深水高產(chǎn)氣井防砂方式及精度優(yōu)選實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

劉玉飛，鄧 晗，孟召蘭，姚智翔

（海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，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）

針對氣井的防砂效果評(píng)價(jià)，目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，氣田常用的防砂方法為高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管防砂和礫石充填防砂兩種，二者的防砂理念是一致的[7]。礫石充填依靠充填礫石擋砂，高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管靠管柱實(shí)體部分擋砂，其核心都是擋砂精度的設(shè)計(jì)。

L深水氣田儲(chǔ)層為高孔高滲氣藏，細(xì)粉砂巖地層，儲(chǔ)層物性縱向范圍變化較大，部分層位非均質(zhì)性較強(qiáng)，粒度、泥質(zhì)含量變化較大，因此，利用多種常規(guī)方法選擇防砂方式和擋砂精度往往出現(xiàn)不一致的設(shè)計(jì)結(jié)果，需要借助實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化防砂參數(shù)。

國內(nèi)關(guān)于氣井防砂實(shí)驗(yàn)研究的學(xué)者不多，王利華教授等[8]基于荔灣3-1氣田，進(jìn)行了不同類型防砂篩管、不同防砂精度以及充填厚度的對比實(shí)驗(yàn)，提出了適合深水氣田提高產(chǎn)能采用“金屬網(wǎng)優(yōu)質(zhì)篩管+裸眼礫石充填+適度擴(kuò)眼增大礫石層厚度”的防砂措施；董長銀教授等[9]為優(yōu)選水平井二次防砂篩管類型和擋砂精度，對5種類型的篩管進(jìn)行綜合性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)；鄧金根教授[10]針對深水氣田防砂方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)優(yōu)選。針對高產(chǎn)氣井的防砂方案優(yōu)化的文獻(xiàn)較少，由于L氣田單井最高產(chǎn)氣量在200×104m3/d以上，為模擬高產(chǎn)氣井的實(shí)際產(chǎn)氣量，本次實(shí)驗(yàn)考慮了實(shí)驗(yàn)的驅(qū)替時(shí)長和實(shí)驗(yàn)驅(qū)替流量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)內(nèi)容

選取L深水氣田HL組細(xì)粉砂巖為實(shí)驗(yàn)對象，以HL油組地層砂為例，模擬地層砂在相同產(chǎn)氣量驅(qū)替條件下，評(píng)價(jià)不同精度防砂介質(zhì)的出砂質(zhì)量和出砂粒徑。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)內(nèi)容計(jì)劃如下：

（1）不同防砂方式出砂對比實(shí)驗(yàn)

（2）礫石充填防砂精度對比實(shí)驗(yàn)

語義網(wǎng)是當(dāng)前本體研究中最熱門的領(lǐng)域，由萬維網(wǎng)的創(chuàng)始人Tim Berners—Lee提出的語義網(wǎng)是當(dāng)前Web的進(jìn)一步發(fā)展，它提供了信息和服務(wù)的定義以至于網(wǎng)絡(luò)本身能回復(fù)人或機(jī)器的請求[7]。簡單理解就是利用本體對Web網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，使得原有難以理解的對象、術(shù)語、指令、服務(wù)等內(nèi)容用計(jì)算機(jī)易于理解的規(guī)范化的本體語言進(jìn)行描述，方便人與機(jī)器之間的交流，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)服務(wù)的智能化。萬維網(wǎng)聯(lián)盟W3C則做了更進(jìn)一步的闡釋：語義網(wǎng)是這樣一種設(shè)想，讓在Web網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)容易被計(jì)算機(jī)所理解，并且建立起統(tǒng)一的相互聯(lián)系，顯示表達(dá)已不再是主要目的，而是要讓數(shù)據(jù)集成、共享和重用。

（3）不同驅(qū)替時(shí)長對比對比實(shí)驗(yàn)

（4）礫石充填厚度對比實(shí)驗(yàn)

（5）不同結(jié)構(gòu)形式礫石充填對比實(shí)驗(yàn)

2 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方案設(shè)計(jì)

2.1 氣井產(chǎn)氣量模擬

根據(jù)日產(chǎn)氣量及各單井射孔炮眼過流總面積，計(jì)算得到對應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件的氣體流速。根據(jù)各單井的配產(chǎn)數(shù)據(jù)以及射孔資料，得到室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的產(chǎn)氣量（表1）。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)氣量達(dá)到50 m3/h左右，可以滿足各單井的配產(chǎn)要求。

表1 實(shí)驗(yàn)室模擬單井產(chǎn)氣量計(jì)算Table 1 Gas production calculation of laboratory simulated single well

2.2 氣驅(qū)實(shí)驗(yàn)方案

氣井防砂效果對比室內(nèi)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)流程見圖1。為保持實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可對比性，所有實(shí)驗(yàn)氣量在40～70 m3/h，實(shí)驗(yàn)氣源壓力為5 MPa，驅(qū)替時(shí)長2～3 h。

