砂泥巖互層坍塌對(duì)表皮系數(shù)的影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

陳偉宏，柯澳香，馬智雄

（長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢 430100）

水平井技術(shù)被廣泛應(yīng)用于南海東部各油田的高效開發(fā)中，然而在儲(chǔ)層段鉆進(jìn)過程中時(shí)常會(huì)鉆遇到砂泥巖夾層，產(chǎn)生井眼縮徑或者坍塌掉塊，造成井眼不規(guī)則變形，導(dǎo)致下部完井管柱下入困難甚至下不到設(shè)計(jì)井深等，影響作業(yè)時(shí)效和安全，甚至對(duì)油井產(chǎn)能產(chǎn)生不利影響。通過對(duì)以往環(huán)空表皮系數(shù)的研究進(jìn)展調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前的環(huán)空表皮系數(shù)研究多從理論推導(dǎo)的方向進(jìn)行，缺少從實(shí)驗(yàn)方向的研究。并且理論推導(dǎo)模型涉及參數(shù)繁多，計(jì)算方法復(fù)雜，在工程實(shí)踐中往往難以計(jì)算。而在生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)空表皮系數(shù)主要是使用不穩(wěn)定試井方法測得，只能測出總環(huán)空表皮系數(shù)，由于影響環(huán)空表皮系數(shù)因素過多，這種方法精準(zhǔn)度相對(duì)較低。在泥巖段由于泥巖水化膨脹，導(dǎo)致泥巖坍塌，通常使用盲管將其封隔[1-4]。在砂巖段，通常使用篩管進(jìn)行防砂處理，然而在砂泥巖互層段，泥巖坍塌后地層砂堆積在環(huán)空中，從盲管段運(yùn)移至篩管段堵塞篩管，導(dǎo)致篩管的產(chǎn)能下降[5-8]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)油田現(xiàn)場實(shí)際工況，基于相似原理，設(shè)計(jì)了一套全可視水平井盲管-割縫篩管組合測算環(huán)空表皮系數(shù)研究實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，包括監(jiān)測系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、井筒模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。其中監(jiān)測系統(tǒng)包含壓力表、壓差傳感器、流量計(jì)，主要作用是對(duì)管線壓力、壓差、流量進(jìn)行監(jiān)測，防止泵壓超過井筒最大載荷發(fā)生事故。循環(huán)系統(tǒng)包括電機(jī)、高分子隔膜泵、回流管線、安全閥門、儲(chǔ)液混砂罐，其中電機(jī)和高分子隔膜泵的作用是為循環(huán)管線提供動(dòng)力，回流管線是為了防止泵壓過載，保證實(shí)驗(yàn)安全，儲(chǔ)液混砂罐是為了儲(chǔ)存液體，并將砂礫與液體充分混合均勻，防止大量砂礫集中進(jìn)入高分子隔膜泵，損壞隔膜。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器，主要作用是采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、對(duì)泵頻進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，以得到較好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 盲管-割縫篩管組合完井方式環(huán)空顆粒運(yùn)移分布規(guī)律實(shí)驗(yàn)裝置圖

井筒模擬系統(tǒng)包括有機(jī)玻璃井筒，三種不同組合比例的盲管-割縫篩管防砂管柱以及夾持裝置（圖2），為了能夠讓裝置更加符合真實(shí)工況，根據(jù)南海某油田的現(xiàn)場完井管柱尺寸進(jìn)行等比例縮放?？s放后，模擬井筒外徑為60 mm，盲篩管尺寸為30 mm，環(huán)空尺寸為10 mm。并設(shè)計(jì)了盲篩比為3∶1、2∶2、1∶3 三種不同比例的盲管-割縫篩管完井防砂管柱。

圖2 盲管-割縫篩管組合完井方式環(huán)空表皮系數(shù)測算實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行過程如下：在實(shí)驗(yàn)前按照地層砂粒度測試結(jié)果配制好地層砂，再將實(shí)驗(yàn)所需的攜砂液與地層砂在儲(chǔ)液混砂罐中進(jìn)行配制，在高分子隔膜泵的抽吸作用下沿著管線進(jìn)入環(huán)空表皮系數(shù)測試裝置，巖屑顆粒在盲管-割縫篩管環(huán)空中運(yùn)移后進(jìn)入儲(chǔ)液混砂罐繼續(xù)循環(huán)。在運(yùn)移過程中，各類傳感器對(duì)運(yùn)移情況進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集器對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，攪拌裝置在儲(chǔ)液混砂罐中持續(xù)進(jìn)行攪拌。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案見表1，在油田實(shí)際生產(chǎn)過程中，伴隨著砂泥巖互層持續(xù)坍塌，地層砂在環(huán)空中不斷堆積，直至堵塞環(huán)空。壓差、流量不斷隨著時(shí)間變化，故通過給定泵頻的方式來確定流速。統(tǒng)計(jì)油田現(xiàn)場平均流速為0.002 4 m/min，通過計(jì)算，確定采用3 Hz 的泵頻可達(dá)到油田實(shí)際平均流速。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2 理論模型

2.1 環(huán)空表皮系數(shù)的計(jì)算方法

地層砂在井眼環(huán)空中自然堆積，當(dāng)流體從地層中進(jìn)入篩管時(shí)，坍塌的地層砂會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生阻力，產(chǎn)生一定附加壓降，故用環(huán)空表皮系數(shù)Ss表示環(huán)空堆積砂附加壓降[9]；篩管環(huán)空表皮系數(shù)計(jì)算式如式（1）所示：

