熱采水平井完井篩管性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究

魏劍飛

中石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院修井完井研究所 山東 東營(yíng) 25700

1 研究的目的和意義

完井篩管是熱采水平井裸眼防砂完井技術(shù)的重要組成工具，它具有過(guò)濾面積大、滲透性高、堵漏能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在防砂完井過(guò)程中，篩管與其它完井配套工具連接在一起下入油層部位裸眼中。在油井生產(chǎn)過(guò)程中，油流通過(guò)篩管的過(guò)濾層進(jìn)入井筒，采出地面，而地層砂被阻擋在篩管與井筒環(huán)空內(nèi)，非常細(xì)的地層砂隨油流被產(chǎn)出，較大顆粒的地層砂聚積在環(huán)空內(nèi)形成自然充填層，進(jìn)一步提高了防砂效果。

通過(guò)對(duì)目前應(yīng)用的各種篩管的過(guò)濾層性能進(jìn)行分析，采用了繞絲層與金屬網(wǎng)層復(fù)合的過(guò)濾層結(jié)構(gòu)。過(guò)濾層內(nèi)層為繞絲層，外層為金屬網(wǎng)層，通過(guò)兩層過(guò)濾結(jié)構(gòu)提高了擋砂效果，增加了過(guò)濾層的強(qiáng)度，提高了過(guò)濾層的抗沖蝕能力。

但在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的過(guò)程中，出現(xiàn)了以下問(wèn)題：

（1）目前選取篩管過(guò)濾粒徑是依據(jù)理論設(shè)計(jì)值，粒徑選擇不合適容易造成油井出砂和篩管堵塞導(dǎo)致產(chǎn)能下降；

（2）目前對(duì)篩管擋砂能力和抗沖蝕能力缺乏評(píng)價(jià)的方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有形成理論；

（3）缺少對(duì)篩管擋砂能力和抗沖蝕能力進(jìn)行評(píng)價(jià)的試驗(yàn)裝置，無(wú)法模擬現(xiàn)場(chǎng)篩管生產(chǎn)情況。

針對(duì)以上的問(wèn)題，進(jìn)行了熱采水平井完井篩管擋砂性能評(píng)價(jià)研究和抗沖蝕性能評(píng)價(jià)研究，為篩管設(shè)計(jì)提供依據(jù)，根據(jù)不同油藏特性進(jìn)行篩管的篩選，使方案設(shè)計(jì)和單井應(yīng)用更有針對(duì)性。

2 熱采水平井完井篩管擋砂性能評(píng)價(jià)方法研究

通過(guò)微觀模擬、宏觀模擬和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)的篩管的實(shí)際防砂效果進(jìn)行了模擬評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)的主要思路是通過(guò)壓力傳感器連續(xù)采集篩管注入端內(nèi)外壓降的變化，從而反應(yīng)出篩管受到的堵塞和堵塞物的解除情況；通過(guò)測(cè)量通過(guò)篩管的流體流速，反應(yīng)篩管對(duì)于油氣的導(dǎo)流能力，從而評(píng)價(jià)防砂后對(duì)產(chǎn)能的影響；通過(guò)測(cè)量通過(guò)篩管后流體中所含有的砂粒質(zhì)量，從而評(píng)價(jià)濾砂管的對(duì)于不同級(jí)數(shù)砂粒的防砂性能；試驗(yàn)中過(guò)濾層隨時(shí)間變化的破壞程度可以模擬現(xiàn)場(chǎng)篩管的抗沖蝕能力。

首先從現(xiàn)場(chǎng)獲取地層砂樣和流體，根據(jù)粒度分析和粘度分析的結(jié)果配置試驗(yàn)砂樣和流體，試驗(yàn)時(shí)，在一定的注入壓力下，觀察流量、篩管內(nèi)外壓降隨時(shí)間的變化，根據(jù)變化情況來(lái)評(píng)價(jià)篩管的產(chǎn)能、堵塞和解堵性能；通過(guò)對(duì)篩管產(chǎn)出砂進(jìn)行粒度分析，結(jié)合實(shí)際地層砂的粒度分析和生產(chǎn)要求，來(lái)確定篩管的擋砂精度，評(píng)價(jià)篩管的擋砂性能。

