董長銀，張清華，鄭華安，董云彬，何海峰*

(1.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524000；3.中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257237)

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稠油熱采防砂井動態(tài)產(chǎn)能評價方法及其應(yīng)用

董長銀1，張清華1，鄭華安2，董云彬3，何海峰3*

(1.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580；2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524000；3.中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257237)

稠油熱采井防砂后由于擋砂介質(zhì)堵塞和生產(chǎn)條件改變，防砂井表皮系數(shù)和產(chǎn)能將隨時間動態(tài)變化，但目前尚無相應(yīng)的動態(tài)產(chǎn)能評價方法。通過實驗手段研究礫石層堵塞規(guī)律與時間、黏土與細(xì)質(zhì)含量、流體黏度、流速、礫砂中值比等生產(chǎn)條件的關(guān)系，擬合建立了礫石層堵塞滲透率比隨時間變化規(guī)律預(yù)測模型，通過熱采井近井溫度變化和原油黏溫關(guān)系計算溫度對產(chǎn)液指數(shù)的影響，建立了一套稠油熱采防砂井動態(tài)產(chǎn)能評價方法，用于預(yù)測投產(chǎn)后產(chǎn)液指數(shù)和產(chǎn)量隨時間的動態(tài)變化規(guī)律。孤東油田典型井實例分析表明：防砂介質(zhì)堵塞和熱損失是稠油熱采防砂井產(chǎn)能下降的的主要原因，兩者對油井產(chǎn)能降低的貢獻(xiàn)分別為47%和53%，基本相當(dāng)；投產(chǎn)早期，油井產(chǎn)能下降較快，然后下降速度減緩，最終產(chǎn)能趨于穩(wěn)定；具體變化規(guī)律取決于油井地質(zhì)特征、防砂參數(shù)和生產(chǎn)條件。該研究結(jié)果對提高防砂井產(chǎn)能和優(yōu)化防砂措施有指導(dǎo)意義。

稠油熱采；防砂；礫石充填；介質(zhì)堵塞；動態(tài)產(chǎn)能評價；孤東油田

0 引 言

稠油出砂油藏的正常開發(fā)不但需要注蒸汽熱采，而且還需要采取防砂(完井)措施。防砂后的產(chǎn)能預(yù)測與評價是此類油井防砂完井工程設(shè)計的關(guān)鍵問題和研究熱點之一。文獻(xiàn)[1-9]主要針對礫石充填防砂工藝計算防砂產(chǎn)能比，從而進(jìn)行產(chǎn)能預(yù)測，預(yù)測結(jié)果僅為投產(chǎn)初期情況，與生產(chǎn)時間無關(guān)；文獻(xiàn)[10-14]使用類似的方法將研究擴(kuò)展到了其他類型的防砂井、氣井以及水平井。上述關(guān)于常規(guī)及熱采油藏的防砂井的產(chǎn)能預(yù)測實質(zhì)上屬于靜態(tài)預(yù)測的范疇，只能代表防砂后初期的情況。實際上，防砂井投產(chǎn)后，由于流體攜帶地層砂及堵塞物不斷沖擊，擋砂介質(zhì)的擋砂過程實質(zhì)上也是儲層逐步被堵塞的過程，防砂層滲透率不斷變化，造成表皮系數(shù)和產(chǎn)能比都是隨時間動態(tài)變化的；對于熱采井，再考慮熱損失和溫度變化，這種產(chǎn)能的動態(tài)變化會更加復(fù)雜。目前，關(guān)于防砂井擋砂介質(zhì)堵塞規(guī)律已有大量的實驗研究，但尚未形成堵塞滲透率隨時間變化的定量預(yù)測模型或方法。因此，關(guān)于防砂井，尤其是稠油熱采防砂井的動態(tài)產(chǎn)能預(yù)測也未形成系統(tǒng)有效的方法。針對上述問題，以稠油蒸汽吞吐礫石充填防砂井為例，首先通過實驗手段研究礫石層堵塞規(guī)律與時間以及各生產(chǎn)參數(shù)的關(guān)系，建立礫石層堵塞滲透率比隨時間變化規(guī)律預(yù)測模型，然后考慮熱損失溫度降低對產(chǎn)液指數(shù)的影響，建立了一套稠油熱采防砂井動態(tài)產(chǎn)能評價方法，為防砂井投產(chǎn)后產(chǎn)液指數(shù)和產(chǎn)量隨時間的動態(tài)變化規(guī)律預(yù)測提供了一條有效途徑。

