高泥質(zhì)高瀝青質(zhì)稠油油藏高效防砂方式評(píng)價(jià)與優(yōu)選實(shí)驗(yàn)*

胡澤根 戰(zhàn)鑫杰 熊書(shū)權(quán) 董長(zhǎng)銀 張斌斌 李 凡 黃有藝 王肇峰 陳 琛

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部 天津 300450； 2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 山東青島 266580；3. 中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 廣東深圳 518000)

海上E油田儲(chǔ)層泥質(zhì)和細(xì)粉砂含量高，原油黏度大，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量高，前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中普遍存在投產(chǎn)后產(chǎn)量下降較快，生產(chǎn)壓差大等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了油田的開(kāi)發(fā)開(kāi)采。為了提高防砂效果和油井產(chǎn)能，有必要針對(duì)介質(zhì)堵塞機(jī)理和防砂工藝深入分析，研究出一套適合海上高泥質(zhì)高瀝青質(zhì)稠油油藏開(kāi)發(fā)的防砂技術(shù)方案。目前防砂井擋砂介質(zhì)堵塞已成為油井產(chǎn)能下降、制約油氣井正常開(kāi)發(fā)的重要因素之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)上述問(wèn)題從堵塞物成分、堵塞機(jī)理以及影響因素到具體防控砂工藝設(shè)計(jì)展開(kāi)系統(tǒng)的研究。在油氣井堵塞物研究方面[1-3]，通過(guò)X射線衍射等分析手段以及實(shí)驗(yàn)手段揭示了堵塞物成分、堵塞原因及初步防控措施。關(guān)于防砂井堵塞機(jī)制的研究集中在機(jī)械篩管[4-9]和礫石層的堵塞[10-17]，主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段模擬不同生產(chǎn)、地質(zhì)以及防砂介質(zhì)條件下，地層砂顆粒、稠油等堵塞物對(duì)防砂介質(zhì)滲透性與控砂效果的影響，探究了防砂介質(zhì)在不同地層砂粒度中值、泥質(zhì)含量、流體黏度及流速等因素[5-7,14-17]影響下堵塞規(guī)律的差異，并提出了相應(yīng)的堵塞機(jī)制及其預(yù)測(cè)模型[7-9,15-16]。但上述堵塞機(jī)制研究大多針對(duì)單一防砂介質(zhì)，而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的防砂工藝與方法堵塞規(guī)律研究涉及較少；在防砂工藝設(shè)計(jì)方面，專家學(xué)者分別通過(guò)理論研究和實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)手段開(kāi)展了防砂參數(shù)以及防砂方式優(yōu)選研究。早期學(xué)者們基于室內(nèi)模擬出砂與擋砂實(shí)驗(yàn)[8-9,18-20]，綜合考慮地層砂粒度中值、均勻系數(shù)、泥質(zhì)含量、油藏非均質(zhì)性，建立了防砂方式優(yōu)選圖版[21-29]，為前期油藏開(kāi)發(fā)的防砂方案設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)與支持；董長(zhǎng)銀 等[18,30]通過(guò)構(gòu)建擋砂介質(zhì)綜合性能評(píng)價(jià)方法，針對(duì)不同物性儲(chǔ)層，系統(tǒng)開(kāi)展了不同類型篩管擋砂介質(zhì)以及礫石充填防砂方式的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，揭示了不同介質(zhì)的擋砂與堵塞規(guī)律，為防砂方式優(yōu)選和控砂參數(shù)優(yōu)化提供了理論和數(shù)據(jù)支持。但上述研究針對(duì)高泥質(zhì)高瀝青質(zhì)細(xì)粉砂稠油油藏描述較少，評(píng)價(jià)的防砂方式種類相對(duì)單一，難以有效適用于現(xiàn)場(chǎng)不同地質(zhì)和開(kāi)采條件下多類防砂工藝。也有學(xué)者應(yīng)用綜合模糊評(píng)判方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等[31-35]數(shù)學(xué)方法對(duì)油氣井防砂方法優(yōu)選，這些方法能夠很大程度上克服防砂方法優(yōu)選中由于影響因素繁多，適應(yīng)界限難以確定而造成的局限等問(wèn)題，但受樣本質(zhì)量影響大，使用起來(lái)較復(fù)雜，難以在油田廣泛應(yīng)用。依據(jù)產(chǎn)能比[36-38]優(yōu)選防砂完井方式是防砂井，特別是稠油井常用方式之一，該方法能夠很好結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，但對(duì)油井的防砂效果考慮較少。綜上所述，目前關(guān)于擋砂介質(zhì)堵塞和防砂方式優(yōu)選評(píng)價(jià)方面研究，主要是針對(duì)單一機(jī)械篩管或籠統(tǒng)的礫石充填，關(guān)于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜充填防砂工藝涉及較少，且大多基礎(chǔ)常規(guī)疏松砂巖儲(chǔ)層條件，對(duì)于高泥質(zhì)高瀝青質(zhì)細(xì)粉砂稠油油藏的適應(yīng)性尚不明確。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用耐高壓稠油油藏控砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置模擬實(shí)際儲(chǔ)層條件，使用3類篩管、2種陶粒模擬循環(huán)充填、高速水充填、擠壓充填、壓裂充填4種防砂方式，開(kāi)展防砂介質(zhì)參數(shù)優(yōu)化以及防砂方式評(píng)價(jià)優(yōu)選實(shí)驗(yàn)。基于擋砂與堵塞動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，揭示不同防砂方式堵塞機(jī)制，通過(guò)介質(zhì)綜合性能評(píng)價(jià)方法[18,30]完成不同防砂方式評(píng)價(jià)，并結(jié)合產(chǎn)能評(píng)價(jià)給出最終防砂技術(shù)方案。

