外保護(hù)套對預(yù)充填篩管過流能力的影響研究

外保護(hù)套作為機(jī)械篩管的重要組成部件，對篩管過流能力的影響不可忽略。為此，以預(yù)充填篩管為例，通過一套小型可視化防砂模擬試驗(yàn)裝置研究了外保護(hù)套對預(yù)充填篩管過流能力的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著外保護(hù)套過流面積的增加，預(yù)充填篩管的米采油指數(shù)呈指數(shù)增加；當(dāng)外保護(hù)套上的沖縫槽寬度小于地層原始砂粒徑中值的3倍時，砂粒通過沖縫槽時易發(fā)生架橋堵塞，導(dǎo)致篩管過流能力大幅度下降；當(dāng)外保護(hù)套上的沖縫槽寬度大于等于地層原始砂粒徑中值的3倍時，外保護(hù)套上的沖縫槽對地層砂通過基本沒有影響，且有利于預(yù)充填篩管發(fā)揮其自解堵功能。所得結(jié)論可為預(yù)充填篩管外保護(hù)套的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

機(jī)械篩管； 預(yù)充填篩管； 礫石； 外保護(hù)套； 防砂模擬試驗(yàn)

中圖分類號：TE93

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.16082/i.cnki.issn.1001-4578.2024.11.014

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“陸相頁巖油儲層氧化溶蝕-滲吸協(xié)同作用對孔喉縫演變機(jī)制及增產(chǎn)機(jī)理研究”（52074221）；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“氣體加速效應(yīng)作用下深層高壓氣藏分層壓裂井固相產(chǎn)出機(jī)理研究”（52104005）；陜西省青年科技新星項(xiàng)目“水平井全井筒氣體攜液機(jī)理研究”（2023KJXX-052）。

Influence of Outer Protective Sleeve on the

Flow Capacity of Concentric Screen

Ma Chengyun1" Dou Yihua1" Deng Jingen2" Dou Liangbin3" Jiang Hailong1" Zheng Jie1

（1.Mechanical Engineering College， Xian Shiyou University；2.College of Petroleum Engineering， China University of Petroleum （Beijing）；3.College of Petroleum Engineering， Xian Shiyou University）

The outer protective sleeve is an important component of the mechanical screen， and its influence on the flow capacity of the screen cannot be ignored. Taking the concentric screen as an example， the influence of the outer protective sleeve on the flow capacity of the concentric screen was studied through a small visual sand control simulation test device. The test results show that as the open area of the outer protective sleeve increases， the productivity index per meter of the concentric screen increases exponentially. When the slot width on the outer protective sleeve is less than three times the median size of the original sand particles in the formation， bridging blockage easily occurs when sands pass through the slots， resulting in a significant decrease in the flow capacity of the screen. When the slot width on the outer protective sleeve is greater than or equal to three times the median size of the original sand particles in the formation， the slot on the outer protective sleeve has little effect on the passage of formation sand， and is favorable for the concentric screen to exert its self-unblocking function. The study conclusions provide a basis for the design of the outer protective sleeve of concentric screen.

mechanical screen；concentric screen；gravel；outer protective sleeve；sand control simulation test