1 礫石層堵塞規(guī)律實驗

1.1 實驗方法與實驗材料

圖1為礫石層擋砂介質(zhì)堵塞評價實驗裝置流程圖。實驗時將礫石層充填于不同直徑的單向驅(qū)替裝置中，然后用流體攜帶堵塞物驅(qū)替礫石層，模擬井底礫石層擋砂和堵塞過程。礫石充填裝置兩側(cè)安裝差壓傳感器，實時測量驅(qū)替流量和礫石層的流動壓差，利用達(dá)西公式即可計算礫石層充填短節(jié)的堵塞滲透率，其變化反映礫石層的堵塞情況。

圖1 礫石層擋砂介質(zhì)堵塞驅(qū)替實驗裝置

實驗材料：清水、黏度為1～35 mPa·s的增黏水、黏度(室溫)為35～80 mPa·s的稠油；地層砂根據(jù)實際油田地層砂篩析曲線配制而成，編號為A1—A6，粒度中值分別為0.06、0.10、0.16、0.19、0.23、0.27 mm，均勻系數(shù)為1.89～3.45；礫石使用普通石英砂，編號為B1、B2和B3，粒徑分別為0.30～0.60、0.42～0.84和0.60～1.20 mm；黏土材料使用膨潤土代替。

1.2 礫石層堵塞規(guī)律實驗結(jié)果分析

為了避免由于礫石尺寸不同以及填砂壓實程度差異造成礫石層滲透率不同，使用礫石層堵塞滲透率比(驅(qū)替試驗后礫石層滲透率與未堵塞狀態(tài)下的礫石層初始滲透率的比值)表征礫石層的堵塞程度。利用上述實驗方法和材料共進(jìn)行了45組礫石層堵塞規(guī)律實驗，分析各因素對堵塞程度的影響規(guī)律，建立堵塞滲透率的預(yù)測模型。

1.2.1 堵塞滲透率隨時間的變化規(guī)律

用A1、A2、A3、A5地層砂驅(qū)替B1、B2礫石(分別用A1B1、A2B1、A3B2、A5B1表示實驗序號)，得到礫石層堵塞滲透率比與時間的變化關(guān)系(圖2)。由圖2可知：堵塞開始時礫石層滲透率比以較快速度降低，然后逐步減緩，直至最終保持在某一穩(wěn)定值；圖2中的各實驗曲線形狀類似，但下降的速度和幅度受流體流速、地層砂粒徑、礫石粒徑、黏土含量、流體物性等條件影響而表現(xiàn)各異。

圖2 礫石層滲透率比與驅(qū)替時間的關(guān)系

1.2.2 堵塞滲透率隨含砂率與礫砂中值比的變化規(guī)律

在驅(qū)替流量為0.52 m3/h條件下，利用A1—A6地層砂分別驅(qū)替B1—B3礫石，組合得到1.6～9.0不同的礫砂中值比(即礫石粒度中值與地層砂粒度中值的比值，用GSR表示)，研究GSR對FPR(達(dá)到穩(wěn)定不再變化時的堵塞滲透率比稱為最終堵塞滲透率比)的影響規(guī)律；利用黏度為5 mPa·s增黏水?dāng)y帶A2地層砂驅(qū)替B2礫石，設(shè)定地層砂含砂率變化范圍為0.5‰～8.0‰，研究含砂率對FPR的影響規(guī)律(圖3)。由圖3可知：FPR隨著GSR增大下降較快，然后變緩；FPR隨著含砂率的增加總體呈下降趨勢，但不明顯。

