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        基于油井生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)的出砂油井篩管沖蝕模型

        2019-03-09 12:48:18邱浩曹硯鋒文敏范志利
        石油鉆采工藝 2019年6期
        關(guān)鍵詞:篩管砂粒防砂

        邱浩 曹硯鋒 文敏 范志利

        中海油研究總院有限責(zé)任公司

        沖蝕磨損是指材料受到松散的粒子沖蝕時(shí),表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象[1]。篩管作為機(jī)械防砂技術(shù)中必須使用的一種防砂工具,由于長期受到含砂流體的作用,造成其局部出現(xiàn)沖蝕破壞,最終導(dǎo)致油井防砂失效而出砂的現(xiàn)象普遍存在[2-4]。一旦油井出砂,不僅容易造成油井的減產(chǎn)、停產(chǎn),加劇地面和井下設(shè)備的磨損,而且嚴(yán)重時(shí)會造成套管的損壞和油井的報(bào)廢[5-6]。因此,開展防砂篩管沖蝕模型研究,對于延長篩管使用壽命、降低油井非正常出砂等具有重要意義。

        篩管沖蝕速率既受篩管內(nèi)部因素(如篩管類型、材質(zhì)和結(jié)構(gòu))的影響,又受到外部條件的影響,如含砂流體沖蝕速度、沖蝕角、沖蝕時(shí)間、含砂濃度、砂粒直徑等。針對具體油田而言,篩管的類型、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)一般是固定的,目前研究主要集中在外部條件對篩管沖蝕速率的影響。Gillespie 等人[7]提出一種繞絲篩管沖蝕實(shí)驗(yàn)方法,通過制作繞絲篩管的掛片單元開展不同條件下篩管沖蝕的室內(nèi)實(shí)驗(yàn),分析沖蝕流體類型、沖蝕速率、含砂濃度等因素對繞絲篩管沖蝕速率的影響規(guī)律。Cameron 等人[8]采用相同的實(shí)驗(yàn)方法,開展了大量的繞絲篩管掛片單元的室內(nèi)實(shí)驗(yàn),利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合建立了繞絲篩管沖蝕質(zhì)量損失率與沖蝕速率、沖蝕角、含砂濃度等參數(shù)間的數(shù)學(xué)模型。國內(nèi)學(xué)者王寶權(quán)等人[9]研制了一套防砂篩管沖蝕試驗(yàn)的裝置及方法,可用于防砂篩管的沖蝕實(shí)驗(yàn)研究及耐沖蝕性能評價(jià)。劉永紅等人[10]采用室內(nèi)沖蝕實(shí)驗(yàn)的手段,建立了割縫篩管沖蝕的質(zhì)量磨損率與流體速度、砂粒粒徑、砂粒濃度等參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。劉新峰等人[11]分析了稠油熱采井篩管沖蝕的影響因素,并通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M沖蝕流速、沖蝕流體含砂濃度、含砂粒徑等因素對篩管沖蝕的影響程度。李效波等人[12]開展了高溫高壓條件下篩管沖蝕和腐蝕疊加作用下模擬實(shí)驗(yàn),分析了篩管沖蝕與腐蝕的疊加作用機(jī)理。除了實(shí)驗(yàn)研究手段外,國內(nèi)外學(xué)者還利用計(jì)算流體力學(xué)軟件(CFD)開展篩管沖蝕的數(shù)值模擬研究。王志堅(jiān)等人[13]利用有限元軟件建立螺旋復(fù)合篩管外護(hù)管縫口處的固液兩相沖蝕模型,并開展了篩管外護(hù)罩沖蝕的數(shù)值模擬分析。鄧自強(qiáng)[14]采用類似方法建立割縫篩管固液兩相的沖蝕模型,通過數(shù)值模擬分析了沖蝕速度、含砂濃度對篩管沖蝕速率的影響。Alex Procyk 等人[15]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法重點(diǎn)分析了深水氣井防砂篩管的沖蝕風(fēng)險(xiǎn)。

