疏松砂巖油藏水平井防砂篩管優(yōu)選和防砂精度優(yōu)化

張俊斌 張慶華 張譯 魏裕森 樓一珊 高斐

1.中海油深圳分公司鉆完井部；2.長江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

位于南海東部珠江口盆地珠I坳陷惠州凹陷南的疏松砂巖油藏埋藏淺、產(chǎn)量高，生產(chǎn)過程中極易出砂，出砂臨界生產(chǎn)壓差僅為1.38～5.52 MPa，普遍采用水平井裸眼優(yōu)質(zhì)篩管先期防砂完井的方式。雖然油井初期產(chǎn)能高，但隨著含水上升，產(chǎn)油量迅速降低，大量的井出現(xiàn)了不同類型的防砂失效問題。因此，選擇合適類型的防砂篩管顯得尤為重要［1］。目前優(yōu)質(zhì)篩管種類繁多［2］，但是應(yīng)用比較廣泛的是金屬網(wǎng)布類篩管。篩管結(jié)構(gòu)、防砂介質(zhì)性能、地層砂特征直接影響著防砂的有效性、油井產(chǎn)能以及壽命［3-5］。針對(duì)珠江口盆地疏松砂巖油藏的儲(chǔ)層特征，采用實(shí)尺寸篩管防砂物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)改進(jìn)型星孔復(fù)合篩管、3種金屬網(wǎng)布類復(fù)合篩管進(jìn)行防砂性能、抗堵塞性能及綜合性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出適合珠江口盆地疏松砂巖油藏水平井的防砂篩管，以保障油田實(shí)現(xiàn)長效防砂和穩(wěn)產(chǎn)。

1 儲(chǔ)層基本特征

1.1 儲(chǔ)層物性特征

南海東部珠江口盆地疏松砂巖油藏儲(chǔ)層埋藏淺，壓實(shí)程度不高，膠結(jié)強(qiáng)度低。主要含油層分布在上第三系中新統(tǒng)。儲(chǔ)層上部油層為細(xì)粒石英砂巖，下部油層為中粒偏粗的長石石英砂巖，分選差～中等。儲(chǔ)層中膠結(jié)物以泥質(zhì)為主，各儲(chǔ)層泥質(zhì)含量差異較大，泥質(zhì)含量分布范圍為0.3%～22.0%。油層孔隙度為16.7%～28.1%，滲透率為 129.7～3 744.0 mD，屬于中高孔、中高滲儲(chǔ)層。

1.2 黏土礦物組分及含量

南海東部珠江口盆地疏松砂巖油藏油組黏土礦物含量為4.0%～20%，平均值為12%。從黏土礦物組分來看，以高嶺石為主，次為伊利石-蒙脫石，含少量綠泥石。其中高嶺石含量在50%以上，伊利石-蒙脫石含量為30%，綠泥石含量為10%左右。儲(chǔ)層見水后巖石強(qiáng)度降低且極易出砂。

1.3 儲(chǔ)層砂巖粒度分布特征

儲(chǔ)層粒度分布特征是進(jìn)行防砂方式選擇設(shè)計(jì)的主要依據(jù)［6-7］，南海東部珠江口盆地疏松砂巖油藏A油組粒度分布情況見表1，粒度中值主要介于70～570 μm之間，主要集中在100～500 μm之間，平均值為250 μm，屬于細(xì)～中粒砂巖儲(chǔ)層，且細(xì)粉砂含量較少，基本在5%以內(nèi)。粒度均勻系數(shù)不大于5，分選系數(shù)基本上都在10以內(nèi)，地層較均勻［8］。

表1 珠江口盆地疏松砂巖油藏A油組地層砂粒度分布數(shù)據(jù)Table 1 Particle size distribution of sand in Oil Formation A of unconsolidated sandstone oil reservoirs in the Pearl River Mouth Basin

2 防砂實(shí)驗(yàn)原理及評(píng)價(jià)參數(shù)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)原理

該實(shí)驗(yàn)采用實(shí)尺寸篩管防砂物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，主要部件由固液兩相循環(huán)管線、數(shù)據(jù)測(cè)量及采集系統(tǒng)（流量計(jì)、壓力傳感器、伺服系統(tǒng)和電腦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）、模擬井下篩管防砂系統(tǒng)（近井地帶、環(huán)空、防砂篩管）以及其他輔助系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 實(shí)尺寸篩管防砂物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Full-scale physical simulation experiment device of sand control screen

依據(jù)地層砂粒度分布范圍和泥質(zhì)組分及含量采用工業(yè)砂和黏土礦物配制地層砂，實(shí)驗(yàn)砂粒度中值約為250 μm，非均勻系數(shù)3.17，泥質(zhì)含量12%，高嶺石和蒙脫石各占50%。

