人工井壁防砂性能評價實驗裝置的研制與應用

樓一珊，王盟盟，伍希林，高斐，陳若夫

1.長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100 2.中國石油川慶鉆探有限公司長慶鉆井總公司，陜西 西安 710018 3.荊州市測繪院，湖北 荊州 434000

疏松砂巖油藏在開發(fā)時常常面臨儲層出砂的嚴重困擾[1-5]。特別是高泥質(zhì)細粉砂巖儲層，由于其自身泥質(zhì)含量高，地層砂粒徑較小，導致常規(guī)機械防砂效果欠佳[6]。針對這一防砂難題，采用涂覆砂人工井壁防砂是一種重要的解決措施[7]。涂覆陶粒人工井壁防砂就是往出砂井出砂層位充填涂覆顆粒，在地層溫度及壓力的影響下，涂覆顆粒會在表層樹脂的作用下固結(jié)成一體從而形成具有滲透性的防砂屏障[8-12]。形成的人工井壁是實現(xiàn)防砂效果的關(guān)鍵，因此在進行施工前需要對其防砂性能進行系統(tǒng)評價以保證施工的效果[13,14]。

目前，國內(nèi)外研究學者研發(fā)了多種防砂模擬實驗裝置[15]，包括田紅等[16]研制的防砂工藝物理模擬裝置，董長銀等[17]研發(fā)的用機械篩管綜合性能測試實驗裝置，馬帥等[18]、熊友明等[19]研發(fā)的氣井出砂模擬的防砂實驗裝置, HU等[20]研發(fā)的多層系可旋轉(zhuǎn)出砂模擬實驗裝置，張磊等[21]研制的出砂模擬試驗裝置, 石磊[22]研制的稠油熱采防砂模擬系統(tǒng)以及陳宗毅等[23]研制的防砂方法優(yōu)選模擬試驗裝置的等相關(guān)設(shè)備。但這些實驗裝置大多是用來評價機械防砂的防砂效果，在實現(xiàn)人工井壁擋砂性能評價等方面相對不足[24]。為此，研制了評價人工井壁防砂性能的實驗裝置，可通過改變驅(qū)動流量、驅(qū)動壓差及實驗時間，模擬長時間高強度防砂對人工井壁的影響，評價人工井壁的防砂性能，為油田防砂設(shè)計提供理論和技術(shù)指導。

1 防砂性能評價實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

根據(jù)生產(chǎn)實際工況，基于相似原理，自行研制了人工井壁防砂性能評價實驗裝置，如圖1所示。整個裝置由4部分構(gòu)成，分別是供液驅(qū)動系統(tǒng)、防砂模擬系統(tǒng)、供液循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該裝置采用與現(xiàn)場一致的人工井壁進行防砂實驗，模擬流體攜帶地層砂進入井筒這一過程，測試人工井壁的防砂性能。實驗時，由供液驅(qū)動系統(tǒng)推動實驗的液體或氣體通過管匯進入防砂模擬系統(tǒng)，流體攜帶地層顆粒流經(jīng)模擬人工井壁，流體通過后進入供液循環(huán)系統(tǒng)，過濾后的液體重新進入供液儲箱，完成實驗循環(huán)。

注： 1—高壓變頻泵；2—溢流安全閥；3—流量傳感器；4，7，11—控制閥；5—防砂模擬系統(tǒng)；6，15—壓力傳感器；8—固液分離器；9—回流循環(huán)泵；10—供液箱；12—空氣壓縮機；13—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；14—控制計算機。圖1 人工井壁防砂性能評價實驗裝置Fig.1 Experimental device for evaluating sand control performance of artificial sidewall

1)供液驅(qū)動系統(tǒng)。系統(tǒng)包括液體供給模塊與氣體供給模塊，液體供給模塊與氣體供給模塊進行并聯(lián)放置，可分別為液體和氣體的供給提供動力。液體供給模塊包括高壓變頻泵和安全溢流閥；氣體供給模塊為自帶減壓閥的空壓機。其中，高壓變頻泵為液體驅(qū)動提供動力，通過變頻調(diào)節(jié)提供驅(qū)動壓力，保障液體的穩(wěn)定流動；溢流安全閥是一個實驗安全設(shè)備，當驅(qū)動壓力超過一定壓力值時，安全溢流閥會自動打開，多余的流體會從側(cè)部管道回流至供液箱中，以保障實驗的安全進行。

