孫東征 劉凱銘 孫 金 閆 偉 曹硯鋒 閆新江 汪 偉

(1. 中國海洋石油有限公司 北京 100010； 2. 中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室 北京 102249；3.中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所 海南三亞 572000； 4. 中海油研究總院 北京 100028)

基于正交實驗的海上疏松砂巖油藏防砂參數(shù)優(yōu)選方法*

孫東征1劉凱銘2孫 金3閆 偉2曹硯鋒4閆新江4汪 偉2

(1. 中國海洋石油有限公司 北京 100010； 2. 中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室 北京 102249；3.中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所 海南三亞 572000； 4. 中海油研究總院 北京 100028)

孫東征，劉凱銘，孫金，等.基于正交實驗的海上疏松砂巖油藏防砂參數(shù)優(yōu)選方法[J].中國海上油氣，2017,29(2)：98-102.

SUN Dongzheng，LIU Kaiming，SUN Jin,et al.Optimization of sand control parameters for offshore unconsolidated sandstone reservoirs based on the orthogonal experiments[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(2):98-102.

針對海上疏松砂巖油藏防砂完井設(shè)計中防砂參數(shù)多導(dǎo)致的實驗工作量大和費用高等問題，以渤海南堡35-2油田某防砂井為例進(jìn)行了正交實驗法防砂參數(shù)優(yōu)選，開展了基于正交實驗的防砂參數(shù)化設(shè)計，結(jié)果表明該油田影響產(chǎn)能的防砂參數(shù)主次順序為生產(chǎn)壓差、原油黏度、擋砂精度和礫石層厚度，而影響出砂量的主次順序為擋砂精度、生產(chǎn)壓差、礫石層厚度和原油黏度；最優(yōu)防砂方式為優(yōu)質(zhì)篩管+礫石充填，以產(chǎn)能最大為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)時的防砂參數(shù)最優(yōu)組合為生產(chǎn)壓差3 MPa+擋砂精度150 μm(10/30目)+原油黏度50 mPa·s+礫石層厚度52 mm，以出砂量最小為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)時的防砂參數(shù)最優(yōu)組合為生產(chǎn)壓差1 MPa+擋砂精度120 μm(20/40目)+原油黏度50 mPa·s+礫石層厚度52 mm。本文提出的基于正交實驗的防砂參數(shù)優(yōu)選方法在南堡35-2油田4口熱采實驗井防砂作業(yè)中取得了成功應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

正交實驗；防砂參數(shù)優(yōu)選；優(yōu)質(zhì)篩管；礫石充填；南堡35-2油田

疏松砂巖油藏在我國分布范圍廣、儲量大，該類油藏具有孔滲好、膠結(jié)差、強(qiáng)度低等特點，在開發(fā)過程中存在著不同程度的出砂問題[1-3](如渤海南堡、蓬萊、渤中等油田)，這已經(jīng)成為制約該類油田開發(fā)的突出問題。實踐證明，機(jī)械式防砂完井是解決儲層出砂的一條行之有效的途徑，如何對防砂參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計對于防砂成敗至關(guān)重要。

目前國內(nèi)外常用的防砂參數(shù)設(shè)計方法主要包括經(jīng)驗法、理論設(shè)計法和室內(nèi)實驗法[4-9]，而單獨利用其中的某一方法設(shè)計防砂方案都有一定的局限，如經(jīng)驗法缺乏理論和實驗的依據(jù)、理論分析法中不同方法的優(yōu)選結(jié)果可能會有不同，而室內(nèi)實驗法則由于需要考慮的防砂參數(shù)很多導(dǎo)致實驗工作量大、費用高、時間長。鑒于防砂參數(shù)設(shè)計中存在的以上問題，筆者提出了基于正交實驗法的防砂參數(shù)優(yōu)選方法，并在渤海南堡35-2油田防砂作業(yè)中取得成功應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

1 南堡35-2油田儲層粒度分析與防砂參數(shù)初選

南堡35-2油田位于渤海中部海域，主力儲層為明化鎮(zhèn)組及館陶組頂部油層，為典型的稠油油田，儲層膠結(jié)強(qiáng)度低，熱采中極易出砂。本文以該油田某防砂井為例，利用正交實驗法進(jìn)行防砂參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

