防砂井投產(chǎn)初期礫石層滲透率損害規(guī)律

高凱歌董長銀高聚同周崇何海峰董云彬

1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院；2.中國石化勝利油田分公司孤東采油廠

防砂井投產(chǎn)初期礫石層滲透率損害規(guī)律

高凱歌1董長銀1高聚同2周崇1何海峰2董云彬2

1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院；2.中國石化勝利油田分公司孤東采油廠

礫石充填防砂井在投產(chǎn)后經(jīng)常在短期內(nèi)發(fā)生產(chǎn)量明顯下降的現(xiàn)象。通過壓實條件下礫石層滲透率變化規(guī)律實驗和礫石層吸附堵塞實驗，對投產(chǎn)初期礫石層滲透率損害規(guī)律進(jìn)行研究。實驗結(jié)果表明，礫石充填防砂井的井下壓實作用與原油吸附堵塞作用是導(dǎo)致投產(chǎn)初期礫石層滲透率下降的主要原因，隨著外加壓力的增大，礫石堆積滲透率明顯降低，40 MPa壓實下的礫石層滲透率約為初始滲透率的5%～11%；礫石層進(jìn)行交替驅(qū)替后水相滲透率迅速下降，滲透率損害系數(shù)約在0.75～0.85之間；短時間內(nèi)堵塞滲透率比隨驅(qū)替時間及驅(qū)替溫度變化不大。根據(jù)實驗結(jié)果建立了投產(chǎn)初期礫石層滲透率損害程度預(yù)測模型與方法，對相關(guān)領(lǐng)域的生產(chǎn)研究具有一定指導(dǎo)意義。

礫石充填；防砂；擋砂介質(zhì)；投產(chǎn)初期；滲透率損害；吸附堵塞

礫石充填防砂工藝施工后經(jīng)常由于礫石層的滲透率損害而導(dǎo)致油井產(chǎn)量短期內(nèi)明顯下降［1-3］。國內(nèi)外學(xué)者針對礫石層堵塞規(guī)律展開研究，王志剛、李彥超等人使用不同粒度的礫石和地層砂對生產(chǎn)過程中礫石層堵塞機理與規(guī)律進(jìn)行實驗研究，認(rèn)為礫石層堵塞規(guī)律與GSR、流體黏度、礫石層厚度及泥質(zhì)含量有關(guān)，未考慮投產(chǎn)初期礫石層原油吸附堵塞作用及井下壓力壓實作用而導(dǎo)致的滲透率下降［4-7］。吳詩平對注聚井礫石層投產(chǎn)前后樣品進(jìn)行分析，認(rèn)為礫石層堵塞原因主要是聚合物與瀝青質(zhì)的吸附作用，該結(jié)論只是對堵塞機理進(jìn)行定性分析，并沒有給出滲透率損害規(guī)律的定量解釋［8］。

投產(chǎn)初期是礫石充填防砂井投產(chǎn)后地層出砂之前的一個較短時間段，礫石層不會受到地層砂的侵入堵塞作用，因此礫石層到達(dá)井下后滲透率降低主要是由于投產(chǎn)初期的井下壓力壓實作用與原油的吸附堵塞作用。針對礫石層在投產(chǎn)初期的滲透率損害問題，對兩種不同尺寸礫石在不同壓力下的堆積滲透率進(jìn)行測量，并得到壓力對礫石層堆積滲透率的定量影響規(guī)律；礫石層吸附堵塞實驗通過模擬不同驅(qū)替時間、驅(qū)替液條件下的交替驅(qū)替過程，得到井液侵入對礫石層的滲透率影響規(guī)律。通過定義滲透率損害系數(shù)對損害情況進(jìn)行定量分析并建立了投產(chǎn)初期礫石層滲透率損害程度預(yù)測模型［3］。

1 礫石層滲透率損害過程

Process of permeability loss in gravel-packing layers

礫石充填防砂工藝使用攜砂液將充填礫石攜帶至井下充填段，礫石層從到達(dá)井下到投產(chǎn)，滲透率都會不斷發(fā)生變化，其損害過程主要分為3部分。

（1） 礫石的破碎和壓實過程。在泵送攜砂液的過程中，部分礫石在機械碰撞和高壓壓實作用下發(fā)生破碎。投產(chǎn)后礫石層在油井生產(chǎn)壓差的壓實作用下自身的堆積滲透率發(fā)生明顯降低。若生產(chǎn)壓差高于石英砂的破碎應(yīng)力，石英砂會發(fā)生明顯破碎現(xiàn)象，且破碎程度隨壓力增大而加劇，進(jìn)一步降低礫石層滲透率。Sperlin經(jīng)過實驗研究發(fā)現(xiàn)，礫石由于破碎產(chǎn)生的細(xì)粒成分會導(dǎo)致礫石層滲透率下降［9］。