4種篩管短節(jié)樣品長度40 cm，一端開口一端封閉，有效過濾長度為20 cm。實(shí)驗(yàn)篩管短節(jié)類型為：改進(jìn)型星孔復(fù)合篩管（SG1）、金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅰ型（SG2）、金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅱ型（SG3）、金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅲ型（SG4），防砂精度為150、200、250、300 μm，見圖2。這4種篩管結(jié)構(gòu)不同，改進(jìn)型星孔復(fù)合篩管其防砂介質(zhì)為鑲嵌在基管上的金屬纖維元件，金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管Ⅰ防砂介質(zhì)為斜紋網(wǎng)+3層密紋網(wǎng)+斜紋網(wǎng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管Ⅱ防砂介質(zhì)為斜紋網(wǎng)+雙層密紋網(wǎng)+斜紋網(wǎng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管Ⅲ防砂介質(zhì)為雙層密紋網(wǎng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。篩管防砂介質(zhì)類型及層數(shù)不同決定著其防砂效果的差異性。

實(shí)驗(yàn)前將防砂篩管短節(jié)放置于裝置釜體中央并進(jìn)行端面的密封，然后用高壓隔膜泵將按照儲(chǔ)層粒度分布特征和組分配制好的實(shí)驗(yàn)砂與具有一定黏度的攜砂液的混合物泵入防砂釜體裝置中，經(jīng)防砂篩管，大顆粒的砂粒被擋在篩管外形成環(huán)空堆積層，小顆粒砂穿過篩管防砂介質(zhì)流出防砂系統(tǒng)，并在出口進(jìn)行出砂監(jiān)測(cè)。

實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)防砂系統(tǒng)流量、壓降進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)采集，并對(duì)產(chǎn)出砂進(jìn)行收集稱重、粒度分析和含砂濃度計(jì)算。按照達(dá)西定律和平面徑向流的特征計(jì)算整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中篩管允許流體經(jīng)過的能力以及抗堵塞性。

圖2 4種實(shí)尺寸篩管實(shí)驗(yàn)短節(jié)Fig.2 4 full-scale experimental screen subs

式中，k為篩管滲透率，D；Q為泵排量，m3/h；μ為攜砂液流體黏度，Pa·s；h為篩管短節(jié)有效過濾長度，m；pe為防砂系統(tǒng)入口端壓力，MPa；pw為防砂系統(tǒng)出口端壓力，MPa；Re為防砂系統(tǒng)主體內(nèi)筒半徑，m；Rw為篩管內(nèi)半徑，m。

為了評(píng)價(jià)不同篩管對(duì)儲(chǔ)層的適應(yīng)性，進(jìn)行了實(shí)際工況模擬，實(shí)時(shí)測(cè)量并采集流量、壓降數(shù)據(jù)。由于該疏松砂巖油藏含水上升快，長時(shí)間處于高含水（90%以上）生產(chǎn)階段，因此本次實(shí)驗(yàn)采用加入增黏劑的水進(jìn)行攜砂實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，最大驅(qū)替壓差為10 MPa，防砂系統(tǒng)出口壓力為大氣壓，入口壓力及系統(tǒng)壓降主要由泵的排量、篩管的堵塞情況以及流動(dòng)阻力來確定。

2.2 篩管性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

優(yōu)質(zhì)篩管結(jié)構(gòu)和防砂介質(zhì)決定著篩管的防砂性能和過流能力［9］。本研究采用篩管的防砂性能指標(biāo)和抗堵塞性能指標(biāo)來評(píng)價(jià)篩管的綜合性能。

2.2.1 防砂性能指標(biāo) 防砂性能指標(biāo)［10］反映篩管的防砂效果，實(shí)驗(yàn)過程中通過篩管的出砂量來表示。根據(jù)1/2～2/3架橋原理［11］，能夠通過篩管的顆粒粒徑為篩管標(biāo)稱精度的2/3。為了便于不同類型篩管的橫向比較，篩管防砂性能指標(biāo)為

式中，ms為通過篩管的總砂量，g；mt為總加砂量，g；w為過砂率，粒徑小于篩管標(biāo)稱精度2/3的砂量所占總砂量的比例，%；Is為篩管防砂性能指標(biāo)，無量綱。

2.2.2 抗堵塞性能指標(biāo) 抗堵塞性能指標(biāo)［12］反映篩管的過流能力，用篩管的綜合滲透率ks來表示。即篩管堵塞前的滲透率k1、堵塞過程中的平均滲透率k2以及堵塞穩(wěn)定后的平均滲透率k3的加權(quán)平均值。X為加權(quán)系數(shù)，取值按照實(shí)驗(yàn)過程中堵塞的不同階段所占的時(shí)間比例