1 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)材料

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用耐高壓稠油油藏控砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置，與常規(guī)擋砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置相比有2處改進(jìn)：第一，裝置耐壓性提高，最高耐壓5 MPa，可模擬井底高壓情況；第二，增設(shè)稠油旁注系統(tǒng)，可模擬井底油水協(xié)同產(chǎn)出過(guò)程，實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要由徑向流模擬井筒、單向流模擬井筒、柱塞泵、儲(chǔ)液罐、自動(dòng)加砂器、集砂器、稠油旁注系統(tǒng)、差壓、流量傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分構(gòu)成。徑向流模擬井筒裝置高450 mm，內(nèi)徑為300 mm，能夠容納外徑80～300 mm的篩管短節(jié)以及充填礫石，液流入口共計(jì)6個(gè)，在模擬井筒上按照上、下兩層分布，同一層相鄰入流口成120°分布；單向主體裝置分別為內(nèi)徑50、75、100 mm的模擬井筒，本文使用的井筒內(nèi)徑75 mm，單節(jié)井筒長(zhǎng)150 mm，共3節(jié)井筒，可充填不同厚度的礫石層。實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖2所示。

為模擬循環(huán)充填、高速水充填、擠壓充填以及壓裂充填等防砂方式，需考慮不同防砂方式特點(diǎn)，前三者的差異主要體現(xiàn)在礫石層厚度方面，而壓裂充填具有導(dǎo)流裂縫，鑒于此，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的模擬地層厚度以及礫石層厚度來(lái)模擬構(gòu)建循環(huán)充填、高速水充填、擠壓充填防砂方式；通過(guò)壓裂裂縫模具來(lái)構(gòu)建壓裂充填防砂方式，如圖3所示。循環(huán)充填、高速水充填以及擠壓充填礫石層厚度比約為1∶2∶3，模擬地層由復(fù)配地層砂構(gòu)成。由于實(shí)驗(yàn)裝置限制，壓裂充填模擬實(shí)驗(yàn)裂縫尺度較小，無(wú)法與其他3種防砂方式直接對(duì)比，采用壓裂充填對(duì)比實(shí)驗(yàn)(擠壓充填)，即將壓裂模具裂縫內(nèi)陶粒全部替換為模擬地層砂，開(kāi)展相對(duì)對(duì)比評(píng)價(jià)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)流體為清水和稠油，實(shí)驗(yàn)稠油(圖4a)為海上E油田目標(biāo)區(qū)塊稠油井取得，地面脫氣原油黏度為3 050 mPa·s。模擬地層砂根據(jù)目標(biāo)區(qū)塊典型井重點(diǎn)層位地層砂篩析數(shù)據(jù)確定，地層砂粒徑中值為0.112 7 mm，泥質(zhì)含量19%，泥質(zhì)配比為伊利石∶蒙脫石∶高嶺石∶綠泥石=9∶6∶3∶2，模擬地層砂(FA)與原始地層砂粒度分布曲線如圖4b所示，曲線擬合度在95%以上，符合實(shí)驗(yàn)需求。

