遼河油田雷61儲(chǔ)氣庫(kù)防砂篩管試驗(yàn)與應(yīng)用

匡韶華 呂 民

中國(guó)石油遼河油田公司鉆采工藝研究院

0 引言

遼河油田儲(chǔ)氣庫(kù)群項(xiàng)目被列為國(guó)家石油天然氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點(diǎn)工程，項(xiàng)目建成后將形成100億立方米的庫(kù)容量，承擔(dān)區(qū)域內(nèi)天然氣調(diào)峰保供重任。該項(xiàng)目主要利用遼河油田的枯竭油氣藏，通過(guò)改擴(kuò)建形成地下天然儲(chǔ)氣庫(kù)群，主要包括雙臺(tái)子、雷61、黃金帶、馬19等儲(chǔ)氣庫(kù)。由于砂巖儲(chǔ)層巖石膠結(jié)強(qiáng)度低，以及注采交變載荷的影響[1]，導(dǎo)致多個(gè)儲(chǔ)氣庫(kù)均存在不同程度的出砂風(fēng)險(xiǎn)，需要采取防砂措施來(lái)保障氣井的安全平穩(wěn)運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外的儲(chǔ)氣庫(kù)主要采用篩管防砂完井來(lái)應(yīng)對(duì)地層出砂問(wèn)題[2]。而針對(duì)特定的油氣藏，開(kāi)展篩管綜合性能的評(píng)價(jià)與優(yōu)選，對(duì)于保障篩管的防砂效果具有重要意義。

近年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)篩管性能評(píng)價(jià)開(kāi)展了大量研究，形成了多種試驗(yàn)裝置和評(píng)價(jià)方法[3-12]。但他們主要采用液體作為試驗(yàn)流體，是針對(duì)油井篩管防砂而開(kāi)展的研究。在氣井篩管防砂評(píng)價(jià)方面的研究比較少，如熊友明等[13]利用篩管過(guò)濾介質(zhì)防砂試驗(yàn)裝置，針對(duì)番禺30-1氣田開(kāi)展了高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管的試驗(yàn)評(píng)價(jià)；王利華等[14]研制了大型氣井防砂模擬試驗(yàn)裝置，針對(duì)荔灣3-1氣田開(kāi)展了實(shí)尺寸篩管防砂試驗(yàn)評(píng)價(jià)。這兩種方法的局限性在于，都是采用預(yù)先在篩管表面填充地層砂的方式來(lái)模擬氣井篩管防砂，與氣井實(shí)際防砂機(jī)理存在一定差異，因此需要進(jìn)一步完善。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文依據(jù)氣井防砂原理自主研制了一套氣井防砂試驗(yàn)裝置，并以雷61儲(chǔ)氣庫(kù)為例，開(kāi)展了氣井防砂篩管評(píng)價(jià)試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)篩管完井實(shí)施，取得良好效果。

1 防砂篩管選擇

儲(chǔ)氣庫(kù)在生產(chǎn)過(guò)程中，篩管需要承受高強(qiáng)度注采、高流速?zèng)_蝕、CO2腐蝕等復(fù)雜條件的影響，因而對(duì)篩管性能提出嚴(yán)苛的要求。為保障儲(chǔ)氣庫(kù)全生命周期的防砂有效性，要求防砂篩管具備高強(qiáng)度、耐沖蝕、耐腐蝕性能，同時(shí)具有良好的擋砂性能和抗堵性能。通過(guò)對(duì)遼河油田5種常用防砂篩管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和應(yīng)用情況進(jìn)行分析，優(yōu)選出金屬濾網(wǎng)篩管和自潔縫隙篩管作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。金屬濾網(wǎng)篩管（圖1a）從內(nèi)到外依次由基管、不銹鋼多層燒結(jié)濾網(wǎng)、不銹鋼沖縫保護(hù)罩組成，多層燒結(jié)濾網(wǎng)采用高精度的多層不銹鋼金屬篩網(wǎng)真空燒結(jié)而成，過(guò)流面積大、耐腐蝕性強(qiáng)；沖縫保護(hù)罩可以改變流體方向，避免砂粒對(duì)過(guò)濾介質(zhì)進(jìn)行直接沖蝕。自潔縫隙篩管（圖1b）是將過(guò)濾件鑲嵌焊接在基管孔眼，過(guò)濾件采用不銹鋼材質(zhì)，具有柵狀V型縫隙結(jié)構(gòu)，V型縫隙由外向內(nèi)逐漸均勻變寬，自潔功能強(qiáng)，不易堵塞。這兩種防砂篩管在蒸汽吞吐井中應(yīng)用效果良好，耐溫350℃以上。