        目前國內(nèi)外關(guān)于篩管沖蝕的研究主要集中在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,通過沖蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果或數(shù)值模擬結(jié)果分析篩管沖蝕速率的影響因素,并根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合建立篩管沖蝕速率的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P汀H欢?,這些沖蝕數(shù)學(xué)模型涉及參數(shù)多、模型較復(fù)雜,無法直接應(yīng)用于現(xiàn)場油井的篩管沖蝕失效分析。以中海油在“十二五”國家科技重大專項(xiàng)中關(guān)于篩管沖蝕的研究成果為基礎(chǔ),結(jié)合油田現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)狀況,建立了適用于現(xiàn)場使用的篩管沖蝕失效分析的數(shù)學(xué)模型,并根據(jù)渤海某Q 油田出砂油井的動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù),利用建立的篩管沖蝕模型進(jìn)行計(jì)算分析,分析結(jié)果與現(xiàn)場出砂情況完全一致,從而驗(yàn)證了該篩管沖蝕模型的正確性,并基于篩管沖蝕模型,形成一套適用于油田現(xiàn)場在役井的出砂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法。

        1 篩管沖蝕模型的建立

        中海油基于“十二五”國家科技重大專項(xiàng)對篩管沖蝕的影響因素開展了大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖 1 篩管沖蝕裝置Fig. 1 Schematic structure of screen erosion device

        實(shí)驗(yàn)過程中,首先對制作好的篩管單元進(jìn)行清洗、烘干處理,稱量其初始質(zhì)量后安裝到防砂單元的試驗(yàn)架上,然后利用供液循環(huán)裝置輸送含砂流體不斷沖蝕高壓釜體內(nèi)的篩管單元,連續(xù)沖蝕一段時(shí)間后取出,再次經(jīng)過清洗、烘干處理后稱量篩管單元的質(zhì)量,計(jì)算不同沖蝕時(shí)間對應(yīng)篩管單元的質(zhì)量損失率。根據(jù)控制變量法的基本原理,逐一改變沖蝕實(shí)驗(yàn)過程中的含砂濃度、砂粒直徑、沖蝕速度等條件參數(shù),得到不同沖蝕條件下篩管質(zhì)量損失率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后利用大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合建立了篩管沖蝕的質(zhì)量損失率與沖蝕速度、砂粒粒徑、砂粒濃度、沖蝕時(shí)間等參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型,模型表達(dá)式為

        式中,m 為篩管沖蝕的質(zhì)量損失率,%;K 為擬合常數(shù),室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到的取值范圍55~65;D50為砂粒的粒度中值,μm;i、j、n 為擬合常數(shù),取值范圍分別為0.1~0.2、2.5~3.0、2.1~2.3;c 為砂粒濃度,%;T 為沖蝕時(shí)間,s;v 為含砂流體的沖蝕速度,m/s。

        該沖蝕模型較好地表征了篩管沖蝕的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但是其涉及的計(jì)算參數(shù)較多,對于現(xiàn)場生產(chǎn)的油井而言,流體含砂濃度和砂粒粒度中值難以獲取,使其無法直接應(yīng)用于現(xiàn)場油井的篩管失效分析。

        井下含砂流體以一定速度沖擊篩管的時(shí)間累積效應(yīng)是篩管發(fā)生沖蝕磨損的本質(zhì),對于某一具體油田井下篩管的沖蝕磨損而言,由于地層性質(zhì)變化較小,因此,可假設(shè)地層產(chǎn)出液的含砂量和含砂粒徑均為定值,從而將式(1)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化。通過計(jì)算表征篩管沖蝕作用程度的參數(shù)C,可定量比較含砂流體對篩管的沖蝕程度為

        式中,C 為篩管沖蝕作用程度。

        該沖蝕模型表明,C 值越大,篩管受到的沖蝕作用程度越嚴(yán)重,從而說明篩管發(fā)生沖蝕損壞的可能性也越大。當(dāng)C 值達(dá)到某一臨界值Ca時(shí),篩管即發(fā)生了由含砂流體沖蝕作用造成的完整性破壞,現(xiàn)場生產(chǎn)的油井隨之產(chǎn)生出砂問題。由于式(2)沖蝕模型對含砂濃度、砂粒直徑及儲層性質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行了簡化處理,不同目標(biāo)油田對應(yīng)篩管沖蝕失效的臨界值Ca略有不同,實(shí)際應(yīng)用過程中需要結(jié)合具體油田的儲層參數(shù)具體分析。

