人工井壁涂覆砂材料抗沖刷性能研究

張?jiān)骑w，蘇延輝，史斌，江安，夏環(huán)宇，崔國(guó)亮

人工井壁涂覆砂材料抗沖刷性能研究

張?jiān)骑w，蘇延輝，史斌，江安，夏環(huán)宇，崔國(guó)亮

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司， 天津 300452）

為研究人工井壁涂覆砂材料抗沖刷性能，研制了由沖刷泵、耐沖刷測(cè)試系統(tǒng)、過(guò)濾及水箱模塊、上覆壓力自動(dòng)加載模塊及數(shù)據(jù)采集控制模塊構(gòu)成的沖刷試驗(yàn)裝置，利用該試驗(yàn)裝置對(duì)人工井壁涂覆砂材料固結(jié)巖心開(kāi)展了不同沖刷排量、沖刷壓差及沖刷時(shí)間的沖刷破壞試驗(yàn)，分析了固結(jié)巖心沖刷后的表觀形貌、沖刷率以及單軸抗壓強(qiáng)度的變化情況，結(jié)果表明：固結(jié)巖心受沖刷作用后，入口端的沖蝕破壞程度要高于出口端，抗壓強(qiáng)度保留率僅為原來(lái)的67.96%，沖刷排量為25 L·min-1時(shí)，沖刷過(guò)程僅維持了4 h。沖刷破壞試驗(yàn)表明，即使是人工井壁涂覆砂材料的抗壓強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，但仍尚宜檢測(cè)其抗沖刷性。

涂覆砂材料； 抗沖刷； 人工井壁； 試驗(yàn)裝置

涂覆砂人工井壁防砂是目前較好的化學(xué)防砂方法[1-2]，但對(duì)于涂覆砂的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，現(xiàn)行石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]僅對(duì)其抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及滲透率三個(gè)靜態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)范要求，而現(xiàn)實(shí)中人工井壁是要受帶壓流體長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)沖刷作用的[5-6]。王寶權(quán)[7]等學(xué)者研究指出：在采用人工井壁防砂時(shí)，施工前需對(duì)涂覆砂材料進(jìn)行沖刷試驗(yàn)評(píng)價(jià)，充分考慮流體對(duì)人工井壁的沖刷破壞作用很有必要。

涂覆砂形成的人工井壁在流速較高的流體沖刷下，容易發(fā)生表面砂粒剝離脫落，導(dǎo)致涂覆砂回流，引起油水井出砂，造成油層砂埋、油管砂堵、砂卡，致使原油產(chǎn)量、注水量下降甚至停產(chǎn)、停注[8-10]。盡管有些涂覆砂材料的抗壓強(qiáng)度可滿(mǎn)足技術(shù)要求，但若是其抗沖刷性不足，現(xiàn)場(chǎng)一旦采用其作人工井壁防砂，勢(shì)必會(huì)引起嚴(yán)重的大修或關(guān)停事故。

為此，本文利用研制的人工井壁涂覆顆粒耐沖刷試驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置（專(zhuān)利號(hào)：202010644035.4）對(duì)人工井壁涂覆砂材料固結(jié)巖心開(kāi)展了不同沖刷排量、沖刷壓差及沖刷時(shí)間的沖刷破壞試驗(yàn)，分析了固結(jié)巖心沖刷后的表觀形貌、沖刷率以及單軸抗壓強(qiáng)度的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果為研究制定涂覆砂的抗沖刷性能控制指標(biāo)的提出提供了支持。

1 總體思路與試驗(yàn)原理

1.1 總體方法與思路

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]，利用涂覆砂材料體系配方（粒徑為20～40目）制得大量的涂覆砂固結(jié)巖心，用于本次的人工井壁抗沖刷模擬。為了便于沖刷試驗(yàn)前后結(jié)果的比較，首先需在沖刷試驗(yàn)前對(duì)固結(jié)巖心進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度及滲透性試驗(yàn)。取3組試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為耐沖刷前的單軸抗壓強(qiáng)度及滲透率（見(jiàn)表1）。其次利用耐沖刷試驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置對(duì)固結(jié)巖心開(kāi)展不同沖刷排量、沖刷壓差及沖刷時(shí)間的沖刷破壞試驗(yàn)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，分析固結(jié)巖心沖刷后的表觀形貌、沖刷率以及單軸抗壓強(qiáng)度的變化情況。

表1中，抗壓強(qiáng)度及滲透率指標(biāo)滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)涂覆砂的技術(shù)指標(biāo)要求，屬于二級(jí)品。