圖1 金屬濾網(wǎng)篩管和自潔縫隙篩管照片

按照SY/T6916-2012《石油天然氣工業(yè)井下工具防砂篩管》測(cè)試出金屬濾網(wǎng)篩管、自潔縫隙篩管這兩種篩管的抗擠毀強(qiáng)度為35 MPa以上。按照GB/T246-2017《金屬材料 管 壓扁試驗(yàn)方法》對(duì)兩種篩管進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，結(jié)果為：金屬濾網(wǎng)篩管在479.5 kN壓扁載荷下，管體被壓扁，但是無(wú)裂縫，仍具有一定防砂功能（圖2a）；自潔縫隙篩管在109 kN壓扁載荷下，管體出現(xiàn)開(kāi)裂，失去防砂功能（圖2b）。

圖2 金屬濾網(wǎng)篩管和自潔縫隙篩管壓扁試驗(yàn)形態(tài)照片

2 試驗(yàn)原理與方法

2.1 篩管防砂機(jī)理

油氣井采用篩管防砂完井后，篩管與套管或井壁之間形成環(huán)空。油氣井投產(chǎn)后，地層流體攜帶固體顆粒（地層砂及堵塞物）產(chǎn)出，部分較細(xì)的固相顆粒進(jìn)入篩管擋砂介質(zhì)（通過(guò)擋砂介質(zhì)被排出或者堵塞在擋砂介質(zhì)內(nèi)部），而粒徑大于擋砂介質(zhì)孔徑或縫寬的固相顆粒則被阻擋在篩管外部，形成砂橋，進(jìn)一步阻擋更小的顆粒通過(guò)，逐漸將環(huán)空完全填滿(mǎn)，形成砂層[15]。砂層形成后，相當(dāng)于構(gòu)建了新的擋砂屏障，通過(guò)篩管的出砂量會(huì)大幅減少，但是仍有少部分顆粒會(huì)隨著流體繼續(xù)通過(guò)篩管擋砂介質(zhì)。因此，篩管防砂的機(jī)理可以分為兩個(gè)階段：第一階段，地層砂在篩管外層逐漸堆積形成砂層的過(guò)程；第二階段，砂層形成后的防砂過(guò)程。

2.2 試驗(yàn)裝置及原理

按照篩管防砂原理，自主研制了一套氣井防砂試驗(yàn)裝置。該裝置主要由空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、調(diào)壓閥、流量壓力監(jiān)測(cè)器和主體測(cè)試模型組成（圖3a）。試驗(yàn)裝置能夠提供的最大氣量200 m3/h，最高壓力5 MPa，最大加砂量1 kg。

該裝置的核心部分是測(cè)試模型（圖3b），采用了特殊結(jié)構(gòu)加砂裝置（砂漏），如圖3b的右側(cè)所示，砂漏上部為圓筒，下部為錐體，圓筒外側(cè)設(shè)置導(dǎo)氣槽，上端放置蓋板，錐體底端設(shè)置出砂孔。試驗(yàn)時(shí)，如圖3b的左側(cè)所示，將模擬砂填入砂漏中；調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力，氣體從砂漏外側(cè)導(dǎo)氣槽中通過(guò)；模擬砂從出砂口中緩慢流出，在篩管樣件表面逐漸堆積形成砂層，模擬篩管防砂的第一階段；當(dāng)模擬砂全部落入篩管表面后，繼續(xù)注入氣體，模擬篩管防砂的第二階段；部分砂粒隨氣體通過(guò)篩管樣件落入過(guò)濾袋；實(shí)時(shí)記錄流量壓力變化；試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量過(guò)濾袋中的出砂量。

圖3 氣井防砂試驗(yàn)裝置圖

2.3 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)參數(shù)

2.3.1 模擬地層砂

雷61儲(chǔ)氣庫(kù)屬于中淺層碎屑巖儲(chǔ)氣庫(kù)，儲(chǔ)層巖石膠結(jié)疏松，出砂風(fēng)險(xiǎn)大。根據(jù)雷61-6井的鉆井取心進(jìn)行粒度分析，得到該井的地層砂粒度分布數(shù)據(jù)（表1）：砂樣粒徑＞0.224 mm質(zhì)量占比47.79%；粒徑＜0.071 mm質(zhì)量占比2.49%；粒度中值為0.217 mm。按照該井地層砂粒度分布，采用不同粒徑石英砂按不同比例復(fù)配模擬砂。

表1 雷61-6井鉆井取心地層砂粒度分布數(shù)據(jù)表

2.3.2 篩管樣件

為了便于試驗(yàn)對(duì)比，將兩種篩管加工成等效面積的篩管樣件。等效面積的計(jì)算方法：?jiǎn)胃睆綖?139.7 mm自潔縫隙篩管包含2 000個(gè)過(guò)濾件，相同尺寸的金屬濾網(wǎng)篩管的過(guò)濾網(wǎng)面積約為5.2 m2，則單個(gè)過(guò)濾件對(duì)應(yīng)過(guò)濾網(wǎng)的面積約為2 600 mm2，即1個(gè)自潔縫隙篩管的過(guò)濾件等效于51 mm 51 mm金屬濾網(wǎng)篩管的過(guò)濾網(wǎng)（圖4）。每一種篩管樣件取3種擋砂粒徑規(guī)格：0.10 mm、0.15 mm和0.20 mm。

