多粒級(jí)礫石充填防砂性能及尺寸優(yōu)化試驗(yàn)研究

鐘奕昕,董長(zhǎng)銀,周玉剛,秦延長(zhǎng)，邵現(xiàn)振,鄭英杰

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院,山東 青島 266580; 2.中國(guó)石化勝利油田分公司 河口采油廠,山東 東營(yíng) 257000)

多粒級(jí)礫石充填防砂方式作為一種重要的防砂工藝,主要適用于泥質(zhì)含量較高、地層砂粒度中值較低的細(xì)粉砂出砂地層,以及出砂時(shí)間較長(zhǎng)、虧空嚴(yán)重的老井[1- 8]。其中,對(duì)于復(fù)合層礫石尺寸的選擇與匹配是影響防砂效果的重要因素。近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在礫石充填防砂方面進(jìn)行了一些研究。針對(duì)不同地區(qū)的單級(jí)礫石充填防砂工藝參數(shù)設(shè)計(jì),多是通過理論優(yōu)化、數(shù)值模擬、試驗(yàn)分析等方式來優(yōu)化礫石尺寸[9-21];針對(duì)多粒級(jí)礫石充填防砂的防砂性能及尺寸研究主要集中在模擬試驗(yàn)和模型預(yù)測(cè)兩方面,如陳宇、鄧金根等[22]對(duì)多粒級(jí)充填進(jìn)行了模擬研究,得出多粒級(jí)充填會(huì)導(dǎo)致初期出砂量增加,但能改善礫石層滲透率從而提高產(chǎn)量;趙修太、陳東明[23]利用巖石力學(xué)等影響因素得到了多粒級(jí)充填級(jí)數(shù)和各級(jí)長(zhǎng)度預(yù)測(cè)模型;李鵬、周承師等[24]闡述了多粒級(jí)充填防砂的工藝原理,并提出在分級(jí)礫石充填層的中粒度粒徑礫石中加入短切纖維能大大提高防砂效果。上述研究中,針對(duì)單粒級(jí)礫石充填防砂的礫石尺寸研究較多,但將單粒級(jí)礫石充填與多粒級(jí)礫石充填進(jìn)行防砂效果對(duì)比較少,缺乏室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐,對(duì)于多粒級(jí)礫石充填層中不同礫石尺寸的匹配,并沒有形成對(duì)應(yīng)的優(yōu)化方法。筆者使用礫石層特性評(píng)價(jià)微觀驅(qū)替模擬試驗(yàn)裝置,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況,以石英砂作為充填材料,在相同地層砂驅(qū)替條件下,進(jìn)行3種單粒級(jí)充填層和3種多粒級(jí)充填層的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn),根據(jù)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到礫石層的流通性能、擋砂性能等評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)單粒級(jí)、多粒級(jí)充填的防砂效果進(jìn)行比較分析,并對(duì)多粒級(jí)充填層的礫石尺寸進(jìn)行匹配與優(yōu)化以及現(xiàn)場(chǎng)案例分析。

1 試驗(yàn)原理與方法

1.1 試驗(yàn)原理

所謂雙粒級(jí)礫石充填防砂方式,是將兩種不同粒徑礫石按不同比例分級(jí)充填到地層中不同位置,首先使用較細(xì)的礫石充填到地層遠(yuǎn)端;然后使用粗一級(jí)的礫石完成近井地帶和井筒內(nèi)充填,如圖1所示。在雙粒級(jí)礫石充填層中,較細(xì)的礫石具有較好的擋砂效果,同時(shí)可以獲得較低的礫石與地層砂中值比(GSR),降低地層細(xì)砂對(duì)礫石層的侵入,有利于維持較高的堵塞滲透率比;近井較粗的礫石有利于提高礫石充填層的總體滲透率,獲得高產(chǎn)量。

