海上高产气田防砂挡砂精度设计研究

马 帅熊友明于 东刘理明熊 军杜建波

（1.西南石油大学油井完井技术中心，四川成都 610500；2.中海石油湛江分公司，广东湛江 524000）

海上高产气田防砂挡砂精度设计研究

马 帅1，2熊友明1于 东2刘理明1熊 军1杜建波1

（1.西南石油大学油井完井技术中心，四川成都 610500；2.中海石油湛江分公司，广东湛江 524000）

高级优质筛管防砂是海上高产气田常用的防砂工艺，挡砂精度设计的合理性直接影响防砂效果的好坏。由于缺乏该类气田的防砂标准，挡砂精度设计多按照70年代Saucier提出的D50=（5～6）d50设计原则，考虑因素单一，对于特殊地层不具备针对性。制定了海上高产气田的防砂有效标准，以流花气田19-5实际地层岩心为例，进行了均匀系数对挡砂精度设计影响规律实验，结果显示均匀系数越大最佳挡砂精度值越小。首次对泥质含量对气田挡砂精度设计影响规律进行了实验分析，结果显示泥质含量越高最佳挡砂精度值越大，但泥质含量较低时该影响可以忽略。实验结果还表明，当地层砂泥质含量高于14%时不宜采用高级优质筛管防砂。8×8组出砂模拟实验结果遵循D50=（3～5）d50，相对于传统的设计原则，实验佐证了海上高产气田精细防砂理念的正确性，为气田防砂挡砂精度设计和防砂方案优选提供了依据。

砂岩气田；精细防砂；高级优质筛管；挡砂精度；防砂实验

防砂可靠性和产能是防砂过程中的矛盾问题，一味考虑防砂可靠性势必会牺牲产能，而一味追求产能可能会导致防砂失效，所以需要找到一个合适的挡砂精度来平衡二者关系。目前国外的挡砂精度设计方法主要有Saucier［1］、Tiffin［2］和Johnson［3］方法，其中Saucier是国内油田防砂设计最常用的一种方法，该法通过砾石充填实验得出D50=（5～6）d50的设计原则，其中D50为充填砾石粒度中值，d50为地层砂粒度中值。邓金根［4-7］等针对海上疏松砂岩适度防砂进行了挡砂精度的设计研究，对于适度出砂防砂［8-10］，推荐高级优质筛管挡砂精度设计仍为D50= （5～6）d50或稍放大一级，但该原则是针对常规油藏的。对于海上高产气田，高速携砂气流对井下管柱冲蚀严重，如果设计结果过于宽松，难以保证防砂的持久有效，鉴于海上施工高风险高投入的特征，熊友明［11］对番禺30-1气田提出高级优质筛管精细防砂的挡砂精度设计准则，认为气田挡砂精度应当比传统原则保守，对于海上高产气田推荐D50=（4～4.5）d50的精细防砂设计原则，但该思想是基于番禺30-1气田提出的，没有充分考虑地层砂粒度均匀性和泥质含量对挡砂精度的影响。

目前气田常用的防砂方法为高级优质筛管防砂和砾石充填防砂两种，二者的防砂理念是一致的。砾石充填依靠充填砾石挡砂，砾石间隙出液，高级优质筛管靠管柱实体部分挡砂，筛网缝隙出液，其核心都是挡砂精度的设计。在前人的研究基础上［12-17］，笔者对流花19-5区块进行高级优质筛管防砂模拟实验，主要分析地层砂均匀系数和泥质含量对高级优质筛管挡砂精度的影响。

1 室内出砂模拟实验

实验采用流花气田19-5现场返回的岩心以及人工配制的各样品，结合不同挡砂精度的筛网，模拟产层条件（温度、压力、井筒周围渗流速度）下的出砂情况。精细防砂高级优质筛管挡砂实验步骤如下。

（1）将地层砂捣碎使其处于松散状态，或人工调配适当粒度的砂粒并将其充填于岩心填砂管中；

（2）围压加至地层压力大小；

（3）按照图1连接实验装置，恒温箱保持在产层温度；

（4）将氮气以井筒周围渗流速度泵入岩心填砂管，同时测量填充砂两端的压力及流量、总出砂量；

（5）根据测定数据反推充填砂渗透率。

图1 室内出砂模拟实验装置

应注意，真实气井生产过程中往往伴随产水，可能是气层本来含水也可能是周边水入侵。为了模拟这一真实反映，在填砂桶内放置总体积5%的盐水，实验采用填砂桶体积565.2 mL，故加入28.26 mL饱和K+的NaCl溶液，分散在砂粒缝隙之中。