0" 引" 言

機(jī)械篩管作為一種常用的井下防砂工具，通常由外保護(hù)套、擋砂介質(zhì)和基管3部分組成，對于油氣長效穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義［1-2］。擋砂精度是篩管防砂的關(guān)鍵參數(shù)之一，關(guān)系到能否獲得較高的防砂后產(chǎn)能以及有效的阻擋地層砂［3-5］。在進(jìn)行機(jī)械篩管防砂設(shè)計(jì)時，機(jī)械篩管的擋砂精度一般根據(jù)地層原始砂粒徑、生產(chǎn)條件和防砂目的綜合確定。外保護(hù)套作為篩管高效防砂的另一關(guān)鍵部件，是第一道擋砂屏障，主要作用是保護(hù)擋砂介質(zhì)。如果外保護(hù)套上的布孔參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，不僅影響篩管壓潰載荷性能［6］，而且孔眼容易被堵塞［7-8］，造成壓力損耗，影響篩管過流能力。尤其對于預(yù)充填防砂篩管［9-11］，礫石擋砂介質(zhì)與外保護(hù)套直接接觸，在一定程度上，外保護(hù)套上的流道參數(shù)會直接影響預(yù)充填篩管的擋砂精度。目前，關(guān)于外保護(hù)套上布孔參數(shù)對機(jī)械篩管過流能力的影響研究較少。肖遙等［7］研究了沖縫外殼縫長和開口尺寸對機(jī)械篩管過流能力的影響，認(rèn)為適當(dāng)增大沖縫外殼縫長和開口尺寸可優(yōu)化機(jī)械篩管整體抗堵塞性能和過流能力，但沒有揭示外保護(hù)套對機(jī)械篩管過流能力影響的內(nèi)在機(jī)理。為此，本文以預(yù)充填篩管為例，開展了外保護(hù)套對篩管過流能力的影響研究，揭示外保護(hù)套上的布孔參數(shù)對篩管過流能力的影響規(guī)律，并提出外保護(hù)套上布孔參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以期為機(jī)械篩管外保護(hù)套的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

1" "試驗(yàn)原理與方法

1.1" 試驗(yàn)裝置

預(yù)充填篩管的防砂原理是指地層砂隨地層流體依次通過篩管與地層之間的環(huán)形空間、外保護(hù)套、礫石層和割縫基管的過程中，流體在壓差作用下通過篩管進(jìn)入井筒，砂會逐漸滯留到礫石層（見圖1）。基于這一原理，引入了一種小型可視化防砂試驗(yàn)裝置和方法，用于研究外保護(hù)套對篩管過流能力的影響。該試驗(yàn)裝置主要包括4個區(qū)域：砂漿混合區(qū)域（模擬地層內(nèi)的砂運(yùn)移過程）、砂自由運(yùn)移區(qū)域（模擬地層砂在篩管與地層之間的環(huán)形空間的運(yùn)移過程）、砂通過擋砂介質(zhì)區(qū)域（模擬地層砂通過篩管的過程）、砂流出區(qū)域（模擬地層砂在井筒內(nèi)的運(yùn)移過程）。小型可視化防砂試驗(yàn)裝置的原理圖如圖2所示。該裝置最大的優(yōu)點(diǎn)是將混砂區(qū)域和防砂模擬區(qū)域設(shè)置在一個內(nèi)徑80 mm、外徑100 mm的透明管中（承壓5 MPa），且可采用接近地層的滲流速度模擬篩管防砂堵塞過程（試驗(yàn)流速0～1 000 mL/min），避免了以往防砂試驗(yàn)中采用高流速、高黏度或者高密度流體作為攜砂液所引入的試驗(yàn)誤差［12-16］。

1.2 ""試驗(yàn)步驟

防砂試驗(yàn)主要包括以下步驟：

（1）將不同粒徑的商品砂按照一定比例混合用于模擬地層砂，粒度分布曲線見圖3。

（2）利用線切割加工外保護(hù)套，并與內(nèi)徑60 mm、高30 mm的透明玻璃管、割縫片組裝成預(yù)充填防砂單元。

（3）將一定目數(shù)的礫石通過機(jī)械振動方式填充到防砂模擬單元中，見圖4。

（4）安裝防砂模擬單元（見圖5a～圖5c），并向擋砂介質(zhì)內(nèi)注入潔凈的攜砂流體（通常采用白油），排除擋砂介質(zhì)內(nèi)空氣對試驗(yàn)結(jié)果的影響（見圖5d）；接著向防砂模擬裝置中加入模擬砂，保證初始砂漿體積分?jǐn)?shù)為3%（見圖5e）；