（1）試驗(yàn)砂樣配制原則

嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)取出的砂樣粒徑分布進(jìn)行配制，各級(jí)別的砂粒按比例配入。砂樣供選擇的粒徑包括：40μm，60μm，70μm，89μm，100μm，120μm，150μm，170μm，250μm，300μm。

（2）試驗(yàn)流體配制原則

配制流體模擬現(xiàn)場(chǎng)流體物性，主要以流體粘度為主要參考值。

（3）篩管試件

取整根篩管的一段，包括篩管外保護(hù)套、過(guò)濾層、沖孔板、基管及端環(huán)等結(jié)構(gòu)。

（4）篩管試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)

① 米采油指數(shù)

借用米采油指數(shù)來(lái)對(duì)篩管的產(chǎn)液能力進(jìn)行考量，米采油指數(shù)越大，篩管的產(chǎn)液能力越高，滲透性越好。

② 篩管出砂粒徑分析

利用激光粒度分析通過(guò)篩管過(guò)濾后的砂樣，擋砂能力合格的篩管需要符合兩個(gè)指標(biāo)：一方面，在標(biāo)稱(chēng)擋砂粒徑以下級(jí)別的砂樣都必須含有；另一方面，超過(guò)標(biāo)稱(chēng)擋砂粒徑的石英砂占全部砂樣質(zhì)量比需要在10%以下。

3 熱采水平井完井篩管擋砂性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置研制

本次研究針對(duì)篩管特點(diǎn)研制開(kāi)發(fā)了完井篩管性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置，該裝置將篩管的性能評(píng)價(jià)手段從理論研究提高到工程評(píng)價(jià)研究，實(shí)現(xiàn)了以微觀模擬宏觀。這套裝置主要可以劃分為模擬系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等三個(gè)模塊。該裝置通過(guò)模擬完井篩管防砂性能的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證篩管過(guò)濾砂粒的效果。

3.1 試驗(yàn)裝置介紹

自主設(shè)計(jì)研制了一套篩管擋砂性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 篩管性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置主視圖

該裝置包含以下幾個(gè)模塊：

（1）模擬系統(tǒng)

該系統(tǒng)能夠承受達(dá)到20MPa的壓力，而且具有一定的耐腐蝕性能。為了進(jìn)一步貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地層，將在模型中充填不同目數(shù)的模擬地層砂，在容器里部安裝有濾網(wǎng)。

試驗(yàn)時(shí)按由內(nèi)而外地順序依次將篩管、模擬地層砂、分流濾網(wǎng)安裝好，然后把不同目數(shù)的模擬地層砂壓實(shí)。這種大尺度填砂管模型可以模擬不同條件下的出砂情況，從而優(yōu)化篩選濾砂管基本性能。

（2）循環(huán)系統(tǒng)

循環(huán)系統(tǒng)由柱塞泵、管線(xiàn)、多級(jí)液罐等組成，開(kāi)始由注入泵將泵內(nèi)的液體以一定的壓力輸出，首先來(lái)到集散器，經(jīng)由集散器的作用分散到試驗(yàn)裝置，分別從九個(gè)不同方向的注入口注入試驗(yàn)筒，采出液經(jīng)過(guò)管線(xiàn)流入沉降池，而后經(jīng)多級(jí)沉降和過(guò)濾，最終重新回到泵吸入口，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（3）測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)由多個(gè)壓力和流量傳感器組成，其中壓力傳感器分布在注入端、篩管外壁、砂體中間等部位，可以通過(guò)壓力表對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集。流量采集主要是對(duì)在入口處對(duì)流體的流速進(jìn)行測(cè)量。

由于最終產(chǎn)出流體中含有一定量的細(xì)砂粒，因此需要隔一段時(shí)間對(duì)砂粒進(jìn)行收集，然后過(guò)濾烘干，用天子天平稱(chēng)重，分析統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的出砂量。

3.2 試驗(yàn)裝置功能

該裝置可以模擬一定壓差和流量條件下不同類(lèi)型濾砂管在地層中的擋砂效果以及對(duì)產(chǎn)量的影響，具體來(lái)說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)以下4個(gè)功能。

（1）出砂量測(cè)定；

（2）擋砂粒徑測(cè)定；

（3）堵塞情況分析；

（4）產(chǎn)量影響測(cè)定；

4 熱采水平井完井篩管擋砂性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

研究某區(qū)塊地層砂粒條件下的不同濾砂管性能。

4.2 試驗(yàn)材料

（1）砂樣

砂樣數(shù)據(jù)：D50＝0.23mm，D40＝0.26mm，D90＝0.06mm。均勻性系數(shù)c＝4.33，為非均勻砂，泥質(zhì)含量5%。

