折皺式防砂篩管過流性能測(cè)試及評(píng)價(jià)方法*

陳陽(yáng) 齊志剛 閆怡飛 劉東林 陳宗毅 宋翰林

(1.中國(guó)石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院 2.中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)非常規(guī)油氣鉆完井技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院 4.淄博東森石油技術(shù)發(fā)展有限公司 5.勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

0 引 言

目前，勝利油田常規(guī)防砂方法包括獨(dú)立篩管和礫石充填兩大類[1]，在高產(chǎn)液量、稠油、致密砂巖及砂巖粒度不均等復(fù)雜生產(chǎn)條件下，儲(chǔ)層砂極易堵塞擋砂過濾介質(zhì)[2]，從而顯著降低其過流性能，導(dǎo)致近井地帶產(chǎn)液過流壓降較大，嚴(yán)重影響了單井產(chǎn)能[3-5]。上述現(xiàn)象在孤東、單家寺、鹽家及孤島等油田區(qū)塊較為明顯，生產(chǎn)跟蹤數(shù)據(jù)和診斷分析結(jié)果顯示，在生產(chǎn)制度不變的條件下，由于過濾介質(zhì)堵塞，在井位投產(chǎn)后20 d內(nèi)，油套環(huán)空動(dòng)液面通常有較大下降幅度，其中獨(dú)立篩管(金屬氈篩管)液面下降幅度為50～120 m，礫石充填(繞絲篩管配合管內(nèi)礫石充填)液面下降幅度為30～90 m。

為有效提高獨(dú)立篩管過流性能，自2014年起，中國(guó)石化勝利石油工程有限公司與中國(guó)石油大學(xué)(華東)聯(lián)合進(jìn)行攻關(guān)，研制出折皺式(ZZS)防砂篩管。該新型篩管首次使用折皺式篩網(wǎng)，其過濾面積相比常規(guī)篩管大幅增加，且具有親水疏油特性，可在一定程度上降低篩網(wǎng)堵塞對(duì)過流性能的不利影響，從而有效提高單井產(chǎn)液量和產(chǎn)油量。

過流性能是ZZS篩管創(chuàng)新性的直接體現(xiàn)，也是衡量工具研制成功與否的重要標(biāo)準(zhǔn)，因此本文特別設(shè)計(jì)了物模評(píng)價(jià)試驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)典型應(yīng)用井位生產(chǎn)數(shù)據(jù)與常規(guī)篩管進(jìn)行對(duì)比，論證了ZZS篩管在不同復(fù)雜生產(chǎn)條件下的過流性能，從而為該技術(shù)后續(xù)推廣應(yīng)用提供重要指導(dǎo)。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

防砂篩管樣件如圖1所示。ZZS篩管由內(nèi)到外分別由基管、內(nèi)骨架、ZZS篩網(wǎng)及雙側(cè)流道外保護(hù)管組成，其結(jié)構(gòu)如圖1a所示。其中ZZS篩網(wǎng)為關(guān)鍵部件[6]，由兩層高強(qiáng)度不銹鋼金屬網(wǎng)夾一層高精度過濾介質(zhì)組成，采用折波式工藝形成8～10 mm厚度的褶皺樣式的篩網(wǎng)，其局部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)

ZZS篩管過濾精度85～185 μm，工作溫度范圍20～380 ℃，耐酸堿度的pH值范圍是3～13，過濾介質(zhì)孔隙度大于70%。

ZZS篩網(wǎng)的特點(diǎn)是過濾面積大，以?88.9 mm規(guī)格ZZS篩管(外徑112.9 mm)為例，其篩網(wǎng)展平幅寬達(dá)1 400 mm以上，而相同規(guī)格金屬氈篩管(外徑103.3 mm)的篩網(wǎng)展平幅寬只有300 mm左右，ZZS篩網(wǎng)材料用量為相同規(guī)格常規(guī)優(yōu)質(zhì)篩管的4倍以上。

1—基管；2—內(nèi)骨架；3—折皺式篩網(wǎng)；4—側(cè)流道外保護(hù)管；5—密封環(huán)；6—頂壓環(huán)；7—支撐網(wǎng)；8—金屬氈擋砂材料；9—支撐筋條；10—繞絲。