2)防砂模擬系統(tǒng)。主要由3個部件組成，分別是填砂筒、人工井壁模擬單元及出液筒，如圖2(a)所示。填砂單元中加入配制的實驗砂粒，模擬地層砂；出液筒為液體產(chǎn)出提供流動通道。人工井壁模擬單元是一個金屬腔體，用于模擬人工井壁，如圖2(b)所示。其內(nèi)部裝入涂覆顆粒，顆粒在一定壓力和溫度下固結(jié)形成人工井壁模型。其后模擬單元與其他部件組合，形成防砂模擬系統(tǒng)。實驗時，模擬生產(chǎn)流體流動過程，流體從進液口方向進入，通過地層砂流向人工井壁，然后進入出液筒流出。

圖2 防砂模擬系統(tǒng)Fig.2 Sand control simulation system

3)供液循環(huán)系統(tǒng)。包括供液箱、固液分離器和回流循環(huán)泵。對于供液箱，首先是儲存液體，通過高壓變頻泵實現(xiàn)供液；同時接受循環(huán)回流的液體和從安全溢流閥回流的液體，持續(xù)進行供液；此外，設(shè)置液位監(jiān)測計，時刻監(jiān)測儲箱液體，保障實驗順利進行。固液分離器就是通過振動篩網(wǎng)，過濾固體顆粒和分離液體，提供多組固液分離器，對不同時段內(nèi)產(chǎn)出固相顆粒進行收集測量用于后續(xù)研究分析?；亓餮h(huán)泵就是將分離的液體回流到供液箱中。

4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。主要包括壓力傳感器、流量傳感器、數(shù)據(jù)采集及控制裝置、數(shù)據(jù)記錄顯示計算機。該系統(tǒng)主要負責實驗中實時壓力、流量等參數(shù)的記錄、顯示及處理，同時通過控制裝置來實現(xiàn)實驗的啟停、數(shù)據(jù)記錄以及安全保護。

1.2 實驗裝置特點

1)實驗裝置的流量可達2000L/h，驅(qū)動壓差為0～10MPa，可實現(xiàn)防砂后的長時間測試，滿足對現(xiàn)場工況下長時間防砂的真實模擬。

2)實驗裝置可以完成對油、氣、水的實驗評價，不僅可以供給液體，也可以供給氣體。根據(jù)實驗的設(shè)計，可以選擇合適的流體進行實驗測試。

3)實驗提供多組固液分離裝置，可記錄分析不同時段內(nèi)出砂量的變化，為實驗評價提供準確數(shù)據(jù)。

4)實驗裝置可自動完成對實驗中各種參數(shù)的記錄和顯示，實驗中流體可自動循環(huán)、避免浪費，同時實現(xiàn)裝置控制的自動化，極大減輕了人員負擔，有助于開展長時間防砂評價。

1.3 技術(shù)參數(shù)

1)高壓變頻泵：額定流量為0～2000L/h，精度為0.3%；額定壓力為0～10MPa，工作頻率為0～30Hz。

2)人工井壁模擬單元：單元整體直徑為88mm，長度為45mm，承壓能力為15MPa；內(nèi)部人工井壁模型直徑為60mm，長度為40mm。

3)填砂筒：圓柱金屬筒，筒內(nèi)直徑為70mm，長度為120mm，承壓能力為20MPa。

4)壓力傳感器：共計2個，量程為0～15MPa，精度為0.1%。

5)流量傳感器：量程為0～3000L/h，精度0.1%。

6)供液箱：內(nèi)部容積為500L。

2 實驗評價方法

2.1 實驗過程

1)配制地層砂。根據(jù)儲層粒度分布規(guī)律、黏土含量以及組分，通過工業(yè)砂粒以及黏土來配制實驗用砂。為了提高實驗的可信度，實驗用砂的粒度累積分布曲線上約10%、40%、50%和90%的粒徑要和目標地層保持高度相符。

2)制備人工井壁防砂單元。根據(jù)儲層條件設(shè)置涂覆顆粒的固結(jié)條件，將涂覆顆粒裝填完畢的模擬單元放置于恒溫箱中，設(shè)置固結(jié)溫度和時間，使顆粒固結(jié)形成人工井壁。每次實驗制作兩塊相同的固結(jié)巖心，一塊用于滲透率和強度測試，另一塊用于防砂實驗測試。

3)完成防砂模擬系統(tǒng)的裝配。先將配制好的地層砂充填到填砂筒內(nèi)，后將人工井壁模擬單元和出液筒裝配到位，然后放置到實驗臺上。

4)安裝連通管匯，檢測校準設(shè)備。實驗啟動前，連接相關(guān)的實驗設(shè)備進行聯(lián)調(diào)聯(lián)試，確保實驗各系統(tǒng)設(shè)備正常工作，確保各級管線連接處于要求的密封狀態(tài)，無漏水漏油情況發(fā)生，進行壓力和流通測試并進行相關(guān)數(shù)據(jù)校準。