為了便于不同類型篩管的比較，對(duì)綜合滲透率ks進(jìn)行歸一化處理

式中，Ik為篩管抗堵塞性能指標(biāo)，無量綱；ks為篩管綜合滲透率，D；ksmax為4種篩管中綜合滲透率最大值，D。

2.2.3 綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)［13］反映篩管綜合防砂能力和過流能力。采用防砂性能指標(biāo)Is和抗堵塞性能指標(biāo)Ik進(jìn)行加權(quán)平均得到。由于篩管Is和Ik是油井進(jìn)行長效防砂的兩個(gè)重要指標(biāo)，故加權(quán)系數(shù)Y1和Y2都取0.5

式中，I為綜合性能指標(biāo)，無量綱；Y1、Y2為加權(quán)系數(shù)。

3 篩管防砂性能評(píng)價(jià)及防砂精度優(yōu)化

3.1 防砂篩管優(yōu)選

根據(jù)南海東部珠江口盆地疏松砂巖油藏水平井平均產(chǎn)液量、篩管有效過流長度以及篩管短節(jié)長度，計(jì)算得到泵的排量為0.30～0.35 m3/h。按照上述實(shí)驗(yàn)方法使用隔膜泵攜帶實(shí)驗(yàn)砂模擬篩管的防砂過程和堵塞過程，4種篩管類型、4種防砂精度，共進(jìn)行了16次實(shí)驗(yàn)。

防砂精度為150 μm的4種篩管的流量和壓差見圖3，實(shí)驗(yàn)初期（5 min內(nèi)）4種篩管的流量基本相同，都為設(shè)定流量范圍，篩管壓降也較低（0.02 MPa），隨著加砂量逐漸增加，SG2、SG3、SG4篩管流量略微降低后趨于穩(wěn)定，SG1篩管流量卻大幅度降低，同時(shí)4種篩管的壓降都逐步上升，說明4種篩管出現(xiàn)了不同程度的堵塞，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從實(shí)驗(yàn)后篩管外觀形貌可以看出，篩管的過流罩縫隙中都充滿了砂，大部分砂被阻擋在篩網(wǎng)外。

圖3 防砂精度150 μm的4種篩管驅(qū)替流量和壓降隨驅(qū)替時(shí)間的變化Fig.3 Change of displacement rate and pressure drop over the time of 4 screens with sand control precision of 150 μm

篩管滲透率是篩管結(jié)構(gòu)特征、防砂介質(zhì)孔隙形狀、尺寸以及孔網(wǎng)有效過流面積的綜合反映，因此為了更直觀地了解篩管的堵塞情況以及定量評(píng)價(jià)篩管的流通性，根據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別計(jì)算了SG1、SG2、SG3、SG4等4種篩管滲透率隨時(shí)間的變化，如圖4所示。由于SG1改進(jìn)型星孔復(fù)合篩管屬于在基管上鑲嵌一定數(shù)量致密金屬纖維絲過濾元件的整體式篩管，其過流面積僅為篩管表面積的9%。而SG2、SG3、SG4金屬網(wǎng)布型優(yōu)質(zhì)篩管是在基管上包裹金屬網(wǎng)布來進(jìn)行防砂，其過流面積為篩管表面積的20%，且過濾篩網(wǎng)層數(shù)、目數(shù)以及編織方式的不同造成其防砂性能也不同，因此，4種篩管結(jié)構(gòu)的差異使其初期滲透率以及對(duì)細(xì)粉砂和黏土礦物的敏感性也不同。隨著加砂實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，由于防砂介質(zhì)的類型及精度不同，一方面進(jìn)入防砂介質(zhì)內(nèi)部的部分細(xì)顆粒滯留并堵塞篩管；另一方面被阻擋在防砂介質(zhì)外部的大顆粒會(huì)形成孔喉尺寸更小的多孔介質(zhì)防砂層，會(huì)造成后泵入的與其孔喉尺寸相匹配的砂粒堵塞，加之黏土的水化膨脹影響，造成整個(gè)防砂系統(tǒng)滲透率和驅(qū)替壓差呈現(xiàn)不同程度地下降和上升，平衡后趨于穩(wěn)定。從防砂介質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)來看，SG1改進(jìn)型星孔復(fù)合篩管采用的防砂介質(zhì)由鑲嵌式的方孔網(wǎng)緊密夾持的金屬纖維絲組成，其致密程度較高，因此其防砂范圍大、效果較好，容易被細(xì)粉砂和泥質(zhì)堵塞；SG2、SG3、SG4金屬網(wǎng)布類篩管都為多層網(wǎng)布包裹式篩管，采用密紋網(wǎng)和方孔網(wǎng)組合，由于篩網(wǎng)層數(shù)及組合不同，對(duì)細(xì)粉砂及黏土的敏感性不同［14］，最終堵塞程度也不同。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，SG1篩管由于金屬纖維絲防砂介質(zhì)較致密，最早發(fā)生堵塞，滲透率下降程度大；采用密紋網(wǎng)［15］作為防砂介質(zhì)的SG4復(fù)合篩管堵塞較快，滲透率下降程度較大；SG2、SG3篩管防砂介質(zhì)采用斜紋網(wǎng)和密紋網(wǎng)組合，不易被堵塞，而SG3篩管比SG2篩管少一層密紋網(wǎng)，堵塞也最晚，并且穩(wěn)定后保持了較高的滲透率，適應(yīng)性較強(qiáng)。

