劉玉飛，張春升，王 堯，鄧 晗，孟召蘭，季菊香，馬喜超

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

南海E油田為疏松砂巖稠油油田，主要油層位于H組，該油田投產(chǎn)后，大部分油井產(chǎn)能沒有達(dá)到預(yù)期要求，嚴(yán)重影響油田經(jīng)濟(jì)效益。通過前期綜合分析判斷，存在地層天然能量補(bǔ)充較慢、產(chǎn)層出砂等問題。針對地層天然能量不足這一情況，制定油田注水開發(fā)方案，合理補(bǔ)充地層能量成為解決問題的關(guān)鍵。

結(jié)合油田情況，設(shè)計自源閉式能量補(bǔ)充井，將水源層產(chǎn)出水通過電泵增壓后回注至油層，補(bǔ)充地層能量。水源層能否長期穩(wěn)定的開采，對油田持續(xù)注水開發(fā)至關(guān)重要。

本文對自源閉式能量補(bǔ)充井的水源層防砂參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選。水源井出砂是開采水源層面臨的重要難題。出砂不僅易造成水源井的減產(chǎn)和停產(chǎn)，加劇地面和井下設(shè)備的磨損，嚴(yán)重時更會造成套管的永久性損害甚至是油井報廢，因此水源層的防砂作業(yè)直接決定著能否有效開采地層水[1]。目前，幾乎所有的水源井都采取機(jī)械防砂的方法進(jìn)行防砂，而篩管是井下防砂關(guān)鍵器材，對防砂質(zhì)量、成本和油井產(chǎn)量等都有很大影響，一旦篩管失效將導(dǎo)致油井出砂停產(chǎn)，使整個防砂作業(yè)失敗[2-4]。

基于水源井防砂研究現(xiàn)狀，筆者以自源閉式能量補(bǔ)充井為例，針對水源層防砂方式及擋砂精度進(jìn)行了設(shè)計，并以獲得的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行室內(nèi)防砂實驗效果評價。對自源閉式能量補(bǔ)充井的水源層防砂參數(shù)提出了建議。所得參數(shù)在現(xiàn)場得到應(yīng)用，取得了較好的防砂效果。

圖1 自源閉式能量補(bǔ)充井管柱結(jié)構(gòu)Fig.1 Self-closing energy replenishing well tubular structure

1 自源閉式能量補(bǔ)充井概況

該井斜深2 497.5 m，H注水層有效厚度2.9 m，泥質(zhì)含量26.4%，有效孔隙度20.8%，滲透率314.8 mD，地層壓力11.85 MPa，地層溫度74℃；Z水源層有效厚度75.9 m，泥質(zhì)含量14.5%，有效孔隙度22.2%，滲透率568.1 mD，地層壓力22.52 MPa，地層溫度115℃。該井選用罐裝泵自源閉式注水管柱結(jié)構(gòu)，水源層和注水層通過封隔器隔離密封，水源層產(chǎn)出水經(jīng)罐裝系統(tǒng)增壓后注入至注水層，實現(xiàn)注水層地層能量補(bǔ)充（見圖1）。

2 防砂方式及擋砂精度優(yōu)選

2.1 儲層出砂預(yù)測

根據(jù)此油田探井測井?dāng)?shù)據(jù)及油層解釋數(shù)據(jù)，利用聲波時差、出砂指數(shù)、斯倫貝謝法對H油層和Z水源層進(jìn)行出砂預(yù)測及分析評價。

H油層聲波時差都大于312 μs/m，出砂指數(shù)B局部小于2×104MPa，斯倫貝謝出砂指數(shù)S值局部小于5.9×107MPa2。Z 油層聲波時差都小于 312 μs/m，出砂指數(shù)B都大于2×104MPa，斯倫貝謝出砂指數(shù)S值都大于5.9×107MPa2。

通過3種方法預(yù)測，同時參考在生產(chǎn)井的生產(chǎn)情況，H油層生產(chǎn)中出砂風(fēng)險較大，應(yīng)采取先期防砂措施；Z油層生產(chǎn)初期不易出砂，考慮到該井是自源閉式能量補(bǔ)充井，由Z層產(chǎn)出的地層水直接注入H層，為降低后期出砂修井風(fēng)險，Z層仍推薦采取防砂措施。

2.2 防砂方式確定

根據(jù)生產(chǎn)井的實際生產(chǎn)情況，H層生產(chǎn)井應(yīng)采用礫石充填防砂，考慮到該層位在自源閉式能量補(bǔ)充井為注水層位，不進(jìn)行油氣采出生產(chǎn)，因此將防砂方式簡化為獨立篩管簡易防砂方式。

