多孔隙金屬篩管熱采防砂性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究

鄧晗 王堯 孟召蘭 邢洪憲 劉傳剛 張春升 王丙剛

摘要：多孔隙金屬篩管主體擋砂層采用抗高溫、耐腐蝕性能優(yōu)良的金屬研制而成，因其特殊的三維立體孔隙結(jié)構(gòu)，篩管具有較強(qiáng)的通透性和過流能力，目前在常規(guī)冷采開發(fā)油氣田適用性良好。為進(jìn)一步評(píng)價(jià)篩管在稠油熱采條件下的適應(yīng)性，開展了多輪次蒸汽吞吐防砂模擬試驗(yàn)，模擬篩管在經(jīng)過多輪次蒸汽吞吐過程中的防砂效果變化情況，分析在多輪次注采過程中篩管內(nèi)外的壓力、溫度、出砂量和出砂粒徑的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過16個(gè)輪次的高溫蒸汽吞吐（蒸汽溫度350 ℃、注入壓力17 MPa）試驗(yàn)，篩管出砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.86×10-7%～6.63×10-6%之間，出砂粒徑中值略小于篩管擋砂精度，滲透率保持能力在85.7%左右，篩管整體過流能力和抗堵塞性能保持率良好。試驗(yàn)結(jié)果充分證明了篩管在稠油熱采油藏開發(fā)方面具有良好的防砂效果和過流性能，可為稠油熱采工況下油氣田防砂完井提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：稠油開采；多孔隙金屬篩管；蒸汽吞吐；防砂性能；抗堵塞性能

0 引 言

近些年我國(guó)渤海灣盆地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一批大、中型稠油油藏，目前針對(duì)稠油油藏開發(fā)，逐漸從冷采開發(fā)向熱采開發(fā)技術(shù)轉(zhuǎn)變，并取得了良好的效果［1-3］。油藏開發(fā)過程中，疏松砂巖儲(chǔ)層出砂問題是無法回避的問題，渤海油田防砂主要采用礫石充填和獨(dú)立篩管簡(jiǎn)易防砂等機(jī)械防砂方式。海上常用的防砂篩管包括繞絲篩管、割縫襯管、金屬棉（氈）篩管及金屬網(wǎng)布篩管等［4-5］。但機(jī)械篩管在應(yīng)用中也存在局限性，受原油黏度高、泥質(zhì)含量多、儲(chǔ)層孔滲差異大等因素影響，容易產(chǎn)生篩管堵塞和沖蝕刺漏破壞，所以防砂有效期不長(zhǎng)。

針對(duì)稠油油藏?zé)岵砷_發(fā)的篩管研發(fā)，業(yè)內(nèi)學(xué)者做了大量研究。2016年，劉新鋒等［6］研發(fā)的新型熱采篩管具備較好的熱穩(wěn)定性和抗腐蝕能力，并在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，熱采周期為2輪次。2021年，賈立新等［7］研究了稠油熱采井防砂篩管失效機(jī)理，發(fā)現(xiàn)熱采井注入高溫蒸汽會(huì)導(dǎo)致防砂篩管發(fā)生塑性變形而失效，沖蝕-腐蝕迭加條件是篩管沖蝕損壞的主要因素。2022年，劉強(qiáng)等［8］對(duì)熱采工況下鈦合金篩管性能進(jìn)行研究，篩管經(jīng)過了7個(gè)輪次的加熱與冷卻后，對(duì)其變形量進(jìn)行研究，當(dāng)溫度降到室溫后整個(gè)管柱的軸向熱變形為0，而同樣條件下的鋼制套管及篩管管體材料的拉伸峰值載荷達(dá)到甚至超出材料的屈服強(qiáng)度，引起套管縮徑變形最終發(fā)生大范圍的套損。鄧晗，等：多孔隙金屬篩管熱采防砂性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究

針對(duì)新型多孔隙金屬篩管的性能研究，孫金等［9］研究了不同泥質(zhì)含量、擋砂精度下多孔隙金屬篩管的堵塞機(jī)理。高斌等［10］研究了多孔隙金屬篩管在常規(guī)工況下的擋砂性能和抗沖蝕性能。王堯等［11］研究了多孔隙金屬篩管的綜合性能，包括抗堵塞性能、抗沖蝕性能、抗內(nèi)外壓強(qiáng)度性能等，試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了篩管良好的擋砂性能。邢洪憲等［12］通過對(duì)篩管的室內(nèi)性能測(cè)試和井下現(xiàn)場(chǎng)試用，驗(yàn)證了篩管擋砂性能和過流能力優(yōu)良。劉晨楓等［13］針對(duì)泡沫金屬防砂介質(zhì)砂粒運(yùn)移規(guī)律及堵塞機(jī)理開展試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明篩管空隙連通性好、防砂性能優(yōu)異。筆者將針對(duì)稠油熱采工況下篩管的性能開展相關(guān)評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究。

