魏劍飛

中石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院修井完井研究所 山東 東營 25700

1 研究的目的和意義

完井篩管是熱采水平井裸眼防砂完井技術(shù)的重要組成工具，它具有過濾面積大、滲透性高、堵漏能力強、強度高、使用壽命長等優(yōu)點。在防砂完井過程中，篩管與其它完井配套工具連接在一起下入油層部位裸眼中。在油井生產(chǎn)過程中，油流通過篩管的過濾層進(jìn)入井筒，采出地面，而地層砂被阻擋在篩管與井筒環(huán)空內(nèi)，非常細(xì)的地層砂隨油流被產(chǎn)出，較大顆粒的地層砂聚積在環(huán)空內(nèi)形成自然充填層，進(jìn)一步提高了防砂效果。

通過對目前應(yīng)用的各種篩管的過濾層性能進(jìn)行分析，采用了繞絲層與金屬網(wǎng)層復(fù)合的過濾層結(jié)構(gòu)。過濾層內(nèi)層為繞絲層，外層為金屬網(wǎng)層，通過兩層過濾結(jié)構(gòu)提高了擋砂效果，增加了過濾層的強度，提高了過濾層的抗沖蝕能力。

但在現(xiàn)場應(yīng)用的過程中，出現(xiàn)了以下問題：

（1）目前選取篩管過濾粒徑是依據(jù)理論設(shè)計值，粒徑選擇不合適容易造成油井出砂和篩管堵塞導(dǎo)致產(chǎn)能下降；

（2）目前對篩管擋砂能力和抗沖蝕能力缺乏評價的方法和評價標(biāo)準(zhǔn)，沒有形成理論；

（3）缺少對篩管擋砂能力和抗沖蝕能力進(jìn)行評價的試驗裝置，無法模擬現(xiàn)場篩管生產(chǎn)情況。

針對以上的問題，進(jìn)行了熱采水平井完井篩管擋砂性能評價研究和抗沖蝕性能評價研究，為篩管設(shè)計提供依據(jù)，根據(jù)不同油藏特性進(jìn)行篩管的篩選，使方案設(shè)計和單井應(yīng)用更有針對性。

2 熱采水平井完井篩管擋砂性能評價方法研究

通過微觀模擬、宏觀模擬和室內(nèi)試驗，對設(shè)計的篩管的實際防砂效果進(jìn)行了模擬評價。實驗的主要思路是通過壓力傳感器連續(xù)采集篩管注入端內(nèi)外壓降的變化，從而反應(yīng)出篩管受到的堵塞和堵塞物的解除情況；通過測量通過篩管的流體流速，反應(yīng)篩管對于油氣的導(dǎo)流能力，從而評價防砂后對產(chǎn)能的影響；通過測量通過篩管后流體中所含有的砂粒質(zhì)量，從而評價濾砂管的對于不同級數(shù)砂粒的防砂性能；試驗中過濾層隨時間變化的破壞程度可以模擬現(xiàn)場篩管的抗沖蝕能力。

首先從現(xiàn)場獲取地層砂樣和流體，根據(jù)粒度分析和粘度分析的結(jié)果配置試驗砂樣和流體，試驗時，在一定的注入壓力下，觀察流量、篩管內(nèi)外壓降隨時間的變化，根據(jù)變化情況來評價篩管的產(chǎn)能、堵塞和解堵性能；通過對篩管產(chǎn)出砂進(jìn)行粒度分析，結(jié)合實際地層砂的粒度分析和生產(chǎn)要求，來確定篩管的擋砂精度，評價篩管的擋砂性能。

（1）試驗砂樣配制原則

嚴(yán)格按照現(xiàn)場取出的砂樣粒徑分布進(jìn)行配制，各級別的砂粒按比例配入。砂樣供選擇的粒徑包括：40μm，60μm，70μm，89μm，100μm，120μm，150μm，170μm，250μm，300μm。

