肖遙，宋昱東，李根，王太，姚銀，王寶軍，徐琰

1.中海石油(中國)有限公司天津分公司（天津 300459）

2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司（天津 300450）

0 引言

防砂是油氣井完井作業(yè)過程中的重點(diǎn)，目前我國海上油氣井防砂作業(yè)有常用簡易防砂和礫石充填防砂兩種方式，其中機(jī)械篩管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選擇直接決定油氣井投產(chǎn)后的產(chǎn)能及防砂效果。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)機(jī)械篩管防砂精度問題已開展了大量研究并取得一定成果，開展室內(nèi)防砂模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證可有效結(jié)合區(qū)塊儲(chǔ)層特性對(duì)防砂精度進(jìn)行優(yōu)選，如文獻(xiàn)[1-6]結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)制度和地層砂組成，通過室內(nèi)防砂模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同防砂精度機(jī)械篩管生產(chǎn)過程中的地層出砂量及產(chǎn)能，優(yōu)選得到適合的防砂精度參數(shù)，并應(yīng)用于目標(biāo)儲(chǔ)層開發(fā)。之后學(xué)者們進(jìn)一步考慮到油氣井生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)變化，針對(duì)生產(chǎn)過程中機(jī)械篩管力學(xué)完整性、堵塞、腐蝕及防砂長效性問題開展了一系列深入研究，如文獻(xiàn)[7-13]通過開展物模實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)生產(chǎn)過程中不同機(jī)械篩管的堵塞現(xiàn)象，進(jìn)而從機(jī)械篩管擋砂介質(zhì)（如金屬網(wǎng)和繞絲的形狀布置等）提出優(yōu)化方法；而針對(duì)篩管失效機(jī)理開展的研究如文獻(xiàn)[14-20]，針對(duì)性地開展腐蝕、沖蝕評(píng)測(cè)實(shí)驗(yàn)、建立預(yù)測(cè)分析模型等手段可為機(jī)械篩管材質(zhì)優(yōu)選及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)，從而進(jìn)一步保障防砂長效性。

目前機(jī)械篩管設(shè)計(jì)和優(yōu)選方法已形成較為完善的體系，但已有研究成果多針對(duì)機(jī)械篩管整體和內(nèi)部防砂介質(zhì)的評(píng)價(jià)，而針對(duì)機(jī)械篩管外保護(hù)殼的研究則相對(duì)較少。外保護(hù)殼作為機(jī)械篩管首先接觸地層流體及地層砂的結(jié)構(gòu)，其過流能力及堵塞規(guī)律對(duì)機(jī)械篩管的整體應(yīng)用效果有直接影響。為進(jìn)一步研究機(jī)械篩管外保護(hù)殼對(duì)于防砂效果及儲(chǔ)層產(chǎn)能釋放的影響規(guī)律，通過開展沖縫外殼結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，從產(chǎn)能、防砂效果、堵塞規(guī)律等角度進(jìn)行分析對(duì)比，以期為機(jī)械篩管沖縫外殼設(shè)計(jì)提供新思路。

1 沖縫外殼結(jié)構(gòu)

機(jī)械篩管（如金屬網(wǎng)布篩管和預(yù)充填篩管等）主要由外保護(hù)殼、中間層擋砂介質(zhì)單元和基管3部分組成，如圖1所示。外保護(hù)殼位于機(jī)械篩管外層，強(qiáng)度較高，可保護(hù)內(nèi)層擋砂介質(zhì)和基管，其中沖縫型外殼又因其抗沖蝕和耐腐蝕性能優(yōu)的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[21]。沖縫外殼大多通過沖壓裝置作用于鋼板沖壓形成，但對(duì)于沖縫外殼結(jié)構(gòu)參數(shù)并沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 機(jī)械篩管結(jié)構(gòu)

油氣井投產(chǎn)后，機(jī)械篩管與地層流體及地層砂首先接觸的部分是沖縫外殼，而沖縫結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)地層流體過流狀態(tài)以及篩管整體防砂效果都有一定影響，結(jié)合沖縫外殼的加工過程，考慮可能存在影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有：過流開口的高度即開口尺寸、開口長度即縫長、開口寬度即縫寬和沖縫在外殼上的排列方式，如圖2所示。

圖2 沖縫外殼參數(shù)