（5）利用平流泵以30 mL/min的流量持續(xù)向混砂區(qū)注入攜砂液，攜帶砂粒向防砂單元運(yùn)移。試驗(yàn)過程中，開啟攪拌裝置，持續(xù)攪動，防止砂在混砂區(qū)域沉淀。

（6）記錄擋砂介質(zhì)兩端壓差隨時間的變化。

（7）計(jì)算防砂管過流能力。防砂管過流能力是單位時間及單位壓差條件下每米篩管的流量，通常采用防砂篩管米采油指數(shù)衡量：

I=QΔph

（1）

式中：I為米采油指數(shù)，m3/ （m·d·MPa）；Δp為礫石層兩端的壓差， MPa；Q為流速，m3/d；h為篩管長度，m。

（8）計(jì)算砂通過率。砂通過率是隨流體通過外保護(hù)套上沖縫槽的砂質(zhì)量占總試驗(yàn)用砂質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。砂通過率越大，說明外保護(hù)套對篩管過流能力的影響越小。

2 ""試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1" 過流面積對預(yù)充填篩管過流能力的影響

為研究外保護(hù)套過流面積對預(yù)充填篩管過流能力的影響，加工了8種不同類型的外保護(hù)套樣片（見圖6），其相對過流面積S（沖縫槽過流面積占外保護(hù)套總面積的百分?jǐn)?shù)，簡稱過流面積）為7%～30%。將加工好的外保護(hù)套樣片與礫石、割縫基管組裝成預(yù)充填防砂單元。采用1.2的試驗(yàn)步驟，在相同試驗(yàn)條件下，分別對8種預(yù)充填防砂單元進(jìn)行防砂模擬試驗(yàn)。

在一定程度上，壓差曲線的變化能反映篩管的堵塞過程和堵塞程度。壓差越大，篩管堵塞越嚴(yán)重。圖7為8種不同過流面積外保護(hù)套樣片的壓差曲線。由圖7可知，壓差試驗(yàn)曲線大體可分為加速上升段和逐漸穩(wěn)定段。在加速上升段，驅(qū)替壓差逐漸增大，表明預(yù)充填防砂模擬單元逐漸被堵塞；在逐漸穩(wěn)定段，驅(qū)替壓差曲線逐漸趨于穩(wěn)定，說明地層砂在預(yù)充填防砂模擬單元內(nèi)外的架橋堵塞過程已經(jīng)完成。后續(xù)運(yùn)移到外保護(hù)套表面的地層砂粒由于水動力、靜電吸附和重力等綜合作用，會沉淀堆積到先前形成的砂拱表面；隨著沉積厚度增加，產(chǎn)生的壓力損耗逐漸增加。但由于外保護(hù)套周圍的空間遠(yuǎn)大于擋砂介質(zhì)內(nèi)的孔隙體積，所以地層砂在外保護(hù)套周圍的堆積過程對預(yù)充填篩管的堵塞過程和堵塞程度影響非常小，可忽略不計(jì)。由圖7也可以看出，在試驗(yàn)后期，壓差曲線基本處于平緩狀態(tài)，在這種情況下，油田現(xiàn)場防砂井的產(chǎn)能基本處于穩(wěn)定狀態(tài)?？梢?，在生產(chǎn)初期，降低外保護(hù)套對篩管的過流能力影響至關(guān)重要。

為了進(jìn)一步探究外保護(hù)套過流面積與米采油指數(shù)之間的關(guān)系，按照式（1）計(jì)算米采油指數(shù)，并進(jìn)行了擬合，擬合結(jié)果如圖8所示。米采油指數(shù)隨著過流面積增大呈指數(shù)增加。這是由于過流面積較小時，地層砂在開采初期就會越快速滯留到外保護(hù)套表面，從而導(dǎo)致篩管內(nèi)部擋砂介質(zhì)的高效防砂功能失效。這進(jìn)一步說明外保護(hù)套過流面積對預(yù)充填篩管過流能力的影響不可忽視。

