降水防砂工艺措施效果评价模型研究

李彦龙董长银李怀文邵力飞陈新安许拓拓

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266555；2.中国石油大港油田公司石油工程研究院，天津 300280）

降水防砂工艺措施效果评价模型研究

李彦龙1董长银1李怀文2邵力飞2陈新安1许拓拓1

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266555；2.中国石油大港油田公司石油工程研究院，天津 300280）

降水防砂材料充填防砂能改善井底流动条件，起到降水增油稳砂的作用，但其施工效果综合评价模型方面的研究尚为空白。通过降水防砂材料油水相对渗透率性能评价实验，探讨了降水防砂充填材料的基本渗流性能及其主要的作用机理，建立了降水防砂材料充填简化模型，推导了降水防砂材料充填降水效果及增产效果预测的计算模型。应用软件对预测模型的敏感性进行模拟计算，并通过实例计算验证了降水防砂充填工艺措施的降水效果和增产效果。研究成果对疏松砂岩高含水油田降水增油措施的制定有一定参考意义。

疏松砂岩；防砂；降水防砂材料；降水率；当量产能比

疏松砂岩油藏开发后期，油井含水不断上升，出砂加剧，严重影响油井产能［1］。为了降低降水控砂增油的成本，降水防砂材料应运而生［2-4］。目前国内常用的降水防砂材料大都是通过物理化学作用将偶联剂、降水剂与特种水泥等材料按一定比例涂覆于无机颗粒（通常是石英砂）表面，经特殊工艺制成的防砂颗粒［4-8］。降水防砂材料充填施工工艺是在常规高压一次充填防砂基础上，泵注砾石或其他支撑剂时，首先挤入一部分降水防砂材料到地层深部，然后再挤入常规石英砂等普通充填材料。降水防砂材料充填防砂施工能降低油井含水，降低防砂表皮因数，改善井底流动条件，以达到防砂降水稳油的目的。

目前国内对降水防砂材料的成型及其物理性能评价［5-9］、降水机理［3-4，10-12］方面的研究较多，但降水防砂施工后作用效果的预测模型及相应的计算指标尚为空白。笔者在分析降水防砂材料充填工艺的基础上，首先对降水防砂材料进行相渗规律的室内实验研究，在此基础上提出了降水率的概念，并建立了基于挤压充填模式的降水率计算模型和当量产能比预测公式，通过模拟分析与计算验证了模型的可靠性。

1 降水防砂材料油水相对渗透率评价

降水防砂材料的油水相对渗透率数据首先反映材料是否具有通油阻水性能，其次相渗数据将用于后续的防砂井降水及增产效果预测。

本文采用石油天然气行业标准SY/T 5345—2007，用HDQT-40型高温高压多功能驱替装置进行降水防砂材料相渗曲线的测定。3种不同粒径降水防砂充填颗粒典型相渗曲线测定结果见图1。

图1 降水防砂充填颗粒相渗曲线

由图1可看出，降水防砂材料等渗点含水饱和度均大于50%，这证明降水颗粒表面亲水，在水驱油过程中毛管力作为水驱油的动力存在，利于增产。降水防砂材料相渗曲线最大油相相对渗透率为最大水相相对渗透率的7~10倍，由此证明降水颗粒均具有较好的阻水通油性能。这说明降水防砂材料通过超疏水界面润湿机理、油水通道分流机理及遇水膨胀遇油稳定机理在地层中起降水增油的作用［10-11］。

2 降水防砂降水率预测模型的建立

2.1 物理模型

降水防砂充填施工后，井筒附近的地层渗流特性会发生变化，实际降水防砂充填后地层渗流区域可能有地层径向流渗流区域、充填过渡带渗流区域、降水防砂材料充填带渗流区域、普通石英砂充填带渗流区域、射孔孔眼内的渗流、射孔孔眼到井筒的流动区域等，计算相当复杂。为便于计算，可忽略顶替石英砂对井底流入动态规律的影响，降水防砂材料充填后井筒环空与原始井壁之间将形成环状充填带，在忽略井壁不规则性及充填非均质性的前提下，降水防砂材料充填带可以视为理想的圆柱环（图2），图中rin为等效充填半径，rw为井筒半径为，re为油井供给半径。

图2 降水防砂充填后井筒剖面简化示意图

考虑到上述模型与实际井筒充填环境的差别，可以用等效充填半径来代替实际的充填区域半径。假设等效半径区域内充填密实，则在等效充填半径内的填砂量等于实际的降水防砂材料充填量。这样，整个地层渗流就可以简化为两个渗流区域，即地层渗流区域和等效充填区域。等效充填半径用式（1）确定［12］