圖4 試驗(yàn)使用的兩種篩管樣件

2.3.3 試驗(yàn)參數(shù)

按照雷61儲(chǔ)氣庫(kù)定向井和水平井的篩管段長(zhǎng)度和配產(chǎn)氣量，確定試驗(yàn)氣量參數(shù)：定向井篩管長(zhǎng)度50 m，日采氣量27 104m3；水平井篩管長(zhǎng)度300 m，日采氣量62 104m3；按照流速等效原則，折算定向井和水平井中單個(gè)篩管樣件的過(guò)氣量分別是1.1 m3/h和0.5 m3/h，考慮篩管非均勻進(jìn)氣（10%通過(guò)率）情況下的過(guò)氣量分別是11.3 m3/h和4.6 m3/h；采用恒壓變流量的方式測(cè)試篩管的過(guò)流抗堵性能，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)備條件和篩管樣件過(guò)氣能力，設(shè)定試驗(yàn)壓差為0.3 MPa，試驗(yàn)氣量變化要盡可能高于折算的篩管樣件過(guò)氣量。

3 試驗(yàn)分析評(píng)價(jià)

行業(yè)內(nèi)對(duì)篩管防砂效果的試驗(yàn)評(píng)價(jià)通常采用初始過(guò)流性能、擋砂性能和過(guò)流抗堵性能三項(xiàng)指標(biāo)來(lái)分析[16-17]。①以不加砂條件下通過(guò)篩管的氣體流量評(píng)價(jià)初始過(guò)流性能；②以加砂條件下通過(guò)篩管的出砂量評(píng)價(jià)擋砂性能；③以加砂條件下通過(guò)篩管的氣量變化評(píng)價(jià)抗堵性能。

3.1 篩管初始過(guò)流性能評(píng)價(jià)

篩管初始過(guò)流性能反映了環(huán)空砂層未形成前的流體通過(guò)能力。它受到篩管過(guò)流面積的影響，是選擇篩管的重要參數(shù)，尤其在高產(chǎn)油氣井中對(duì)產(chǎn)量的影響較大。相同規(guī)格的篩管，金屬濾網(wǎng)篩管過(guò)流面積為20%，自潔縫隙篩管過(guò)流面積為6%，兩者相差3.3倍。將兩種篩管樣件放入試驗(yàn)裝置中，在不加砂的情況下，測(cè)試在相同壓差（0.3 MPa）下，金屬濾網(wǎng)篩管和自潔縫隙篩管的氣體流量分別是150 m3/h和40 m3/h，兩者的流通性能相差3.8倍，說(shuō)明金屬濾網(wǎng)篩管的初始過(guò)流性能要明顯好于自潔縫隙篩管。

3.2 模擬地層砂條件下篩管防砂效果評(píng)價(jià)

將模擬地層砂填入試驗(yàn)裝置的砂漏中，在模擬地層砂條件下，分別測(cè)試兩種篩管的氣量變化和出砂量，評(píng)價(jià)篩管的過(guò)流抗堵性能和擋砂性能。

篩管氣量隨試驗(yàn)時(shí)間變化如圖5所示?？梢钥吹?，在相同地層砂和過(guò)流壓差下，兩種篩管表面形成砂層后的氣量相差近4.5倍，說(shuō)明砂層形成后的金屬濾網(wǎng)篩管過(guò)流性能明顯優(yōu)于自潔縫隙篩管，在砂層疊加效應(yīng)的影響下，兩種篩管的過(guò)流性能差異加大。但是在試驗(yàn)中后期，兩種篩管的氣量變化相對(duì)平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)氣量大幅下降的趨勢(shì)，說(shuō)明砂粒在篩管表面形成了穩(wěn)定的砂橋，未侵入到篩管過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)部，篩管架橋堵塞達(dá)到平衡狀態(tài)，在本試驗(yàn)條件下，兩種篩管均具有很好的抗堵塞性能。

圖5 兩種篩管通過(guò)氣體流量隨時(shí)間變化圖

試驗(yàn)結(jié)束后，收集并測(cè)量通過(guò)篩管樣件的出砂量（圖6）?？梢钥吹?，金屬濾網(wǎng)篩管的出砂量要明顯大于自潔縫隙篩管，并且擋砂粒徑（縫寬或孔徑）越大，出砂量越多。0.10 mm金屬濾網(wǎng)篩管與0.15 mm自潔縫隙篩管的出砂量較少，且比較接近，兩者分別為0.012 7 g和0.004 4 g。

