廖華林, 董 林, 牛繼磊, 周 歡, 張 磊, 曹硯峰

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島 266580; 2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室,北京 100028;3.中海油田服務股份有限公司,天津 300450)

防砂井筒擋砂介質堵塞和防砂篩管失效已經成為困擾防砂井正常生產的重要問題。生產過程中,地層流體攜帶的固相顆粒堵塞擋砂介質,造成滲透率降低[[1-4],攜砂流體對篩管的沖蝕磨損容易造成篩管防砂失效[5-7]。關于防砂井筒堵塞機制的研究集中在礫石充填層和機械篩管堵塞,主要通過試驗手段研究地層砂在礫石充填層多孔介質中的侵入和運移機制,分析地層砂粒徑、侵入量及侵入厚度等因素對礫石充填層滲透率的影響[8-11],探討不同因素對堵塞程度的影響。通過室內堵塞試驗分析驅替時間、流量、顆粒特性以及流體黏度等因素對堵塞程度的影響及其相關堵塞機制[12-13]。地層攜砂流體對防砂篩管的沖蝕磨損是導致防砂篩管失效的主要原因[14-16],篩管的沖蝕速率主要受攜砂流體流速、含砂體積分數、砂粒粒徑、沖蝕角度以及環(huán)境條件等因素的影響[17-23]。在試驗和理論分析的基礎上,通過建立篩管破壞時間預測模型[19-23]和數值模擬進行篩管破壞失效的判斷及篩管沖蝕危險區(qū)域的定位[24-26],提出了提高防砂篩管使用壽命的方法[27-29]。然而,對于礫石充填條件下水源井篩管抗沖蝕性能、篩管破壞的原因與防砂周期短的內在機制的相關研究較少。筆者通過礫石充填完井出砂模擬裝置,分析篩管類型、礫石種類與粒徑、生產壓差等因素對擋砂介質的堵塞程度和篩管的沖蝕破壞程度的影響。

1 試 驗

1.1 試驗目的與試驗方法

礫石充填篩管防砂擋砂介質堵塞及沖蝕試驗的目的是通過室內堵塞及沖蝕模擬試驗研究篩管類型、礫石種類與粒徑、生產壓差以及產量等對擋砂介質堵塞和篩管沖蝕破壞程度的影響規(guī)律,分析堵塞和沖蝕破壞程度與影響因素的關系,進一步探究篩管失效的原因和井下擋砂介質堵塞的內在機制,為防砂方式的選擇、生產制度的建議、篩管材質的選擇、篩管結構的改進等提供依據。

利用礫石充填篩管堵塞及沖蝕模擬試驗裝置進行擋砂介質堵塞及篩管沖蝕模擬試驗。使用含固體顆粒的流體(磨料射流)長時間驅替有礫石充填層的防砂篩管,同時測量分流頭(2號傳感器)、模擬套管內壁處(3、4號傳感器)的壓力,驅替結束后取出篩管觀察其沖蝕情況。在保持流量基本不變的條件下,流體攜帶的堵塞物會逐漸堵塞擋砂介質(礫石充填層和篩管),造成擋砂介質的滲透率降低,則正常情況下分流頭處和套管內壁處壓力會上升。因此分流頭和模擬套管內壁處的壓力變化可以反映擋砂介質堵塞情況的變化,壓力上升,擋砂介質總體堵塞程度變大。防砂篩管沖蝕破壞情況則可通過觀察測量試驗后取出的篩管的破壞情況確定,沖蝕造成的穿孔或磨蝕區(qū)域的面積越大,深度越大,則沖蝕破壞程度越高。這樣可以確定擋砂介質的堵塞程度和篩管的沖蝕破壞程度,進一步可分析其影響因素及規(guī)律。

1.2 試驗裝置

為了分析不同工況條件下攜砂流體對防砂篩管的沖蝕特性,建立一套模擬井下擋砂介質堵塞和防砂篩管失效試驗模擬裝置。該裝置主要包括高壓罐、高壓加砂裝置、調砂器、礫石層厚度調節(jié)筒、收集箱、試驗架、壓力測試采集系統、噴嘴及試件等,如圖1所示。

圖1 篩管堵塞沖蝕試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test apparatus

高壓泵輸送出的高壓水經調壓閥門,一部分流到水池,一部分流經高壓加砂裝置,在驅動壓力作用下,水介質通過噴嘴形成高速水射流,并在混合腔內產生一定的真空度,將磨料(磨料含量控制是通過多次調節(jié)調砂器的漏砂口孔徑改變漏砂量,并經電子計量器稱重標定來實現)吸入喉管、擴散管,而形成含有磨料高壓流體,流體再通過分流頭、高壓管線、調節(jié)噴嘴均勻地噴向篩管。噴射速度由流量和噴嘴直徑決定。流體經篩管過濾后,流經彎頭、回水管線等進入收集箱。