圖4 防砂精度150 μm的4種篩管滲透率隨驅(qū)替時(shí)間的變化Fig.4 Change of permeability over the time of 4 screens with sand control precision of 150 μm

實(shí)驗(yàn)過程中通過篩管的砂越少、砂粒徑越小則表示篩管的防砂效果越好［16-19］。將精度150 μm的4種篩管的過砂率和產(chǎn)出砂最大粒徑進(jìn)行對(duì)比分析，見圖5。在相同的標(biāo)稱精度下，SG1、SG2、SG3、SG4等4種篩管的過砂率分別為0.11%、0.25%、0.28%、0.46%。改進(jìn)型星孔復(fù)合篩管、金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅰ和金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅱ過砂率都相對(duì)較小，防砂性能較好。從產(chǎn)出砂最大粒徑來看，4種篩管實(shí)際產(chǎn)出砂最大粒徑都小于其標(biāo)稱的防砂精度，符合防砂要求。但是防砂完井的目的不僅僅是防砂效果，更重要的是油井的產(chǎn)能，因此需要進(jìn)行綜合比較優(yōu)選防砂篩管類型。

圖5 4種篩管過砂率和最大過砂粒徑對(duì)比Fig.5 Comparison of the four sand screens and the maximum sand particle size

為了比較4種篩管的防砂性能指標(biāo)、抗堵塞性能指標(biāo)以及綜合性能指標(biāo)，進(jìn)行了單向性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)的計(jì)算（4種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值），從圖6可以看出：不管是從單向性能指標(biāo)還是綜合性能指標(biāo)以及均衡性分析，金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅱ都表現(xiàn)出良好的防砂性能和抗堵塞性能，其次金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅰ的防砂性能和抗堵塞性能相對(duì)均衡比較高。故推薦金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅱ和金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅰ作為南海東部珠江口盆地疏松砂巖油藏水平井機(jī)械防砂篩管類型。

圖6 4種篩管單項(xiàng)及綜合指標(biāo)對(duì)比Fig.6 Comparison of single and overall indexes between 4 screens

3.2 防砂精度優(yōu)化

根據(jù)4種篩管防砂性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)推薦結(jié)果，針對(duì)南海東部珠江口盆地疏松砂巖儲(chǔ)層的粒度特征及組分，進(jìn)行4種防砂精度下的金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅰ和金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅱ防砂模擬實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)兩種篩管的防砂效果和綜合性能，見圖7。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，200～250 μm篩管精度防砂綜合指標(biāo)最高，綜合考慮篩管防砂性能和抗堵塞性［20-21］對(duì)防砂效果的影響，推薦在該油田采用防砂精度為200～250 μm金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅱ和金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅰ。

圖7 推薦篩管不同精度下的過砂率和防砂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.7 Sand passing experiment result and sand-control performance evaluation index of two recommended screens with different precisions

4 結(jié)論

（1）防砂篩管結(jié)構(gòu)及防砂介質(zhì)是影響篩管防砂效果和油井產(chǎn)能的主要因素，采用篩管防砂物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置模擬油井出砂過程的平面徑向流，提出用防砂性能、抗堵塞性能及綜合性能指標(biāo)評(píng)價(jià)篩管防砂效果和過流能力，具有較好的實(shí)用性。

（2）針對(duì)南海東部珠江口盆地疏松細(xì)～中粒砂巖油藏長期處于高含水生產(chǎn)階段，并且黏土礦物含量（4%～20%，平均值為12%）差異性較大的特點(diǎn)，篩選出金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅱ和金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅰ，研究認(rèn)為，2種篩管具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，防砂性能、抗堵塞性能和綜合性能指標(biāo)均較高，推薦在該油田使用該防砂篩管。

（3）對(duì)于南海東部珠江口盆地疏松砂巖油藏地層砂粒度中值為250 μm、非均勻性系數(shù)為3.17、泥質(zhì)含量12%的地層，推薦金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅱ和金屬網(wǎng)布復(fù)合篩管Ⅰ的防砂精度為200～250 μm。