（2） 投產(chǎn)初期原油吸附堵塞過程。充填礫石首先被攜砂液攜帶進(jìn)入井下，因此礫石最初被攜砂液所飽和并發(fā)生壓實作用，直至投產(chǎn)后，礫石層先后被地層水、稠油侵入。在原油開采過程中，瀝青質(zhì)在石英砂上吸附會使礫石潤濕性發(fā)生改變，并在熱力學(xué)條件下在表面沉積形成有機垢造成堵塞［10-11］。因此，礫石充填防砂井投產(chǎn)初期多種井液的交替侵入會使礫石層滲透率發(fā)生明顯變化，特別是原油侵入而導(dǎo)致的原油重質(zhì)組分在礫石層內(nèi)的吸附堵塞作用會導(dǎo)致礫石層滲透率發(fā)生明顯下降。

（3） 生產(chǎn)過程中微粒運移堵塞過程。防砂井生產(chǎn)過程中，地層流體攜帶的地層細(xì)砂及其他機械雜質(zhì)沖擊礫石層若無法順利通過，則會附著或侵入礫石層內(nèi)部造成礫石層滲透率降低，形成堵塞從而嚴(yán)重影響油井產(chǎn)量。筆者針對上述前兩點滲透率損害過程，進(jìn)行壓實條件下礫石層滲透率變化規(guī)律實驗及投產(chǎn)初期礫石層吸附堵塞實驗，對投產(chǎn)初期礫石層擋砂介質(zhì)層滲透率損害規(guī)律進(jìn)行研究。

2 壓實條件下礫石層滲透率變化規(guī)律實驗

Regularity of permeability loss in compacted gravel-packing layers

2.1 實驗原理與方法

Principles and methods

選擇尺寸分別為0.4～0.8 mm、0.6～1.2 mm的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)礫石進(jìn)行測試得到不同壓力下礫石層滲透率。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)礫石尺寸及滲透率關(guān)系計算得到初始滲透率，再將壓實后的礫石層實際滲透率轉(zhuǎn)化為相對滲透率比，最終得到井下壓實條件下礫石層滲透率（滲透率比）變化規(guī)律。由計算結(jié)果可知0.4～0.8 mm和0.6～1.2 mm的礫石原始堆積滲透率分別為105 120 mD和167 763 mD。

2.2 實驗結(jié)果與分析

Results and analyses

選取壓力范圍2～39.31 MPa進(jìn)行實驗，根據(jù)實驗結(jié)果計算得到不同壓力下的礫石層壓實滲透率比。由表1可以看出，隨著壓力逐漸增大，礫石層的堆積滲透率明顯降低；壓力相同時尺寸較大的礫石隨壓力增大滲透率下降幅度較大；40 MPa下的礫石層滲透率約為初始滲透率的5%～11%，且滲透率隨壓力的變化特征與固相顆粒材料特性有關(guān)。

表1 礫石層滲透率比隨壓力變化結(jié)果Table 1 Changes of permeability with pressure in gravel-packing layer

通過擬合得到0.6～1.2 mm以及0.4～0.8 mm的礫石在生產(chǎn)壓差大于2 MPa壓實情況下的滲透率比變化規(guī)律經(jīng)驗公式為

式中，kr為礫石層堆積滲透率比；Δp為礫石層在井下的壓實壓力，MPa。

3 投產(chǎn)初期礫石層吸附堵塞實驗

Test for absorption and plugging of gravelpacking layer during initial production

3.1 實驗原理與實驗材料

Principles and materials

根據(jù)對礫石充填層投產(chǎn)前后飽和或侵入流體的分析，模擬攜砂液—地層水—原油交替驅(qū)替下礫石層滲透性變化，定量分析投產(chǎn)初期礫石充填層滲透率損害程度。

將礫石填入填砂管后在模擬地層溫度條件下使用不同流體交替驅(qū)替填砂管中的礫石段，在驅(qū)替過程中測量填砂管兩端驅(qū)替壓差和驅(qū)替流量，計算礫石層的滲透率變化。根據(jù)礫石層初始滲透率和最終滲透率可以計算得到滲透率損害系數(shù)。滲透率損害程度系數(shù)可以定義為滲透率差異比值的百分?jǐn)?shù)，即礫石層初始水相滲透率與驅(qū)替完成后最終水相滲透率之差和初始水相滲透率的比值為［3］