試驗采用清水作為工作液,模擬水源井采出水。試驗所用篩管試件分為兩類,包括星孔篩管與金屬網布篩管,如圖2(a)和(b)所示。其中,星孔篩管主要由基管和濾砂件兩部分組成,其結構如圖2(c)所示。流體中混入的模擬地層砂由石英砂和細粉砂組成。模擬地層砂的粒徑為100～250 μm,粒度中值為150 μm,粒度分布曲線如圖3所示。攜砂流體的含砂體積分數為2.0%,攜砂流體流速由噴嘴直徑確定。礫石充填層填充礫石為兩種粒徑的顆粒,分別為600～1 250 μm陶粒和450～900 μm陶粒。陶粒分6層裝入礫石充填層,每層陶粒用擊錘擊實50次,使每層充分壓實。礫石充填層的厚度可以通過調節(jié)筒控制。

圖2 試驗用防砂篩管Fig.2 Sand screen used in experiment

圖3 模擬地層砂粒徑分布曲線Fig.3 Distribution of grain size

為了分析攜砂流體流速、篩管類型、礫石層特性以及射孔孔眼數目對擋砂介質堵塞及篩管沖蝕特性的影響,通過上述試驗裝置模擬地層流體攜帶地層砂顆粒堵塞擋砂介質,進而使防砂篩管發(fā)生沖蝕破壞的過程。分析影響防砂篩管沖蝕破壞程度的因素,探究礫石充填條件下水源井防砂篩管失效原因與防砂周期短的內在機制。

2 試驗結果分析

2.1 孔眼數目對堵塞及沖蝕特性的影響

圖4 射孔孔眼數目對壓力的影響Fig.4 Influence of perforation number on pressure

射孔孔眼是井下流體進入井筒的流通通道。通常,井眼數目能夠影響篩管的堵塞程度和沖蝕程度。圖4為試驗過程中孔眼數目對壓力的影響。在加砂的最初階段,篩管篩網和礫石充填層流通性均較好,分流頭處壓力一直較低,后隨著細砂粒的不斷增多,篩管和礫石層逐漸被堵塞,截流增加,分流頭處壓力一直上升,直至試驗結束。同時,高壓罐內砂粒堵塞礫石充填層,使?jié)B流壓力無法傳遞,罐內滲流壓力分布極度不均勻。試驗過程中,罐內所測壓力(3、4號傳感器)較低。在試驗過程中還發(fā)現,隨著進砂管數量增加,進砂量增加,前期壓力上升迅速,進一步驗證了罐內篩管濾砂元件和礫石充填層的堵塞存在局部特征。試驗結束后取出篩管試件發(fā)現,陶粒和砂粒的混合物將篩管篩網全部堵死,篩管本體上有一處沖蝕凹痕,并且該凹痕位置正對加砂前清水循環(huán)時模擬射孔入口位置。由此可見,攜砂流體經過礫石層進入篩管時,固體顆粒會堵塞篩管的過濾介質;高速流體經過礫石充填層后,由于礫石充填層滲透性好,入罐流體可擾動礫石充填層內的陶粒,形成磨料射流,對篩管造成損壞。

2.2 篩管類型對堵塞及沖蝕特性的影響

篩管類型的選擇對防砂方式的確定及擋砂效果有重要的影響。通常情況下,隨著含砂流體驅替時間的增加,篩管的堵塞程度和受沖蝕破壞程度都會增加。但不同類型的篩管在同一工況下的變化情況有所差異。圖5為相同測試條件下分流頭處壓力變化。開始加砂后,兩類篩管對應的分流頭處的壓力均隨時間增加而升高,但是星孔篩管分流頭處壓力上升速度明顯高于金屬網篩管,且加砂時間及加砂量均小于金屬網篩管。由于星孔篩管采用了護板、護網、金屬棉、護網以及護板的特殊設計結構,導致其過流斷面小,截流能力較強,加砂后壓力迅速上升,堵塞較快。金屬網篩管整體流通性較好,加砂后壓力上升至堵塞的時間及加砂量遠超過星孔篩管。