圖1 耐高壓稠油油藏控砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.1 Physical diagram of sand control simulation experiment device for heavy oil reservoir under high-pressure

圖2 耐高壓稠油油藏控砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.2 Flow chart of sand control simulation experiment device for heavy oil reservoir under high-pressure

圖3 不同充填防砂方式實(shí)驗(yàn)?zāi)MFig.3 Simulation of different filling sand control methods

圖4 實(shí)驗(yàn)用E油田稠油樣品和地層砂篩析曲線Fig.4 Screening curve of sand and heavy oil samples in E oilfield

實(shí)驗(yàn)所用篩管短節(jié)囊括了常規(guī)金屬網(wǎng)布篩管、復(fù)合濾網(wǎng)篩管、抗堵塞篩管3類，篩管精度分別為125、177、200和250 μm；礫石充填材料主要有常規(guī)陶粒、疏水陶粒兩種，粒徑范圍分別為0.3～0.6 mm、0.4～0.8 mm和0.6～1.2 mm，具體編號(hào)以及基本參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用篩管及礫石參數(shù)Table 1 Parameters of screen and gravel for experiment

1.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比策略及基本過(guò)程

為便于不同防砂方式的橫向?qū)Ρ?，?shí)驗(yàn)采取控制變量法，既保證所用地層砂、充填陶粒、防砂篩管以及驅(qū)替流體等保持一致，僅防砂方式不同。

實(shí)驗(yàn)前首先儲(chǔ)液罐中配備足量清水、柱塞容器中配備足量稠油；手動(dòng)清理上一組實(shí)驗(yàn)地層砂、陶粒、稠油，并用蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的高溫蒸汽以及儲(chǔ)液罐中清水沖洗管道，保證整個(gè)裝置內(nèi)基本無(wú)油、無(wú)砂；根據(jù)不同防砂方式將模具(圓筒模具和壓裂模具，圓筒模具為具有導(dǎo)流孔的圓筒，壓裂模具在圓筒模具基礎(chǔ)上增加了具有大導(dǎo)流孔的雙翼裂縫)、篩管短節(jié)放入徑向流裝置，充填地層砂、陶粒，兩端軟墊密封；開(kāi)啟液泵，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集，首先清水驅(qū)替500 s，其次清水+稠油驅(qū)替500 s；為保證加砂器中地層砂不會(huì)干擾清水驅(qū)替和清水+稠油驅(qū)替階段，一開(kāi)始加砂器中不加地層砂，上述實(shí)驗(yàn)完成后關(guān)泵，再向自動(dòng)加砂器中加入1 000 g復(fù)配地層砂，開(kāi)展油、水、砂混合驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)壓差、流量基本穩(wěn)定后，即可停止實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中始終保持采集徑向模擬井筒內(nèi)外壓差、流量等數(shù)據(jù)。

2 單項(xiàng)防砂參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為保證不同防砂方式對(duì)比結(jié)果的合理性，需要針對(duì)高泥質(zhì)高瀝青質(zhì)細(xì)粉砂條件，開(kāi)展單項(xiàng)防砂參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)防砂方式優(yōu)化提供依據(jù)。

2.1 篩管類型及精度優(yōu)化

以標(biāo)稱精度分別為125、177、200、250 μm常規(guī)金屬網(wǎng)布篩管、復(fù)合濾網(wǎng)篩管、抗堵塞篩管3類篩管為評(píng)價(jià)對(duì)象，針對(duì)粒徑中值0.112 7 mm、泥質(zhì)含量19%地層砂以及地面脫氣原油黏度為3 050 mPa·s的稠油(25 ℃)，在耐高壓稠油油藏控砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置徑向模擬井筒內(nèi)開(kāi)展24組篩管擋砂和堵塞實(shí)驗(yàn)(包括12組無(wú)稠油條件下過(guò)砂量測(cè)試實(shí)驗(yàn))，防砂方式為獨(dú)立篩管防砂，使用擋砂介質(zhì)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法[18]進(jìn)行篩管類型及精度優(yōu)化。不同篩管短節(jié)兩側(cè)壓差隨時(shí)間變化、性能指標(biāo)對(duì)比如圖5所示。