        從式(2)提出的篩管沖蝕模型可知,含砂流體沖蝕速度和沖蝕時(shí)間是2 個(gè)關(guān)鍵參數(shù),其中沖蝕時(shí)間可根據(jù)油井的投產(chǎn)時(shí)間來確定。流體沖蝕速度的確定除考慮油井的動態(tài)產(chǎn)液量和井下篩管柱的結(jié)構(gòu)外,還需要定量考慮井下篩管的堵塞程度。對于正常生產(chǎn)的油井而言,如果不發(fā)生篩管堵塞,篩管過流能力較強(qiáng),流體通過篩管的過流速度較低,通常不會發(fā)生篩管的沖蝕損壞[2]。只有當(dāng)篩管局部區(qū)域出現(xiàn)堵塞后,流體就會從未堵塞的區(qū)域通過,從而形成篩管過流的局部“熱點(diǎn)”效應(yīng),地層含砂流體通過局部“熱點(diǎn)”的流速增加,導(dǎo)致篩管發(fā)生沖蝕損壞。

        為了定量表征篩管的堵塞程度,假設(shè)油井投產(chǎn)早期篩管沒有發(fā)生堵塞,全篩管段均勻供液、產(chǎn)液指數(shù)較高(生產(chǎn)壓差較低、日產(chǎn)液量較高);后期由于篩管堵塞,局部篩管段供液、產(chǎn)液指數(shù)降低(生產(chǎn)壓差較高、日產(chǎn)液量較低),如圖2 所示。因此,通過生產(chǎn)井投產(chǎn)早期與后期產(chǎn)液指數(shù)的相對大小來量化篩管的堵塞程度為

        式中,B 為篩管堵塞系數(shù);Jb、Jnb分別為穩(wěn)定堵塞區(qū)、未堵塞區(qū)油井的產(chǎn)液指數(shù),其中J=q/Δp,q 為日產(chǎn)液量,m3/d;Δp 為生產(chǎn)壓差,MPa。

        圖 2 渤海Q 油田優(yōu)質(zhì)篩管防砂井I22H 動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)Fig. 2 Dynamic production data of Well I22H with quality screen for sand control in Bohai Q Oilfield

        數(shù)據(jù)處理流程見圖3。根據(jù)油井的歷史動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)(包括日產(chǎn)液量、生產(chǎn)壓差等),結(jié)合篩管結(jié)構(gòu)及儲層特征計(jì)算得到篩管沖蝕速度v,然后結(jié)合油井自投產(chǎn)以來的生產(chǎn)時(shí)間Ta,根據(jù)式(2)、式(3)所示的篩管沖蝕模型即可計(jì)算得到篩管沖蝕程度C 值為

        式中,q1為油井自投產(chǎn)以來等效日產(chǎn)液量,m3/d;S 為油井防砂篩管理論過流面積,m2;Ta為油井實(shí)際投產(chǎn)時(shí)間,s。

        2 篩管沖蝕模型的現(xiàn)場應(yīng)用分析

        渤海某Q 油田有10 口油井在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的出砂問題,其防砂方式均為優(yōu)質(zhì)篩管防砂,篩管擋砂精度為120 μm。由于井口產(chǎn)出液攜帶了大量砂粒,說明井下篩管的完整性遭到破壞,導(dǎo)致篩管不能有效阻擋地層砂的產(chǎn)出。

        圖 3 基于油井動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)篩管沖蝕模型數(shù)據(jù)處理流程Fig. 3 Data processing flow chart of screen erosion model based on the dynamic production data of oil well