（2）試驗流體配制原則

配制流體模擬現(xiàn)場流體物性，主要以流體粘度為主要參考值。

（3）篩管試件

取整根篩管的一段，包括篩管外保護(hù)套、過濾層、沖孔板、基管及端環(huán)等結(jié)構(gòu)。

（4）篩管試驗結(jié)果評價

① 米采油指數(shù)

借用米采油指數(shù)來對篩管的產(chǎn)液能力進(jìn)行考量，米采油指數(shù)越大，篩管的產(chǎn)液能力越高，滲透性越好。

② 篩管出砂粒徑分析

利用激光粒度分析通過篩管過濾后的砂樣，擋砂能力合格的篩管需要符合兩個指標(biāo)：一方面，在標(biāo)稱擋砂粒徑以下級別的砂樣都必須含有；另一方面，超過標(biāo)稱擋砂粒徑的石英砂占全部砂樣質(zhì)量比需要在10%以下。

3 熱采水平井完井篩管擋砂性能評價試驗裝置研制

本次研究針對篩管特點研制開發(fā)了完井篩管性能評價試驗裝置，該裝置將篩管的性能評價手段從理論研究提高到工程評價研究，實現(xiàn)了以微觀模擬宏觀。這套裝置主要可以劃分為模擬系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等三個模塊。該裝置通過模擬完井篩管防砂性能的試驗研究，驗證篩管過濾砂粒的效果。

3.1 試驗裝置介紹

自主設(shè)計研制了一套篩管擋砂性能評價試驗裝置如圖1所示。

圖1 篩管性能評價試驗裝置主視圖

該裝置包含以下幾個模塊：

（1）模擬系統(tǒng)

該系統(tǒng)能夠承受達(dá)到20MPa的壓力，而且具有一定的耐腐蝕性能。為了進(jìn)一步貼合現(xiàn)場實際地層，將在模型中充填不同目數(shù)的模擬地層砂，在容器里部安裝有濾網(wǎng)。

試驗時按由內(nèi)而外地順序依次將篩管、模擬地層砂、分流濾網(wǎng)安裝好，然后把不同目數(shù)的模擬地層砂壓實。這種大尺度填砂管模型可以模擬不同條件下的出砂情況，從而優(yōu)化篩選濾砂管基本性能。

（2）循環(huán)系統(tǒng)

循環(huán)系統(tǒng)由柱塞泵、管線、多級液罐等組成，開始由注入泵將泵內(nèi)的液體以一定的壓力輸出，首先來到集散器，經(jīng)由集散器的作用分散到試驗裝置，分別從九個不同方向的注入口注入試驗筒，采出液經(jīng)過管線流入沉降池，而后經(jīng)多級沉降和過濾，最終重新回到泵吸入口，形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。

（3）測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)由多個壓力和流量傳感器組成，其中壓力傳感器分布在注入端、篩管外壁、砂體中間等部位，可以通過壓力表對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的采集。流量采集主要是對在入口處對流體的流速進(jìn)行測量。

由于最終產(chǎn)出流體中含有一定量的細(xì)砂粒，因此需要隔一段時間對砂粒進(jìn)行收集，然后過濾烘干，用天子天平稱重，分析統(tǒng)計一段時間內(nèi)的出砂量。

3.2 試驗裝置功能

該裝置可以模擬一定壓差和流量條件下不同類型濾砂管在地層中的擋砂效果以及對產(chǎn)量的影響，具體來說可以實現(xiàn)以下4個功能。

（1）出砂量測定；

（2）擋砂粒徑測定；

（3）堵塞情況分析；

（4）產(chǎn)量影響測定；

4 熱采水平井完井篩管擋砂性能評價試驗

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

研究某區(qū)塊地層砂粒條件下的不同濾砂管性能。

4.2 試驗材料

（1）砂樣

砂樣數(shù)據(jù)：D50＝0.23mm，D40＝0.26mm，D90＝0.06mm。均勻性系數(shù)c＝4.33，為非均勻砂，泥質(zhì)含量5%。