圖5 不同篩管流動(dòng)壓差隨時(shí)間變化及性能指標(biāo)對(duì)比Fig.5 Variations of screen flow differential pressure and comparison of performance indicators

圖5a顯示，當(dāng)篩管精度大于200 μm后，除復(fù)合濾網(wǎng)篩管外，篩管內(nèi)、外壓差沒(méi)有明顯變化，篩管流通性較好，但對(duì)地層砂阻擋作用差；同精度條件下，復(fù)合濾網(wǎng)篩管壓差上升速度最快、上升幅度最大，篩管堵塞嚴(yán)重。圖5b對(duì)比結(jié)果顯示，隨篩管精度增加，綜合性能指標(biāo)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在177 μm條件下，篩管具有最優(yōu)防砂效果；抗堵塞篩管始終能保持更高的綜合性能，綜上分析，針對(duì)高泥質(zhì)高瀝青質(zhì)細(xì)粉砂儲(chǔ)層及稠油條件，優(yōu)先推薦抗堵塞篩管為最優(yōu)防砂篩管類型，擋砂精度推薦為177 μm，若僅考慮支撐礫石層，可適當(dāng)放寬至200 μm。

2.2 充填材料及粒徑優(yōu)化

以粒徑范圍分別為0.3～0.6 mm、0.4～0.8 mm、0.6～1.2 mm的常規(guī)陶粒(C1、C2、C3)、疏水陶粒(W1、W2、W3)2類陶粒為評(píng)價(jià)對(duì)象，針對(duì)粒徑中值0.112 7 mm、泥質(zhì)含量19%地層砂以及地面脫氣原油黏度為3 050 mPa·s的稠油(25 ℃)，在耐高壓稠油油藏控砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置單向模擬井筒內(nèi)開(kāi)展12組篩管擋砂和堵塞實(shí)驗(yàn)(包括6組無(wú)稠油條件下過(guò)砂量測(cè)試實(shí)驗(yàn))，防砂方式近似為局部的擠壓充填方式。不同充填陶粒礫石層兩側(cè)壓差隨時(shí)間變化、性能指標(biāo)對(duì)比如圖6所示。

圖6 不同陶粒礫石層流動(dòng)壓差隨時(shí)間變化及性能指標(biāo)對(duì)比Fig.6 Variations of ceramic gravel layer flow differential pressure and comparison of performance indicators

圖6a顯示，當(dāng)陶粒粒徑范圍為0.6～1.2 mm時(shí)，礫石層兩側(cè)壓差變化幅度較小，油、砂堵塞程度較低；相同粒徑范圍下，疏水陶粒對(duì)水流阻力更大，礫石層最終壓差較高。圖6b對(duì)比結(jié)果顯示，隨陶粒粒徑增加，綜合性能指標(biāo)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在0.4～0.8 mm條件下，陶粒礫石層具有最優(yōu)防砂效果?？傮w上，常規(guī)陶粒綜合防砂性能更優(yōu)，推薦為最優(yōu)礫石充填材料，若有控水需求，可以考慮疏水陶粒；陶粒粒徑推薦為0.4～0.8 mm。

3 不同防砂方式對(duì)比評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 擋砂堵塞實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)分析

根據(jù)上述參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，以精度177 μm的抗堵塞篩管、粒徑范圍0.4～0.8 mm的常規(guī)陶粒(C2)以及疏水陶粒(W2)為典型條件，分別模擬高速水充填、擠壓充填、循環(huán)充填3種防砂方式，共計(jì)12組實(shí)驗(yàn)(包括6組無(wú)稠油條件下過(guò)砂量測(cè)試實(shí)驗(yàn))，對(duì)比稠油和地層砂對(duì)不同充填方式擋砂和堵塞的影響規(guī)律。不同充填防砂方式下通過(guò)擋砂層(模擬地層和礫石層)流量、內(nèi)外壓差以及滲透率如圖7所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后觀察表面油砂堵塞形態(tài)，如圖8所示。