        10 口出砂油井在出砂前的生產(chǎn)壓差均小于2.5 MPa,排除因生產(chǎn)壓差過大造成篩管擠壓損壞的可能性。同時(shí),綜合分析10 口出砂油井的實(shí)鉆測井解釋結(jié)果(表1),以及投產(chǎn)以來的動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù),選取2 口井作為代表(圖4),另外8 口井均存在類似生產(chǎn)動態(tài)。結(jié)果表明,10 口出砂油井對應(yīng)儲層的泥質(zhì)含量較高,后期含水率上升,儲層黏土礦物極易吸水膨脹,造成篩管發(fā)生局部堵塞形成局部供液“熱點(diǎn)”,地層產(chǎn)出的含砂流體通過局部“熱點(diǎn)”的流速增大,從而形成了篩管沖蝕發(fā)生的必要條件。除此之外,10 口出砂油井在出砂前的動態(tài)生產(chǎn)過程中均存在快速提液的生產(chǎn)制度調(diào)整,加劇了篩管沖蝕的“熱點(diǎn)”效應(yīng),并最終導(dǎo)致井下篩管的完整性發(fā)生了沖蝕破壞。

        基于以上篩管沖蝕損壞的油井出砂原因分析,利用出砂油井投產(chǎn)以來的歷史動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù),結(jié)合式(4)所示的篩管沖蝕模型,計(jì)算得到10 口出砂油井的篩管沖蝕程度C 值。為了體現(xiàn)C 值的可對比性,選擇對應(yīng)10 口出砂油井周邊鄰近的21 口未出砂油井(均為優(yōu)質(zhì)篩管防砂、開發(fā)層位與出砂油井相同),采用相同的數(shù)據(jù)處理流程,計(jì)算21 口未出砂油井的篩管沖蝕程度C 值,繪制如圖5 所示沖蝕程度C 值的柱狀圖。可以看出,10 口出砂油井C 值均要明顯高于鄰近未出砂油井對應(yīng)C 值的計(jì)算結(jié)果,從而說明C 值可較好表征篩管所受的沖蝕程度,可取出砂油井C 值中的低值作為評價(jià)該油田井下篩管是否發(fā)生沖蝕失效的臨界值Ca=0.18,當(dāng)該油田某油井計(jì)算得到C 值大于臨界值Ca時(shí),即可認(rèn)為篩管擋砂的完整性遭到了沖蝕破壞。

        表 1 渤海Q 油田10 口出砂油井對應(yīng)儲層段測井解釋結(jié)果Table 1 Logging interpretation result of the corresponding reservoir sections of 10 sand-production oil wells in Bohai Q Oilfield

        圖 4 渤海Q 油田部分出砂油井出砂前動態(tài)生產(chǎn)曲線圖Fig. 4 Dynamic production curve of some sand-production oil wells of Bohai Q Oilfield before sand production

        圖 5 渤海Q 油田出砂油井及鄰近未出砂油井篩管沖蝕程度C 值柱狀圖Fig. 5 Column of screen erosion degree C of sand-production oil wells and their adjacent non-sand-production oil wells in Bohai Q Oilfield

        3 篩管沖蝕模型可靠性驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證該沖蝕模型計(jì)算分析結(jié)果的正確性,對渤海Q 油田10 口出砂油井產(chǎn)出液攜帶的地層砂粒進(jìn)行取樣,取出的砂粒樣品經(jīng)過充分的清洗、烘干處理后進(jìn)行激光粒度分析,粒度分析結(jié)果如圖6 所示??梢钥闯?,10 口出砂油井返出砂粒徑大于篩管擋砂精度120 μm 的累計(jì)質(zhì)量百分比均超過60%,即進(jìn)入井筒的砂粒粒徑絕大部分均已超過篩管過濾介質(zhì)的有效擋砂精度,從而說明10 口出砂油井的篩管完整性確實(shí)已被破壞,不能起到有效的擋砂效果。由此可見,篩管沖蝕模型可有效判斷出砂油井井下篩管的擋砂狀態(tài),從而驗(yàn)證了上述基于油井動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)篩管沖蝕模型的可靠性。