（2）篩管

選用7in優(yōu)化設(shè)計后的成品篩管，長度設(shè)計為30cm，過濾粒徑：取120μm、150μm、200μm、220μm。

（3）試驗配件

配件材料包括粘度100mpa.s的模擬油以及電子天平、恒溫干燥箱等。

4.3 試驗步驟

（1）試驗筒準(zhǔn)備

① 開泵并進(jìn)行調(diào)試，直到壓力能夠保持穩(wěn)定；

② 向注入泵灌進(jìn)液體（水），保證有液體均勻流出注入孔，于此期間校對壓力測量系統(tǒng)；

③ 為了對試驗裝置進(jìn)行試壓工作，我們關(guān)閉試驗筒的出口，試驗壓力為8MPa，壓力顯示沒有下降并且整個試驗裝置沒有漏失處為標(biāo)準(zhǔn)。

（2）填放砂樣

將篩管與試驗筒密封，而后將配好的模擬地層砂導(dǎo)入樣機，填勻壓實。

（3）擋砂性能試驗

① 開泵，泵壓2.5MPa；

② 出口用容器收集產(chǎn)出液，并稱重；

③ 記錄壓力表讀數(shù)，每隔1min采集一個點；

④ 待流量壓力穩(wěn)定后，提高泵壓到3.5MPa繼續(xù)試驗；

⑤ 對采出液中砂粒進(jìn)行過濾洗滌稱重；

⑥ 使用激光粒度儀進(jìn)行砂粒粒徑分布測試。

4.4 試驗數(shù)據(jù)

（1）7in篩管，過濾粒徑120μm擋砂性能試驗結(jié)果

① 流量壓力數(shù)據(jù)

100min內(nèi)流量隨時間逐漸下降，同時壓力逐漸上升，100min以后流量壓力同時突變，表明篩管孔眼堵塞，而后流量接近于0，最終驅(qū)動壓力為3.2MPa，流量約0.1 kg/min。

② 出砂情況分析

前100min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續(xù)又有少量砂產(chǎn)出。試驗共累計出砂9.05g。用激光粒度分析儀測得的砂樣粒徑分析結(jié)果可以看出產(chǎn)出砂以細(xì)粉砂為主，粒徑最大0.177mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.125的砂子占6.32%，滿足防砂要求。

（2）7in篩管，過濾粒徑150μm 擋砂性能試驗結(jié)果

① 流量壓力數(shù)據(jù)

前110min壓力隨流量的下降而上升，110min后趨于穩(wěn)定，壓力增大到3.2MPa左右，流量穩(wěn)定在0.12 kg/min。

② 出砂情況分析

前100min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續(xù)又有少量砂產(chǎn)出。試驗共累計出砂12.123g。用激光粒度分析儀測得的砂樣粒徑分析結(jié)果可以看出產(chǎn)出砂以細(xì)粉砂為主，粒徑最大0.210mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.149的砂子占7.53%，滿足防砂要求。

（3）7in篩管，過濾粒徑200μm 擋砂性能試驗結(jié)果

① 流量壓力數(shù)據(jù)

前65min壓力隨流量的下降而上升，65min后趨于穩(wěn)定，壓力增大到3.1MPa左右，流量穩(wěn)定在0.3 kg/min。

② 出砂情況分析

前65min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續(xù)又有少量砂產(chǎn)出。試驗共累計出砂30.35g。用激光粒度分析儀測得的砂樣粒徑分析結(jié)果可以看出產(chǎn)出砂以細(xì)粉砂為主，粒徑最大0.297mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.21的砂子占8.75%，滿足防住地層砂的要求。

（4）7in篩管，過濾粒徑220μm 擋砂性能試驗結(jié)果

① 流量壓力數(shù)據(jù)