圖1 雙粒級(jí)礫石充填層

試驗(yàn)使用礫石層特性評(píng)價(jià)微觀驅(qū)替模擬裝置,然后使用地層砂驅(qū)替從而評(píng)價(jià)各項(xiàng)性能,進(jìn)而對(duì)各充填層的擋砂效果進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。試驗(yàn)時(shí),將礫石材料充填于單向驅(qū)替裝置的短節(jié)中,使用流體攜帶地層砂驅(qū)替礫石層,設(shè)置好試驗(yàn)參數(shù)后開始驅(qū)替試驗(yàn)。由于堵塞物的侵入和堵塞作用,礫石層滲透率隨著時(shí)間逐步降低,驅(qū)替流量降低、壓力升高。當(dāng)趨于穩(wěn)定后,表明堵塞達(dá)到平衡狀態(tài),即可結(jié)束試驗(yàn)。

試驗(yàn)測(cè)得的滲透率為礫石層的絕對(duì)滲透率,礫石層與試驗(yàn)流體之間不發(fā)生任何物理化學(xué)反應(yīng),在離心泵的作用下驅(qū)替液穩(wěn)定通過礫石層。計(jì)算實(shí)時(shí)礫石層滲透率為

(1)

式中,K為滲透率,μm2;Q為試驗(yàn)用液體的體積流量,m3/s;P1、P2分別為注入端與流出端的壓力,MPa;μ為試驗(yàn)所用流體的黏度mPa·s;A為礫石填充層的橫截面積,m2;L為礫石填充層的長(zhǎng)度,m。

1.2 試驗(yàn)材料與條件

試驗(yàn)所使用的驅(qū)替地層砂為粒度中值d50=0.085 mm的細(xì)粉砂,編號(hào)為FB,含泥質(zhì)含量12%,泥質(zhì)含量使用伊利石粉、蒙脫石粉、高嶺石粉的混合物進(jìn)行模擬,配置比例為3∶1∶1。使用的充填材料為現(xiàn)場(chǎng)常用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸石英砂,礫石層充填方式分為單粒級(jí)充填和雙粒級(jí)充填,礫石尺寸及其編號(hào)如表1所示。試驗(yàn)所使用的流體是黏度約為1 mPa·s的清水。在進(jìn)行雙粒級(jí)充填試驗(yàn)時(shí),尺寸較細(xì)的礫石充填在流體入口端,尺寸較粗的礫石充填在流體出口端。

表1 試驗(yàn)使用固相充填材料及其編號(hào)

試驗(yàn)在室溫條件下實(shí)施,溫度大約15～20 ℃。試驗(yàn)壓力條件為低壓系統(tǒng),對(duì)于單向流驅(qū)替,管線出口壓力均為大氣壓0.101 325 MPa,流體排量均為1.2 m3/h,實(shí)際壓力取決于排量和礫石層堵塞程度與流動(dòng)阻力。

1.3 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)采用中國(guó)石油大學(xué)(華東)油氣井防砂完井實(shí)驗(yàn)室的防砂篩網(wǎng)與礫石層特性評(píng)價(jià)微觀驅(qū)替模擬裝置。該裝置專門用于觀察和檢測(cè)各種擋砂介質(zhì)的擋砂性能和堵塞規(guī)律。裝置主體部分采用有機(jī)玻璃制成,根據(jù)不同要求可選擇不同管道進(jìn)行試驗(yàn),所選管道外徑約為115 mm;模擬礫石層充填段長(zhǎng)度約為145 mm;整個(gè)驅(qū)替過程可直觀觀察,流量壓力壓差等數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。裝置實(shí)物如圖2所示。

圖2 礫石層特性評(píng)價(jià)微觀驅(qū)替模擬試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時(shí),設(shè)置好要求的流量與攜砂濃度等條件后,人為將礫石層壓實(shí)充填到管內(nèi),先使用清水?dāng)y帶模擬地層砂長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)替礫石層,測(cè)量礫石層兩側(cè)的壓力差及試驗(yàn)壓力和流量;然后改變礫石層尺寸或充填方式,其他條件不變,重復(fù)試驗(yàn),測(cè)量礫石層兩側(cè)的壓力差及試驗(yàn)壓力和流量;最后應(yīng)用礫石層擋砂性能評(píng)價(jià)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、礫石層的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算,并且收集最終通過礫石層的地層砂量,以過砂率表示不同礫石層的擋砂能力。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在對(duì)油氣井采取防砂措施時(shí),不僅要考慮是否有良好的防砂效果,還要使地層具有一定的流通性,保證產(chǎn)量。使用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù),評(píng)價(jià)不同礫石尺寸下礫石充填層的擋砂性能指標(biāo)、流通性能指標(biāo)、抗堵塞性能指標(biāo)以及綜合性能指標(biāo),以此來評(píng)價(jià)不同礫石充填層的性能優(yōu)劣,具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)[25-26]。