圖3 最終堵塞滲透率比與GSR和含砂率的關(guān)系

1.2.3 堵塞滲透率隨黏土含量與細(xì)質(zhì)含量的變化規(guī)律

為了考察地層砂細(xì)質(zhì)(粒徑低于0.044 mm的細(xì)砂組分)含量和黏土含量對堵塞滲透率的影響，使用A2地層砂，混合不同含量的細(xì)質(zhì)，分別驅(qū)替B1礫石進(jìn)行實驗，在A3地層砂中摻入不同比例的膨潤土模擬不同黏土含量，分別驅(qū)替B2礫石進(jìn)行實驗。實驗結(jié)果表明：隨著細(xì)質(zhì)含量和黏土含量的增加，礫石層FPR明顯降低；在較高的細(xì)質(zhì)和黏土含量下，F(xiàn)PR隨兩者含量變化敏感性降低；相比而言，泥質(zhì)比細(xì)質(zhì)成分對堵塞影響更大一些。

1.2.4 堵塞滲透率隨流體黏度和驅(qū)替流速的變化規(guī)律

使用不同黏度流體攜帶A3地層砂驅(qū)替B2礫石進(jìn)行實驗，研究流體黏度對礫石層FPR的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明：流體黏度由1 mPa·s增至70 mPa·s時，礫石FPR由0.60降至0.28；黏度越高的流體對堵塞物的攜帶能力越強(qiáng)，對礫石層的侵入和堵塞越嚴(yán)重，最終堵塞滲透率越低。

使用黏度為2.0 mPa·s的增黏水?dāng)y帶A3地層砂驅(qū)替B2礫石，設(shè)定不同初始流量，研究驅(qū)替流速對礫石層FPR的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明：驅(qū)替流速由0.25 m/s提高至1.35 m/s時，礫石層FPR由0.90下降至0.29；流速越高攜砂能力越強(qiáng)，導(dǎo)致最終的礫石層堵塞滲透率比越低。

2 礫石層FPR預(yù)測經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/h2>

首先根據(jù)圖3的實驗結(jié)果擬合堵塞滲透率比隨時間的變化規(guī)律。經(jīng)擬合試算，其變化符合對數(shù)變化規(guī)律：

kr=1-YsArlnt+Br

(1)

式中：t為實驗(生產(chǎn))時間，s；kr為時間t時的礫石層堵塞滲透率比；Ar、Br為經(jīng)驗擬合系數(shù)；Ys為綜合堵塞影響系數(shù)。

綜合堵塞影響系數(shù)Ys用來表征含砂率、GSR、黏土含量、細(xì)質(zhì)含量、產(chǎn)液強(qiáng)度、原油黏度等生產(chǎn)參數(shù)對堵塞變化規(guī)律和最終堵塞程度的影響。利用孤東油田某熱采油藏的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)實際產(chǎn)量、含砂率等資料將實驗驅(qū)替的時間量綱轉(zhuǎn)換為油井實際生產(chǎn)的時間量綱，擬合得到系數(shù)Ar=0.207 7，Br=0.052 3。

綜合堵塞影響系數(shù)Ys通過上述各單項生產(chǎn)條件的堵塞影響系數(shù)加權(quán)平均得到：

Ys=WqsYqs+WGSRYGSR+WRcYRc+

WRfYRf+WUoYUo+WqlYql

(2)

式中：Yqs、YGSR、YRc、YRf、YUo、Yql分別為含砂率、GSR、黏土含量、細(xì)質(zhì)含量、原油黏度、產(chǎn)液強(qiáng)度的單項堵塞影響系數(shù)；Wqs、WGSR、WRc、WRf、WUo、Wql分別為上述對應(yīng)各單項因素所占的權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)實驗結(jié)果得到的礫石層FPR與各生產(chǎn)條件的定量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)礫石層FPR隨各因素的基本變化規(guī)律相似，可統(tǒng)一采用如下經(jīng)驗公式描述單項堵塞影響系數(shù)與生產(chǎn)參數(shù)之間的關(guān)系：

(3)

式中：Yi為第i個生產(chǎn)因素的單項堵塞影響系數(shù)；Xi為第i個生產(chǎn)條件的實驗數(shù)據(jù)；Ki為第i個因素的擬合特征值；ni為第i個因素的擬合系數(shù)。

根據(jù)實驗結(jié)果，礫砂中值比、細(xì)質(zhì)含量、黏土含量、原油黏度、產(chǎn)液強(qiáng)度、出砂濃度等對應(yīng)的擬合特征值Ki和系數(shù)ni推薦值見表1。