1.1 儲層粒度分析

圖1為南堡35-2油田目標(biāo)儲層實測的儲層粒度分布圖。由圖1可以看出，該油田目標(biāo)儲層的粒度中值D50的分布范圍在100～180 μm之間，D40的分布范圍在140～240 μm之間，D90的分布范圍在21～32 μm之間，儲層非均質(zhì)系數(shù)(UC=D40/D90)的分布范圍為4.6～8.5，細(xì)顆粒含量(<44 μm)為18.1%。黏土礦物分析結(jié)果表明，目標(biāo)儲層黏土礦物主要由蒙脫石、伊蒙混層和伊利石組成，蒙脫石和伊蒙混層占黏土礦物總量的40%。

圖1 南堡35-2油田儲層粒度分布曲線Fig .1 Grain size distribution curves of NB35-2 oilfield reservoir

1.2 防砂參數(shù)初選

根據(jù)南堡35-2油田目標(biāo)儲層粒度分布，利用Tiffin方法[10]、Johnson方法[11]和中國石油大學(xué)(北京)圖版選擇防砂方式，其中Tiffin方法和中國石油大學(xué)(北京)方法均推薦優(yōu)質(zhì)篩管+礫石充填防砂，而Johnson方法建議既可以采用獨立篩管，也可以采用優(yōu)質(zhì)篩管+礫石充填防砂。鑒于該油田目標(biāo)儲層細(xì)顆粒含量(18.1%)以及蒙脫石、伊蒙混層含量高，推薦選用優(yōu)質(zhì)篩管+礫石充填防砂方式。

對于優(yōu)質(zhì)篩管+礫石充填防砂，可根據(jù)Saucier方法[12]設(shè)計相應(yīng)的防砂參數(shù)，礫石尺寸根據(jù)5～6倍的儲層粒度中值D50進(jìn)行設(shè)計，選擇對應(yīng)規(guī)格的工業(yè)礫石后再根據(jù)礫石孔喉直徑大小確定優(yōu)質(zhì)篩管的擋砂精度，設(shè)計結(jié)果見表1。由表1可以看出，Saucier法推薦的工業(yè)礫石共有20/40目、16/30目和10/30目等3種規(guī)格，對應(yīng)的優(yōu)質(zhì)篩管擋砂精度也有120、150和200 μm等3種規(guī)格，需要根據(jù)正交實驗結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選。

表1 Saucier方法設(shè)計礫石尺寸Table 1 Determination of gravel size by Saucier method

2 用于防砂參數(shù)設(shè)計的正交實驗法

2.1 防砂模擬實驗裝置

防砂模擬實驗裝置如圖2所示，主要由儲油罐、泵、電動機(jī)、伺服控制系統(tǒng)、井下防砂模擬裝置(高壓釜、篩管)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、流量計等)構(gòu)成。實驗過程中實驗油以設(shè)定的壓力或流量(通過伺服系統(tǒng)控制)從4個方向進(jìn)入高壓釜，然后攜帶地層砂粒通過地層砂、礫石層和篩管進(jìn)入篩管內(nèi)部，其中一部分細(xì)顆粒砂通過篩管被流體攜帶出來，大部分砂粒留在篩管外表面形成濾餅和砂橋，達(dá)到防砂效果。該實驗?zāi)M裝置可模擬實際尺寸的篩管，實驗過程中可對出砂量、產(chǎn)量、壓力、產(chǎn)出砂粒徑等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和測量，從而分析不同防砂參數(shù)下產(chǎn)能和出砂量的變化規(guī)律。

圖2 全尺寸防砂模擬實驗裝置Fig .2 Large-scale sand control simulation device

2.2 正交實驗法分析流程

影響防砂效果的參數(shù)很多，如擋砂精度、礫石尺寸、礫石層厚度、原油黏度、儲層粒度等，這些因素都會在不同程度上影響防砂井的產(chǎn)能和出砂量，但如果對各個防砂參數(shù)進(jìn)行全面實驗，實驗量將很大，而且費用高、時間長。筆者結(jié)合經(jīng)驗法、理論分析法和室內(nèi)實驗法等3種方法，基于正交實驗法[13]基本原理，建立了基于正交實驗的防砂參數(shù)設(shè)計方法，其流程為

1) 分析目標(biāo)儲層的粒度分布特征及細(xì)顆粒含量和黏土礦物中的蒙脫石含量；

2) 參考本區(qū)塊其他類似儲層的防砂方式，并結(jié)合理論分析法(Tiffin法、Johnson法、中國石油大學(xué)(北京)設(shè)計法等)初選防砂方式；