2.1 不同級(jí)數(shù)礫石充填層防砂效果對(duì)比分析

使用編號(hào)A(0.30～0.58 mm單粒級(jí)充填)、B(0.42～0.84 mm單粒級(jí)充填)、C(0.58～1.19 mm單粒級(jí)充填)、AB(0.30～0.58 mm/0.42～0.84 mm雙粒級(jí)充填)、AC(0.30～0.58 mm/0.58～1.19 mm雙粒級(jí)充填)5種礫石層進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)試驗(yàn)。當(dāng)?shù)[石層滲透率不再發(fā)生變化時(shí)停止驅(qū)替,各個(gè)試驗(yàn)排量基本保持一致,得到礫石層滲透率隨時(shí)間的變化如圖3所示。

圖3 不同充填層滲透率變化曲線

由圖3可知,各個(gè)礫石層滲透率隨著驅(qū)替逐漸下降,這是由于地層砂的侵入堵塞作用,滲透率最終趨于穩(wěn)定,說明堵塞達(dá)到了平衡。針對(duì)0.085 mm的粉細(xì)砂,單粒級(jí)充填層B、C的初始滲透率最高,約為280 μm2。這是因?yàn)樵谠汲涮顮顟B(tài)下,礫石層的粒徑越大,顆粒與顆粒之間充滿均勻的孔隙,流體流動(dòng)更容易;反而單粒級(jí)充填層A的尺寸最小,初始滲透率最小。以單粒級(jí)充填層A、B和雙粒級(jí)充填層AB為例,AB雙粒級(jí)充填層的初始滲透率介于單級(jí)礫石層A和B之間,約為180 μm2,穩(wěn)定后最終滲透率比B充填層>AB充填層>A充填層?？梢缘贸?B單層礫石層流通性能最優(yōu),AB雙粒級(jí)充填層其次;分析其他充填層可以得出相似的規(guī)律,即雙粒級(jí)充填層的流通性介于兩個(gè)單粒級(jí)充填層之間。具體各個(gè)礫石層的滲透率變化及過砂率比較如表2所示。

表2 不同礫石層性能指標(biāo)匯總

將試驗(yàn)時(shí)得到的滲透率和壓差數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到擋砂性能指標(biāo)、流通性能指標(biāo)、抗堵塞性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)對(duì)比如圖4所示。

結(jié)合表2和圖4可得出,針對(duì)0.085 mm粉細(xì)砂,單粒級(jí)充填層B的擋砂性能、流通性能和抗堵塞性能三者數(shù)值差異明顯,其中擋砂性能最低為0.55,但流通性能和抗堵塞性能最高,為0.9左右;同樣可以根據(jù)性能指標(biāo)分析得出單粒級(jí)充填層A不能同時(shí)兼顧擋砂性能和流通性能。對(duì)于AB雙粒級(jí)充填層,其擋砂性能優(yōu)于單級(jí)B充填層,流通性能又優(yōu)于A充填層,使其具有一定的擋砂效果同時(shí)也能使流體易于通過。對(duì)于礫石層AC可以得出相似的結(jié)論,雙粒級(jí)充填層AC的擋砂性能優(yōu)于單粒級(jí)C充填層,而流通性能又優(yōu)于單粒級(jí)A充填層,兼顧擋砂性和整體流通性,是三者中最好的選擇。