2 防砂标准制定

防砂标准的制定需要同时满足防砂有效性和产能最大化两个原则。

2.1 防砂有效性

根据原油集输条件，要求原油的含砂量不宜超过0.03%，即每万方原油最多含砂3 t，目前流行的稠油适度防砂可以将该标准放宽至0.05%～0.07%，但这些都是基于原油的。气的流动特征和出砂、携砂原理以及对井下管柱工具的冲蚀与原油有一定差异，且目前国内外没有针对气井生产提出合理的含砂量上限。防砂有效性原则需满足两点：（1）确保井下管柱工具在较高产量下能够长期安全生产，即含砂的气体对管柱的冲蚀不能过大；（2）出砂量不能超出平台处理能力。防砂后，气井出砂能够同时满足以上两点，则视为防砂有效。验证能否安全生产一年以上只有通过现场实例进行取证，这里采用番禺30-1气田的生产实例进行说明。

番禺30-1气田有9口生产井采用高级优质筛管防砂，生产一年多后所有井都能够正常作业，且没有发生油管被地层砂冲蚀坏的情况。9口井平均日产气50.4×104m3，年出砂量均控制在3 t以下，认为该工作制度下，能够保证井下管柱的长期有效性。为了与油井统一，这里采用气体单位体积含砂量Sc来表征。

即每万方天然气含砂量不超过0.163 kg时，认为气井能够安全生产。

2.2 产能最大化

防砂的目的不仅仅是为了防住砂，还要在保证防砂有效性的前提下追求气井产能的最大化，因此需要在二者之间寻求一个平衡点即防砂标准。这里通过以下两个实例进行说明。

（1）产能优先原则。随着筛网缝隙增大，出砂量随之增大，但筛管—井筒环空填充层的剩余渗透率呈现出先增大后减小然后再增大的趋势，这与Saucier砾石充填实验的规律是一致的。在图2中所示的情况下，在出砂量尚未达到防砂有效上限163 g/104m3时，剩余渗透率即产能先达到第1个极值，当出砂量达到163 g/104m3后，剩余渗透率已经开始减小，此时应当以产能优先原则选择剩余渗透率达到第1个极值时的挡砂精度。

图2 产能优先原则

（2）防砂优先原则。图3与图2趋势整体一致，但渗透率达到第1个极值时，出砂量已经超过了防砂有效标准163 g/104m3，故此时应当以防砂有效为优先原则选择相应挡砂精度。

图3 防砂优先原则

实验结果显示，本文实验部分全部遵循防砂优先原则，以下分析中只需要对出砂量进行分析。

3 均匀系数对挡砂精度的影响

定义均匀系数UC=d40/d90，该值越小表示均匀性越强。取UC分别为1.83、4.33、6.39、9.68的4种相同粒度中值（d50=203 µm）、相同泥质含量（m=7.2%）的地层岩心进行室内出砂模拟实验，岩心数据见表1。

表1 实验样品参数（不同均匀系数）

实验围压18.3 MPa，温度130 ℃，泵入氮气速率0.23 m3/s。实验结果显示各临界挡砂精度即为最佳挡砂精度，出砂量测试结果见图4。

图4 均匀系数对挡砂精度影响

由图4可看出，均匀系数越高最佳挡砂精度值越小，各均匀系数岩心对应的挡砂精度和对应的Saucier设计原则见表2。

表2 均匀系数影响结果

均匀系数低的岩心其粒度集中分布在d50左右，在筛网缝隙较小时出砂量很小，当筛网缝隙增大到一定值后出砂量迅速增加，此后又变化平缓；均匀系数高的岩心粒度分布分散，随着筛网缝隙的增大，出砂量变化较为稳定。