驅(qū)替過(guò)程總體可分為清水驅(qū)替階段(0～500 s)、清水+稠油驅(qū)替階段(500～1 000 s)、油水砂復(fù)合驅(qū)替階段(1 000～3 500 s)。清水驅(qū)替階段，不同充填方式下壓差、流量以及滲透率基本保持穩(wěn)定，同一陶粒以及模擬地層條件下，擠壓充填初始滲透率最高、高速水充填次之，循環(huán)充填最低。擠壓充填篩管外全被礫石層包裹，初始滲透率分別為2.7 D(常規(guī)陶粒)、2.0 D(疏水陶粒)。

清水+稠油驅(qū)替階段，隨稠油注入，對(duì)于常規(guī)陶粒，高速水充填、循環(huán)充填由于模擬地層孔隙較小，對(duì)油粘滯阻力大，驅(qū)替壓差上升明顯，終了壓差分別為0.46、0.74 kPa；停注稠油后，3種充填方式滲透率均有一定恢復(fù)，但無(wú)法回到初始階段，終了滲透率滿足擠壓充填>高速水充填>循環(huán)充填。對(duì)于疏水陶粒也有類似變化規(guī)律。

油水砂復(fù)合驅(qū)替階段，隨著地層砂加入，不同充填方式堵塞動(dòng)態(tài)差異明顯：對(duì)于循環(huán)充填以及高速水充填，礫石層外有模擬地層包裹，來(lái)流油砂很快侵入模擬地層，擋砂層內(nèi)外壓差迅速上升、流量降低，但很快趨于穩(wěn)定；擠壓充填由于礫石層直接面對(duì)流體攜帶地層砂沖擊，初始流通孔隙大，礫石層滲透性呈多階梯下降規(guī)律。

圖7 2種陶粒3種防砂方式流動(dòng)壓差、滲透率對(duì)比Fig.7 Comparison of flow pressure difference and permeability of two ceramsites and three sand control methods

圖8 常規(guī)陶粒不同防砂方式稠油、地層砂復(fù)合堵塞后表面形態(tài)Fig.8 Surface morphology of heavy oil and formation sand after composite blockage by conventional ceramsite with different sand control methods

綜上分析，防砂方式的不同決定了擋砂與堵塞規(guī)律的差異，對(duì)于礫石層較薄循環(huán)充填和高速水充填，存在單級(jí)橋架復(fù)合堵塞機(jī)制：針對(duì)高泥質(zhì)細(xì)粉砂儲(chǔ)層特點(diǎn)，油砂一旦產(chǎn)出，小顆粒地層砂以及部分稠油能夠通過(guò)擋砂層進(jìn)入井筒，中粗顆粒地層砂在泥質(zhì)和稠油的雙重作用下極易被近井儲(chǔ)層和礫石層阻擋，形成較穩(wěn)定致密橋架擋砂結(jié)構(gòu)，且隨出砂的加劇，橋架結(jié)構(gòu)不斷向地層深部擴(kuò)展；對(duì)于儲(chǔ)層存在較大虧空段，需要將礫石擠壓到管外地層虧空區(qū)域的擠壓充填防砂方式，存在著多級(jí)橋架復(fù)合堵塞機(jī)制：擠壓充填礫石層往往直接面對(duì)流體攜砂沖擊，地層砂顆粒、泥質(zhì)組分、稠油等極易侵入礫石孔隙內(nèi)，但由于礫石孔隙相比地層孔隙較大，礫石層堵塞速度較慢，當(dāng)大量礫石孔隙被堵塞后，礫石-稠油-地層砂-泥質(zhì)初級(jí)橋架結(jié)構(gòu)形成；若地層還在不斷產(chǎn)油、產(chǎn)砂，由于礫石顆粒與地層砂顆粒粒徑差異較大，初級(jí)橋架結(jié)構(gòu)將不斷被壓縮重組，形成更為致密穩(wěn)定的擋砂層，橋架結(jié)構(gòu)壓縮重組次數(shù)越多，礫石層堵塞越嚴(yán)重。