圖1 氣井防砂效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)流程圖Fig. 1 Flow chart of sand control effect evaluation experiment of gas well

3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)成果

3.1 不同防砂方式出砂對比實(shí)驗(yàn)

通過滲透率變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著驅(qū)替時(shí)間的增長，120 μm篩網(wǎng)礫石充填和120 μm篩網(wǎng)簡易防砂實(shí)驗(yàn)中篩網(wǎng)滲透率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，說明在高速氣體的攜帶下，地層疏松砂粒不斷侵入篩網(wǎng)，堵塞篩板。

選用篩網(wǎng)簡易防砂模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，擋砂層滲透率為篩網(wǎng)礫石充填條件下的1/4左右，說明篩網(wǎng)礫石充填從過流能力方面來說，優(yōu)于篩網(wǎng)簡易防砂方式。在3 h實(shí)驗(yàn)時(shí)長內(nèi)，篩網(wǎng)礫石充填和篩網(wǎng)簡易防砂滲透率下降幅度分別為17%和0.7%。其原因分析為：前者驅(qū)替速度為60 m3/h比后者50 m3/h具有更高的流速，因此可攜帶更多的固相顆粒至防砂層，礫石層和篩網(wǎng)發(fā)生堵塞的風(fēng)險(xiǎn)更高。

在更高的驅(qū)替速度下，篩網(wǎng)礫石充填防砂出砂量遠(yuǎn)小于篩網(wǎng)簡易防砂（表2），前者出砂量僅為后者的26%左右，說明礫石充填將固相顆粒阻擋在了地層段，具有更好的控砂效果。綜合防砂層過流能力和出砂質(zhì)量，礫石充填防砂比篩管獨(dú)立防砂更有優(yōu)勢。

表2 相同實(shí)驗(yàn)條件下不同防砂方式出砂量對比Table 2 Comparison of sand production under different sand control methods under the same experimental conditions

3.2 礫石充填防砂精度對比實(shí)驗(yàn)

對比實(shí)驗(yàn)中，分別進(jìn)行60 μm篩網(wǎng)70/100目礫石充填、100 μm篩網(wǎng)40/60目礫石充填和120 μm篩網(wǎng)20/40目礫石充填實(shí)驗(yàn)。通過滲透率變化可以發(fā)現(xiàn)，隨著驅(qū)替時(shí)間的增長，篩網(wǎng)滲透率基本保持穩(wěn)定。

60 μm篩網(wǎng)70/100目礫石充填實(shí)驗(yàn)，3 h內(nèi)滲透率僅下降1.1%，但過流壓降由0.124 MPa逐漸上升至0.13 MPa，過流阻力增高4.8%。

100 μm篩網(wǎng)40/60目礫石充填實(shí)驗(yàn)，3 h內(nèi)滲透率僅下降1.6%，但過流壓降由0.083 MPa逐漸上升至0.089 MPa，過流阻力增高7.22%。

120 μm篩網(wǎng)20/40目礫石充填實(shí)驗(yàn)，3 h內(nèi)滲透率僅下降17%，過流壓降由0.025 MPa逐漸上升至0.045 MPa。

為了驗(yàn)證進(jìn)一步放大篩網(wǎng)孔徑的情況下，20/40目礫石充填防砂層的滲透率是否會(huì)有進(jìn)一步的提升，在120 μm篩網(wǎng)20/40目礫石充填實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了150 μm篩網(wǎng)20/40目陶粒充填和200 μm篩網(wǎng)20/40目陶粒充填的對比性實(shí)驗(yàn)。并分別進(jìn)行流量60 m3/h、時(shí)長3 h的恒壓氣體驅(qū)替實(shí)驗(yàn)（表3）。

表3 不同精度篩板匹配20/40目陶粒出砂量對比Table 3 Comparison of sand production of 20 / 40 mesh ceramsite matched with different precision sieve plates

經(jīng)過對比可見，120 μm較150 μm精度篩板進(jìn)行礫石充填，其滲透能力在5倍以上，二者出砂量幾乎持平，說明120 μm更適合與20/40目陶粒進(jìn)行充填防砂。若篩板精度持續(xù)放大到200 μm，此時(shí)篩板層過流能力略低于120 μm，但出砂量遠(yuǎn)高于120 μm充填，控砂效果較差。

同等實(shí)驗(yàn)條件下，120 μm篩網(wǎng)20/40目礫石充填其篩網(wǎng)滲透率持續(xù)保持在較高水平，是其他充填方式的2倍，篩網(wǎng)過流壓降在0.05 MPa以下，且出砂量較低。120 μm篩網(wǎng)充填20/40目陶粒相比150 μm和200 μm精度篩網(wǎng)具有更高的滲透率，且過流壓降小，出砂量明顯低于200 μm篩網(wǎng)，控砂效果好。