前55min壓力隨流量的下降而上升，55min后趨于穩(wěn)定，壓力增大到3.07MPa左右，流量穩(wěn)定在0.41kg/min。

② 出砂情況分析

前55min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續(xù)又有少量砂產(chǎn)出。試驗共累計出砂45.68g。用激光粒度分析儀測得的砂樣粒徑分析結(jié)果可以看出產(chǎn)出砂以細(xì)粉砂為主，粒徑最大0.354mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.220的砂子占14.38%，滿足防砂要求。

4.5 試驗數(shù)據(jù)綜合分析

① 流量隨時間的變化

試驗過程中，4種精度的篩管的曲線變化規(guī)律大體一致，但是曲線斜率有所區(qū)別，表現(xiàn)為擋砂精度越高，流量變化速率越大。實驗過程中，120μm篩管發(fā)生了堵塞，其他篩管可以在較長時間內(nèi)保持流速恒定。

② 壓力隨時間的變化

試驗過程中，4種精度的篩管的曲線變化規(guī)律大體一致，但是曲線斜率有所區(qū)別，表現(xiàn)為擋砂精度越高，壓力變化速率越大。實驗過程中，將注入壓力提高到3.5MPa后，200μm篩管有10min壓力調(diào)整期，而其他組并無此現(xiàn)象。

③ 米采油指數(shù)隨時間的變化

四種過濾粒徑的篩管米采油指數(shù)隨時間的變化規(guī)律大體一致，但是曲線斜率有所區(qū)別，表現(xiàn)為擋砂精度越高，米采油指數(shù)變化速率越大。濾砂管精度從120μm 提高到后220μm，米采油指數(shù)增加了3.27倍，表明擋砂精度越高，對產(chǎn)能影響越大。

5 熱采水平井完井篩管抗沖蝕過濾層性能評價試驗

利用試驗裝置進(jìn)行了抗沖蝕過濾層性能試驗，利用一定含砂濃度的高速流體，沖擊過濾層試件表面，根據(jù)過濾層隨時間變化的破壞程度來模擬在生產(chǎn)情況下過濾層的抗沖蝕能力。

根據(jù)試驗結(jié)果，在采液強度0.4 ～0.7 m3/（d.m），生產(chǎn)壓差小于10MPa的情況下，抗沖蝕過濾層均未發(fā)生破壞，能滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求。實現(xiàn)了采液強度小于0.8m3/（d.m）、生產(chǎn)壓差10MPa以內(nèi)不被破壞的目標(biāo)。

6 結(jié)論

（1）形成了一套完井篩管擋砂性能評價方法，通過流體介質(zhì)攜帶砂，模擬地層出砂，觀察砂通過篩管對壓力和流量的影響規(guī)律來評價篩管的性能，對產(chǎn)出砂進(jìn)行粒度分析，結(jié)合實際地層砂的粒度分析和生產(chǎn)要求，來評價篩管的擋砂效果。

（2）研制了一套完井篩管性能評價裝置，包括模擬系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和測量系統(tǒng)三大部分，可進(jìn)行51/2in和7in兩種規(guī)格不同過濾粒徑的篩管擋砂性能評價。

（3）針對區(qū)塊砂樣，進(jìn)行了7in篩管擋砂能力評價試驗。試驗過程中的流量和壓力變化趨勢大致相同，試驗中120μm篩管堵塞，150μm、200μm和220μm篩管流量趨于穩(wěn)定，提高壓力后，四種篩管流量略有提高，穩(wěn)定后的米采油指數(shù)隨著過濾粒徑的增大而增大；

（4）利用完井篩管性能評價裝置對抗沖蝕過濾層進(jìn)行性能評價試驗，篩管的抗沖蝕強度能夠滿足采液強度小于0.8m3/（d.m）、生產(chǎn)壓差10MPa以內(nèi)的現(xiàn)場生產(chǎn)要求。