免充填自適應(yīng)控砂過砂工藝技術(shù)研究

張 磊

（中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017）

1 防砂狀況

復(fù)雜油藏防砂問題等仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-7]，防砂作業(yè)成本在一口井的開采成本中所占權(quán)重也在不斷增加。鑒于防砂作業(yè)的重要性，油服公司也提出了“早防砂、高收益”的觀點。國外斯倫貝謝、威德福、貝克休斯與哈里伯頓都對防砂技術(shù)特別關(guān)注。特別是海上作業(yè)成本、作業(yè)水深以及油藏復(fù)雜程度不斷升高，對于防砂作業(yè)，一些油氣服務(wù)公司也積極的提出了一些新型的應(yīng)對措施，并提出了這樣的觀點：從長遠(yuǎn)來看，在防砂措施方面的前期投入，將會節(jié)約更多的成本，這在深水井與海底完井作業(yè)中表現(xiàn)的尤為突出。

目前現(xiàn)有篩管防砂將粒徑不一的地層砂均阻擋在篩管外側(cè)，小粒徑在大粒徑間隙內(nèi)的填充會減小擋砂層的過濾面積，流動阻力增大，特別是細(xì)粉砂的填充，會導(dǎo)致導(dǎo)流能力顯著降低，隨著擋砂在篩管外不斷堆積，擋砂層厚度增大，滲流阻力進(jìn)一步增加，陷入不出砂也不產(chǎn)油氣的窘境。為了有效避免細(xì)粉砂在篩管外側(cè)的堆積，同時考慮出砂量的控制，本文研發(fā)了控砂過砂管。對于內(nèi)側(cè)濾網(wǎng)，其濾孔尺寸既需要允許細(xì)粉砂通過，又需要滿足出砂量的控制-將較大粒徑砂粒阻擋在外。為了避免單層濾網(wǎng)外粒度不一的擋砂相互填充，降低擋砂層的滲透率。本研究在內(nèi)側(cè)濾網(wǎng)外又設(shè)計了兩級濾網(wǎng)，即三級濾網(wǎng)式控砂過砂管。通過合理設(shè)計濾網(wǎng)尺寸，實現(xiàn)逐級控砂過砂，有效保證每級濾網(wǎng)外的砂粒分選，達(dá)到提升擋砂層導(dǎo)流能力的目的。

2 免充填防砂工藝

2.1 儲層砂粒分析

圖1 顯微鏡下的油藏砂粒

目前常用的防砂工藝有機(jī)械防砂和化學(xué)防砂。免充填自適應(yīng)防砂工藝結(jié)合兩者特點形成的一種新的防砂工藝技術(shù)。首先采用防砂劑對弱膠結(jié)的儲層進(jìn)行改造，增加儲層的膠結(jié)強(qiáng)度，減少出砂風(fēng)險，建立良好滲透性能的擋砂人工井壁，達(dá)到有效防止地層出砂的目的。防砂劑由液、固兩相材料組成。液相為一種良好的粘結(jié)劑，在特定的催化劑作用下能與地層砂和固相網(wǎng)絡(luò)通道式材料很好固結(jié)，且固結(jié)后有一定的收縮性，固相網(wǎng)絡(luò)通道式材料及收縮性能保證較好的滲透性。固相為分散狀的網(wǎng)絡(luò)纖維材料，密度與液相相近，確保了施工中被均勻地攜帶至地層。防砂材料被泵送到地層，固相材料填充已虧空地層后堆積于井壁附近；通過液相膠結(jié)劑把固相材料和井壁附近地層的疏松砂粒固結(jié)住，形成具有較高抗壓強(qiáng)度和良好滲透性能的擋砂人工井壁，達(dá)到有效防止地層出砂的目的。實際的油藏砂粒形狀（見圖1），試驗所用的合成砂巖由砂粒、黏土組成。配制巖樣的砂粒粒徑分布曲線（見圖2）。

2.2 儲層砂固結(jié)

固結(jié)材料在疏松儲層中會與帶負(fù)電荷的砂粒產(chǎn)生靜電吸引，重新自整合成一層固結(jié)材料。自整合納米粒子在儲層溫度下會發(fā)生固化并在砂粒周圍形成一層薄的硬凝膠。砂粒會固結(jié)在一起，而油氣生產(chǎn)的孔隙卻不會被堵上（見圖3）。

由圖3 可以看出，左邊有一些碎石塊的砂堆是松散的沙子；右邊的圓柱形部分是松散砂粒壓實后形成的一個有強(qiáng)度的巖石。膠結(jié)的巖心的滲透率大于40×10-3μm2。

2.3 免充填防砂工藝

圖2 巖樣的砂粒粒徑分布曲線

圖3 儲層砂實驗室固結(jié)