表1 固結(jié)巖心耐沖刷前的抗壓強(qiáng)度

1.2 試驗(yàn)原理

耐沖刷試驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置的沖刷排量可達(dá)50 L·min-1，可滿(mǎn)足沖刷線(xiàn)速度0～12.6 m·s-1，沖刷壓差0～15 MPa，沖刷時(shí)間理論上是無(wú)限長(zhǎng)的耐沖刷試驗(yàn)，能夠模擬現(xiàn)場(chǎng)工況下化學(xué)防砂施工后人工井壁受沖刷的實(shí)際情況。試驗(yàn)中耐沖刷測(cè)試系統(tǒng)兩端的壓差隨時(shí)間的變化可以反映出受高強(qiáng)度的沖刷作用后人工井壁的內(nèi)部顆粒運(yùn)移情況；收集產(chǎn)出砂進(jìn)行烘干處理并稱(chēng)重，用于計(jì)算沖刷率；試驗(yàn)結(jié)束后取出固結(jié)巖心進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試，計(jì)算巖心試樣沖刷前后抗壓強(qiáng)度保持率，可反映出受沖刷后人工井壁的破壞程度。

1.3 試驗(yàn)裝置流程

試驗(yàn)裝置包括沖刷泵、耐沖刷測(cè)試系統(tǒng)、過(guò)濾及水箱模塊、上覆壓力自動(dòng)加載模塊及數(shù)據(jù)采集控制模塊（包括流量計(jì)、壓力計(jì)等），流程如圖1。由沖刷泵產(chǎn)生帶壓流體（液體或氣體），通過(guò)管匯進(jìn)入耐沖刷測(cè)試系統(tǒng)，高速的流體對(duì)涂覆砂形成的固結(jié)巖心進(jìn)行沖刷，流體通過(guò)固結(jié)巖心后進(jìn)入過(guò)濾及儲(chǔ)水模塊，過(guò)濾后的液體重新進(jìn)入沖刷泵，完成循環(huán)。

1—沖刷泵；2—流量計(jì)；3—壓力計(jì)；4—耐沖刷測(cè)試系統(tǒng)；5—壓力計(jì)；6—過(guò)濾單元Ⅰ；7—過(guò)濾單元Ⅱ；8—水箱單元；9—上覆壓力自動(dòng)加載模塊；10—壓力計(jì)

2 耐沖刷性能評(píng)價(jià)方法

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

將模擬人工井壁的固結(jié)巖心裝到耐沖刷測(cè)試系統(tǒng)后，旋緊左右堵頭，圍壓加載到2 MPa左右（設(shè)置成自動(dòng)跟壓，保持圍壓始終＞巖心夾持器入口壓力2 MPa），之后將連接耐沖刷測(cè)試系統(tǒng)到?jīng)_刷流程中。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

打開(kāi)其中一路過(guò)濾單元所在管路，調(diào)節(jié)好沖刷流量或沖刷壓差，沖刷泵啟動(dòng)后進(jìn)行巖心試樣沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)中可實(shí)時(shí)收集出砂，開(kāi)啟另一路過(guò)濾單元，關(guān)閉正在工作的過(guò)濾單元并拆卸下過(guò)濾器，收集砂子、烘干用于計(jì)算沖刷率。中間的操作過(guò)程不會(huì)引起太大的壓力波動(dòng)，保證試驗(yàn)的精準(zhǔn)性。

試驗(yàn)結(jié)束后，取出巖心試樣，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，計(jì)算巖心試樣沖刷前后抗壓強(qiáng)度保留率。

2.3 數(shù)據(jù)處理

1）沖刷率

=×

式中：—中沖刷率（單位面積上每min砂樣的剝落量），g/(cm2·m(剝落；

m(砂量的剝落量，g；

量的巖心試樣的截面積，cm2；

m試巖心試樣抗沖刷的時(shí)間，min。

2）抗壓強(qiáng)度保留率

?=0s0×100%

式中：中：抗壓強(qiáng)度保持率；

0ss強(qiáng)耐沖刷前的抗壓強(qiáng)度，MPa；

0Pa耐沖刷后的抗壓強(qiáng)度，MPa。

3 抗沖刷性試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 同一時(shí)間段不同排量下的耐沖刷實(shí)驗(yàn)

按照5、10、15、20、25、30、35、40、45 L·min-1的流量，一定的沖刷時(shí)間（1h）依次進(jìn)行試驗(yàn)，觀察巖心受流體沖刷前后的狀態(tài)及抗壓強(qiáng)度變化，結(jié)果如表2、圖2所示。

圖2 固結(jié)巖心受沖刷作用后巖心狀態(tài)

圖2可知，固結(jié)巖心入口端由于直接受帶壓流體的高速?zèng)_刷作用，被沖蝕成“蒙古包”，出口端剝離脫落的砂粒則被高速流體帶走，沖蝕成“孔洞”，但明顯弱于直接受流體沖刷的正面。

由表2可知，抗沖刷破壞后固結(jié)巖心的抗壓強(qiáng)度保留率僅為原來(lái)的67.9%。

表2 固結(jié)巖心耐沖刷前后的抗壓強(qiáng)度的變化

3.2 同一排量不同時(shí)間下的耐沖刷實(shí)驗(yàn)

按照同一沖刷排量25 L·min-1不同沖刷時(shí)間依次進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，實(shí)時(shí)收集5、15、30、60、90、120、150、180、240 min的出砂量，計(jì)算沖刷率。結(jié)果如圖3-5所示。

