適應(yīng)性試驗評價方法對遼河油田的洼59、冷37、歡127、海外河、杜48、冷41等區(qū)塊及渤海油田的2個區(qū)塊進(jìn)行了30多組篩管適應(yīng)性評價試驗。應(yīng)用該方法評價優(yōu)選的區(qū)塊和油井均未出現(xiàn)明顯的篩管出砂和堵塞現(xiàn)象，防砂有限期和防砂井的產(chǎn)能得到明顯提高。

6 結(jié)論

1) 建立了一種油井防砂篩管適應(yīng)性試驗評價方法，可以定量對比評價不同類型和擋砂精度的篩管在特定儲層砂樣條件下的過流性能、擋砂性能、擋砂粒徑、抗堵塞性能和綜合性能，用于指導(dǎo)不同區(qū)塊或油井評價，優(yōu)選合適的防砂篩管、優(yōu)化防砂參數(shù)。

2) 本文提出的試驗評價方法在油井防砂現(xiàn)場得到了數(shù)十次的應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果，可為油井防砂工藝設(shè)計提供指導(dǎo)。

3) 建議進(jìn)一步開展篩管適應(yīng)性試驗評價標(biāo)準(zhǔn)化研究，制定相應(yīng)的試驗評價方法標(biāo)準(zhǔn)，提高篩管試驗評價方法的應(yīng)用范圍和應(yīng)用效果。

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Research on Method for Test and Evaluation of Adaptability ofSand Control Screen in Oil Well

KUANG Shaohua

(Drilling and Producing Technology Research Institute，Liaohe Oilfield，Panjin 124010，China)

There are many types of sand control screen.Choosing the appropriate screen type and determining reasonable screen parameters are the key in the design of the mechanical sand control.Using of experiment evaluation to guide the screen optimization and parameter optimization has become a kind of important method.The test and screen performance evaluation method，involving screen adaptability evaluation for a specific block or the well，were put forward in this paper.The mathematical calculation method for analyzing the test results was also given.A new method for test and evaluation of the adaptability of sand control screen in oil well was set up.The method can quantitatively reflect the flow performance，sand-retaining performance，grit size，anti-clogging performance and comprehensive performance of sand control screen in a specific reservoir conditions.It provides a more accurate and more intuitive guidance for choose and optimization design of screen.Practical application shows that the method is feasible and reasonable.

screen liner；evaluation method；parameter optimization；test

1001-3482(2017)04-0043-05

2017-02-14

匡韶華(1985-)，男，工程師，碩士，現(xiàn)從事油井防砂工藝技術(shù)的研究，E-mail：kuangshaohua@163.com。

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.011