2 沖縫外殼結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

應(yīng)用小型室內(nèi)防砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置模擬油井生產(chǎn)過程，即模擬地層流體和地層砂的混砂液在一定壓差作用下運(yùn)移，并通過防砂介質(zhì)直至采出這一過程。實(shí)驗(yàn)過程中，通過壓力計(jì)和流量計(jì)采集防砂介質(zhì)前后過流量和壓力值，并收集過流后的出砂量，通過數(shù)據(jù)處理得到采油指數(shù)和滲透率，以評(píng)價(jià)所實(shí)驗(yàn)機(jī)械篩管的過流能力及堵塞程度。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)壓力數(shù)值與最終總出砂量計(jì)算在單位時(shí)間和單位壓差條件下篩管的過流量來分析沖縫外殼的過流能力，其中壓力為沖縫外殼處壓力，出砂量為出口液體收集裝置處所收集砂量，采油指數(shù)I為：

式中：Q為流量，mL/min；ΔP為實(shí)驗(yàn)壓差，MPa。

定義產(chǎn)能提升系數(shù)ε來評(píng)價(jià)不同實(shí)驗(yàn)條件下產(chǎn)能變化幅度：

式中：I1、I2為實(shí)驗(yàn)后期穩(wěn)定后的采油指數(shù)，mL/(min·MPa)。

實(shí)驗(yàn)中滲流速度為30 mL/min，滲流速度較小屬于層流，利用達(dá)西滲流定律計(jì)算篩管早期滲透率k：

式中：Q為流體流量，cm3/min；μ為流體黏度，mPa·s；L為充填礫石層厚度，cm；A為礫石層面積，cm2；ΔP為實(shí)驗(yàn)壓差，MPa。

機(jī)械篩管堵塞程度可通過滲透率的變化反映，定義為初始狀態(tài)下與實(shí)驗(yàn)開始后的滲透率比值k r：

式中：k0、k i分別為初始狀態(tài)的滲透率和生產(chǎn)過程中第i時(shí)刻的滲透率，mPa·s。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖3為開展實(shí)驗(yàn)所用小型防砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置，過流裝置左端為防砂單元，防砂單元右側(cè)為混砂區(qū)，混砂區(qū)右側(cè)連接供液系統(tǒng)，防砂單元左側(cè)為液體出口連接收集裝置，并在擋砂單元處設(shè)有壓力傳感器。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖4所示，供液系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)砂和流體的混合，通過動(dòng)力系統(tǒng)控制泵壓并向裝置主體供砂液混合。出砂實(shí)驗(yàn)?zāi)M裝置主體包括防砂單元及流體流動(dòng)空間，同時(shí)應(yīng)用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)收集壓力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，裝置另一端設(shè)置出口液體收集裝置以收集砂液經(jīng)過防砂單元后的最終樣品。

圖4 裝置流程圖

2.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)所用沖縫外殼樣品開口尺寸分別為0.2、0.3、0.4、0.6 mm，縫長分別為10、20 mm。充填礫石尺寸選用16～30目，充填厚度為30 mm，實(shí)驗(yàn)所用流體為白油，黏度為10～20 mPa·s，實(shí)驗(yàn)過程中控制流量為30 mL/min。為更好地模擬地層砂性質(zhì)，配制地層砂樣品時(shí)應(yīng)用一定目數(shù)的石英砂并加入適量黏土礦物后按比例混合，最終配砂粒度中值為214μm，具體粒度分布見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)配砂粒度分布表

3 沖縫外殼結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)防砂效果和產(chǎn)能的影響分析

3.1 沖縫外殼結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)防砂效果的影響規(guī)律

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的沖縫外殼對(duì)應(yīng)出口液體進(jìn)行固液分離處理后發(fā)現(xiàn)，8組實(shí)驗(yàn)均未出砂。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的擋砂單元即沖縫外殼和礫石層狀態(tài)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)后的沖縫外殼和礫石層

可以看出，圖5（a）中地層砂在沖縫外殼表面堆積較多，且堆積狀態(tài)穩(wěn)定，而圖5（b）中反面礫石層無明顯砂粒通過。由于沖縫外殼開口尺寸大于模擬所用部分地層砂的粒度，且依據(jù)Saucier防砂設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

式中：D50為陶粒粒度，μm；d50為地層砂粒度中值，μm。

可以判斷，16～30目礫石層可以對(duì)實(shí)驗(yàn)所配模擬地層砂起到較好的阻斷作用。生產(chǎn)過程中，混砂液中砂被礫石層有效阻斷，流至機(jī)械篩管處的砂量極少，從而使得沖縫外殼參數(shù)的改變并不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)整體的防砂效果。