2.2" 沖縫外保護(hù)套對預(yù)充填篩管過流能力的影響

為了簡化篩管加工工藝和降低流體對擋砂介質(zhì)的沖蝕破壞程度，目前大部分篩管生產(chǎn)廠商僅選擇過流面積相對較小的沖縫外保護(hù)套作為預(yù)充填篩管的外保護(hù)套。對于金屬網(wǎng)布篩管，由于擋砂介質(zhì)與外保護(hù)套不接觸（見圖9a），外保護(hù)套對金屬網(wǎng)布篩管的過流能力影響較小；但是對于預(yù)充填篩管，礫石擋砂介質(zhì)與外保護(hù)套直接接觸（見圖9b）。因此，外保護(hù)套對預(yù)充填篩管過流能力的影響不可忽視。

從以下2個方面進(jìn)一步研究沖縫外保護(hù)套對預(yù)充填篩管過流能力的影響規(guī)律：

（1）沖縫槽寬度對預(yù)充填篩管過流能力的影響。

（2）在礫石作用下，沖縫外保護(hù)套對預(yù)充填篩管過流能力的影響。

2.2.1" 沖縫槽寬度對預(yù)充填篩管過流能力的影響

當(dāng)篩管僅由外保護(hù)套和基管組成時，在相同試驗(yàn)壓差下，通過篩管的流量較大，實(shí)驗(yàn)室很難監(jiān)測數(shù)據(jù)。為此，采用砂通過率來反映外保護(hù)套對預(yù)充填篩管過流能力的影響程度。

圖10和圖11分別為不同試驗(yàn)條件下外保護(hù)套上的沖縫槽寬度與地層原始砂粒度中值比（w/D50）對砂通過率及通過砂的粒度中值（d50）的影響。由圖10和圖11可以看出：隨著沖縫槽寬度的增加，砂通過率逐漸增加且通過砂的粒度中值也增加。其中：

（1）當(dāng)w/D50=1時，砂通過率最小。此時，地層原始砂中的泥質(zhì)顆粒（小于44 μm的顆粒）均被擋在了外保護(hù)套表面。這說明該尺寸沖縫槽的外保護(hù)套擋砂能力過強(qiáng)，導(dǎo)致外保護(hù)套表面迅速被堵塞，從而使篩管的過流能力在生產(chǎn)初期快速下降。

（2）當(dāng)1lt; w/D50 ≤3時，隨著外保護(hù)套上的沖縫槽寬度增加，砂通過率逐漸增加且通過砂的粒度中值也逐漸增加。此時，隨著外保護(hù)套上的沖縫槽寬度增加，通過沖縫槽的泥質(zhì)顆粒質(zhì)量也隨之增加。這一特征可在一定程度上延緩?fù)獗Ｗo(hù)套堵塞，降低預(yù)充填篩管過流能力的下降速度。

（3）當(dāng)w/D50gt;3時，砂通過率和通過砂的粒度中值曲線均呈現(xiàn)平緩上升的趨勢。這說明外保護(hù)套對砂通過能力影響較弱。在這種情況下，地層原始砂中的大部分泥質(zhì)顆粒都能通過預(yù)充填篩管，且篩管內(nèi)部的礫石擋砂介質(zhì)能夠高效發(fā)揮其三維立體擋砂能力。在這種設(shè)計(jì)原則下，外保護(hù)套對預(yù)充填篩管過流能力的影響相對最小。