式中，D為滲透率損害系數(shù)；kw0為礫石層初始水相滲透率，mD；kwp為礫石層最終水相滲透率，mD。

實驗所用充填礫石、稠油、攜砂液及地層水均取自勝利油田孤東采油廠某區(qū)塊。礫石為0.4～0.8 mm的石英砂，粒度中值為0.613 mm；攜砂液黏度范圍27～36 mPa·s。稠油的黏溫曲線如圖1所示。

圖1 實驗稠油黏溫曲線Fig.1 Viscosity and temperature plots of heavy oil used in the test

3.2 實驗裝置與實驗方法

Test devices and methods

高溫高壓多功能驅(qū)替實驗裝置包括：恒溫烘箱、填砂模型、恒速恒壓泵、4個中間容器及其他附件；溫度范圍50～120℃，填砂管長度為29 cm，內(nèi)徑為2.5 cm；填砂管入口端連接壓力傳感器，出口端連接大氣。實驗裝置如圖2所示。

圖2 礫石層驅(qū)替實驗裝置Fig.2 Devices for displacement test in gravel-packing layers

首先向填砂管中填入定量礫石保證所有實驗滲透率基本一致。連接完成后打開恒溫箱加熱開關(guān)調(diào)至實驗溫度，向填砂模型注入清水直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)測量礫石層初始水相滲透率，按實驗要求向填砂模型依次注入攜砂液、地層水、稠油中的幾種或全部，并驅(qū)替一定時間，驅(qū)替過程中實時記錄填砂模型兩端壓差用于計算填砂模型滲透率變化規(guī)律。最后再次使用清水驅(qū)替直至穩(wěn)定測量填砂模型最終水相滲透率，并計算其滲透率損害系數(shù)。

3.3 實驗結(jié)果與分析

Test results and analyses

（1） 礫石層基本吸附堵塞現(xiàn)象分析。實驗完成后取出礫石層與干凈礫石層對比如圖3所示，驅(qū)替后礫石表面大部分呈黑褐色，說明存在礫石層表面吸附稠油重質(zhì)組分（瀝青質(zhì)）現(xiàn)象，且礫石層中依然存在大量未被水驅(qū)出的剩余油。由于稠油吸附作用，干凈石英砂一旦投產(chǎn)，有效滲透率會明顯下降。

圖3 實驗前后礫石層對比Fig.3 Conditions of gravel-packing layer before and after test

（2）礫石層吸附堵塞基準(zhǔn)實驗結(jié)果分析。為方便進(jìn)行實驗結(jié)果的對比分析，設(shè)置礫石層吸附堵塞基準(zhǔn)實驗，在70 ℃恒溫條件下，對充填礫石填砂管依次使用清水、攜砂液、地層水、稠油、清水驅(qū)替一定的時間，結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 基準(zhǔn)實驗流量與驅(qū)替壓差曲線Fig.4 Correlation between reference flow and displacement differential pressure in test

圖5 基準(zhǔn)實驗滲透率曲線Fig.5 Plots for reference permeability in test

由實驗曲線可知，每種流體驅(qū)替初期由于流體并未完全在礫石層內(nèi)形成流動，壓力隨時間逐漸上升，計算滲透率值遠(yuǎn)大于實際值；由于填砂管端部壓實較緊會形成局部憋壓過程，在壓差曲線上表現(xiàn)為尖峰，滲透率曲線上表現(xiàn)為波谷，當(dāng)流體在礫石層中形成穩(wěn)定流動后，驅(qū)替壓力和滲透率趨于平緩。由于填砂管進(jìn)行人工壓實局部不均勻現(xiàn)象不可避免，因此所有實驗曲線均有初期波動現(xiàn)象。填砂管礫石層初始滲透率為80 D，隨著驅(qū)替過程礫石層滲透率整體表現(xiàn)為下降趨勢，交替驅(qū)替實驗結(jié)束后最終滲透率約15～20 D，滲透率降低了約80%，存在明顯的由于稠油吸附造成有效滲透率下降的現(xiàn)象。

（3） 驅(qū)替時間對礫石層堵塞程度敏感性實驗分析。通過改變稠油驅(qū)替時間進(jìn)行驅(qū)替時間敏感性實驗。在70 ℃恒溫條件下，對于充填礫石的填砂管依次使用清水、攜砂液、稠油、清水驅(qū)替一定的時間，其中稠油驅(qū)替分別為2 h、3 h、5 h（命名為T1、T2、T3），結(jié)果如圖6～圖8所示。