3.2 沖縫外殼參數(shù)對(duì)產(chǎn)能的影響規(guī)律

應(yīng)用公式（1）將不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的沖縫外殼對(duì)應(yīng)防砂模擬實(shí)驗(yàn)過程中壓力及過流量處理為采油指數(shù)，并繪制實(shí)驗(yàn)過程中壓力及采油指數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，如圖6和圖7所示。

圖6 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)沖縫外殼篩管實(shí)驗(yàn)壓力變化

圖7 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)沖縫外殼篩管采油指數(shù)變化

可以看出，縫長10 mm和20 mm沖縫外殼實(shí)驗(yàn)過程中壓力和采油指數(shù)變化趨勢(shì)相似，均表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)前期壓力上升較為迅速，采油指數(shù)降低較快，實(shí)驗(yàn)中期壓力上升緩慢，采油指數(shù)緩慢降低，實(shí)驗(yàn)后期壓力和流量均逐漸趨于穩(wěn)定。①實(shí)驗(yàn)前期，縫長10 mm沖縫外殼對(duì)應(yīng)壓力快速上升至穩(wěn)定和采油指數(shù)快速降低至穩(wěn)定的時(shí)間約為縫長20 mm實(shí)驗(yàn)中相應(yīng)時(shí)間的2倍。②實(shí)驗(yàn)后期，實(shí)驗(yàn)壓力和采油指數(shù)穩(wěn)定數(shù)值也表現(xiàn)出明顯差異，縫長10 mm時(shí)，開口尺寸為0.2、0.3、0.4、0.6 mm對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)后期穩(wěn)定壓力為1.0～1.1 MPa，穩(wěn)定采油指數(shù)為27～28 mL/(min·MPa)；而縫長20mm時(shí)，開口尺寸為0.2、0.3、0.4、0.6 mm對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)后期穩(wěn)定壓力0.4、0.5、0.7、0.9 MPa，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)后期穩(wěn)定采油指數(shù)為35、40、55、78 mL/（min·MPa）。

對(duì)比上述兩種縫長尺寸，當(dāng)沖縫外殼縫長為10 mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)后期穩(wěn)定壓力和采油指數(shù)不受開口尺寸影響，即提高沖縫外殼開口尺寸并不能顯著提高機(jī)械篩管過流能力；而對(duì)于縫長為20 mm的沖縫外殼而言，隨著開口尺寸的適當(dāng)增加，實(shí)驗(yàn)后期穩(wěn)定壓力有一定幅度的降低，且采油指數(shù)表現(xiàn)為有一定幅度增大，即縫長相對(duì)更長的沖縫外殼，增大開口尺寸可明顯提高篩管過流能力，進(jìn)而更好地釋放油氣井長期產(chǎn)能。

4 沖縫外殼堵塞規(guī)律與機(jī)理分析

為研究沖縫外殼參數(shù)對(duì)篩管堵塞過程的影響規(guī)律，首先將不同縫長和開口尺寸的沖縫外殼機(jī)械篩管在實(shí)驗(yàn)初始階段、實(shí)驗(yàn)10 min階段和穩(wěn)定階段的實(shí)驗(yàn)壓力和采油指數(shù)變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2。

可以看出，在流量保持不變的條件下，對(duì)于縫長10 mm和20 mm沖縫外殼機(jī)械篩管，堵塞主要發(fā)生在實(shí)驗(yàn)前10 min內(nèi)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到20 min后壓力和采油指數(shù)基本趨于平穩(wěn)，即堵塞程度已達(dá)最大并趨于穩(wěn)定。其中縫長10 mm沖縫外殼機(jī)械篩管堵塞更嚴(yán)重，而縫長20 mm沖縫外殼機(jī)械篩管抗堵塞性能相對(duì)更優(yōu)。

表2 不同實(shí)驗(yàn)時(shí)間的壓力和采油指數(shù)

為進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)所用機(jī)械篩管及礫石層堵塞機(jī)理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)過程中滲透率變化，如圖8所示。