式中：ΔPs-原油流過儲(chǔ)層砂堆積層時(shí)的附加壓降，10-1MPa；Kh-水平方向地層砂堆積層的滲透率，μm2；Kv-垂直方向地層砂堆積層的滲透率，μm2；L-割縫篩管的長度，m；qo-油井的配產(chǎn)，即為實(shí)驗(yàn)中流量，m3/d；Bo-流體體積系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，從流量波動(dòng)階段到平穩(wěn)階段所需時(shí)間更長，基本在40 min 以上，波動(dòng)階段流體攜砂量較多，從透明井筒中看到，流體沖蝕地層砂產(chǎn)生的流體通道較少，全堵塞工況相較于不完全堵塞工況對(duì)于流體流量和壓力的影響更顯著，地層砂與黏土產(chǎn)生的壓實(shí)層體積更大。

盲篩比為3∶1，黏土含量為10%、12.5%、15%（水為流體介質(zhì)），10%的黏土含量的壓力波動(dòng)變化較為劇烈，流量發(fā)生了不穩(wěn)定的突變；12.5%的黏土含量的壓力和流量波動(dòng)較為平穩(wěn)；15%的黏土含量時(shí)，流量基本無變化。

盲篩比為2∶2，黏土含量為10%、12.5%、15%（水為流體介質(zhì)），10%的黏土含量的流量與壓力波動(dòng)變化較平穩(wěn)，穩(wěn)定后流量值波動(dòng)范圍為320～340 kg/h，壓力值在1.4～1.7 MPa；12.5%的黏土含量的壓力和流量發(fā)生波動(dòng)不明顯，流量穩(wěn)定在250 kg/h，壓力穩(wěn)定在1.5 MPa；15%的黏土含量時(shí)，流量穩(wěn)定在360 kg/h，壓力穩(wěn)定在1.1～1.5 MPa。

盲篩比為1∶3，黏土含量為10%、12.5%、15%（水為流體介質(zhì)）。10%的黏土含量的流量與壓力波動(dòng)變化較大，穩(wěn)定后流量值波動(dòng)范圍為180～210 kg/h，壓力值在1.0～1.5 MPa；12.5%的黏土含量的壓力和流量發(fā)生波動(dòng)不明顯，流量穩(wěn)定在150～170 kg/h，壓力穩(wěn)定在3.0～3.2 MPa；15%的黏土含量時(shí)，流量穩(wěn)定在150～170 kg/h，壓力穩(wěn)定在4.5～5.0 MPa。

3.2 環(huán)空表皮系數(shù)計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)式（1）計(jì)算出環(huán)空表皮系數(shù)，計(jì)算過程中采用的地層砂計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 環(huán)空表皮系數(shù)計(jì)算參數(shù)表

在完全堵塞的工況下，三種黏土含量的環(huán)空表皮系數(shù)集中在0.18～1.62。

從圖3 可以看出，盲篩比不同時(shí)，篩管長度大于總長度1/2，對(duì)環(huán)空表皮系數(shù)影響比較顯著，黏土含量為10%、12.5%、15%，盲篩比為1∶3 的環(huán)空表皮系數(shù)分別是盲篩比為2∶2 的環(huán)空表皮系數(shù)的1.6 倍、4.9 倍、1.45倍。篩管長度小于總長度1/2 時(shí)，盲篩比對(duì)環(huán)空表皮系數(shù)的影響不大，盲篩比為2∶2 和3∶1 時(shí)，環(huán)空表皮系數(shù)幾乎不變。

圖3 盲篩比影響環(huán)空表皮系數(shù)

從圖4 可以看出，黏土含量不同時(shí)，黏土含量大于12.5%，黏土含量對(duì)環(huán)空表皮系數(shù)的影響比較顯著，三種盲篩比在15%的黏土含量時(shí)的環(huán)空表皮系數(shù)分別是12.5%的黏土含量環(huán)空表皮系數(shù)的8.2 倍、6.9 倍和2倍；黏土含量小于12.5%時(shí)，黏土含量對(duì)環(huán)空表皮系數(shù)的影響較小，10%的黏土含量的環(huán)空表皮系數(shù)與12.5%的黏土含量的環(huán)空表皮系數(shù)相差不大。

圖4 黏土含量影響環(huán)空表皮系數(shù)

4 結(jié)論

（1）通過物理的方法模擬現(xiàn)場實(shí)際工況，設(shè)計(jì)了一套測算環(huán)空表皮系數(shù)的全可視化的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，利用這套裝置對(duì)不同比例盲管-割縫篩管組合完井方式以及不同黏土含量下的環(huán)空表皮系數(shù)進(jìn)行測算，得到了不同盲篩比、不同黏土含量對(duì)環(huán)空表皮系數(shù)的影響規(guī)律，為水平井砂泥巖段優(yōu)化盲篩組合完井方式提供了理論依據(jù)。

（2）在堵塞工況下，當(dāng)篩管長度大于總長度的1/2時(shí)，盲篩比對(duì)環(huán)空表皮系數(shù)影響顯著，增大2～4 倍。當(dāng)篩管長度小于總長度1/2 時(shí)，環(huán)空表皮系數(shù)受到影響小。當(dāng)黏土含量小于12.5%時(shí)，黏土含量對(duì)環(huán)空表皮系數(shù)的影響不明顯，黏土含量大于12.5%時(shí)，環(huán)空表皮系數(shù)會(huì)增大2～8 倍。