5)根據(jù)實驗方案，設(shè)定參數(shù)，啟動實驗。實驗中利用高壓變頻泵來控制供液循環(huán)系統(tǒng)，保證壓力保持在實驗要求的范圍內(nèi)。與此同時，打開計算機監(jiān)測實驗中壓力和流量的變化，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來進行相關(guān)數(shù)據(jù)的收集記錄。

6)對出口端流出的液體通過固液分離器進行固液分離，利用回流循環(huán)泵使分離出的液體回流到儲液箱中繼續(xù)循環(huán)使用，對于產(chǎn)出的固體顆粒進行相應處理及測量。

7)監(jiān)測記錄實驗中各種參數(shù)變化，如果在實驗中的流量和壓力都保持穩(wěn)定一個小時之后，同時這個數(shù)據(jù)波動都小于5%，產(chǎn)能達到穩(wěn)定階段，記錄數(shù)據(jù)，停止實驗，拆卸實驗設(shè)備，取出模擬單元并拍照，測量滲透率和強度。

2.2 評價指標

在進行人工井壁的防砂性能評價時，流通性、防砂效果、抗堵性能以及固結(jié)強度都是重要評價指標。因此，擬采用以下評價指標進行評價：

1)滲透率?？煞从橙斯ぞ诘牧魍芰?，根據(jù)達西定律可得：

(1)

式中：K為滲透率，D；Q為通過人工井壁的流量，cm3/s；μ為流體黏度，mPa·s；L為過流長度，cm；A為過流面積，cm2；Δp為礫石層內(nèi)外壓降，10-1MPa。

2)采油指數(shù)。其數(shù)值越大，反映產(chǎn)能越大，抗堵性能越強：

(2)

式中:I為采油指數(shù)，m3/(MPa·d)。

3)含砂濃度。測量實驗中產(chǎn)出的固相顆粒的質(zhì)量，并根據(jù)實驗流量計算出流體中的含砂濃度。一般認為含砂濃度小于3t/(104m3)符合防砂要求。

4)人工井壁固結(jié)強度。測量實驗前后的固結(jié)巖心的抗壓強度，計算其強度下降幅度。固結(jié)強度大小反映了固結(jié)的好壞，強度下降幅度大小則反映人工井壁的損壞程度，強度下降幅度越大則人工井壁實驗后損壞越嚴重。

3 實例應用

3.1 油田特征

文昌油田分布著大量低滲疏松砂巖油藏，在其開發(fā)時面臨常規(guī)防砂失效和產(chǎn)能不足的困擾[25]。因此計劃采用涂覆陶粒人工井壁復合防砂來解決問題，需對其防砂效果進行驗證。

儲層屬于非均質(zhì)性較強的極細泥質(zhì)粉砂巖，粒度中值d50集中在26～55μm，平均值為40μm，非均質(zhì)系數(shù)為5～10，黏土礦物含量偏高為9.0%～24.0%，平均值為14.8%，其中伊-蒙混層占比平均為43.1%，儲層吸水膨脹性較強。其地層溫度大約為60℃，地層壓力為10MPa。

3.2 室內(nèi)實驗評價

根據(jù)油田儲層特征，配制實驗用砂，依據(jù)行業(yè)標準制作實驗用人工井壁模擬單元，開展防砂模擬實驗。配制實驗用模擬地層砂的粒度中值為40μm，非均質(zhì)系數(shù)為10～15，黏土礦物含量為15%，實驗配砂粒度曲線與儲層粒度曲線對比如圖3所示。實驗選用16/30目、20/40目和40/70目的涂覆陶粒，同時選用擋砂精度80、90、100、110、120μm的金屬網(wǎng)布分別與涂覆陶粒進行組合測試，固結(jié)溫度設(shè)定為60℃，固結(jié)時間為12h，如圖4所示。

圖3 實驗配砂粒度曲線與儲層粒度曲線對比 Fig.3 Comparison of experimental sand granular curves and reservoir particle size curves

圖4 實驗材料Fig.4 Experimental materials

共完成15組防砂評價測試，評價了不同防砂參數(shù)下的防砂效果，對實驗獲得數(shù)據(jù)進行計算分析。表1為進行防砂實驗前后涂覆陶粒人工井壁的滲透率和強度數(shù)據(jù)。

表1 實驗前后固結(jié)涂覆陶粒的滲透率和強度Table 1 Permeability of the coated sand before and after experiment