圖8 不同沖縫外殼參數(shù)篩管滲透率變化

由圖8可知，不同縫長和開口尺寸下沖縫外殼機(jī)械篩管滲透率總體趨勢(shì)為前期較快下降至逐漸趨于穩(wěn)定，同一縫長機(jī)械篩管對(duì)應(yīng)滲透率下降至穩(wěn)定所需時(shí)間基本相同?？p長20 mm的機(jī)械篩管達(dá)到穩(wěn)定過流的堵塞程度時(shí)間較短，在實(shí)驗(yàn)1 min時(shí)刻滲透率即下降到較緩慢狀態(tài)，而縫長10 mm沖縫外殼機(jī)械篩管在實(shí)驗(yàn)3 min時(shí)刻才達(dá)到較緩慢狀態(tài)?？p長10 mm、不同開口尺寸沖縫外殼機(jī)械篩管最終滲透比基本相同，而縫長20 mm沖縫外殼機(jī)械篩管最終滲透比隨開口尺寸增大呈線性增加趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)后通過顯微鏡對(duì)縫長10 mm和縫長20 mm沖縫外殼對(duì)應(yīng)的充填礫石層進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同縫長沖縫外殼對(duì)應(yīng)礫石層狀態(tài)

可以看出，縫長10 mm沖縫外殼對(duì)應(yīng)充填礫石表面存在大量細(xì)粉砂和黏土礦物，而縫長20 mm沖縫外殼對(duì)應(yīng)充填礫石表面細(xì)粉砂和黏土礦物相對(duì)較少。由于實(shí)驗(yàn)后期篩管表面存在穩(wěn)定砂橋，細(xì)顆粒很難進(jìn)入篩管內(nèi)部，因此充填礫石內(nèi)部的固相顆粒主要是在實(shí)驗(yàn)早期進(jìn)入到篩管內(nèi)部，且充填礫石層滲透率損傷主要由堵塞在其內(nèi)部的細(xì)顆粒造成。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)所用沖縫外殼試樣，縫長10 mm沖縫外殼橋孔面積為800 mm2，而縫長20 mm沖縫外殼橋孔面積為960 mm2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映出較大橋孔面積使得機(jī)械篩管保護(hù)殼外早期形成穩(wěn)定砂橋的時(shí)間更短，即允許地層砂顆粒進(jìn)入充填礫石層中的時(shí)間更少，相應(yīng)地，穩(wěn)定砂橋形成后，地層砂中的細(xì)顆粒進(jìn)入到礫石層內(nèi)難度更大，對(duì)礫石層造成的滲透損傷更小。因此形成穩(wěn)定砂橋時(shí)間更短的篩管對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)能的釋放作用更優(yōu)。

5 結(jié)論

針對(duì)沖縫外殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及參數(shù)，基于過流能力和抗堵塞性能兩個(gè)角度，應(yīng)用小尺寸防砂模擬設(shè)備開展防砂模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)沖縫外殼開口尺寸和縫長等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了差異性分析，得到如下結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

1）防砂介質(zhì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)防砂的主體為充填礫石層及內(nèi)部擋砂單元（如金屬網(wǎng)布等），一定范圍內(nèi)的機(jī)械篩管沖縫外殼參數(shù)改變不會(huì)影響整體防砂效果。

2）當(dāng)機(jī)械篩管擋砂介質(zhì)精度及充填礫石目數(shù)一定，沖縫外殼縫長為10 mm時(shí)，保證礫石不進(jìn)入篩管的前提下，適當(dāng)增加沖縫開口尺寸并不能有效增大機(jī)械篩管過流能力和緩解篩管堵塞程度。

3）沖縫外殼縫長為20 mm時(shí)，適當(dāng)增加沖縫開口尺寸雖不能延緩生產(chǎn)初期篩管的堵塞程度，但生產(chǎn)一段時(shí)間后，沖縫外殼開口尺寸越大的機(jī)械篩管，采油指數(shù)越大，對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)能的釋放作用越明顯。

綜上所述，針對(duì)沖縫型保護(hù)殼機(jī)械篩管防砂方式，在擋砂精度滿足有效防砂的前提下，沖縫外殼縫長更長的機(jī)械篩管其對(duì)應(yīng)的抗堵塞性能和長期過流能力更優(yōu)，選擇縫長20 mm以及開口尺寸0.4～0.6 mm的沖縫外殼，相比常規(guī)應(yīng)用的縫長10 mm、開口尺寸0.2 mm沖縫外殼，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械篩管整體滲透率和長期產(chǎn)能增長50%～80%。