圖3可知，沖刷排量為25 L·min-1時(shí)，沖刷過(guò)程僅維持了4 h。固結(jié)巖心內(nèi)部顆粒一直在運(yùn)移（與巖心的出砂結(jié)果相吻合，圖4），并不斷堵塞有效孔道，沖刷壓差隨沖刷時(shí)間壓力一直上升，到最后壓力激增導(dǎo)致巖心被沖散，全部進(jìn)入過(guò)濾單元中（圖5），此時(shí)壓力也很快得到釋放。

圖3 固結(jié)巖心連續(xù)沖刷4 h的壓力曲線(xiàn)圖

圖4 巖心單位面積上每min的出砂量

圖5 固結(jié)巖心受沖刷作用后被沖散的狀態(tài)

4 結(jié) 論

1）利用研制的人工井壁涂覆顆粒耐沖刷試驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置對(duì)人工井壁涂覆砂材料固結(jié)巖心開(kāi)展了不同沖刷排量、沖刷壓差及沖刷時(shí)間的沖刷破壞試驗(yàn)。

2）固結(jié)巖心受沖刷作用后，入口端的沖蝕破壞程度要高于出口端，抗壓強(qiáng)度保留率僅為原來(lái)的67.96%。

3）沖刷破壞試驗(yàn)表明，人工井壁涂覆砂材料的抗壓強(qiáng)度即使是滿(mǎn)足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，仍尚宜檢測(cè)其抗沖刷性。

[1]李懷文，孫濤，王超，等．超低溫新型樹(shù)脂涂敷砂及人工井壁防砂技術(shù)[J]．石油學(xué)報(bào)，2016，37 (S2)：112-116．

[2]范明福．低溫油井覆膜砂人工井壁防砂技術(shù)與應(yīng)用[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17 (12)：168-171．

[3]采油采氣專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員．防砂用樹(shù)脂性能評(píng)價(jià)方法：SY/T 6572—2003[S]．北京：石油工業(yè)出版社，2003．

[4]采油采氣專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員．加固井壁和人工井壁防砂工藝作法：SY/T 5338—2011[S]．北京：石油工業(yè)出版社，2011．

[5]胡祎．分散型樹(shù)脂人工井壁防砂技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]．石化技術(shù)，2019(4)：44．

[6]張憲游，劉麗．防砂進(jìn)展及新工藝展望[J]．西部探礦工程，2011 (6)：38-39．

[7]王寶權(quán)，匡韶華，佟姍姍，等．樹(shù)脂砂人工井壁防砂模擬試驗(yàn)研究[J]．新疆石油科技，2014，24 (3)：23-26．

[8]李常友．覆膜砂防砂快速固化技術(shù)優(yōu)化研究與應(yīng)用[J]．復(fù)雜油氣藏，2018，11 (4)：74-77．

[9]黃文民．人工井壁防治細(xì)粉砂技術(shù)研究[J]．特種油氣藏，2003，10 (6)：65-66．

[10]薛鋒，劉承美，佘躍惠．中淺層細(xì)粉砂巖注水井化學(xué)防砂試驗(yàn)研究[J]．鉆采工藝，2000，23 (4)：47-49．

[11]采油采氣專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員．樹(shù)脂涂敷砂技術(shù)要求：SY/T 5274—2016[S]．北京：石油工業(yè)出版社，2017．

Study on Anti-scour Performance of Artificial Shaft Wall Coated Sand Material

（CNOOC Ener Tech-Drilling and Production Company, Tianjin 300452, China）

In order to study the anti-scour performance of sand coating material for artificial shaft wall, a scour test device was developed, including scour pump, erosion resistance test system, filter and water tank module, automatic loading module of overburden pressure and data acquisition and control module. The test device was used to test the consolidated core with sand coated material on the artificial shaft lining with different flushing displacement, scouring pressure difference and scouring time. The changes of apparent morphology, erosion rate and uniaxial compressive strength of consolidated core after scouring were analyzed. The results showed that the erosion damage at the inlet was higher than that at the outlet, and the compressive strength retention rate was only 67.96% of the original level. When the displacement was 25 L·min-1, the erosion process only lasted for 4 h. Even though the compressive strength of the sand coated material for artificial shaft lining can meet the technical requirements of the industry standard, its anti-scouring property still needs to be tested.

Coated sand material; Anti-scour performance; Artificial shaft wall; Test device

TQ016

A

1004-0935（2022）02-0167-04

中海油能源發(fā)展重大科技專(zhuān)項(xiàng)，疏松砂巖過(guò)篩管壓裂工藝技術(shù)優(yōu)化研究（項(xiàng)目編號(hào)：HFZXKT-GJ2020-01-03）；中海油工程技術(shù)分公司項(xiàng)目，注水井人工井壁涂覆砂材料研究（項(xiàng)目編號(hào)：GCJSXMHT-E1906）。

2021-11-02

張?jiān)骑w（1988-），男，工程師，碩士研究生，山西省忻州市人，2015年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油與天然氣工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：油田化學(xué)技術(shù)研究與應(yīng)用。