（2）篩管

選用7in優(yōu)化設(shè)計(jì)后的成品篩管，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為30cm，過(guò)濾粒徑：取120μm、150μm、200μm、220μm。

（3）試驗(yàn)配件

配件材料包括粘度100mpa.s的模擬油以及電子天平、恒溫干燥箱等。

4.3 試驗(yàn)步驟

（1）試驗(yàn)筒準(zhǔn)備

① 開(kāi)泵并進(jìn)行調(diào)試，直到壓力能夠保持穩(wěn)定；

② 向注入泵灌進(jìn)液體（水），保證有液體均勻流出注入孔，于此期間校對(duì)壓力測(cè)量系統(tǒng)；

③ 為了對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行試壓工作，我們關(guān)閉試驗(yàn)筒的出口，試驗(yàn)壓力為8MPa，壓力顯示沒(méi)有下降并且整個(gè)試驗(yàn)裝置沒(méi)有漏失處為標(biāo)準(zhǔn)。

（2）填放砂樣

將篩管與試驗(yàn)筒密封，而后將配好的模擬地層砂導(dǎo)入樣機(jī)，填勻壓實(shí)。

（3）擋砂性能試驗(yàn)

① 開(kāi)泵，泵壓2.5MPa；

② 出口用容器收集產(chǎn)出液，并稱(chēng)重；

③ 記錄壓力表讀數(shù)，每隔1min采集一個(gè)點(diǎn)；

④ 待流量壓力穩(wěn)定后，提高泵壓到3.5MPa繼續(xù)試驗(yàn)；

⑤ 對(duì)采出液中砂粒進(jìn)行過(guò)濾洗滌稱(chēng)重；

⑥ 使用激光粒度儀進(jìn)行砂粒粒徑分布測(cè)試。

4.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）7in篩管，過(guò)濾粒徑120μm擋砂性能試驗(yàn)結(jié)果

① 流量壓力數(shù)據(jù)

100min內(nèi)流量隨時(shí)間逐漸下降，同時(shí)壓力逐漸上升，100min以后流量壓力同時(shí)突變，表明篩管孔眼堵塞，而后流量接近于0，最終驅(qū)動(dòng)壓力為3.2MPa，流量約0.1 kg/min。

② 出砂情況分析

前100min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續(xù)又有少量砂產(chǎn)出。試驗(yàn)共累計(jì)出砂9.05g。用激光粒度分析儀測(cè)得的砂樣粒徑分析結(jié)果可以看出產(chǎn)出砂以細(xì)粉砂為主，粒徑最大0.177mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.125的砂子占6.32%，滿(mǎn)足防砂要求。

（2）7in篩管，過(guò)濾粒徑150μm 擋砂性能試驗(yàn)結(jié)果

① 流量壓力數(shù)據(jù)

前110min壓力隨流量的下降而上升，110min后趨于穩(wěn)定，壓力增大到3.2MPa左右，流量穩(wěn)定在0.12 kg/min。

② 出砂情況分析

前100min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續(xù)又有少量砂產(chǎn)出。試驗(yàn)共累計(jì)出砂12.123g。用激光粒度分析儀測(cè)得的砂樣粒徑分析結(jié)果可以看出產(chǎn)出砂以細(xì)粉砂為主，粒徑最大0.210mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.149的砂子占7.53%，滿(mǎn)足防砂要求。

（3）7in篩管，過(guò)濾粒徑200μm 擋砂性能試驗(yàn)結(jié)果

① 流量壓力數(shù)據(jù)

前65min壓力隨流量的下降而上升，65min后趨于穩(wěn)定，壓力增大到3.1MPa左右，流量穩(wěn)定在0.3 kg/min。

② 出砂情況分析

前65min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續(xù)又有少量砂產(chǎn)出。試驗(yàn)共累計(jì)出砂30.35g。用激光粒度分析儀測(cè)得的砂樣粒徑分析結(jié)果可以看出產(chǎn)出砂以細(xì)粉砂為主，粒徑最大0.297mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.21的砂子占8.75%，滿(mǎn)足防住地層砂的要求。