2.2.2" 礫石作用下沖縫外保護(hù)套對預(yù)充填篩管過流能力的影響

通過2.2.1研究發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)外保護(hù)套上的沖縫槽寬度大于地層砂粒徑中值的3倍時，才能有效減弱外保護(hù)套對預(yù)充填篩管過流能力的影響。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)論，在外保護(hù)套和基管之間的環(huán)形空間填充350～1 000 μm礫石，構(gòu)成預(yù)充填篩管防砂單元（見圖12a）。此時，外保護(hù)套上的沖縫槽與礫石間形成的復(fù)合孔隙（見圖12b）是第一道防砂屏障；外保護(hù)套和基管之間的礫石擋砂介質(zhì)是第二道防砂屏障。在流體作用下，礫石會發(fā)生微移動，也正是由于礫石的微移動，促使砂滯留區(qū)域中的細(xì)砂粒隨流體通過滯留層，粗砂粒停留到滯留層，從而形成一種高孔隙度、高滲透率的砂滯留區(qū)。這一過程被稱為預(yù)充填篩管的自解堵過程（見圖13）。預(yù)充填篩管的這種優(yōu)勢既實(shí)現(xiàn)了高效控制地層出砂的目標(biāo)，又有效減弱了滯留砂對篩管過流能力的影響程度。

between gravel and outer protective sleeve

圖14為外保護(hù)套上沖縫槽寬度與地層砂粒徑中值的比值（w/D50）同米采油指數(shù)之間的關(guān)系。由圖14可以看出：當(dāng)w/D50lt;3時，隨著w/D50增加，米采油指數(shù)呈線性增加趨勢；當(dāng)w/D50gt;3時，隨著w/D50增加，米采油指數(shù)基本保持不變。根據(jù)三分一架橋原則，當(dāng)w/D50lt;3時，地層砂容易在沖縫槽口發(fā)生架橋堵塞（見圖15右），阻止了地層砂在礫石孔隙或復(fù)合孔隙中建立砂橋，在這種情況下，預(yù)充填篩管的自解堵功能會失效；隨著w/D50增加，預(yù)充填篩管的自解堵功能逐漸凸顯，米采油指數(shù)明顯增加。當(dāng)w/D50＞3時，地層砂幾乎不會在沖縫槽內(nèi)發(fā)生架橋堵塞，從而能充分保證地層砂與礫石間的相互作用（見圖15左），此時，米采油指數(shù)達(dá)到最大。

可以認(rèn)為，只有當(dāng)w/D50gt;3，預(yù)充填篩管的自解堵功能才會充分發(fā)揮，其抗堵塞能力才會實(shí)現(xiàn)最大化。因此，在有效保護(hù)防砂介質(zhì)的前提下，外保護(hù)套沖縫槽寬度應(yīng)盡可能大于或接近地層砂粒徑中值的3倍，以減弱外保護(hù)套對預(yù)充填篩管過流能力的影響。

3" 結(jié)論與認(rèn)識

基于對外保護(hù)套與預(yù)充填篩管過流能力之間關(guān)系的研究，主要認(rèn)識如下：

（1）外保護(hù)套作為機(jī)械篩管的重要組成部件，其過流面積越大，對篩管過流能力的影響越?。贿^流面積較小時，地層砂在生產(chǎn)初期就會快速滯留到外保護(hù)套表面，從而導(dǎo)致篩管內(nèi)部擋砂介質(zhì)的高效防砂功能失效。

（2）預(yù)充填篩管的過流能力與外保護(hù)套過流面積呈指數(shù)增加關(guān)系。外保護(hù)套過流面積越大，越有利于礫石擋砂介質(zhì)發(fā)揮其自解堵功能，進(jìn)而有效延長預(yù)充填篩管的堵塞周期。

（3）對于由外保護(hù)套與礫石、割縫基管組成的預(yù)充填篩管，在設(shè)計(jì)外保護(hù)套上的沖縫槽寬度時，沖縫槽寬度應(yīng)盡可能大于或接近地層原始砂粒度中值的3倍。這一設(shè)計(jì)原則有助于減弱外保護(hù)套對預(yù)充填篩管過流能力的影響。

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第一馬成云，講師，生于1987年，2020年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事鉆井防漏堵漏、油氣井防砂完井等方面研究工作。地址：（710065）陜西省西安市。email：mcy0000@163.com。

2024-04-28

任" 武