對比人工井壁實驗前后的防砂滲透率，可發(fā)現(xiàn)滲透率有不同程度的下降，其陶粒尺寸越小，滲透率下降幅度越明顯，最大達到15%。考慮到地層粒度小且黏土礦物含量高，這意味著細微砂粒及黏土顆粒侵入了人工井壁堵塞了流通的孔道，進而降低了滲透率。隨著涂覆陶粒尺寸的增大，可發(fā)現(xiàn)滲透率的下降幅度減弱。這是因為較大尺寸涂覆陶粒形成的防砂屏障的孔道較大，滲透性更強，對地層砂微粒起到了疏導作用，減弱了孔道堵塞。因而推薦使用大尺寸涂覆陶粒進行防砂實驗。

對比防砂實驗前后人工井壁的強度，實驗前涂覆陶粒固結(jié)強度為6～8MPa，陶粒固結(jié)情況良好；實驗后其強度有7%～10%的不同程度下降。其中40/70目涂覆陶粒降低幅度最小，其次是16/30目涂覆陶粒，20/40目涂覆陶粒降低幅度最大。在經(jīng)歷流體劇烈沖刷和驅(qū)動壓差共同作用下，3種涂覆陶粒強度降低幅度均在10%以內(nèi)，仍然能夠保持良好的穩(wěn)固性，涂覆陶粒膠結(jié)狀況良好，反映其具有較強的耐沖蝕性能，滿足防砂需要。

圖5為防砂實驗后獲得的不同防砂參數(shù)下的采油指數(shù)。隨著涂覆陶粒尺寸的增大，其采油指數(shù)有巨大提升，這意味著涂覆陶粒尺寸增大在形成人工井壁時將具有更好的流通性能和抗堵塞性能。同時在金屬網(wǎng)布擋砂精度較小時，3種涂覆陶粒在這種防砂條件下，整體流通性能較為接近；但隨著金屬網(wǎng)布擋砂精度的增大，流通性能也隨之有了明顯改善。針對當前地層條件，其中16/30目涂覆陶粒+120μm金屬網(wǎng)布流通性能明顯優(yōu)于其他組，具有更好的表現(xiàn)。

圖6為防砂實驗后獲得不同防砂參數(shù)下的含砂濃度?？梢钥闯鰧嶒灪蟮暮皾舛染∮?t/(104m3)，說明了涂覆陶粒人工井壁在該油田具有良好的防砂效果，其防砂效果遠遠優(yōu)于常規(guī)防砂的要求，其中防砂效果最佳的是40/70目涂覆陶粒+80μm金屬網(wǎng)布的防砂組合，其含砂濃度只有0.05t/(104m3)。但是出砂濃度較低，也側(cè)面反映了這種防砂組合可能存在嚴重的堵塞，需要考慮采油指數(shù)以及滲透率綜合來進行評價。同時也說明，防砂方式具備進一步擴大陶粒尺寸和金屬網(wǎng)布擋砂精度的空間，來減輕堵塞和釋放生產(chǎn)能力。

圖5 不同防砂參數(shù)下的采油指數(shù) 圖6 不同防砂參數(shù)下的含砂濃度 Fig.5 Oil production indexes under different sand control parameters Fig.6 Sand concentration under different sand control parameters

綜合考慮人工井壁實驗中滲透率和抗壓強度的變化、產(chǎn)能釋放以及防砂效果，推薦16/30目涂覆陶粒+120μm金屬網(wǎng)布組合?？紤]其防砂效果較好，可嘗試繼續(xù)放大涂覆陶粒尺寸或者金屬網(wǎng)布擋砂精度來進行進一步驗證，從而實現(xiàn)產(chǎn)能釋放和有效防砂的最大化。

4 結(jié)論

1)研制了人工井壁防砂性能評價實驗裝置，實驗流量可達2000L/h，實驗驅(qū)動壓差為0～10MPa，可實現(xiàn)長時間高強度防砂實驗。

2)實驗裝置可通過滲透率和采油指數(shù)的變化反映油井防砂后產(chǎn)能的變化，通過出口端含砂濃度的大小反映人工井壁的防砂效果，通過固結(jié)陶粒的強度變化反映其抗沖蝕能力。

3)實驗完成了對文昌油田低滲疏松砂巖儲層的涂覆陶粒人工井壁防砂性能的評價。實驗表明，涂覆陶粒人工井壁針對該儲層具有良好的防砂效果。綜合考慮多種評價指標，推薦現(xiàn)場使用16/30目涂覆陶粒+120μm金屬網(wǎng)布的組合，同時可根據(jù)生產(chǎn)需求適度放大防砂參數(shù)提高產(chǎn)能。

4)實驗裝置可模擬流體攜砂的一維流動，未考慮實際工況中流體的三維徑向流動，這將是下一步的研究方向。