圖2 ZZS篩網(wǎng)局部結(jié)構(gòu)Fig.2 Partial structure of ZZS screen

在儲(chǔ)層入流流量不變的條件下，若增大ZZS篩管篩網(wǎng)過濾面積，則單位面積篩網(wǎng)的過流流量減小，因此，當(dāng)篩網(wǎng)被儲(chǔ)層砂堵塞后，其過流壓降仍能保持在較低水平。ZZS篩網(wǎng)的過濾介質(zhì)表面涂覆有化學(xué)涂層，具備親水疏油特性，增強(qiáng)了高黏度油相通過篩網(wǎng)的能力。

2 試驗(yàn)研究

2.1 物模試驗(yàn)裝置

物模試驗(yàn)裝置模擬近井地帶至管內(nèi)的流動(dòng)過程[7]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。測(cè)試樣件(部件2)安裝于裝置主體(部件10)中心位置，打孔管(部件12)用于模擬射孔套管，套裝于樣件外部；部件2與12之間的環(huán)空稱為篩套模擬環(huán)空，用于模擬射孔套管和防砂篩管之間的流動(dòng)過程；部件12與10之間的環(huán)空稱為近井模擬環(huán)空，用于模擬射孔套管外近井地帶的流動(dòng)過程。

1—安全壓力計(jì)；2—測(cè)試樣件；3—進(jìn)液管；4—徑向流導(dǎo)向器；5—壓力計(jì)；6—壓差計(jì)；7—旋轉(zhuǎn)軸；8—支撐架；9—液樣采集球閥；10—裝置主體；11—流量計(jì)；12—打孔管(模擬射孔套管)；13—鎖止裝置；14—出液管；15—密封蓋。

徑向流導(dǎo)向器引導(dǎo)試驗(yàn)流體徑向流向測(cè)試樣件。流體流量由流量計(jì)自動(dòng)測(cè)量，并可通過改變柱塞泵的頻率(0～50 Hz)調(diào)整其為規(guī)定值。壓差計(jì)使用壓力探頭分別測(cè)量部件12內(nèi)表面處及部件2內(nèi)部的壓力，壓差計(jì)讀數(shù)即為篩管樣件的綜合過流壓降(篩網(wǎng)/繞絲層與管外儲(chǔ)層砂堆積層/礫石充填層的過流壓降之和)。壓差計(jì)有多種型號(hào)可選，以便為評(píng)價(jià)試驗(yàn)提供合適的測(cè)量精度和量程。

本試驗(yàn)所涉及的測(cè)試樣件分為3種，分別是：ZZS篩管樣件，如圖1a所示；金屬氈篩管樣件，如圖1b所示；繞絲篩管樣件，如圖1c所示。測(cè)試樣件的基管外徑統(tǒng)一為88.9 mm，樣件過濾段長(zhǎng)度統(tǒng)一為0.5 m，打孔管(模擬射孔套管)的外徑統(tǒng)一為177.8 mm。

2.2 應(yīng)用區(qū)塊基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

ZZS篩管計(jì)劃在勝利油田4個(gè)不同區(qū)塊中應(yīng)用，其開發(fā)油層近期含水飽和度平面分布如圖4所示。區(qū)塊1井區(qū)內(nèi)無斷層，構(gòu)造簡(jiǎn)單平緩，西南部高，東北部低，傾角10°～2°，目的層Ng54～61單元，具有統(tǒng)一的油水界面；區(qū)塊2為受基巖隆起控制的鼻狀構(gòu)造，向南偏西方向急劇傾沒，頂部平緩，傾角小于2°，目的層Ng1～2單元；區(qū)塊3構(gòu)造整體簡(jiǎn)單，為頂面構(gòu)造呈穹窿形的砂巖體，具有明顯的背斜形態(tài)，上覆厚層泥巖，目的層Yj1單元；區(qū)塊4為向東傾斜的單斜構(gòu)造斷塊，西南部為斷塊高部位，目的層Ng43～44單元。