4 泥质含量对挡砂精度的影响

取不同泥质含量的5种相同粒度中值、相同均匀系数（UC=4.33）的地层岩心进行室内出砂模拟实验。岩心数据见表3，出砂测试结果见图5。

表3 实验样品参数（不同泥质含量）

图5 泥质含量对挡砂精度影响

由图5可看出，泥质含量越高最佳挡砂精度值越大，各泥质含量岩心对应的挡砂精度和对应的Saucier设计原则见表4。

表4 泥质含量影响结果

实验结果显示，泥质含量较低时最佳挡砂精度受泥质含量影响很小，但总体上呈现出泥质含量越高最佳挡砂精度越大的趋势，主要原因是黏土颗粒容易附着在筛网缝隙上，缩小了实际缝宽，表现出最佳挡砂精度变大的现象。当泥质含量逐渐增大到一定程度后，黏土的堵塞效应增强，对最佳挡砂精度的影响也增大。泥质含量超过14%后，堵塞效应明显增大，当泥质含量达到21.36%时挡砂精度达到216 μm，对应的Saucier设计公式为D50=6.48d50，这是不符合常规气田防砂规律的。随着生产的进行，近井带泥质含量减少，出砂量会不断增大，最终导致防砂失效，所以对于高泥质含量的地层不推荐采用高级优质筛管防砂。实验结束后在筛网上可观察到明显的泥质附着。

5 结论

（1）对海上高产气田防砂的高级优质筛管挡砂精度设计进行了研究，针对该类气田制定了有效防砂标准，即每万方天然气含砂量不超过0.163 kg。在该标准下进行的出砂模拟实验结果大致遵循D50=（3～5）d50，相对于传统的D50=（5～6）d50，该实验从另一方面佐证了气田精细防砂的理念。

（2）地层砂均匀系数对挡砂精度设计影响显著，当均匀系数较低时，可以适当放宽筛管缝宽；反之，需要针对小颗粒缩小筛管缝宽。

（3）实验表明泥质含量较低时，对挡砂精度设计影响较小，可以忽略不考虑。泥质含量高于14%则严重影响挡砂精度设计结果，故高泥质含量的地层不适合采用高级优质筛管防砂。

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［3］ GILLESPIE G, DEEM C K, MALBREL C. Screen selection for sand control based on laboratory tests［R］. SPE 64398, 2000.

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（修改稿收到日期 2013-10-25）

〔编辑 朱 伟〕

Research on precision design of sand control on high yield offshore gas field

MA Shuai1, 2, XIONG Youming1, YU Dong2, LIU Liming1, XIONG Jun1, DU Jianbo1

（1. Oil Completion Center, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. CNOOC Zhanjiang Branch, Zhanjiang 524000, China）

Advanced high quality screen sand control is a commonly used sand control technology for high yield offshore gas field, and the rationality of sand control precision design directly affects sand control effect. Currently, Because the sand standards of this kind gas field is rare, the most popular design method of sand control precision is the Saucier’s D50=（5～6）d50method which was proposed in the 1970s. And this method wasn’t suitable to some special formation due to simple consideration factors. This paper puts out an effective sand control standard which fits the offshore gas field perfect. Taking the actual formation cores in LiuHua 19-5 gas field as example, the experiment of testing the effect of sand uniformity coefficient on sand controlling precision design was conducted, and the results showed that a higher uniformity coefficient may cause a lower accuracy of sand control. For the first time the effect of sand clay content on the precision were studied, and another conclusion comes that the higher the clay content the greater the precision value and this phenomenon can be ignored if the clay content is not that high. We also found that the advanced high quality screen sand control should not be used if the clay content is higher than 14%. 8 × 8 set of sand simulation results follow D50=（3～5）d50, which is different from the traditional method put forward by Saucier, and prove that the method of fine sand control is reasonable for sandstone gas field. All these conclusions can provide basis for sand control precision design in sandstone gas field and sand control scheme optimization.

sandstone gas field; fine sand control; advanced high quality screen; accuracy of sand control; sand control test

马帅，熊友明，于东，等. 海上高产气田防砂挡砂精度设计研究［J］. 石油钻采工艺，2013，35（6）：48-51.

TE257

A

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0048 – 04

国家科技重大专项“深水钻完井工程”（编号：2011ZX05026-001-04-01）。

马帅，1989年生。在读硕士研究生，从事防砂、完井方面的研究工作。E-mail：mashuai_swpu@163.com。

文章编号：1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0052 – 03