T1實驗填砂管礫石層初始水相滲透率為73 D，實驗結(jié)束后水相滲透率最終約10～13 D，最終滲透率比約為14.3%～18.6%；T2實驗填砂管礫石層初始滲透率為85 D，實驗結(jié)束后滲透率最后約10～15 D，最終滲透率比約為14.9～17.6%；T3實驗填砂管礫石層初始滲透率為85 D，實驗結(jié)束后滲透率最后保持為約10～17 D，滲透率比約為12～20%，3個驅(qū)替實驗礫石層滲透率損失均在75%～85%之間。

圖6 實驗T1滲透率變化曲線Fig.6 T1permeability plot in test

圖7 實驗T2滲透率變化曲線Fig.7 T2permeability plot in test

圖8 實驗T3滲透率變化曲線Fig.8 T3permeability plot in test

由驅(qū)替時間敏感性分析實驗可知，礫石層滲透率損害發(fā)生在投產(chǎn)初期的初始階段，礫石層滲透率發(fā)生大幅度下降，下降幅度在75%～85%之間。滲透率損害發(fā)生后，隨著時間的增大，礫石層的滲透率趨于穩(wěn)定短時間內(nèi)不再發(fā)生大幅下降。

（4） 驅(qū)替溫度對礫石層堵塞程度敏感性實驗分析。在熱采過程中，地層溫度不斷呈周期性變化，溫度不同稠油對礫石層的堵塞能力不一定相同。通過改變實驗溫度50～120 ℃來研究不同溫度條件下礫石層的堵塞變化規(guī)律，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同溫度下滲透率變化曲線Fig.9 Changes in permeability under different temperatures

由實驗結(jié)果可知，在其他實驗條件相同的情況下原油黏度隨溫度降低而增大，流動阻力明顯增大，驅(qū)替壓差隨溫度降低逐漸增大。在不同溫度下，保持礫石層初始滲透率約為80 D，實驗最后均保持在10～25 D左右。因此，在投產(chǎn)初期，開采溫度對礫石層擋砂介質(zhì)滲透率損害程度影響不大。

（5）投產(chǎn)初期礫石層吸附堵塞實驗結(jié)果綜合分析。將上述實驗的初始滲透率、最終滲透率以及最終滲透率比進(jìn)行整合并繪制成柱狀圖，如圖10、11所示。根據(jù)實驗結(jié)果可知7次實驗的初始礫石層滲透率相差不大均在80 D左右，礫石層進(jìn)行稠油驅(qū)替后水相滲透率迅速下降，約為原始水相滲透率的15%～25%左右，即堵塞滲透率比約為0.15～0.25；滲透率損害系數(shù)為0.75～0.85之間；最終堵塞滲透率比隨稠油驅(qū)替時間及驅(qū)替溫度變化不大。

圖10 初始/最終滲透率柱狀圖Fig.10 Bar chart for initial/ultimate permeability

圖11 最終滲透率比分布圖Fig.11 Distribution of ultimate permeability

4 投產(chǎn)初期擋砂介質(zhì)滲透率損害程度預(yù)測

Prediction for permeability loss in sandblocking medium during initial production

4.1 預(yù)測模型

Prediction model

根據(jù)壓實條件下礫石層滲透率變化規(guī)律實驗及投產(chǎn)初期礫石層吸附堵塞實驗結(jié)果，針對礫石充填防砂井建立投產(chǎn)初期擋砂介質(zhì)滲透率損害程度預(yù)測模型與方法，二者的定量關(guān)系為

式中，kp為投產(chǎn)初期擋砂介質(zhì)滲透率，mD；k0為礫石層初始滲透率，mD；krb為介質(zhì)吸附堵塞滲透率比，取0.15～0.25；krc為介質(zhì)壓實堵塞滲透率比；Ar、Br分別為實驗擬合系數(shù)（根據(jù)每口井實際生產(chǎn)條件進(jìn)行擬合的系數(shù)，生產(chǎn)條件不同擬合系數(shù)也不同）。

4.2 模型應(yīng)用

Application of the model

選取孤東油田 GOGDR3-19井進(jìn)行礫石充填施工后油井投產(chǎn)初期擋砂介質(zhì)堵塞程度分析，該井的防砂施工參數(shù)及油井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2。

表2 GOGDR3-19井防砂施工參數(shù)及油井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 2 Basic data and operation parameters for sand-control in Well GOGDR3-19