下面對Z水源層的防砂方式進(jìn)行論證分析。防砂方式的確定主要考慮以下幾個因素：泥質(zhì)含量和黏土吸水的膨脹性。

當(dāng)泥質(zhì)含量小于10%時，防砂篩管不容易被堵塞，可采用優(yōu)質(zhì)篩管防砂；當(dāng)泥質(zhì)含量大于10%時，如黏土礦物中以伊利石和高嶺石為主，則吸水膨脹性弱，可采用優(yōu)質(zhì)篩管防砂，反之需要采用礫石充填防砂。選擇方法可參見Tiffin防砂方式優(yōu)選圖版和石油大學(xué)防砂設(shè)計圖版。

2.2.1 Z水源層泥質(zhì)含量統(tǒng)計 根據(jù)鄰井測井解釋分析：Z水源層段主要含油層段泥質(zhì)含量均>10%，最高達(dá) 20.8%（見圖 2）。

2.2.2 地層砂粒度分析 Z層巖石薄片粒度圖像分析（見圖 3）。

圖2 鄰井測井解釋泥質(zhì)含量統(tǒng)計Fig.2 Adjacent well logging explains mud content statistics

圖3 地層砂粒度分布曲線Fig.3 Formation sand particle size distribution curve

圖4 石油大學(xué)防砂方式選擇圖版Fig.4 China University of Petroleum sand control mode selection chart

圖 5 Tiffin 防砂方式選擇圖版（d10/d95＜10）Fig.5 Tiffin sand control mode selection chart（d10/d95＜10）

圖 6 Tiffin 防砂方式選擇圖版（d10/d95＜20）Fig.6 Tiffin sand control mode selection chart（d10/d95＜20）

2.2.3 防砂方式優(yōu)選圖版 該防砂方式優(yōu)選圖版方法主要是依據(jù)中國海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/HS 14014-2012《海上油氣井防砂設(shè)計要求》的部分內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)選，主要考慮了地層砂分選系數(shù)Sc（即d10/d95）、泥質(zhì)含量、黏土礦物成分、細(xì)粉砂質(zhì)量含量（＜44 μm的顆粒含量）以及地層砂均質(zhì)系數(shù)等因素（見圖4～圖6）。

綜合以上分析，Z層泥質(zhì)含量較高，同時考慮到自源閉式同井注采完井方案的特點，推薦Z層采用礫石充填防砂方式。

2.3 防砂精度設(shè)計

目前國外對如何確定各種防砂管的防砂精度已有各種成熟的方法，本次主要使用Saucier方法和石油大學(xué)擋砂精度設(shè)計方法進(jìn)行優(yōu)質(zhì)篩管防砂精度設(shè)計。

2.3.1 Saucier方法 根據(jù)Saucier提出的最優(yōu)礫石尺寸設(shè)計方法，該方法以粒度中值d50作為選擇礫石充填所需礫石尺寸D50=（5～6）×d50（式中：D50-礫石的粒度中值，mm；d50-地層砂的粒度中值，mm），然后根據(jù)礫石尺寸選擇相對應(yīng)的孔喉直徑，以此作為所需優(yōu)質(zhì)篩管的擋砂精度，該方法簡稱Saucier法。

圖7 石油大學(xué)擋砂精度選擇圖版Fig.7 China University of Petroleum sand control precision selection chart

2.3.2 石油大學(xué)方法 對于海上油田，出砂量的要求基本控制在0.3‰以內(nèi)，根據(jù)石油大學(xué)防砂精度選擇圖版（見圖7），可得出防砂管擋砂精度與儲層粒度中值的關(guān)系式：ω≤0.88d50；由于此油田原油為重質(zhì)稠油，適度出砂開采可提高單井產(chǎn)能，因此可以在傳統(tǒng)擋砂精度設(shè)計的基礎(chǔ)上適當(dāng)放大篩管的擋砂精度，當(dāng)油中含砂量控制在0.5‰以內(nèi)時，推薦優(yōu)質(zhì)篩管的擋砂精度ω可以放大到：ω≤1.27d50。

根據(jù)各層位的粒度數(shù)據(jù)，應(yīng)用Saucier法和石油大學(xué)方法計算各層擋砂精度結(jié)果（見表1）。

表1 擋砂精度選擇結(jié)果Tab.1 Sand control precision selection result

Z水源層的理論擋砂精度應(yīng)為177 μm，為了防止細(xì)砂顆粒產(chǎn)出堵塞注水層位，可以適當(dāng)降低該層位的擋砂精度數(shù)值，選取油田前期開發(fā)井所用篩管中最低擋砂精度數(shù)值125 μm進(jìn)行實驗驗證，既要確保擋砂效果，又要保證產(chǎn)液能力。