圖5 不同類型篩管堵塞情況Fig.5 Variation of pressure with time for different screens

2.3 礫石充填層陶粒粒徑對堵塞及沖蝕特性的影響

礫石充填層所用陶粒粒徑對防砂效果、出砂井壽命以及產量等具有重要影響。礫石層陶粒粒徑增大,礫石層的擋砂能力降低,加砂時間和加砂量增大。圖6為不同礫石充填層金屬網篩管防砂條件下各處壓力變化情況?？梢钥闯?600～1 250 μm陶粒條件下隨著驅替時間增加,分流頭和罐內壓力先緩慢增大,后快速增大;罐內所測壓力(4號傳感器)隨著時間的增加緩慢提升,最高升至約1.3 MPa。而450～900 μm陶粒條件下壓力迅速上升,然后保持相對穩(wěn)定。礫石層陶粒粒徑增大,進砂口處滲流壓力更易在罐內傳遞。陶粒粒徑增大,礫石充填層滲流能力增加,篩管擋砂層和礫石充填層堵塞的非均勻程度降低,進入高壓罐內的流體可經更大范圍的濾砂層通過。

圖6 充填層陶粒粒徑對壓力的影響Fig.6 Effect of gravel size on pressure

2.4 流體速度對對堵塞及沖蝕特性的影響

圖7 金屬網篩管試樣試壓力變化Fig.7 Variation of pressure with time for metal mesh screen

流速與產量、篩管沖蝕情況緊密相關,通常隨著流速增大,篩管破壞程度增大,沖蝕孔徑、孔深都增加。為了加快堵塞和沖蝕的進程,提高試驗速度,試驗中控制噴嘴流速要遠大于實際工況的速度。流速通過換用5、4和2.9 mm噴嘴,對應的流速分別為30、40及50 m/s,可以分析不同流速下星孔篩管和金屬網篩管的沖蝕破壞情況。圖7為單孔沖蝕試驗中不同流速下不同位置的壓力變化情況。不同速度條件下,壓力因排量的波動存在小范圍波動;分流頭壓力(2號傳感器)隨時間逐漸上升,分流頭壓力(2號傳感器)和罐內壓力(3、4號傳感器)的壓差隨著速度的增大而增加。篩管試驗中的返出液中含有細砂,拆卸裝置后,發(fā)現篩管金屬網篩管護罩沖壞,金屬網沖蝕損壞,基體出現沖孔,旁邊篩縫沖大,鐵皮孔與底孔相聯,沖蝕點的最大護罩沖蝕孔徑為18 mm,最大基體沖蝕深度為3.5 mm,最大基體沖蝕深度為13 mm,如圖8所示。篩管的破壞說明通過噴嘴后的高速流體可與礫石充填層摻混形成磨料射流,對篩管產生較強的沖蝕破壞,隨著噴嘴流體流速的增大,對篩管的沖蝕破壞能力增強。并且入罐噴射流體達到一定速度時,可擾動礫石充填層,篩管堵塞越嚴重,擾動摻混形成的磨料射流沖蝕破壞能力越強。

圖8 金屬網篩管清水沖蝕情況Fig.8 Water erosion characteristics of metal mesh screen

相同條件下,星孔篩管的沖蝕結果與金屬網篩管不同。由于星孔篩管過濾件的分布與金屬網篩管相比,具有不均勻及不規(guī)則的特性,因此沖蝕效果也因沖蝕部位是否正對過濾件而不同。沖蝕點為篩管的基管部分時,分流頭壓力(2號傳感器)和罐內壓力(3、4號傳感器)都比較平穩(wěn),且兩個壓力之差比較大,速度越大,壓差越大,拆卸裝置后發(fā)現沖蝕點出現錐形坑眼;當速度為50 m/s時,星孔篩管被攜砂流體沖破,分流頭壓力(2號傳感器)與罐內壓力(3、4號傳感器)之差較小,如圖9所示。當沖蝕點為篩管過濾件時,分流頭壓力(2號傳感器)波動幅度比較大,罐內壓力(3號傳感器)與入口壓力差距很小;沖蝕過程中存在漏氣聲,返出液中含有大量陶粒及砂粒,部分陶粒破碎呈粉末狀;拆卸裝置后發(fā)現,星孔篩管護板、2層護網及金屬棉全部射穿,形成錐形孔,最大孔徑約20 mm,如圖10所示?；w的最大沖蝕孔徑為25 mm,最大沖蝕深度為6.5 mm,沖蝕過濾件處最大沖蝕孔徑達到20 mm。

圖9 金屬網篩管試樣單孔清水試驗壓力變化Fig.9 Variation of pressure with time in single hole water test of mental mesh screen