（4）7in篩管，過(guò)濾粒徑220μm 擋砂性能試驗(yàn)結(jié)果

① 流量壓力數(shù)據(jù)

前55min壓力隨流量的下降而上升，55min后趨于穩(wěn)定，壓力增大到3.07MPa左右，流量穩(wěn)定在0.41kg/min。

② 出砂情況分析

前55min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續(xù)又有少量砂產(chǎn)出。試驗(yàn)共累計(jì)出砂45.68g。用激光粒度分析儀測(cè)得的砂樣粒徑分析結(jié)果可以看出產(chǎn)出砂以細(xì)粉砂為主，粒徑最大0.354mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.220的砂子占14.38%，滿(mǎn)足防砂要求。

4.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析

① 流量隨時(shí)間的變化

試驗(yàn)過(guò)程中，4種精度的篩管的曲線(xiàn)變化規(guī)律大體一致，但是曲線(xiàn)斜率有所區(qū)別，表現(xiàn)為擋砂精度越高，流量變化速率越大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，120μm篩管發(fā)生了堵塞，其他篩管可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持流速恒定。

② 壓力隨時(shí)間的變化

試驗(yàn)過(guò)程中，4種精度的篩管的曲線(xiàn)變化規(guī)律大體一致，但是曲線(xiàn)斜率有所區(qū)別，表現(xiàn)為擋砂精度越高，壓力變化速率越大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將注入壓力提高到3.5MPa后，200μm篩管有10min壓力調(diào)整期，而其他組并無(wú)此現(xiàn)象。

③ 米采油指數(shù)隨時(shí)間的變化

四種過(guò)濾粒徑的篩管米采油指數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律大體一致，但是曲線(xiàn)斜率有所區(qū)別，表現(xiàn)為擋砂精度越高，米采油指數(shù)變化速率越大。濾砂管精度從120μm 提高到后220μm，米采油指數(shù)增加了3.27倍，表明擋砂精度越高，對(duì)產(chǎn)能影響越大。

5 熱采水平井完井篩管抗沖蝕過(guò)濾層性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

利用試驗(yàn)裝置進(jìn)行了抗沖蝕過(guò)濾層性能試驗(yàn)，利用一定含砂濃度的高速流體，沖擊過(guò)濾層試件表面，根據(jù)過(guò)濾層隨時(shí)間變化的破壞程度來(lái)模擬在生產(chǎn)情況下過(guò)濾層的抗沖蝕能力。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在采液強(qiáng)度0.4 ～0.7 m3/（d.m），生產(chǎn)壓差小于10MPa的情況下，抗沖蝕過(guò)濾層均未發(fā)生破壞，能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求。實(shí)現(xiàn)了采液強(qiáng)度小于0.8m3/（d.m）、生產(chǎn)壓差10MPa以?xún)?nèi)不被破壞的目標(biāo)。

6 結(jié)論

（1）形成了一套完井篩管擋砂性能評(píng)價(jià)方法，通過(guò)流體介質(zhì)攜帶砂，模擬地層出砂，觀察砂通過(guò)篩管對(duì)壓力和流量的影響規(guī)律來(lái)評(píng)價(jià)篩管的性能，對(duì)產(chǎn)出砂進(jìn)行粒度分析，結(jié)合實(shí)際地層砂的粒度分析和生產(chǎn)要求，來(lái)評(píng)價(jià)篩管的擋砂效果。

（2）研制了一套完井篩管性能評(píng)價(jià)裝置，包括模擬系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)三大部分，可進(jìn)行51/2in和7in兩種規(guī)格不同過(guò)濾粒徑的篩管擋砂性能評(píng)價(jià)。

（3）針對(duì)區(qū)塊砂樣，進(jìn)行了7in篩管擋砂能力評(píng)價(jià)試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中的流量和壓力變化趨勢(shì)大致相同，試驗(yàn)中120μm篩管堵塞，150μm、200μm和220μm篩管流量趨于穩(wěn)定，提高壓力后，四種篩管流量略有提高，穩(wěn)定后的米采油指數(shù)隨著過(guò)濾粒徑的增大而增大；

（4）利用完井篩管性能評(píng)價(jià)裝置對(duì)抗沖蝕過(guò)濾層進(jìn)行性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，篩管的抗沖蝕強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足采液強(qiáng)度小于0.8m3/（d.m）、生產(chǎn)壓差10MPa以?xún)?nèi)的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求。