圖5為試驗(yàn)后單粒級(jí)充填層A和雙粒級(jí)充填層AB得到的截面現(xiàn)象圖。由圖5可以看出，A層的單粒級(jí)礫石與地層砂接觸界面出現(xiàn)明顯的混砂帶,說明地層砂侵入堵塞嚴(yán)重。而雙粒級(jí)AB充填層并未發(fā)現(xiàn)明顯的混砂現(xiàn)象,說明AB層有一定的抗堵塞性和流通性能。進(jìn)一步分析,對(duì)于較常規(guī)的石油天然氣藏開采,單粒級(jí)礫石充填防砂工藝有工藝簡(jiǎn)單、施工方便的優(yōu)點(diǎn),但對(duì)于泥質(zhì)含量高的地層砂或粉細(xì)砂,容易在礫石和地層砂交界處形成泥餅,使得整個(gè)礫石層的滲透率大大下降,最終堵塞降產(chǎn)。

圖4 不同充填層性能指標(biāo)對(duì)比

在高清顯微鏡下,將試驗(yàn)后的0.3～0.6 mm石英砂以及0.4～0.8 mm石英砂礫石層切面取出小段放大觀察,如圖6所示。0.3～0.6 mm細(xì)礫石層礫石之間所產(chǎn)生的流通通道較小,使得礫石層滲透率較低。0.4～0.8 mm礫石層礫石之間所產(chǎn)生的流通較大,不利于阻擋地層砂的通過。使用單粒級(jí)礫石層作為擋砂介質(zhì)時(shí),無法兼顧擋砂性能和流通性能。因此對(duì)于虧空嚴(yán)重老井、粉細(xì)砂地層或泥質(zhì)含量高的地層砂進(jìn)行防砂方式選擇時(shí),建議優(yōu)先考慮雙粒級(jí)礫石充填防砂方式。

2.2 不同粒徑礫石匹配充填防砂效果對(duì)比分析

在相同條件下,使用AB(0.30～0.58 mm/0.42～0.84 mm)、AC(0.30～0.58 mm/0.58～1.19 mm)和BC(0.42～0.84 mm/0.58～1.19 mm)3種雙粒級(jí)充填礫石層進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)試驗(yàn)。得到礫石層滲透率隨時(shí)間的變化以及性能指標(biāo)對(duì)比如圖7所示。

從圖7可知,3種礫石層的初始滲透率相差不大,均為180 μm2左右,隨著驅(qū)替過程的進(jìn)行及地層砂的堵塞作用,AB雙級(jí)礫石層滲透率下降速率最慢,其滲透率下降程度也最小,穩(wěn)定后最終滲透率比AB充填層>AC充填層>BC充填層。表明在這三組雙粒級(jí)充填層中,AB層的抗堵塞性能最好,堵塞后礫石層滲透率最高,能維持較好的流通性。

針對(duì)0.085 mm粉細(xì)砂,AB、AC和BC三個(gè)雙粒級(jí)充填層的擋砂性能指標(biāo)都很高,但AC層和BC層的抗堵塞性能指標(biāo)和流通性能指標(biāo)都很低,因而可以得出這兩個(gè)礫石層的高擋砂性能是由于其地層砂堵塞嚴(yán)重而來,并不能兼顧擋砂性和流通性。而AB雙粒級(jí)充填層,擋砂性能指標(biāo)為0.89,流通性能指標(biāo)為0.75,抗堵塞性能指標(biāo)為0.77,綜合性能指標(biāo)為0.85,效果最佳。如圖8所示,在雙粒級(jí)充填層中,細(xì)尺寸礫石在入流端起到擋砂的作用,粗尺寸礫石則起到流通的作用,二者協(xié)同產(chǎn)生粗擋砂細(xì)導(dǎo)流的作用,不同粒級(jí)礫石間存在合理尺寸匹配模式,在尺寸選擇時(shí)也不可忽視這一點(diǎn)。