各區(qū)塊物性參數(shù)和生產(chǎn)情況如表1所示。區(qū)塊1的主要特點(diǎn)是儲(chǔ)層砂粒度較粗，綜合含水率高，油層產(chǎn)液量大；區(qū)塊2的主要特點(diǎn)是原油黏度高；區(qū)塊3的主要特點(diǎn)是儲(chǔ)層砂粒度較細(xì)；區(qū)塊4的主要特點(diǎn)是儲(chǔ)層砂分選性差。

表1 應(yīng)用區(qū)塊巖石和流體物性參數(shù)Table 1 Rock and fluid physical parameters of applied block

2.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

根據(jù)2.2節(jié)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別針對(duì)4個(gè)目標(biāo)區(qū)塊的井下工況進(jìn)行模擬試驗(yàn)，充分評(píng)價(jià)ZZS篩管在各種復(fù)雜井下工況中的過流性能。根據(jù)表1中儲(chǔ)層砂粒度中值和分選系數(shù)，配置出人工砂，人工砂配比如表2所示。

試驗(yàn)變量取值如表3所示。從表3可以看出：試驗(yàn)流體流量取值等級(jí)根據(jù)表1中單位厚度油層產(chǎn)液量范圍制定，并要求涵蓋該范圍；試驗(yàn)流體黏度取地層油水兩相流體的平均黏度，即根據(jù)表1中地層原油換算黏度[8-9]和地層水黏度，基于綜合含水體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行加權(quán)平均；試驗(yàn)樣件配置如表3所示，樣件擋砂精度根據(jù)表1中粒度中值和分選系數(shù)設(shè)定[10-11]。

圖4 應(yīng)用區(qū)塊開發(fā)油層近期含水飽和度平面分布Fig.4 The horizontal distribution of recent water saturation in the applied block

表2 人工砂配比Table 2 Proportion of artificial sand

2.4 試驗(yàn)步驟

按照表2配制足量的1～4號(hào)人工砂；按照表3備好足量的5、20和40 mPa·s黏度的羧甲基纖維素鈉(CMC)黏液，備好足量的1～4號(hào)礫石，所需篩管樣件就位。連接好試驗(yàn)裝置，矯正儀表歸零。首先進(jìn)行區(qū)塊1的評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

(1)裝置主體放入ZZS篩管樣件，將篩套模擬環(huán)空和近井模擬環(huán)空填充1號(hào)人工砂，密封裝置主體，使用清水，以1 200 L/h大流量循環(huán)，令人工砂侵入篩網(wǎng)并在篩網(wǎng)表面架橋，在最短時(shí)間內(nèi)運(yùn)移至穩(wěn)定狀態(tài)，要求壓差計(jì)(圖3中的部件6)讀數(shù)穩(wěn)定5 min以上。

表3 試驗(yàn)變量取值Table 3 Values of test variables

(2)使用黏度5 mPa·s的CMC黏液，以最小試驗(yàn)流量等級(jí)120 L/h循環(huán)，待壓差計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定5 min，試驗(yàn)控制臺(tái)自動(dòng)讀出壓差計(jì)讀數(shù)并記錄。增加流量至下一等級(jí)，直至完成所有流量等級(jí)測(cè)試。

(3)停泵降壓，打開裝置主體，清除人工砂，取出樣件，清洗裝置主體，排凈試驗(yàn)流體。

(4)重復(fù)步驟(1)～(3)，完成針對(duì)金屬氈篩管樣件的評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

(5)將裝置主體放入繞絲篩管樣件，在篩套模擬環(huán)空中填充1號(hào)礫石，在近井模擬環(huán)空中填充1號(hào)人工砂，重復(fù)步驟(1)～(3)，完成針對(duì)繞絲篩管樣件配合管內(nèi)礫石充填的評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

參照表3試驗(yàn)變量取值，重復(fù)步驟(1)～(5)，完成針對(duì)區(qū)塊2、3和4的評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

2.5 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

針對(duì)4個(gè)區(qū)塊的評(píng)價(jià)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖5所示。壓差計(jì)每隔1 min記錄1個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代表當(dāng)前1 min內(nèi)樣件綜合過流壓降(圖3中的部件6讀數(shù))的平均值。測(cè)試結(jié)果為：