3) 根據(jù)選擇的防砂方式(獨立篩管或礫石充填)選擇防砂參數(shù)范圍，如對于獨立篩管防砂，可以利用Con-slot法、Wilson法(繞絲或割縫篩管)或Coberly(編織網(wǎng)類優(yōu)質(zhì)篩管)法選擇篩管的擋砂精度；而對于礫石充填防砂，需要利用Saucier等方法初選相應(yīng)的礫石尺寸和篩管的擋砂精度；

4) 確定影響防砂效果的影響因素及其水平范圍(由第3步得到)，設(shè)計正交實驗；

5) 確定防砂參數(shù)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，包括在滿足防砂要求的前提下油氣通過篩管的產(chǎn)能最大標(biāo)準(zhǔn)和通過篩管的出砂量最小標(biāo)準(zhǔn)；

6) 利用正交實驗分析法優(yōu)選防砂參數(shù)的最優(yōu)組合，分析各因素影響程度的大小，對優(yōu)選出的最優(yōu)組合進(jìn)行驗證實驗。

2.3 正交實驗法優(yōu)選防砂參數(shù)

影響防砂井產(chǎn)能和防砂效果的因素很多，如擋砂精度、礫石尺寸、礫石層厚度、生產(chǎn)壓差等，而利用Saucier法只能初選礫石尺寸和優(yōu)質(zhì)篩管的擋砂精度，無法確定其他參數(shù)，需要根據(jù)室內(nèi)實驗結(jié)果優(yōu)選防砂參數(shù)。

選擇生產(chǎn)壓差、擋砂精度、原油黏度和礫石層厚度等4個防砂參數(shù)，每個防砂參數(shù)包括3個水平，查正交實驗表L9(34)可知需要做9組實驗，實驗條件見表2。

表2 正交實驗條件Table 2 Orthogonal experiments conditions

根據(jù)南堡35-2油田實際儲層粒度分布特征，采用不同標(biāo)準(zhǔn)粒徑的石英砂配制出模擬地層砂，模擬地層砂的粒度中值為140 μm，非均質(zhì)系數(shù)為6.3；篩管分別選擇120、150和200 μm的CMS優(yōu)質(zhì)篩管，選擇卡博陶粒作為礫石，實驗油分別選擇60#、100#和220#機(jī)械油模擬不同黏度的原油。圖3為流量穩(wěn)定后9組實驗的流量及出砂量對比。

圖3 9組正交實驗的流量和出砂量對比Fig .3 Comparison of flow rate and sand production rate of 9 orthogonal experiments

由圖3可以看出，當(dāng)4個防砂參數(shù)不同時，通過篩管的流量和出砂量也不同，其中實驗8的流量最大(為5.67 mL/min)，實驗5的流量最小(為1.07 mL/min)；實驗6和9的出砂量大于0.5‰，大于海上防砂井適度出砂的出砂量為0.5‰的要求，這兩組實驗的擋砂精度都是200 μm(10/30目)，無法滿足防砂要求。

2.4 正交實驗結(jié)果分析

分別以產(chǎn)能最大和出砂量最小為標(biāo)準(zhǔn)，確定最優(yōu)防砂參數(shù)組合。

1) 計算各參數(shù)同一水平的平均值。以驅(qū)替壓差為例，設(shè)K1表示取第1個水平(1 MPa)時的流量平均值，而驅(qū)替壓差為1MPa時的實驗反映在實驗1、2和3中，根據(jù)圖3中的流量結(jié)果可以計算出K1，即

K1=(1.18+1.58+1.41)/3=1.39L/min

同理計算出驅(qū)替壓差分別取2 MPa和3 MPa時的K2和K3。通過K1、K2和K3評價驅(qū)替壓差對產(chǎn)能和出砂量的影響，從而選出該參數(shù)的最優(yōu)水平。驅(qū)替壓差、擋砂精度、原油黏度和礫石層厚度等4個參數(shù)分別取不同水平時的流量和出砂量均值結(jié)果見表3、4。

表3 防砂參數(shù)取不同水平時的流量均值Table 3 Average of flow rate under different sand control parameters L/min

表4 防砂參數(shù)取不同水平時的出砂量均值Table 4 Average of sand production rate under different sand control parameters ‰