綜合考慮擋砂性能、流通性能和抗堵塞性能,充填方式為0.3～0.6 mm/0.4～0.8 mm雙粒級(jí)充填的礫石層最適合0.085 mm的粉細(xì)砂。分析其原因,由于流體沖刷攜帶作用,充填層中粒徑較小的充填材料顆粒會(huì)運(yùn)移到較大顆粒之間,形成一段兩種充填材料的混合帶,其滲透率遠(yuǎn)低于兩種材料本身的滲透率,造成一定程度的自身堵塞(圖8)。自身堵塞現(xiàn)象與兩種材料的粒徑差別有關(guān),差別越大,自身堵塞越嚴(yán)重。AB復(fù)合層所用的兩種充填材料粒徑差距最小,自身堵塞現(xiàn)象最輕微,因此其流通性能和抗堵塞性能最好,且具有一定的擋砂效果;AC復(fù)合層的粒徑差距較大,內(nèi)部充填材料顆粒的運(yùn)移更嚴(yán)重,加劇自身堵塞,使得復(fù)合充填層內(nèi)部流動(dòng)空間最小,其流通性能和抗堵塞性能最差;BC復(fù)合層的粒徑差距雖不如AB層,但其流通性能仍低于AB層,抗堵塞能力更弱。

圖7 不同粒徑充填層性能對(duì)比

圖8 多級(jí)充填層實(shí)物與顯微界面分析

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例

勝利油田河口油區(qū)儲(chǔ)層為疏松砂巖地層,其中某層某井采用套管射孔完井。該層孔隙度為34%,原始地層砂粒度中值為0.09 mm,生產(chǎn)過程中出砂嚴(yán)重。根據(jù)傳統(tǒng)的單粒級(jí)充填礫石尺寸設(shè)計(jì)方法,該油井采用0.3～0.6 mm以及0.4～0.8 mm單粒級(jí)礫石充填防砂時(shí),由于存在泥質(zhì)含量越高、粉細(xì)砂等問題,地層發(fā)生堵塞,使得防砂效果較差,有效周期短,產(chǎn)量低。根據(jù)本文研究得到的結(jié)論,采用雙粒級(jí)礫石充填防砂工藝,現(xiàn)場(chǎng)加0.3～0.6 mm石英砂20 t和0.4～0.8 mm石英砂10 t,排量1.5 m3/min,施工壓力14～17 MPa,施工砂比5%～30%,采用胍膠攜砂液100 m3。此次防砂后產(chǎn)液量由原來的28.8 m3/d提高到了81.6 m3/d,產(chǎn)油量由原來的0.7 m3/d提高到了3.9 m3/d,穩(wěn)產(chǎn)后產(chǎn)液66.9 m3/d,產(chǎn)油量為2.4 m3/d,防砂效果較好,提液效果明顯,如圖9所示。截止至2018年1月,累增油377.2 t。目前該技術(shù)正在進(jìn)一步推廣中。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)量變化

4 結(jié) 論

(1)對(duì)粒度中值為0.085 mm的粉細(xì)砂,0.3～0.6 mm與0.4～0.8 mm的雙粒級(jí)礫石充填層可以實(shí)現(xiàn)外層擋砂、內(nèi)層疏導(dǎo),因而具有良好的防砂效果。其流通性和抗堵塞性優(yōu)于0.3～0.6 mm單粒級(jí)充填層,擋砂性能高于0.4～0.8 mm單粒級(jí)充填層。

(2)對(duì)于雙粒級(jí)復(fù)合充填,整個(gè)充填層由兩種不同尺寸礫石組成,在流體沖刷攜帶作用下,兩種材料接觸界面發(fā)生結(jié)構(gòu)再平衡,形成一段兩種充填材料的混合段,造成一定程度的自身堵塞。兩種材料的粒徑差別越大自身堵塞越嚴(yán)重。因此對(duì)粒度中值0.085 mm的粉細(xì)砂,0.3～0.6 mm與0.4～0.8 mm的復(fù)合充填,綜合性能優(yōu)于0.3～0.6 mm與0.6～1.2 mm的復(fù)合充填及0.4～0.8 mm與0.6～1.2 mm的復(fù)合充填。

(3)當(dāng)對(duì)虧空嚴(yán)重老井、粉細(xì)砂地層或泥質(zhì)含量高的地層進(jìn)行防砂方式選擇時(shí),建議優(yōu)先考慮雙粒級(jí)礫石充填防砂方式,具體防砂方式的選擇因?qū)嶋H情況而異。