(1)由于試驗(yàn)流體流量逐次加大，所以過流壓降曲線呈階梯上升狀態(tài)，壓降與流量基本上成正比關(guān)系[12]。

(2)在增大流體流量之后較短時(shí)間內(nèi)，過流壓降有時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬降現(xiàn)象(曲線上向下的尖頭)，其原因是流量突然增大導(dǎo)致樣件局部篩網(wǎng)/繞絲層發(fā)生形變，使得原先侵入的試驗(yàn)砂穿透了過濾介質(zhì)而產(chǎn)出，即發(fā)生了局部解堵[13-14]。ZZS篩網(wǎng)的力學(xué)穩(wěn)定性稍遜于其余兩種樣件，使得其壓降瞬降次數(shù)總體上略多于其余兩種樣件，但由于試驗(yàn)砂很快會(huì)再次堵塞過濾介質(zhì)，所以該現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間非常短暫，不會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results

(3)在相同工況下，ZZS篩管的過流壓降最低，相比金屬氈篩管低30%～40%，相比繞絲篩管配合礫石充填低10%～20%。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

ZZS篩管在4個(gè)目標(biāo)區(qū)塊的典型應(yīng)用井位如表4所示。應(yīng)用井位前期下入的防砂篩管在生產(chǎn)過程中失效，實(shí)施拔篩管措施[15]后，統(tǒng)一換用?88.9 mm ZZS篩管生產(chǎn)。為評(píng)價(jià)ZZS篩管的應(yīng)用效果，跟蹤了采取措施前后應(yīng)用井位的日生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如圖6所示。圖6中日產(chǎn)量曲線的斷點(diǎn)即為井位停產(chǎn)采取措施時(shí)間，再次開井后，抽排井筒內(nèi)及近井地帶的殘留工作液，井位日產(chǎn)液量和日產(chǎn)油量很快恢復(fù)正常，且相比前期完井方法有明顯提高。

表4 典型應(yīng)用井位基本信息Table 4 Basic information of typical applied wells

圖6 典型應(yīng)用井位日生產(chǎn)跟蹤數(shù)據(jù)Fig.6 Daily production data of typical application wells

為便于定量表征4口應(yīng)用井位生產(chǎn)水平變化情況，統(tǒng)一選取圖6中采取措施前后3個(gè)月內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表5所示。從表5可知：相比前期完井方法，ZZS篩管憑借其優(yōu)良的過流性能改善了近井地帶流體的入流狀態(tài)，降低了產(chǎn)液入流附加壓降，井筒供液能力有所提高，日產(chǎn)液量提高幅度20%～70%，動(dòng)液面提升100～300 m；應(yīng)用井位日產(chǎn)油量顯著提高，平均提高1.2 m3/d，提高幅度25%～130%；產(chǎn)液含水體積分?jǐn)?shù)基本保持穩(wěn)定，變化幅度小于3個(gè)百分點(diǎn)。

表5 典型井位應(yīng)用效果Table 5 Application effects of typical applied wells

4 結(jié)論及建議

(1)研制的新型折皺式防砂篩管(ZZS篩管)不僅過濾面積大，而且篩網(wǎng)材料用量為相同規(guī)格常規(guī)優(yōu)質(zhì)篩管的4倍以上，可在一定程度上降低篩網(wǎng)堵塞對(duì)過流性能的不利影響，從而有效提高井筒供液能力。

(2)物模試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，在高產(chǎn)液量、稠油、致密砂巖和砂巖粒度不均等復(fù)雜工況下，ZZS篩管的過流性能優(yōu)于金屬氈篩管，更優(yōu)于配合礫石充填繞絲篩管。因?yàn)樵趦?chǔ)層入流流量不變的條件下，若增大篩網(wǎng)過濾面積，則單位面積篩網(wǎng)的過流流量減小，所以當(dāng)篩網(wǎng)被儲(chǔ)層砂堵塞之后，其過流壓降仍能保持在較低水平。

(3)物模試驗(yàn)使用單相CMC黏液作為試驗(yàn)流體，無法體現(xiàn)ZZS篩管過濾介質(zhì)親水疏油特性對(duì)提高過流性能的促進(jìn)作用，建議后續(xù)使用油水兩相試驗(yàn)流體，以便更加準(zhǔn)確地模擬井筒流動(dòng)特征。