表1 各生產(chǎn)因素的擬合特征值和系數(shù)

3 動態(tài)產(chǎn)能預(yù)測模型及應(yīng)用分析

3.1 動態(tài)產(chǎn)能預(yù)測模型

對于熱采防砂井，投產(chǎn)后采油指數(shù)隨時間的變化主要由如下2種因素引起。

(1) 注蒸汽完畢后，近井地帶地層溫度會不斷降低，原油黏度升高，導(dǎo)致采油指數(shù)降低。根據(jù)井底溫度變化和原油黏溫關(guān)系，可以預(yù)測不同生產(chǎn)時間下的原油黏度。使用原油黏度與初始溫度條件下的原油黏度的比值的倒數(shù)表征溫度對采油指數(shù)的影響程度，即溫度降低影響產(chǎn)能比：

(4)

式中：t為生產(chǎn)時間，d；μ(t)為t時間的原油黏度，mPa·s；μ(0)為注蒸汽投產(chǎn)時井底溫度條件下的原油黏度，mPa·s；Rμ(t)為t時間時由于溫度降低原油黏度升高形成的產(chǎn)能比。

(2) 礫石充填層隨生產(chǎn)時間延長逐步被堵塞，堵塞滲透率(比)通過式(1)經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎愕玫剑缓笫褂梦墨I(xiàn)[1，4-5]中的表皮系數(shù)模型可計算給定生產(chǎn)時間下的防砂表皮系數(shù)SSC。防砂介質(zhì)堵塞造成的產(chǎn)能比為：

(5)

式中：rw為井眼半徑，m；re為油井控制泄油半徑，m；S為由鉆井污染引起的油井表皮系數(shù)；Sp為射孔表皮系數(shù)；SSC(t)為在t時間時由于防砂介質(zhì)堵塞形成的防砂表皮系數(shù)；RPI(t)為t時間時由于防砂介質(zhì)堵塞形成的產(chǎn)能比。

綜合考慮熱損失溫度降低和防砂介質(zhì)堵塞，熱采井防砂投產(chǎn)后生產(chǎn)t時間后的綜合產(chǎn)能比為：

R(t)=Rμ(t)·RPI(t)

(6)

式中：R(t)為t時間時由于溫度降低原油黏度升高和防砂介質(zhì)堵塞形成的總產(chǎn)能比。

上述產(chǎn)能比的定義為防砂后與防砂前產(chǎn)能的比值。為表征投產(chǎn)后防砂產(chǎn)能的下降規(guī)律，定義產(chǎn)能保持率為：

(7)

式中：K(t)為投產(chǎn)t時間后的產(chǎn)能保持率；R(0)為投產(chǎn)初期的綜合產(chǎn)能比。

3.2 模型應(yīng)用案例分析

勝利油田某稠油油藏采用蒸汽吞吐方式開采，防砂措施為礫石充填防砂。利用直井XR19井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)滲透率比預(yù)測和產(chǎn)能評價。該井地層靜壓為10.33 MPa，油層埋深為1 325～1 350 m，含水率為80%。該井于2014年1月21日注蒸汽后采用礫石充填防砂，地層砂粒度中值為0.18 mm，礫石尺寸為0.42～0.84 mm，當(dāng)量充填半徑為0.65 m，地層砂細(xì)質(zhì)含量為7.5%，地層黏土含量為15.2%。注蒸汽投產(chǎn)初期地層溫度為175 ℃。

利用上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，首先預(yù)測地層溫度隨生產(chǎn)時間的變化，然后根據(jù)黏溫系數(shù)計算不同生產(chǎn)時間下的原油黏度，利用式(4)可計算溫度降低影響產(chǎn)能比；利用礫石層堵塞滲透率預(yù)測模型計算滲透率比，利用式(5)計算防砂介質(zhì)堵塞產(chǎn)能比，利用式(6)計算綜合產(chǎn)能比，利用式(7)計算產(chǎn)能保持率。最終計算得到該井投產(chǎn)后的溫度降低產(chǎn)能比、介質(zhì)堵塞產(chǎn)能比、綜合產(chǎn)能比隨時間的變化(圖4)，預(yù)測得到的產(chǎn)能保持率與該井實際產(chǎn)液量的對比如圖5所示。