如圖7a，對(duì)于常規(guī)陶粒組成的擠壓充填防砂方式，分別在2 000、2 250、2 500、2 700和3 000 s左右分別形成了不同滲透性的橋架結(jié)構(gòu)，終了滲透率約為0.042 D；而對(duì)于疏水陶粒來(lái)說(shuō)，如圖7b，分別在2 250、3 500 s形成了橋架結(jié)構(gòu)，終了滲透率為0.059 D。橋架結(jié)構(gòu)形成次數(shù)越多，終了滲透率越低。

基于上述堵塞規(guī)律差異，針對(duì)不同防砂方式給出初步生產(chǎn)指導(dǎo)建議，針對(duì)以單級(jí)橋架復(fù)合堵塞機(jī)理為主的循環(huán)充填、高速水充填等防砂方式，在高泥質(zhì)高瀝青質(zhì)細(xì)粉砂儲(chǔ)層條件下，防砂精度設(shè)計(jì)需在常規(guī)儲(chǔ)層條件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上適當(dāng)放寬1個(gè)級(jí)別；針對(duì)以多級(jí)橋架復(fù)合堵塞機(jī)理為主的擠壓充填防砂方式，需要在上述循環(huán)充填等設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上再降低1個(gè)級(jí)別。

3.2 不同防砂方式對(duì)比評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步分析不同防砂方式流通性差異，使用階段平均滲透率、平均滲透率反映不同充填防砂方式在清水+稠油驅(qū)替階段以及整個(gè)驅(qū)替階段的流通性，二者與初始滲透率之比，分別為階段平均滲透率比、平均滲透率比，油水砂驅(qū)替達(dá)到堵塞平衡時(shí)的滲透率為終了滲透率，其與初始滲透率之比為最終滲透率比。不同充填防砂方式的流通特性指標(biāo)如圖9所示。

圖9 2種陶粒3種防砂方式流通特性指標(biāo)對(duì)比Fig.9 Comparison of flow characteristics of two kinds of ceramsites and three sand control methods

由圖9a、b可知，2種陶粒條件下，不同充填防砂方式階段滲透率變化規(guī)律相近：擠壓充填階段平均滲透率以及平均滲透率均明顯高于同條件下的循環(huán)充填以及高速水充填，但平衡滲透率較低，總體流通性滿足：擠壓充填>高速水充填>循環(huán)充填。由圖9c、d可知，對(duì)于常規(guī)陶粒和疏水陶粒，除常規(guī)陶粒下的階段平均滲透率比，擠壓充填的其他各階段滲透率比均處于最低水平，總體抗堵塞性滿足：高速水充填>循環(huán)充填>擠壓充填。

為進(jìn)一步分析不同防砂方式擋砂能力差異，定義不同充填防砂方式加砂后300～600 s時(shí)間段內(nèi)地層砂通過(guò)擋砂層的平均速度為初期過(guò)砂速度、通過(guò)擋砂層總地層砂量和總液量之比為初期過(guò)砂含砂率；定義擋砂層達(dá)到堵塞平衡后300～600 s時(shí)間段內(nèi)地層砂通過(guò)擋砂層的平均速度為末期過(guò)砂速度、通過(guò)擋砂層總地層砂量和總液量之比為末期過(guò)砂含砂率；通過(guò)擋砂層地層砂量和總加砂量之比為總過(guò)砂率。不同充填防砂方式的擋砂特性指標(biāo)如圖10所示。

圖10 2種陶粒3種防砂方式擋砂特性指標(biāo)對(duì)比Fig.10 Comparison of sand retaining characteristics of two ceramsites and three sand control methods

相同條件下，過(guò)砂速度越快、過(guò)砂含砂率越高、總過(guò)砂率越大，介質(zhì)擋砂能力越差。由圖10可知，出砂早期擋砂層流通性好，過(guò)砂速度、含砂率較高；出砂后期擋砂層堵塞嚴(yán)重，過(guò)砂速度、含砂率顯著降低，高速水充填各階段過(guò)砂速度最快、過(guò)砂含砂率最高。對(duì)于常規(guī)陶粒，循環(huán)充填、高速水充填以及擠壓充填總過(guò)砂率分別為7.00%、8.45%、14.15%；對(duì)于疏水陶粒，總過(guò)砂率分別為5.50%、8.95%、14.90%。綜合上述擋砂特性指標(biāo)，循環(huán)充填擋砂能力最好，擠壓充填次之，但差距不大，高速水充填擋砂能力最差。