1 多孔隙金屬篩管

多孔隙金屬篩管具有多層結(jié)構(gòu)，包括打孔基管、端肩環(huán)、固緊加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、多孔隙金屬層以及外保護(hù)套等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

多孔隙金屬篩管的主體擋砂結(jié)構(gòu)為多孔隙金屬層（見圖2），由鎳基合金材質(zhì)設(shè)計(jì)制造而成，原材料具備抗高溫和耐腐蝕的優(yōu)良性能。

圖2為常用篩管擋砂介質(zhì)與泡沫金屬結(jié)構(gòu)對(duì)比圖。

多孔隙泡沫金屬層內(nèi)部結(jié)構(gòu)有別于常規(guī)繞絲、割縫、金屬網(wǎng)布以及棉（氈）結(jié)構(gòu)，具有三維立體連通孔喉結(jié)構(gòu)，孔隙率高達(dá)80%以上，遠(yuǎn)高于常規(guī)篩管，因此其具備較強(qiáng)的過流能力以及抗堵塞性能。

2 多輪次蒸汽吞吐防砂性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了更好地評(píng)價(jià)多孔隙金屬篩管在稠油熱采工況下的綜合性能，開展本次試驗(yàn)。主要目的在于分析多輪次注采過程中篩管內(nèi)外的壓力、溫度、出砂量和出砂粒徑等的變化規(guī)律，評(píng)價(jià)篩管在蒸汽吞吐條件下的防砂效果，以滿足稠油油田熱采開發(fā)的需要。

2.2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)條件

2.2.1 試驗(yàn)裝置

出砂模擬試驗(yàn)裝置是試驗(yàn)的主要裝置，該裝置由主模型、恒速恒壓泵、蒸汽發(fā)生器、配液裝置、模擬液加熱器、儲(chǔ)液裝置、液體循環(huán)泵、冷凝器、壓力采集系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)等部分組成。試驗(yàn)流程圖如圖3所示。

2.2.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用的篩管：139.7 mm（51/2in）篩管短節(jié)，擋砂精度為120 μm，篩管外徑為177.5 mm，內(nèi)徑為124.3 mm，篩管的有效過流長(zhǎng)度為500 mm。

試驗(yàn)所需要的主要材料包括：石英砂、膨潤(rùn)土、伊利石、聚陰離子纖維素HV、純凈水等。采用目標(biāo)油田儲(chǔ)層粒度分布規(guī)律配置模擬地層砂，配比如表1所示。

2.2.3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)注蒸汽過程中，注入排量500～600 mL/min，蒸汽溫度200～350 ℃，注入壓力8～17 MPa，注入時(shí)間不短于12 h，注入后燜井時(shí)間不短于8 h。

試驗(yàn)燜井后回采過程中，回采排量2～8 L/min，回采所用的液體為黏度150 mPa·s（75～80 ℃）的模擬液，回采壓差8 MPa左右。

2.3 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)步驟

利用驅(qū)替裝置進(jìn)行篩管堵塞評(píng)價(jià)試驗(yàn)，流體長(zhǎng)時(shí)間流過篩管，測(cè)量篩管內(nèi)外的驅(qū)替壓差以及流量，便可得到篩管滲透率隨時(shí)間變化關(guān)系。搜集產(chǎn)出砂，測(cè)量出砂量和出砂粒徑，計(jì)算出砂濃度，便可得到篩管擋砂效果隨不同輪次蒸汽吞吐的變化關(guān)系。

試驗(yàn)主要步驟為：將與儲(chǔ)層物性相近的模擬地層砂填充于篩管外側(cè)的環(huán)空中。蒸汽注入時(shí)，利用蒸汽發(fā)生器從篩管內(nèi)部注入高溫高壓水蒸汽，連續(xù)監(jiān)測(cè)篩管內(nèi)部的壓力和溫度變化，待篩管內(nèi)部溫度和壓力達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí)，停止注汽，憋壓燜井。燜井一定時(shí)間后，進(jìn)行放噴，卸掉篩管內(nèi)部壓力?；夭蓵r(shí)，切換到回采試驗(yàn)流程，從模擬地層砂外邊界，采用穩(wěn)定的排量注入具有一定黏度的模擬液，進(jìn)行回采試驗(yàn)。回采過程中，連續(xù)監(jiān)測(cè)篩管外砂層中和篩管內(nèi)部的壓力和溫度變化，并收集從篩管內(nèi)部流出的模擬液，分離模擬液中的砂粒，分析出砂量和砂粒粒徑。整個(gè)試驗(yàn)?zāi)M了熱采井篩管防砂的注汽、燜井、放噴和回采過程，通過對(duì)比分析壓力、出砂量和砂粒粒徑的大小來評(píng)價(jià)不同類型篩管在蒸汽吞吐條件下的適應(yīng)性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)過程分析