3.3 不同驅(qū)替時(shí)長對比實(shí)驗(yàn)

為了對比120 μm篩網(wǎng)20/40目礫石充填長時(shí)間驅(qū)替滲透率的保持情況，開展了2倍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)長共計(jì)6 h的室內(nèi)驅(qū)替。驅(qū)替流速高達(dá)60 m3/h，得到篩網(wǎng)的滲透率及出砂量變化趨勢（圖2），滲透率損失幅度約為14%，分時(shí)段檢測出砂量呈明顯下降趨勢。

圖2 驅(qū)替6 h滲透率及出砂量變化圖Fig. 2 Variation diagram of permeability and sand production after 6 hours of displacement

將長時(shí)間驅(qū)替下120 μm篩網(wǎng)20/40目礫石充填與不同充填精度下的滲透率進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)120 μm篩網(wǎng)20/40目長時(shí)間驅(qū)替后雖然滲透率有所下降，但相比于其他3種充填精度仍然保持在較高水平。分階段測量出砂量，第一階段60 min出砂0.021 g，占比總出砂量的47%，第二至第四階段出砂量明顯減弱（表4）。說明氣井在開井后的初期階段是出砂的高峰。

表4 不同階段出砂量對比Table 4 Comparison of sand production in different stages

120 μm+20/40目陶粒充填進(jìn)行了6 h長時(shí)間驅(qū)替，其篩板滲透率損失率約為14%，出砂量呈明顯的下降趨勢。

3.4 礫石充填厚度對比實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步論證礫石充填的厚度對篩網(wǎng)滲透率的影響，進(jìn)行120 μm篩網(wǎng)在1"、1.5"、2"和3"四種不同充填厚度下?lián)跎靶Ч麑Ρ葘?shí)驗(yàn)（表5）。

表5 不同礫石充填厚度下出砂量對比Table 5 Comparison of sand production under different gravel packing thickness

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可知，礫石層充填厚度對篩網(wǎng)滲透率有較大影響，充填厚度由1″增大至2″后，篩板滲透率平均值由550×10-3μm2上升至766×10-3μm2，提高了40%；從2″增大到3″后，篩板滲透率平均值由766×10-3μm2上升至1 540×10-3μm2，進(jìn)一步提高了101%左右，提升幅度明顯，說明更厚的礫石層能夠更好阻擋砂粒堵塞篩管。篩網(wǎng)過流壓降以及出砂量幾乎相同，說明1.5″厚度以上的礫石層能夠有效地將地層砂阻擋在砂粒接觸面。

3.5 不同結(jié)構(gòu)篩管礫石充填對比實(shí)驗(yàn)

將編織網(wǎng)型篩網(wǎng)和泡沫金屬篩網(wǎng)充填20/40目陶粒后，分別進(jìn)行流量50 m3/h、時(shí)長3 h的恒壓氣體驅(qū)替實(shí)驗(yàn)（表6）。

表6 不同防砂介質(zhì)充填20/40目陶粒出砂量對比Table 6 Comparison of sand production of 20 / 40 mesh ceramsite filled with different sand control media

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可知，120 μm泡沫金屬篩網(wǎng)與120 μm和200 μm編織網(wǎng)篩型篩網(wǎng)滲透率較為接近，但泡沫金屬篩網(wǎng)具有更好的滲透穩(wěn)定性。從過流壓降上來說，泡沫金屬篩網(wǎng)與編織網(wǎng)型篩網(wǎng)過流阻力在0.02～0.075 MPa范圍，均屬于較弱的過流阻力，整體上編織網(wǎng)過流能力略有優(yōu)勢；從出砂量上，泡沫金屬篩網(wǎng)與編織網(wǎng)型篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)。綜合過流能力和控砂能力，編制網(wǎng)結(jié)構(gòu)篩網(wǎng)略優(yōu)于泡沫金屬篩網(wǎng)。

4 結(jié)論

根據(jù)L高產(chǎn)氣田出砂模擬實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1）針對此類日產(chǎn)氣量在 (100～200)×104m3的高產(chǎn)氣井，從過流能力和控砂效果方面來說，礫石充填防砂比篩管獨(dú)立防砂更有優(yōu)勢。

（2）通過不同充填精度的對比實(shí)驗(yàn)以及3倍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)長驅(qū)替，得出L氣田采用120 μm篩網(wǎng)充填20/40目礫石為最優(yōu)防砂方案。

（3）綜合篩管過流能力和抗沖蝕能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：充填層厚度至少達(dá)到1.5 in以上才能有效地將地層砂阻擋在充填砂與地層砂的接觸面。

（4）從L高產(chǎn)氣田完井后的試生產(chǎn)情況來看，通過本次實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)優(yōu)選的防砂方案防砂效果良好，本實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方案具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。