圖10 星孔篩管沖蝕情況Fig.10 Erosion characteristics of stars screen

3 防砂井沖蝕機制

防砂井生產過程中,如果固相顆粒不能順利通過擋砂層,會附著或侵入擋砂層內部,如無法排出則會造成擋砂層局部滲透率降低,形成堵塞或造成防砂管刺穿失效,進而嚴重影響油水井生產,如11圖所示。通過現場取出的防砂篩管和堵塞過程模擬試驗研究,防砂井筒堵塞過程中存在流體非均勻流動機制和篩管沖蝕機制。

對于試驗模擬的礫石充填機械篩管防砂,固相顆粒(磨料)進入擋砂介質內部,由于擋砂介質的非均質性和不規(guī)則性造成擋砂介質孔隙的不規(guī)則,導致進入其內部的固相顆粒難以排出,并且固相顆粒在擋砂介質內部的分布也具有不均勻性,不同位置的擋砂介質堵塞程度差別非常大,形成不均勻堵塞。固相顆粒堵塞擋砂介質造成擋砂介質的滲透率改變,堵塞的不均勻性會使?jié)B透率存在差異,導致流體的非均勻流動。堵塞部位滲透率極低,流體無法通過,未堵塞部分過流流速增大,造成流體流動出現極大的不均勻性,如圖12所示。在試驗過程中防砂管與套管壁環(huán)空有礫石充填情況下,不同射孔孔眼部位的礫石充填層內的滲流壓力分布不均勻,即使星孔篩管同一濾砂元件相鄰單元孔也存在堵塞和未堵塞現象,篩管過濾介質堵塞存在不均勻特點,如圖13所示。

圖11 井下取出的失效篩管Fig.11 Plugging and erosion of downhole screens

圖12 星孔篩管不均勻堵塞機制Fig.12 Mechanism of non-uniform blockages of stars screen

油氣井防砂使用的機械篩管多種多樣,但是其擋砂介質主要分為多層濾網類、割縫縫隙類、金屬棉類和顆粒類等。擋砂介質的實質為固相多孔介質,具有一定的孔隙度和滲透率的多孔介質,多孔介質的性質決定了其允許流體通過的能力和擋砂性能。防砂井擋砂介質的堵塞物主要為固相顆粒,主要來源包括地層細粉砂、黏土泥質、鉆完井過程中的固相污染物、原油中的膠質瀝青質以及生產過程中形成的有機垢和無機垢等。固相堵塞物組成更加復雜,擋砂介質的不均勻性由于各種因素影響更大,堵塞過程中受到堵塞物成分、油井產量、出砂速度、原油黏度等因素的影響,防砂井的堵塞不均勻性和復雜性更加顯著。

由于堵塞的非均性,堵塞部位流體無法通過,鄰近的未堵塞部位篩管過流流速增大,攜砂流體流動時的磨蝕作用會造成篩管過濾介質穿孔。此外,射孔孔眼流體流速較高時,清水可與充填層的砂粒摻混,形成磨料射流沖擊正對射孔孔眼處的防砂管,造成防砂管本體或過濾介質沖蝕破壞,甚至穿孔。隨著流體流速的增大,對篩管的沖蝕破壞能力增強,如圖14所示。

圖14 篩管沖蝕現象Fig.14 Sand screen erosion during test

4 結 論

(1)不同射孔孔眼部位的礫石充填層內的滲流壓力分布不均勻,即使星孔篩管同一濾砂元件相鄰單元孔也存在堵塞和未堵塞現象,篩管過濾介質堵塞存在不均勻特點。

(2)篩管堵塞具有非均性,堵塞部位流體無法通過,鄰近的未堵塞部位篩管過流流速增大,攜砂流體流動時的磨蝕作用會造成篩管過濾介質穿孔。此外,射孔孔眼流體流速較高時,清水可與充填層的砂粒摻混,形成磨料射流沖擊正對射孔孔眼處的防砂管,造成防砂管本體或過濾介質沖蝕破壞,甚至穿孔。隨著流體流速的增大,對篩管的沖蝕破壞能力增強。地面模擬試驗結果與井下取出失效防砂管特征吻合。

(3)礫石充填層陶粒粒徑和攜砂流體的流速對防砂篩管的沖蝕破壞程度有較大影響,礫石充填層陶粒的粒徑增大,篩管擋砂層和礫石充填層堵塞的非均勻程度降低,攜砂流體可經更大范圍的濾砂層通過,攜砂流體流速較低,篩管沖蝕破壞時間較長。當礫石充填層堵塞嚴重時,清水與礫石充填層砂粒摻混形成的磨粒射流沖蝕能力增加,篩管損壞時間縮短。在相同試驗條件下,金屬網篩管比星孔篩管具有更好的抗堵塞能力。