3.1.1 注蒸汽過程

啟動(dòng)蒸汽發(fā)生器，當(dāng)蒸汽溫度和壓力達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí)，打開蒸汽注入閥，啟動(dòng)恒速恒壓泵，向篩管內(nèi)部注入高溫高壓水蒸氣，通過水平井加熱控制儀和壓力監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)篩管內(nèi)部的溫度和壓力。當(dāng)溫度和壓力達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí)，停止注汽，關(guān)閉蒸汽注入閥。

注蒸汽的壓力變化關(guān)系如圖4所示。整個(gè)注蒸汽時(shí)間共計(jì)760 min?？梢钥闯觯羝麎毫?、篩管壓力、砂層壓力變化曲線（篩管壓力與蒸汽壓力重合）基本一致。注蒸汽過程開始時(shí)，壓力開始迅速上升，達(dá)到最高峰后，壓力開始起伏變化，波動(dòng)較大。在整個(gè)注蒸汽過程中，蒸汽壓力和篩管壓力大于砂層壓力。注入過程結(jié)束時(shí)，蒸汽壓力為13.3 MPa，篩管壓力為13.23 MPa，砂層壓力為6.56 MPa。

整體溫度經(jīng)過波動(dòng)后趨于穩(wěn)定，筒體溫度為332.7～352.2 ℃，篩管溫度為317.5～334.6 ℃，砂層溫度為314.9～339.3 ℃。溫度變化曲線如圖5所示。

3.1.2 燜井放噴過程

在注蒸汽停止后，關(guān)閉蒸汽注入閥和模型出口閥，進(jìn)行燜井，使主模型內(nèi)的溫度和壓力達(dá)到平衡，監(jiān)測(cè)溫度和壓力的變化。

燜井放噴用時(shí)共計(jì)995 min，其中燜井時(shí)間720 min，放噴時(shí)間共275 min。燜井開始后，壓力逐漸下降，且著隨時(shí)間的推移，下降幅度開始變緩，最后趨于穩(wěn)定。燜井開始時(shí)，篩管壓力為13.23 MPa，砂層壓力為6.56 MPa。開始放噴時(shí)，篩管壓力為0.04 MPa，砂層壓力為0。放噴結(jié)束時(shí)，篩管壓力和砂層壓力均為0（見圖6）。

隨著燜井過程的進(jìn)行，溫度逐漸下降，但下降幅度逐漸減小。燜井開始時(shí)，篩管溫度為328.5 ℃，筒體溫度為351.5 ℃，砂層溫度為331 ℃。開始放噴時(shí)，篩管溫度為80.5 ℃，筒體溫度為118.2 ℃，砂層溫度為107 ℃。放噴結(jié)束時(shí)，篩管溫度為49 ℃，筒體溫度為72.3 ℃，砂層溫度為74.5 ℃（見圖7）。

3.1.3 回采過程

當(dāng)篩管中、砂層中的壓力接近0時(shí)，導(dǎo)通回采試驗(yàn)流程，設(shè)定回采排量，啟動(dòng)液體循環(huán)泵，往主模型中注入模擬液，模擬液從填充的砂層外側(cè)均勻擴(kuò)散流入篩管內(nèi)部，最后流出模型?；夭蛇^程中連續(xù)監(jiān)測(cè)模型中壓力和溫度的變化。

回采過程總計(jì)用時(shí)4 334 min，由回采過程壓力變化曲線（見圖8）可以看出，模型入口壓力＞砂層壓力＞篩管壓力，且壓力變化趨勢(shì)基本保持一致。在回采過程中，壓力值先迅速上升，但隨回采過程的進(jìn)行，壓力值增長(zhǎng)速度變緩，之后壓力逐漸回落，并趨于穩(wěn)定。最大回采壓差為0.05 MPa。