依據(jù)上述特征指標(biāo)，根據(jù)擋砂介質(zhì)綜合性能及評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法[18]，分別計(jì)算高速水充填、擠壓充填、循環(huán)充填抗堵塞性能指標(biāo)、流通性能指標(biāo)、擋砂性能指標(biāo)以及綜合性能指標(biāo)，對(duì)比分析不同充填方式綜合防砂性能優(yōu)劣，優(yōu)選防砂方式。

圖11顯示，2種陶粒條件下，擠壓充填的流通性能明顯高于同條件下的循環(huán)充填和高速水充填，擋砂性能與循環(huán)充填相近，綜合考慮防砂方式擋砂和流通的需要，計(jì)算得到綜合性能指標(biāo)，對(duì)比結(jié)果顯示，擠壓充填綜合防砂效果最好，初步推薦為海上E油田高泥質(zhì)高瀝青質(zhì)稠油油藏較優(yōu)防砂方式。

3.3 壓裂充填防砂方式等效評(píng)價(jià)

本部分共開(kāi)展8組實(shí)驗(yàn)(包括4組無(wú)稠油條件下過(guò)砂量測(cè)試實(shí)驗(yàn))，由于壓裂充填實(shí)驗(yàn)無(wú)法與其他方式直接對(duì)比，壓裂充填評(píng)價(jià)使用與擠壓充填的相對(duì)對(duì)比評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法，根據(jù)擋砂介質(zhì)綜合性能及評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法，分別計(jì)算壓裂充填、擠壓充填抗堵塞性能指標(biāo)、流通性能指標(biāo)、擋砂性能指標(biāo)以及綜合性能指標(biāo)，對(duì)比分析壓裂充填、循環(huán)充填綜合防砂性能優(yōu)劣，為防砂方式優(yōu)選提供依據(jù)。

圖11 2種陶粒3種防砂方式性能指標(biāo)對(duì)比Fig.11 Comparison of performance indexes of two ceramsites and three sand control methods

圖12顯示，對(duì)于同一陶粒來(lái)說(shuō)，壓裂充填防砂方式流通性能要明顯高于同條件下擠壓充填，體現(xiàn)壓裂充填方式的增產(chǎn)效果，但由于存在高速入流的導(dǎo)流裂縫，泥砂更容易侵入礫石層，礫石層滲透性下降幅度要高于擠壓充填，抗堵塞性能較差；在擋砂性能方面，對(duì)于常規(guī)陶粒，壓裂充填與擠壓充填差異不大，對(duì)于疏水陶粒，其對(duì)水流阻力明顯高于常規(guī)陶粒，流通性能較差，同時(shí)擋砂能力得到提高，疏水陶粒條件下壓裂充填的擋砂性能要優(yōu)于同條件下的擠壓充填。綜合對(duì)比結(jié)果顯示，壓裂充填的綜合防砂效果要優(yōu)于擠壓充填，但由于裂縫尺寸限制，優(yōu)勢(shì)并不明顯。

圖12 2種陶粒壓裂和擠壓充填防砂方式性能指標(biāo)對(duì)比Fig.12 Index comparison of frac-pack and squeeze pack sand control methods under two ceramsite conditions

3.4 防砂方式綜合優(yōu)選

根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)優(yōu)選的最優(yōu)篩管類型、最優(yōu)防砂精度、最優(yōu)陶粒類型以及粒徑參數(shù)，進(jìn)行不同防砂方式產(chǎn)能對(duì)比評(píng)價(jià)。

典型生產(chǎn)和防砂參數(shù)：對(duì)于粒徑范圍為0.4～0.8 mm的常規(guī)陶粒，實(shí)驗(yàn)測(cè)得初始滲透率111.16 D；目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層地層砂粒度中值0.117 4 mm，設(shè)定產(chǎn)出砂組分占75%，出砂粒徑<0.1 mm，實(shí)驗(yàn)測(cè)得地層砂堆積滲透率為0.1 D，即機(jī)械篩管防砂后期砂埋滲透率；對(duì)于礫石充填，計(jì)算0.4～0.8 mm常規(guī)陶粒充填后按照3.5 MPa生產(chǎn)壓差計(jì)算，壓實(shí)滲透率[39]為53.51 D；如果摻入10%地層細(xì)砂后，滲透率約降低為33.2 D；對(duì)于篩管循環(huán)礫石充填，充填滲透率測(cè)算取值33.2 D；高速水充填半徑按0.5 m，擠壓充填半徑按1.0 m，壓裂充填縫寬按2 cm，縫長(zhǎng)按25 m。具體產(chǎn)能比計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

