張磊，曹硯鋒，潘豪　(中海油研究總院，北京 100028)

基于防砂模擬試驗裝置的礫石充填防砂參數優(yōu)化設計研究

張磊，曹硯鋒，潘豪(中海油研究總院，北京 100028)

[摘要]渤海灣油井防砂主要以礫石充填防砂為主,為了進一步提高其擋砂效果,同時提高單井產能,基于渤海灣地區(qū)儲層特性的統(tǒng)計結果,利用防砂模擬試驗裝置,針對礫石充填防砂進行了效果評價。試驗結果表明:①在進行礫石充填粒度參數設計時,可將D50適當放大到(6~7.5)d50,產能相對Saucier擋砂理論提高了10%,且能夠有效防砂;②礫石充填最優(yōu)充填厚度為30~35mm,繼續(xù)提高礫石充填厚度對產量的貢獻較小。在進行防砂設計時,同時考慮防砂參數和充填厚度的影響,在其產能上可以得到進一步提高。

[關鍵詞]礫石充填;礫石尺寸;礫石層厚度;產能

據相關資料報道，全世界的油井約有40%需要防砂，并且這個比例還在逐年遞增[1,2]。渤海灣地區(qū)油藏基本上屬于疏松砂巖，該類油藏具有孔滲高、巖性膠結差、強度低、出砂可能性高等特征。目前，渤海灣普遍采用的防砂方式為礫石充填防砂完井。隨著開發(fā)的逐漸進行，困擾渤海灣油田開發(fā)的突出問題主要為：一是單井產能低；二是疏松砂巖儲層出砂嚴重[3]。因此如何有效地控制出砂、提高擋砂效果以及提高單井產量是渤海灣開發(fā)即刻需要解決的問題。

目前從渤海灣油田實際生產情況來看，礫石充填防砂完井雖能收到一定的防砂效果，但砂粒流動造成砂粒在井筒周圍的堆積，堵塞油流向井底流動的通道，嚴重影響了油井的產能[4,5]。而決定礫石充填防砂完井效果的主要因素集中在擋砂精度與充填礫石層厚度。因此，通過對不同礫石尺寸和不同礫石層厚度進行防砂性能比較研究，進一步對防砂參數進行優(yōu)化設計，使得既能有效防止與控制油井出砂，節(jié)約生產成本，同時又能適當地提高產能，為油田的長期穩(wěn)定生產奠定基礎。

1試驗裝置簡介

試驗設備主要是模擬儲層出砂后對孔滲特性以及產能的影響規(guī)律。該裝置相對以往裝置的不同之處在于將儲層出砂狀況與不同類型防砂管的防砂相結合。儲層產出砂經過實際防砂管防砂后對產能產生影響，而同時不同防砂管及防砂參數又會影響儲層的出砂量及儲層特性的改變，進而影響產能。其試驗裝置主要組成部分(圖1)包括：油砂混合攪拌系統(tǒng)、加壓供液循環(huán)系統(tǒng)、出砂試驗模擬裝置、油砂分離系統(tǒng)、數據自動采集系統(tǒng)。

圖1　試驗裝置圖

其中加壓供液循環(huán)系統(tǒng)包括油泵、壓力控制系統(tǒng)、高壓管線、分流閥門等。油泵以恒壓向填砂容器供油，模擬地層生產壓差。試驗采用白油從容器出口流出后，在出口球閥下安裝砂液分離器，分離后的油循環(huán)使用。出砂試驗模擬裝置由不銹鋼制成，耐高壓耐腐蝕，最高承壓可達40MPa。模型中填滿模擬地層砂，通過頂部加蓋壓實模擬地層壓力，有效模擬真實地層。在容器內壁設有分流濾網，充分模擬井下徑向流動。

2不同礫石尺寸對比試驗研究

在現場經常參照Saucier方法[6]，采用充填礫石尺寸優(yōu)選經驗圖(圖2)進行防砂設計。當選擇礫石粒度中值D50與地層砂粒度中值d50比為14時，地層砂不受限制地穿過充填層流動，由于充填層滲透率高，地層砂在充填層內不易形成“砂橋”，會大量出砂。當選擇礫石與砂粒中值比為6～14時，地層砂侵入充填層使?jié)B透率下降；當選擇礫石與砂粒中值比為5～6時，可有效阻擋地層砂進入充填層。因此Saucier建議礫石粒度中值為5～6倍的地層砂粒度中值，而且還建議盡可能使用較小直徑的礫石。

圖2　充填礫石尺寸優(yōu)選經驗圖

為了研究礫石充填礫石層長期的擋砂效果，采用室內防砂試驗方法[7]，進行了不同礫石尺寸條件下的出砂模擬試驗，以產能最優(yōu)為原則進行礫石尺寸的優(yōu)選[8]。