3.2 試驗(yàn)產(chǎn)出砂樣分析

多孔隙金屬篩管經(jīng)過16個(gè)輪次的蒸汽吞吐防砂試驗(yàn)。每個(gè)輪次在注蒸汽及回采的過程中，通過過濾器收集試驗(yàn)砂樣，然后經(jīng)過沉降、烘干，之后進(jìn)行粒度分析，獲得每個(gè)輪次的砂樣分布，如表2所示。

從表2可以看出：第1輪次產(chǎn)出液含砂量較大，粒度中值很?。粡牡?輪次開始，產(chǎn)出液含砂量有逐漸降低的趨勢(shì)，但是有一定的波動(dòng)。前2個(gè)輪次回采時(shí)，產(chǎn)出液流體含砂最大粒徑在篩管的擋砂精度值120 μm范圍內(nèi)，篩管擋砂效果良好；從第3輪次至第16輪次回采，產(chǎn)出液最大粒徑均超過了篩管的擋砂精度值120 μm，說明在第3輪次蒸汽吞吐過程中，篩管過濾層已經(jīng)發(fā)生了彈性變形，導(dǎo)致產(chǎn)出液少量砂粒粒徑大于篩管擋砂精度，但是整體出砂量并沒有變大的趨勢(shì)，說明篩管并沒有發(fā)生破壞，在穩(wěn)定生產(chǎn)條件下，篩管與地層砂仍能形成穩(wěn)定的砂橋，起到擋砂作用。

回采過程中出砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系如表3所示。整體來看，16個(gè)輪次出砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在較低的水平，波動(dòng)范圍為1.86×10-7%～6.63×10-6%，遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)0.03%的安全出砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表明篩管在多輪次蒸汽吞吐工況下仍具備優(yōu)良的擋砂效果。

3.3 篩管坑堵塞性能分析

為了分析隨吞吐輪次的增加及生產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)，篩管的堵塞趨勢(shì)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了同一篩管在不同吞吐輪次的壓差變化曲線，結(jié)果如圖9所示。

整體來看，各輪次的生產(chǎn)壓差變化趨勢(shì)較為一致，在初期快速增大，后期逐漸趨于穩(wěn)定。隨著吞吐輪次的增加，回采壓差上升幅度有增大趨勢(shì)?；夭蓧翰钌仙娇欤砻骱Y管的堵塞程度逐漸加劇。

為進(jìn)一步了解堵塞程度變化趨勢(shì)，繪制了生產(chǎn)壓差、滲透率隨吞吐輪次變化關(guān)系，如圖10所示。

通過滲透率變化關(guān)系可以明顯看出，除去第1組過流能力異常出眾外，其余組表現(xiàn)的非常穩(wěn)定，隨著吞吐輪次的不斷增加，滲透率始終保持在1 000 mD左右的水平。相較于第2～4輪的平均滲透率為910 mD左右，最后3輪的平均滲透率為780 mD左右，滲透率保持率在85.7%左右。試驗(yàn)結(jié)果表明，篩管在多輪次熱采工況下，仍能夠保持較強(qiáng)的過流能力。

3.4 篩管試驗(yàn)前后外觀形態(tài)對(duì)比

將多孔隙金屬篩管進(jìn)行蒸汽吞吐試驗(yàn)后從模型內(nèi)起出，進(jìn)行全方位觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)篩管外觀完好，無明顯變形或破壞跡象，篩管未發(fā)生破壞，初步判斷篩管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好。

4 結(jié) 論

（1）基于多孔隙篩管特有的三維立體連通孔喉結(jié)構(gòu)及材料性能的認(rèn)識(shí)，篩管具備較好的過流能力、擋砂性能及耐高溫腐蝕能力。

（2）通過16輪次蒸汽吞吐防砂性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，結(jié)果表明，多孔隙金屬篩管在高強(qiáng)度、多輪次熱采條件下，仍具備優(yōu)良的過流能力及擋砂性能。

（3）篩管多輪次蒸汽吞吐防砂性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，篩管在稠油熱采防砂領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］蔣延明．海上稠油油藏?zé)岵砷_發(fā)效果評(píng)價(jià)方法與應(yīng)用［D］．北京：中國(guó)石油大學(xué)（北京），2020．

JIANG Y M.Evaluation and application of thermal recovery development effect of offshore heavy oil reservoir［D］.Beijing： China University of Petroleum （Beijing），2020.

［2］劉義剛，鄒劍，王秋霞，等．海上稠油油藏水平井注蒸汽開發(fā)技術(shù)研究［J］．當(dāng)代化工，2020，49（7）：1447-1451．

LIU Y G，ZOU J，WANG Q X，et al.Study on steam injection development technology of horizontal well in offshore heavy oil reservoirs［J］.Contemporary Chemical Industry，2020，49（7）： 1447-1451.