由表3和4可知，流量隨著驅(qū)替壓差、擋砂精度和礫石層厚度的增加而增加，隨原油黏度的增加而降低，驅(qū)替壓差、擋砂精度、原油黏度和礫石層厚度等4個防砂參數(shù)的最優(yōu)水平分別為3 MPa、200 μm(10/30目)、50 mPa·s和52 mm；而出砂量隨著驅(qū)替壓差、擋砂精度和原油黏度的增加而增加，隨礫石層厚度的增加而降低，4個防砂參數(shù)的最優(yōu)水平分別為1 MPa、120 μm(20/40目)、50 mPa·s和52 mm。

2) 分析主次要參數(shù)。表5為分別以產(chǎn)能和出砂量作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)時不同防砂參數(shù)對應(yīng)的級差大小。由表5可知，每個防砂參數(shù)對應(yīng)的級差大小不同，表明防砂參數(shù)對產(chǎn)能和出砂量的影響程度是不同的。以產(chǎn)能為評價指標(biāo)時，防砂參數(shù)對產(chǎn)能的影響程度的主次順序為驅(qū)替壓差>原油黏度>擋砂精度>礫石層厚度，礫石層厚度重要性最弱，說明防砂參數(shù)設(shè)計時可適當(dāng)放寬對礫石層厚度的要求；以出砂量為評價指標(biāo)時，防砂參數(shù)對出砂量的影響程度的主次順序為擋砂精度>驅(qū)替壓差>礫石層厚度>原油黏度，說明防砂參數(shù)設(shè)計時可適當(dāng)放寬對原油黏度(注蒸汽溫度和燜井時間)的要求。

表5 不同防砂參數(shù)對應(yīng)的級差Table 5 Range of different sand control parameters

3) 選擇最優(yōu)組合，進(jìn)行驗證實驗。①以產(chǎn)能最大作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)時，除了要考慮產(chǎn)能的影響，還要保證出砂量滿足防砂要求，這里以0.5‰作為適度出砂的出砂上限。根據(jù)產(chǎn)能最大最優(yōu)原則，取流量最大時各參數(shù)對應(yīng)的水平值，則初選的防砂參數(shù)最優(yōu)組合為驅(qū)替壓差3 MPa+擋砂精度200 μm(10/30目)+原油黏度50 mPa·s+礫石層厚度52 mm。參考出砂量結(jié)果分析可知，當(dāng)擋砂精度為200μm(10/30目)時，平均出砂量為0.52‰，大于適度出砂的出砂量上限，因此需要將擋砂精度降低一個級別，即擋砂精度取為150μm(10/30目)，最后得到的最優(yōu)防砂參數(shù)組合為驅(qū)替壓差3 MPa+擋砂精度150 μm(10/30目)+原油黏度50 mPa·s+礫石層厚度52 mm。② 以出砂量最小作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)時，取出砂量最小時各參數(shù)對應(yīng)的水平值，則由前述計算結(jié)果得到的最優(yōu)防砂參數(shù)組合為驅(qū)替壓差1 MPa+擋砂精度120 μm(20/40目)+原油黏度50 mPa·s+礫石層厚度52 mm。

利用優(yōu)選出的最優(yōu)防砂組合進(jìn)行實驗，驗證優(yōu)選結(jié)果的正確性。以產(chǎn)能最大作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)時所優(yōu)選出的防砂參數(shù)組合恰好為實驗8的實驗參數(shù)，實驗得到的流量為5.67 L/min，大于其他參數(shù)組合的流量，且防砂量(為0.31‰)也小于0.5‰，說明優(yōu)選結(jié)果是合理的。而以出砂量最小作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)時所優(yōu)選出的防砂參數(shù)組合不在9組正交實驗組合內(nèi)，需要進(jìn)行額外實驗，實驗得到的出砂量為0.07‰，小于其他參數(shù)組合的出砂量，說明優(yōu)選結(jié)果也是合理的。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)南堡35-2油田儲層特征和出砂情況，在大量室內(nèi)型防砂模擬實驗及正交實驗分析結(jié)果上，提出了分別以產(chǎn)能最大與出砂量最小為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)的防砂參數(shù)。結(jié)合現(xiàn)場實踐及明化鎮(zhèn)組及館陶組頂部油層性質(zhì)，依照以產(chǎn)能最大為標(biāo)準(zhǔn)的防砂參數(shù)對現(xiàn)場4口熱采實驗井進(jìn)行了防砂作業(yè)。現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)表明：原油井出砂現(xiàn)象明顯改善，每日沉砂量減少30%左右；修井與檢泵頻率減少，不僅節(jié)約了修井作業(yè)費，也增加了單井累計生產(chǎn)時間；采出液內(nèi)出砂量減小，分離器不用每天進(jìn)行沖砂作業(yè)；4口井單日產(chǎn)量均僅降低5.5%左右。這表明，本文提出的基于正交實驗的防砂參數(shù)優(yōu)選方法在南堡35-2油田現(xiàn)場應(yīng)用中取得成功，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