由圖4可知：由于溫度降低導(dǎo)致黏度上升以及擋砂介質(zhì)堵塞，溫度降低產(chǎn)能比和介質(zhì)堵塞產(chǎn)能比隨時間明顯降低，兩者的乘積即為綜合產(chǎn)能比，生產(chǎn)350 d后，該井產(chǎn)能降為防砂前產(chǎn)能的5%左右。由圖5可知：產(chǎn)能保持率的預(yù)測結(jié)果表征了產(chǎn)能變化規(guī)律，與該井實際產(chǎn)量基本符合，生產(chǎn)350 d后，該井產(chǎn)量由投產(chǎn)初期的33.0 t/d降低為2.5 t/d，僅為初期產(chǎn)能的7.5%，與預(yù)測結(jié)果基本一致。防砂介質(zhì)堵塞和熱損失是稠油熱采防砂井產(chǎn)能下降的主要原因，投產(chǎn)后溫度降低和介質(zhì)堵塞對產(chǎn)能降低的貢獻(xiàn)率分別為53%和47%，即由于防砂介質(zhì)堵塞形成的產(chǎn)能降低程度要略小于溫度降低的影響程度，但比較接近。

圖4 預(yù)測產(chǎn)能比隨時間變化

圖5 產(chǎn)能保持率與實際產(chǎn)量對比

文中模型主要針對稠油熱采礫石充填防砂井，重點考慮礫石層擋砂介質(zhì)堵塞和溫度變化兩方面的影響，進(jìn)行動態(tài)產(chǎn)能預(yù)測可得到產(chǎn)能比隨時間的定量變化規(guī)律。模型不但適用于稠油熱采礫石充填防砂井，也可用于常規(guī)開采的礫石充填防砂井，可為礫石充填防砂效果預(yù)測和工藝參數(shù)優(yōu)化提供重要依據(jù)。模型中涉及的防砂介質(zhì)主要針對礫石層，對機(jī)械篩管的堵塞特性及影響程度尚需進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論與認(rèn)識

(1) 考慮防砂介質(zhì)堵塞和熱損失對產(chǎn)液指數(shù)的影響，在防砂介質(zhì)堵塞滲透率定量預(yù)測的基礎(chǔ)上，建立了一套稠油熱采防砂井動態(tài)產(chǎn)能評價方法。該方法區(qū)別于傳統(tǒng)的靜態(tài)產(chǎn)能預(yù)測，可以評價常規(guī)及熱采防砂井投產(chǎn)后產(chǎn)能隨生產(chǎn)時間的動態(tài)變化規(guī)律。

(2) 防砂井投產(chǎn)后的擋砂介質(zhì)堵塞是必然現(xiàn)象。礫石層滲透率在投產(chǎn)早期隨時間下降較快，然后減緩并趨于穩(wěn)定，達(dá)到堵塞平衡狀態(tài)。具體的變化規(guī)律受GSR、細(xì)質(zhì)含量、黏土含量、原油黏度、含砂率、產(chǎn)液強(qiáng)度等生產(chǎn)參數(shù)和條件的控制。

(3) 對于稠油熱采防砂井，防砂介質(zhì)堵塞造成的滲透率降低以及溫度降低導(dǎo)致的原油黏度升高是油井產(chǎn)能下降的2個主要原因，兩者對產(chǎn)能降低的貢獻(xiàn)率分別為47%和53%，基本相當(dāng)。保持產(chǎn)能的關(guān)鍵是優(yōu)化防砂施工參數(shù)、延緩堵塞以及提高熱效率。

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編輯 孟凡勤

20160701；改回日期：20160905

國家自然科學(xué)基金“疏松砂巖油氣藏水平井管外地層礫石充填機(jī)理及模擬基礎(chǔ)研究”(51374226)

董長銀(1976-)，男，教授，1998年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，2003年畢業(yè)于該校油氣田開發(fā)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事油氣井防砂完井領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.06.028

TE357.4

A

1006-6535(2016)06-0123-05

* 參加該項研究的還有武延鑫。