        圖 6 渤海Q 油田10 口出砂油井返出砂的粒度分布曲線Fig. 6 Grain size distribution curve of the sand produced from 10 sand-production oil wells in Bohai Q Oilfield

        4 油田在役井出砂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法

        基于油井動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的篩管沖蝕模型不僅針對生產(chǎn)井的出砂原因分析具有較好的適用性,還能針對油田現(xiàn)場正常生產(chǎn)的在役井進(jìn)行出砂風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警分析,實(shí)時(shí)了解在役井的出砂動態(tài),方便及時(shí)采取有針對性的預(yù)防治理措施。

        利用篩管沖蝕模型對油田現(xiàn)場出砂油井的出砂原因進(jìn)行計(jì)算分析,即可得到對應(yīng)該油田儲層條件的篩管沖蝕損壞臨界值Ca,然后結(jié)合油田其它在役井的防砂篩管參數(shù)及動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù),計(jì)算對應(yīng)的篩管沖蝕程度C 值,最后即可根據(jù)在役井C 值與臨界值Ca的大小關(guān)系進(jìn)行出砂風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警分析。當(dāng)在役井C 值遠(yuǎn)小于Ca時(shí),說明該井在短期內(nèi)不會發(fā)生因篩管沖蝕而造成的生產(chǎn)出砂問題;當(dāng)在役井C 值接近或達(dá)到Ca時(shí),說明該井在短期內(nèi)發(fā)生篩管沖蝕破壞并最終造成生產(chǎn)出砂問題的風(fēng)險(xiǎn)較大,需要現(xiàn)場作業(yè)人員加強(qiáng)對該井生產(chǎn)動態(tài)和出砂情況的監(jiān)測;當(dāng)在役井C 值超過Ca時(shí),說明目前該井可能已經(jīng)出砂,只是產(chǎn)液量過低、不足以將地層產(chǎn)出砂粒攜帶至井口而被發(fā)現(xiàn)。

        利用基于篩管沖蝕模型的出砂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方法,選擇渤海Q 油田J01H、J05H、J16H 和I25H 4 口在役井為例,根據(jù)圖3 處理流程計(jì)算篩管沖蝕程度C 值,結(jié)果如圖7 所示。可以看出,J01H、J05H 及I25H 3 口井對應(yīng)C 值均遠(yuǎn)小于該油田篩管沖蝕損壞臨界值Ca,說明這3 口在役井短期內(nèi)發(fā)生篩管沖蝕破壞而出砂的風(fēng)險(xiǎn)較低;而J16H 井對應(yīng)C 值接近篩管沖蝕損壞臨界值Ca,說明該井存在較大的篩管沖蝕損壞而出砂的風(fēng)險(xiǎn),后續(xù)現(xiàn)場作業(yè)人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該井的生產(chǎn)動態(tài)及出砂情況。

        圖 7 渤海Q 油田4 口在役井的篩管沖蝕風(fēng)險(xiǎn)柱狀圖Fig. 7 Column of screen erosion risk of 4 in-service wells in Bohai Q Oilfield

        5 結(jié)論

        (1)以中海油在“十二五”國家科技重大專項(xiàng)中關(guān)于篩管沖蝕的研究成果為基礎(chǔ),通過計(jì)算可表征篩管沖蝕作用程度的參數(shù)C,建立了一套基于油井動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的篩管沖蝕失效分析的數(shù)學(xué)模型。

        (2)利用渤海某油田油井動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù),采用該沖蝕模型對現(xiàn)場出砂油井進(jìn)行篩管沖蝕的計(jì)算分析,得到該油田篩管沖蝕破壞的臨界值Ca,通過對比產(chǎn)出砂激光粒度的分析結(jié)果,表明該模型可有效判斷出砂油井井下篩管的擋砂狀態(tài)。

        (3)篩管沖蝕模型通過對比在役井C 值與該油田篩管沖蝕破壞臨界值Ca,建立了一種油田在役井出砂風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警方法,便于現(xiàn)場作業(yè)人員實(shí)時(shí)了解在役井的出砂動態(tài),進(jìn)而提前做出正確的處理方法。

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