［3］鄒劍，張華，劉建斌，等．旅大27-2油田稠油油藏流體流動(dòng)性影響因素［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（23）：9308-9313．

ZOU J，ZHANG H，LIU J B，et al.Fluid fluidity affecting factors on heavy oil reservoirs in LD 27-2 oilfield［J］.Science Technology and Engineering，2020，20（23）： 9308-9313.

［4］王利華，鄧金根，周建良，等．適度出砂開采標(biāo)準(zhǔn)金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管防砂參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究［J］．中國(guó)海上油氣，2011，23（2）：107-110．

WANG L H，DENG J G，ZHOU J L，et al.Experimental study on premium screen mesh opening design for reasonable sand control［J］.China Offshore Oil and Gas，2011，23（2）： 107-110.

［5］車爭(zhēng)安，修海媚，孟召蘭，等．渤海蓬萊油田防砂歷程及機(jī)理研究［J］．鉆采工藝，2016，39（1）：56-59．

CHE Z A，XIU H M，MENG Z L，et al.Analysis of sand control history and mechanism in Penglai Bohai oilfield［J］.Drilling & Production Technology，2016，39（1）： 56-59.

［6］劉新鋒，王新根，王忠祿，等．新型熱采篩管在海上稠油油田的應(yīng)用［J］．特種油氣藏，2016，23（3）：148-150．

LIU X F，WANG X G，WANG Z L，et al.Application of a new thermal recovery screen in offshore heavy oilfield［J］.Special Oil & Gas Reservoirs，2016，23（3）： 148-150.

［7］賈立新，韓耀圖，陳毅，等．稠油熱采井防砂篩管失效機(jī)理及完整性研究［J］．裝備環(huán)境工程，2021，18（1）：77-83．

JIA L X，HAN Y T，CHEN Y，et al.Failure mechanism and integrity of sand control screen in heavy oil thermal production well［J］.Equipment Environmental Engineering，2021，18（1）： 77-83.

［8］劉強(qiáng)，陳勛，祝國(guó)川，等．熱采工況下鈦合金篩管性能計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究［J］．稀有金屬材料與工程，2022，51（2）：588-598．

LIU Q，CHEN X，ZHU G C，et al.Calculation and full-size experimental research on performance of titanium alloy screen pipe under the thermal recovery condition［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2022，51（2）： 588-598.

［9］孫金，鄧金根，王堯，等．新型泡沫金屬篩管堵塞機(jī)理及影響因素試驗(yàn)研究［J］．石油鉆探技術(shù)，2015，43（5）：123-128．

SUN J，DENG J G，WANG Y，et al.Experimental study on plugging mechanisms and influencing factors of a new foam metal screen［J］.Petroleum Drilling Techniques，2015，43（5）： 123-128.

［10］高斌，王堯，張春升，等．一種新型防砂篩管的研制及性能評(píng)價(jià)［J］．石油天然氣學(xué)報(bào)（江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)），2015，37（3/4）：51-54．

GAO B，WANG Y，ZHANG C S，et al.Development and performance evaluation of a new sand control screen［J］.Journal of Oil and Gas Technology （Journal of Jianghan Petroleum Institute），2015，37（3/4）： 51-54.

［11］王堯，邢洪憲，張磊，等．泡沫金屬防砂篩管性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)［J］．石油機(jī)械，2019，47（4）：90-97．

WANG Y，XING H X，ZHANG L，et al.Experimental on performance evaluation of foam metal sand control screen［J］.China Petroleum Machinery，2019，47（4）： 90-97.

［12］邢洪憲，張曉誠(chéng)，王堯，等．泡沫金屬防砂篩管研制及性能測(cè)試［J］．海洋石油，2020，40（2）：39-43．

XING H X，ZHANG X C，WANG Y，et al.Development and performance test of foamed metal sand control screen［J］.Offshore Oil，2020，40（2）： 39-43.

［13］劉晨楓，董長(zhǎng)銀，孟召蘭，等．泡沫金屬防砂介質(zhì)砂粒運(yùn)移規(guī)律及堵塞機(jī)理試驗(yàn)［J］．石油機(jī)械，2022，50（5）：82-90．

LIU C F，DONG C Y，MENG Z L，et al.Experimental study on migration and plugging mechanism of sand particles in metal foam sand control medium［J］.China Petroleum Machinery，2022，50（5）： 82-90.