(1)

式(1)中：R為當(dāng)量產(chǎn)能比，無(wú)量綱；IPSC為套管射孔井防砂后采油指數(shù)，m3/(d·MPa)；IPP為套管射孔井采油指數(shù)，m3/(d·MPa)；re為泄油半徑，m；rw為井眼直徑，m；S為附加表皮系數(shù)，無(wú)量綱；SP為油井射孔表皮系數(shù)，無(wú)量綱；SSC防砂措施造成的附加表皮系數(shù)[40]，無(wú)量綱。

依據(jù)上述參數(shù)以及產(chǎn)能比計(jì)算公式，分別對(duì)目標(biāo)區(qū)塊的裸眼井X和射孔井Y進(jìn)行產(chǎn)能評(píng)價(jià)。

由圖13a可知，裸眼完井情況下，與獨(dú)立篩管防砂相比，循環(huán)充填、高速水充填、擠壓充填、壓裂充填的產(chǎn)能比分別提高16.7%、29.1%、41.5%和208.0%。由圖13b可知，射孔完井情況下，與獨(dú)立篩管防砂相比，循環(huán)充填、高速水充填、擠壓充填、壓裂充填的產(chǎn)能比分別提高90.0%、101.4%、119.0%和328.9%。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)及產(chǎn)能比計(jì)算分析結(jié)果，將5種防砂方式評(píng)價(jià)結(jié)果匯于表2中。針對(duì)稠油防砂，綜合實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)、產(chǎn)能評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)于基礎(chǔ)裸眼水平井，優(yōu)先推薦擠壓充填防砂方式，在擠壓充填難以實(shí)現(xiàn)情況下，進(jìn)行循環(huán)充填防砂。對(duì)于基礎(chǔ)射孔完井的定向井，優(yōu)先推薦壓裂充填防砂方式，兼顧增產(chǎn)效果；其次推薦擠壓防砂方式。

圖13 2口典型井5種防砂方式產(chǎn)能比及提高幅度對(duì)比Fig.13 Comparison of productivity ratio and increase range of five sand control methods in two typical wells

表2 防砂方式綜合推薦結(jié)果Table 2 Comprehensive recommended results of sand control methods

4 結(jié)論

1) 針對(duì)高泥質(zhì)高瀝青質(zhì)細(xì)粉砂儲(chǔ)層條件，采取礫石層較薄的循環(huán)充填和高速水充填防砂方式時(shí)，礫石層擋砂與堵塞過(guò)程存在著單級(jí)橋架復(fù)合堵塞機(jī)制，防砂精度設(shè)計(jì)需在常規(guī)儲(chǔ)層條件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上適當(dāng)放寬1個(gè)級(jí)別；采取擠壓充填防砂方式時(shí)，礫石層擋砂與堵塞過(guò)程存在著多級(jí)橋架復(fù)合堵塞機(jī)制，精度設(shè)計(jì)需要在上述循環(huán)充填、高速水充填設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上再降低1個(gè)級(jí)別。

2) 不同防砂方式對(duì)比評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，在高泥質(zhì)高瀝青質(zhì)細(xì)粉砂儲(chǔ)層條件下，壓裂充填滲透性最優(yōu)，擠壓充填次之，高速水充填和循環(huán)充填稍差，當(dāng)四者擋砂性能接近，綜合對(duì)比顯示，壓裂充填防砂效果最優(yōu)、擠壓充填次之

3) 綜合實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)、產(chǎn)能評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)于裸眼井，針對(duì)高泥質(zhì)高瀝青質(zhì)細(xì)粉砂條件，優(yōu)先推薦擠壓充填防砂方式，其次為循環(huán)充填防砂方式；對(duì)于射孔井，優(yōu)先推薦壓裂充填防砂方式，兼顧增產(chǎn)效果；其次推薦擠壓防砂方式。