3 水源層防砂效果實驗評價

通過Z水源層模擬地層砂與充填陶粒的匹配性實驗，檢測充填陶粒的防砂效果。

3.1 實驗裝置及實驗準(zhǔn)備

防砂篩管防砂介質(zhì)擋砂精度檢測系統(tǒng)包括：加砂速度控制系統(tǒng)、主體實驗裝置、取樣容器、儲液罐、聯(lián)接滑套、單向節(jié)流閥、出液管、柱塞泵和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（見圖 8）。

圖8 防砂介質(zhì)擋砂精度檢測實驗裝置Fig.8 Sand control medium sand blocking precision experimental device

圖9 礫石尺寸與模擬地層砂擋砂效果實驗流程Fig.9 Experimental procedure for gravel size and simulated formation sand control effect

按照Z水源層地層砂分布曲線配制實驗用砂。所配制的模擬地層砂與地層砂篩析數(shù)據(jù)重復(fù)性、歸一性好，測量結(jié)果偏差小，準(zhǔn)確性好（見表2）。

表2 X射線衍射粒度分布曲線Tab.2 X-ray diffraction particle size distribution curve

3.2 實驗過程

（1）利用填砂容器，模擬地層砂通過充填陶粒的過程，對壓力進(jìn)行采集，對出口端液體進(jìn)行取樣，檢測出砂粒徑及出砂量，評價充填陶粒的防砂效果。

（2）準(zhǔn)備目標(biāo)油田的模擬地層砂、充填礫石（40/50目、20/40目、16/30目）、燒杯、量筒等實驗材料及器具。

（3）將配制好的模擬地層砂及充填礫石裝入填砂系統(tǒng)，充填礫石放置到出液端，地層砂放置到進(jìn)液端，底部放置125 μm篩管擋砂介質(zhì)，連接流程。

（4）配制3%KCl溶液。

（5）調(diào)至5 mL/min泵速，啟泵，驅(qū)替10～15倍PV，對樣品進(jìn)行飽和。

（6）實驗采用 70 mL/min、90 mL/min、110 mL/min、130 mL/min、150 mL/min的泵速進(jìn)行驅(qū)替，記錄每一泵速下的驅(qū)替壓差。

（7）收集驅(qū)替出的液體，實驗過程中觀察儀表及實驗動態(tài)，記錄實驗過程中的壓力、流量。

（8）待流量及壓差穩(wěn)定后，關(guān)泵，停止實驗。

（9）拆除填砂系統(tǒng)并進(jìn)行清洗。

（10）對產(chǎn)出液進(jìn)行清洗、烘干、稱重，進(jìn)行激光粒度測試。

表3 篩板擋砂實驗樣品檢測結(jié)果Tab.3 Screen plate sand control test sample test results

（11）清理結(jié)束后，重復(fù)上述實驗過程，完成其他兩種規(guī)格的充填陶粒與模擬地層砂的擋砂效果實驗。

3.3 實驗結(jié)果分析

礫石尺寸與模擬地層砂擋砂效果實驗結(jié)果（見表3）如下：

（1）無陶粒充填的篩板壓差0.05 MPa，充填陶粒后無壓差，證明充填后的堵塞程度優(yōu)于不充填，3種目數(shù)礫石充填后均可以達(dá)到較好的防砂效果。

（2）取樣結(jié)果看出，產(chǎn)出液里全部都是蒙脫土。

（3）未充填陶粒樣品的沖出砂顆粒個數(shù)比充填陶粒后的沖出砂顆粒數(shù)量多，出砂量也相對較高。

4 結(jié)論

（1）Z水源層采用125 μm擋砂精度篩管的礫石充填防砂效果要好于簡易防砂，產(chǎn)出顆粒少，充填40/50目陶粒與水源層地層砂的匹配性較好，能夠達(dá)到很好的防砂效果。

（2）盡管水源層采取了嚴(yán)格的防砂措施，但實際生產(chǎn)初期仍然可能產(chǎn)出部分地層顆粒，存在堵塞注入層的風(fēng)險，建議首先進(jìn)行水源層排液，經(jīng)過排砂期產(chǎn)出穩(wěn)定之后，不含固相顆粒時再進(jìn)行注入。

（3）自源閉式能量補(bǔ)充井實施助流注水后，鄰近井A3H產(chǎn)液量明顯提升，為該井提產(chǎn)提供能量支持，截至2018年11月4日，A3H井產(chǎn)液量由注水前198 bbl/d上漲至1 398.89 bbl/d。

（4）助流注水工藝適用于南海E油田，可有效補(bǔ)充該油田地層能量。