該井初始產(chǎn)液量為32 t/d，當(dāng)生產(chǎn)至100 d左右時油井產(chǎn)液量下降為9.1 t/d，為初始產(chǎn)液量的28.43%；當(dāng)生產(chǎn)至350 d左右時產(chǎn)液量降至6.8 t/d，為初始產(chǎn)液量的21.25%并逐漸穩(wěn)定，該時刻礫石層滲透率為初始滲透率的21.25%，較100 d時波動不大。因此，上述投產(chǎn)初期擋砂介質(zhì)堵塞程度預(yù)測模型適用于GOGDR3-19礫石充填防砂井。另外選取3口礫石充填防砂井產(chǎn)液量在投產(chǎn)100 d時變化情況進(jìn)行驗證，見表3。

表3 投產(chǎn)初期產(chǎn)液量變化Table 3 Changes in fluid productivity during initial production

3口井在投產(chǎn)100 d后滲透率均降至原始壓實滲透率的15%～30%，模型預(yù)測內(nèi)容符合實際情況且誤差小于5%。因此可用該預(yù)測模型對礫石充填防砂井投產(chǎn)初期礫石層滲透率損害規(guī)律進(jìn)行計算。

5 結(jié)論與建議

Conclusions and proposals

（1）通過實驗系統(tǒng)分析了2種作用對礫石層滲透率的損害程度并進(jìn)行定量描述。實驗結(jié)果可知，隨外加壓力增大礫石堆積滲透率明顯降低，40 MPa壓實下的礫石層滲透率約為初始滲透率的5%～11%，且在壓實壓力相同的情況下尺寸較大的礫石層滲透率下降幅度較大。

（2）干凈的石英砂一旦投產(chǎn)，由于稠油吸附作用和剩余油殘留因素，有效滲透率會明顯下降。礫石層進(jìn)行驅(qū)替后水相滲透率迅速下降，約為原始水相滲透率的15%～25%左右，滲透率損害系數(shù)在0.75～0.85之間；投產(chǎn)后短時間內(nèi)，最終堵塞滲透率比隨稠油驅(qū)替時間及驅(qū)替溫度變化不大。

（3）充分考慮礫石層壓實作用及吸附堵塞特性，建立投產(chǎn)初期擋砂介質(zhì)堵塞程度預(yù)測模型與方法并根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用驗證。目前未考慮不同流量條件對礫石層滲透率的影響，建議后續(xù)進(jìn)行更加深入的實驗及理論研究。

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（修改稿收到日期 2016-09-22）

〔編輯 李春燕〕

Regularity of permeability loss in gravel-packing layer for sand control during initial production

GAO Kaige1,DONG Changyin1,GAO Jutong2,ZHOU Chong1,HE Haifeng2,DONG Yunbin2
1.College of Petroleum Engineering,China Uniνersity of Petroleum (Huadong),Qingdao 266580,Shandong,China;
2.Gudong Oil-production Plant,SINOPEC Shengli Oilfield company,Dongying 257000,Shandong,China

Wells with gravel packing for sand control may experience dramatic productivity decline shortly after production.Tests are conducted to highlight changes in permeability of compacted gravel-packing layers and plugging of such layers due to absorption.Eventually,patterns of permeability loss in gravel-packing layers during initial production are determined.Test results show,downhole compaction and crude oil absorption and plugging are main contributors for permeability loss in gravel-packing layer during initial production.Permeability of gravel-packing layer may decrease significantly with increase in external pressure.Permeability of gravel-packing layers compacted under pressure 40 MPa may be approximately 5%～11% of original permeability;Water permeability of gravel-packing layer may decrease rapidly after alternative displacement with permeability loss factor of approximately 0.75～0.85.Ratio of permeability loss in short duration may vary slightly with changes in displacement time and temperature.Based on relevant test results,prediction model and technique for prediction of permeability loss in gravel-packing layer during initial production have been constructed.The innovative model and technique may provide valuable guidance for research and production in relevant fields.

gravel-packing;sand control;sand-blocking media;initial production;permeability loss;absorption and plugging

高凱歌，董長銀，高聚同，周崇，何海峰，董云彬.防砂井投產(chǎn)初期礫石層滲透率損害規(guī)律［J］.石油鉆采工藝，2016，38（6）：877-882.

TE358.1

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國家自然科學(xué)基金“疏松砂巖油氣藏水平井管外地層礫石充填機理及模擬基礎(chǔ)研究”（編號：51374226）。

高凱歌（1993-），2015年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）石油工程專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)從事采油理論、防砂完井方面的研究工作。通訊地址：（266580）山東省青島市黃島區(qū)中國石油大學(xué)（華東） 石油工程學(xué)院。E-mail:18266621103@163.com