以渤海灣地層特征為樣本，建立試驗過程中的粒度樣本和泥質質量分數樣本。其地層砂粒度中值d50為150μm，地層砂的均勻系數為6，混合砂質量分數為6%，泥質質量分數為10%。試驗地層砂根據樣本粒度特征值采用工業(yè)標準目數石英砂(中砂和細砂)建立合適的混合配比，調整不同目數石英砂比例進行激光粒度測試，使配制后的石英砂與儲層粒度特征值符合。在填充介質上選用現場最常用的8種標準尺寸10~16、10~20、10~30、16~30、20~40、30~40、40~50、40~60目工業(yè)礫石。在試驗中，其篩管長度35cm，內部礫石層厚度20mm，油品黏度100mPa·s(密度0.9g/cm3)，試驗壓力1MPa。針對8種不同礫石尺寸，分別進行不同礫石尺寸下礫石充填出砂模擬試驗，見表1。

根據試驗結果，可以看出當2

按照固相微粒堵塞礫石孔喉的物理模型，無論是砂粒逐漸堵塞還是多粒橋架堵塞，當固相顆粒質量濃度一定時，固液兩相通過喉道任意時刻的喉道面積上只有一個粒子存在，如圖3(a)；盡管一個粒子的粒徑大小不足以產生橋堵或填充，但隨著流入礫石顆粒間固相粒子質量分數增大時，固液兩相通過喉道任意時刻的喉道面積上同時存在多個粒子，如圖3(b)。當存在的粒子直徑與礫石喉道相當時，這樣存在的粒子以橋架的方式在喉道處橋堵或填充。

根據不同n值下礫石充填評價試驗產能對比研究發(fā)現(圖4)，利用Saucier設計理論，產能并不是最優(yōu)的，根據試驗可放大到n為6~7.5倍時，使米采油指數達到最優(yōu)。當n>7.5時，米采油指數開始降低，當比值達到9.5倍時，米采油指數急劇降低，油中含砂量上升很快，同時結合礫石層中的最終含砂量可以明顯看出礫石層出現了嚴重的砂侵，同時試驗發(fā)現部分細砂通過礫石層及防砂管產出。當礫石尺寸放大到10倍以后，防砂效果變差。雖然在適度出砂開采允許出砂量控制在0.5‰范圍內，但對于礫石尺寸的設計不建議放大礫石尺寸過多，放大過多會引起黏土及細顆粒嚴重堵塞礫石層的孔喉，從而影響產能。將n適當放大到6~7.5倍左右，產能相對Saucier的經典5~6倍擋砂理論提高了10%，且能夠有效防砂。結合渤海灣油田實際防砂經驗來看，在儲層巖石強度較高、地面設備處理能力允許的條件下，適當放寬擋砂精度，對釋放產能有明顯的效果。

圖4　礫石充填評價試驗結果圖

3不同礫石層厚度對比試驗研究

建立同樣的地層砂以及混合油砂質量濃度等進行試驗分析，針對4種礫石層厚度，分別建立試驗壓差1MPa的防砂試驗，礫石充填尺寸為16~30目，進行不同礫石層厚度對比試驗，見表2。從試驗結果可以看出，當礫石層厚度大于30mm以上，防砂效果較好，產能與含砂量趨于穩(wěn)定。

表2　不同礫石層厚度對比試驗結果

根據不同礫石層厚度下米采油指數對比圖(圖5)，礫石層厚度對米采油指數的變化影響較大，總體來說，礫石層厚度越大，米采油指數越高，同時產出液中的含砂量越低。礫石層厚度在30、35、42mm情況下，穩(wěn)定后的米采油指數相差不大，特別是當礫石層厚度增加至30mm后，生產過程中對米采油指數的貢獻很小。而礫石層厚度20mm下的米采指數為礫石層厚度在30、35、42mm時的75%，礫石層厚度15mm下的米采油指數最低。

圖5　不同礫石層厚度下米采油指數對比

在此選用30~35mm左右的礫石層厚度作為礫石充填防砂的擋砂介質。同時在完井過程中，對防砂完井設計中井壁與篩管間隙提出了要求。根據篩管設計，可以在鉆井過程中，采用擴眼器適當擴大井眼直徑；或者為了實現采收率的最大化，適當采用小規(guī)格的篩管。

4結論與認識

1)利用渤海灣防砂的特點，針對不同礫石尺寸進行了一系列的防砂試驗，對礫石充填的防砂參數進行了研究，發(fā)現其n越大，砂侵越嚴重，礫石層的堵塞現象越明顯，在進行礫石充填粒度參數設計時，可將D50適當放大到(6~7.5)d50左右，產能相對Saucier的經典5~6倍擋砂理論提高了10%，且能夠有效防砂。

2)基于防砂試驗，發(fā)現礫石充填的最優(yōu)充填厚度為30~35mm，繼續(xù)提高礫石充填厚度對產量的影響較小，在此提出了礫石充填的最優(yōu)充填厚度，結合礫石充填的粒度參數數據，建立完善的礫石充填完井防砂參數組合。

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[編輯]帥群

[引著格式]張磊，曹硯鋒，潘豪.基于防砂模擬試驗裝置的礫石充填防砂參數優(yōu)化設計研究[J].長江大學學報(自科版) ,2015,12(26):70~73.

[中圖分類號]TE358.1

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)26-0070-04

[作者簡介]張磊(1984-)，男，工程師，長期從事油氣田鉆完井設計研究工作，zhanglei9@cnooc.com.cn。

[基金項目]國家科技重大專項(2011ZX05024-003)。

[收稿日期]2015-01-20