1) 以渤海南堡35-2油田某防砂井為例，進(jìn)行了正交實驗法防砂參數(shù)優(yōu)選，結(jié)果表明，對于礫石充填防砂，對產(chǎn)能影響最大的是生產(chǎn)壓差，最小的是礫石層厚度，對出砂量影響最大的是擋砂精度，最小的是原油黏度。

2) 針對南堡35-2油田儲層特點，建議采用礫石充填+優(yōu)質(zhì)篩管防砂方式，防砂參數(shù)組合為生產(chǎn)壓差3 MPa+擋砂精度150 μm(10/30目)+原油黏度50 mPa·s+礫石層厚度52 mm時產(chǎn)能最大，防砂參數(shù)組合為生產(chǎn)壓差1 MPa+擋砂精度120 μm(20/40目)+原油黏度50 mPa·s+礫石層厚度52 mm時出砂量最小。

3) 本文方法在南堡35-2油田4口熱采實驗井防砂作業(yè)中取得了成功應(yīng)用，具有較好的推廣應(yīng)用價值。

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(編輯：孫豐成)

Optimization of sand control parameters for offshore unconsolidated sandstone reservoirs based on the orthogonal experiments

SUN Dongzheng1LIU Kaiming2SUN Jin3YAN Wei2CAO Yanfeng4YAN Xinjiang4WANG Wei2

(1.CNOOCLimited,Beijing100010,China; 2.StateKeyLaboratoryofPetroleumResource&Prospecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 3.InstituteofDeepSeaScienceandEngineering,ChineseAcademyofSciences,SanyaHainan572000,China； 4.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

In order to solve the problem of heavy experimental tasks and hence the high cost due to the large number of parameters involved in the design of sand control completion for offshore unconsolidated sandstone reservoirs, optimization of parameters and sand control design was conducted based on orthogonal experiments. This methodology was applied in NB 35-2 oilfield in Bohai sea. The results indicated that the factors influencing productivity are drawdown pressure, oil viscosity, sand retention precision and gravel layer thickness; and the factors influencing sand production rate are sand retention precision, drawdown pressure, gravel layer thickness and oil viscosity. The optimal sand control completion is the combination of premium screen and gravel packing. If the maximum productivity is taken as the criteria, the optimum sand control parameters are 3 MPa of drawdown pressure+150 μm (10/30 mesh) of sand retention precision+50 mPa·s of crude oil viscosity+52 mm of gravel layer thickness; but if the minimum sand production rate is taken as the criteria, the optimum sand control parameters are 1 MPa of drawdown pressure+120 μm (20/40 mesh) of sand retention precision+50 mPa·s of crude oil viscosity+52 mm of gravel layer thickness. The optimization method presented here based on orthogonal experiments has been successfully applied in the sand control design of four thermal recovery wells in NB 35-2 oilfield. The results show that this method is worthy to be popularized.

orthogonal experiment; sand control parameter optimization; premium screen; gravel packing; NB 35-2 oilfield

*中國石油大學(xué)(北京)科研啟動基金資助項目“防砂篩管封堵及沖蝕磨損預(yù)測研究(編號：YJRC-2013-19)”；中海石油(中國)有限公司北京研究中心課題“海上熱采井完井及長效防砂技術(shù)研究(編號：CCL2013RCPS0186RSN)”部分研究成果。

孫東征，男，高級工程師，1997年畢業(yè)于原石油大學(xué)(華東)鉆井工程專業(yè)，長期從事海上油氣鉆完井工程技術(shù)研究和管理工作。地址：北京市東城區(qū)朝陽門北大街25號中國海洋石油大廈(郵編：100010)。E-mail:sundzh@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)02-0098-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.013

TE358+.1

A

2016-03-31 改回日期：2016-05-25