勝利鉆井院研究了適用于免充填防砂工藝技術(shù)-采用自適應(yīng)膨脹防砂材料將其粘附于中心管上，取代目前礫石充填防砂工藝的一項前沿技術(shù)。自適應(yīng)膨脹防砂材料采用三級控制不同粒徑的儲層砂粒，該控砂管控砂范圍（50 μm～1 500 μm），小于40 μm 粒徑的砂粒將被過濾掉，伴隨流體一起排出，通過除砂設(shè)備分離；擋砂精度高，完全能滿足現(xiàn)場防砂精度要求；易清洗、易疏通、易解堵；過濾面積大，滲透率高，每米有效過濾面積達(dá)基管內(nèi)橫截面積的5～6 倍；擁有較強(qiáng)的抗高溫、抗腐蝕能力，抗拉、抗扭、抗壓、抗彎、抗擠等均符合API 標(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)防一體、性價比高、安全。

2.3.1 控砂管評價的試驗裝置 研制了控砂管評價的試驗裝置（見圖4），由以下幾個部分組成：

圖4 控砂管性能評價試驗裝置主視圖

使用該試驗裝置對擋砂精度120 μm、150 μm、200 μm、220 μm 的177.8 mm 防砂管進(jìn)行了室內(nèi)試驗。試驗結(jié)果過程中，當(dāng)環(huán)空充填層滲透率減小時，生產(chǎn)壓差增大，當(dāng)壓差增高超過一定值時，復(fù)合防砂管的過濾層孔隙發(fā)生變化，使一定粒度的地層砂通過；當(dāng)環(huán)空充填層的滲透率增大時，復(fù)合防砂管的過濾層在彈性作用下恢復(fù)原狀，具有良好的自潔能力、過濾特性和水動力特點以及良好的防砂效果和液流效應(yīng)。試驗?zāi)M地層砂基本被防砂管擋住，流量穩(wěn)定后無砂產(chǎn)出，120 μm、150 μm、200 μm、220 μm 防砂管在試驗過程中超過標(biāo)稱擋砂粒徑的出砂量均小于總出砂量的10%，滿足防砂要求。

2.3.2 工藝原理 將自適應(yīng)膨脹防砂管下放井底，當(dāng)處于井底溫度條件下，其內(nèi)部化學(xué)成分被激活便會順著井眼形狀開始擴(kuò)展延伸，并對周圍地層形成有效的支撐。該作用能夠有效穩(wěn)定近井眼地帶，減少顆粒運移；其濾失特性達(dá)到甚至超過了礫石充填的效果，同時也避免了鋪置支撐劑的麻煩。

2.3.3 工藝特點 具有以下幾個特點：（1）無需泵注礫石作業(yè)，可以簡化后勤作業(yè)、減少設(shè)備占地面積、節(jié)約人力以及降低HSE 風(fēng)險；（2）濾失特性覆蓋粒徑范圍更廣，不亞于礫石充填防砂效果；（3）全井眼貼合，可以增強(qiáng)防砂能力并提升完井可靠度；（4）原始地層應(yīng)力，可以穩(wěn)定近井地層、防止地層砂運移、提升完井質(zhì)量的長期可靠性；（5）滲透率高，可以實現(xiàn)井底流壓的最大化；（6）簡易模塊化設(shè)計，中心管無需焊接，可以采用現(xiàn)場作業(yè)人員及材料進(jìn)行作業(yè)，也可根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制。

作業(yè)時需要更少的設(shè)備和資源，從而減少了對環(huán)境的影響，同時，在安裝時也需要更少的人力和花費更少的時間。因此，基于免充填工藝系統(tǒng)與傳統(tǒng)礫石充填防砂技術(shù)相比，是一個更為實際、節(jié)約成本的選擇。

2.3.4 試驗效果 可用于替代裸眼礫石充填作業(yè)、水平井、補(bǔ)救性防砂作業(yè)、小井眼作業(yè)、常規(guī)油氣和重油開采等。

免充填系統(tǒng)確保濾失量最小，將水敏性地層暴露風(fēng)險降到最低。自適應(yīng)膨脹濾砂技術(shù)實現(xiàn)了全井筒貼合，選擇性過砂，保證了更好的防砂。從而保證生產(chǎn)井在無砂堵的情況下安全生產(chǎn)。

3 總結(jié)

對于防砂井段長，黏土含量高的粒徑不均的疏松泥質(zhì)儲層，免充填無疑是一種可選的防砂工藝技術(shù)，但是該工藝面臨的難題是仍在微調(diào)如何把自適應(yīng)膨脹防砂管安放在正確的地方。對于儲層越厚，就越難將防砂劑輸送到正確的位置實現(xiàn)全面覆蓋。防砂劑在特別厚的儲層或大水平井中的應(yīng)用都會受限。這種免充填自適應(yīng)的防砂工藝仍有許多研究及試驗工作要做。