圖6 通過(guò)兩種篩管的出砂量與擋砂粒徑對(duì)比圖

3.3 模擬不同生產(chǎn)階段下篩管過(guò)流抗堵性能評(píng)價(jià)

隨著地層持續(xù)出砂，在不同生產(chǎn)階段進(jìn)入氣井環(huán)空中的出砂量會(huì)持續(xù)增加，形成不同的砂層厚度，對(duì)氣井防砂后的產(chǎn)量也會(huì)造成不同的影響。因此，為評(píng)價(jià)兩種篩管在不同生產(chǎn)階段過(guò)流抗堵性能，開(kāi)展了不同砂層厚度下的試驗(yàn)評(píng)價(jià)。以套管射孔后下防砂篩管完井為例，取不同模擬地層砂量（100 g、300 g和500 g），分別填入試驗(yàn)裝置的砂漏中，試驗(yàn)過(guò)程中能夠在篩管表面形成三個(gè)不同的砂層厚度（8 mm、24 mm和40 mm）。這三個(gè)砂層厚度分別代表不同生產(chǎn)階段：①生產(chǎn)初期，篩管外側(cè)形成較薄的砂層；②生產(chǎn)中期，篩管與井眼環(huán)空填充地層砂；③生產(chǎn)后期，砂層堆積于射孔孔道中。試驗(yàn)測(cè)量0.15 mm擋砂粒徑的兩種篩管在不同砂層厚度下的氣量變化如圖7所示。

圖7 兩種篩管不同砂層厚度下氣量隨時(shí)間變化圖

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，隨著砂層厚度增加，氣體流量均出現(xiàn)下降趨勢(shì)，砂層厚度從24 mm增加到40 mm時(shí)，氣體流量下降更加明顯，說(shuō)明在生產(chǎn)中后期篩管防砂對(duì)氣井產(chǎn)量影響更加顯著；在不同砂層厚度下，金屬濾網(wǎng)篩管的過(guò)流抗堵性能均要明顯好于自潔縫隙篩管。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在雷61儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層砂樣特征和生產(chǎn)條件下，金屬濾網(wǎng)篩管的過(guò)流性能優(yōu)于自潔縫隙篩管，而自潔縫隙篩管的擋砂性能優(yōu)于金屬濾網(wǎng)篩管。篩管的選擇需要平衡防砂和產(chǎn)量之間的關(guān)系，兩者都要兼顧[18]；同時(shí)，考慮到金屬濾網(wǎng)篩管的抗壓強(qiáng)度要高于自潔縫隙篩管，在水平井裸眼篩管完井中可以有效防止因地層坍塌造成篩管擠扁而導(dǎo)致的防砂失效問(wèn)題。因此，綜合考慮，6口定向井采用擋砂粒徑0.15 mm自潔縫隙篩管，3口水平井采用擋砂粒徑0.10 mm金屬濾網(wǎng)篩管。其中，定向井采用?177.8 mm套管射孔完井后懸掛?139.7 mm防砂篩管，篩管長(zhǎng)度50 m；水平井采用裸眼篩管完井方式，?177.8 mm油層套管接?168.3 mm防砂篩管，篩管長(zhǎng)度650 m。

目前，該儲(chǔ)氣庫(kù)順利完成了首輪試注試采，并進(jìn)入第二輪注氣期。首輪注氣平均注氣壓力5.1～5.8 MPa，單井日注氣量7.1 104～9.9 104m3，最高日采氣量25.7 104m3，地面取樣未發(fā)現(xiàn)出砂現(xiàn)象。因此，通過(guò)本試驗(yàn)優(yōu)選的防砂篩管經(jīng)受住了首輪注采試運(yùn)行的考驗(yàn)。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）依據(jù)篩管防砂原理，采用獨(dú)特的砂漏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制出氣井防砂試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)高速氣體緩慢混砂功能，可以真實(shí)模擬氣井防砂過(guò)程。

2）金屬濾網(wǎng)篩管初始過(guò)流能力是自潔縫隙篩管的3.8倍；篩管表面形成砂層后，金屬濾網(wǎng)篩管過(guò)流能力是自潔縫隙篩管的4.5倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明砂層對(duì)自潔縫隙篩管的過(guò)流能力影響更大，金屬濾網(wǎng)篩管更加適合產(chǎn)量高的氣井。

3）在雷 61儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層砂樣特征和生產(chǎn)條件下，自潔縫隙篩管的擋砂性能要明顯優(yōu)于金屬濾網(wǎng)篩管，并且兩種篩管均具有較好的抗堵塞性能。

4）為了平衡防砂和產(chǎn)量之間的關(guān)系，兼顧考慮成本因素，推薦產(chǎn)量高的水平井采用金屬濾網(wǎng)篩管，產(chǎn)量低的定向井采用自潔縫隙篩管。