式中，rin为等效充填半径，m；rso为筛管外径，m；Ig为纵向充填强度，m3/m；φ为充填密实程度系数，无量纲。

2.2 降水率公式的推导

降水率定义为降水防砂材料充填有效期内油井平均含水率相对于施工前平均油井含水率的降低值。为了便于公式推导，在上述模型的基础上还必须做如下假设：（1）忽略毛管力、重力的影响；（2）假设油水两相均不可压缩；（3）地层仅发生平面径向流，不考虑局部锥形扩散流和单向流的影响。

（1）降水防砂施工前的含水率计算。

（2）降水防砂施工后含水率的计算［13］。降水防砂充填施工后的油井产油量为

降水防砂充填施工后的油井产水量为

由以上两式可得降水防砂施工后的含水率的表达式

（3）降水率计算。降水率Δf可以表示为

式中，rw为井筒半径，m；re为油井供给半径，m；kg、kf分别为充填层渗透率、地层渗透率，D；kof（Sw）、kwf（Sw）、kog（Sw）、kwg（Sw）分别为相渗曲线上含水饱和度为Sw时地层、充填层的油水相对渗透率，无量纲；Lw为实际充填井段长度，m。

根据上述公式，在求解降水率时，地层砂及降水防砂材料的相渗数据根据室内实验获取，其他数据根据油田生产实际确定。

2.3 降水防砂增产效果预测模型

当量产能比（PR）表示油井防砂后的产能与不防砂情况下产能的比值［14］。当量产能比大于1表示降水防砂施工后油井增产。充填防砂井的当量产能比用下式表示［15］

式中，Sp为油井射孔表皮因数；Ssc为防砂措施造成的附加表皮因数。

降水防砂措施造成的附加表皮因数包括：管外降水颗粒充填区域表皮因数、管外普通石英砂充填区域表皮因数、炮眼砾石充填层的表皮因数、筛套环空砾石层表皮因数、筛管/滤砂管渗透层的表皮因数等。油井固有表皮因数、射孔表皮因数以及防砂措施造成的其他附加表皮因数的计算见参考文献［15］，管外降水颗粒砾石充填区域中的流动为径向流动，达西流动条件下的表皮因数为

由于降水防砂材料充填后kg≥kf，故充填表皮因数为负，具有增产效果。

由上可知，只要求得油井各表皮因数，就可计算降水防砂材料充填施工后的当量产能比，从而评价防砂措施对油井产能造成的影响，进行防砂产能预测，判断降水防砂充填的增产效果。

3 模拟计算与分析

基于上述模型和方法编制了降水防砂充填施工效果预测软件，对降水防砂材料的施工效果进行预测分析。

3.1 应用实例分析

某井用降水防砂材料进行充填防砂，其基本完井数据见表1，降水防砂充填施工参数及预测效果见表2。

表1 某井完井基础数据

表2 某井降水防砂充填施工参数及预测效果

由表2可知，该井降水防砂充填施工后降水率6.34%，当量产能比1.051，取得了较好的降水效果和增产效果。

应用上述完井基础数据，笔者分别分析了充填厚度及原油黏度对降水防砂施工效果的影响，并得到了相关结论。

3.2 充填厚度对施工效果的影响

管外降水防砂材料充填层厚度对降水率和当量产能比的影响见图3，可以看出，充填厚度增大，降水率和当量产能比均增大。在设计降水防砂充填颗粒用量时，要综合考虑地层亏空量、经济效益与工艺措施效果等多方面的因素，在满足充填条件的前提下，应尽量增加充填层厚度，以提高降水效果和增产效果。

图3 降水率、当量产能比与充填层厚度的关系

3.3 原油黏度对降水率的敏感性分析

通过软件模拟计算得到原油黏度与降水率的关系（图4）。降水率值随着原油黏度的增加而减小，当黏度超过1 000 mPa·s时，黏度对降水率的影响减弱。因此降水防砂充填施工适用于稀油油井。

图4 降水率与原油黏度的关系

4 结论与建议

（1）降水防砂材料等渗点大于50%，平均水油阻力比7~10，具有较好的控水增油能力。降水防砂材料充填施工能为高含水期疏松砂岩油藏的有效开发提供有力的技术支持。

（2）建立了降水防砂材料充填施工作用效果的预测模型，分别用降水率和当量产能比来评价降水防砂充填施工后的降水效果和增产效果。

（3）分析表明，降水防砂充填施工适用于稀油井，降水率随着原油黏度的增大而减小，随着充填层厚度的增大而增大；当量产能比随着充填层厚度的增大而增大。

（4）本文建立的降水率及当量产能比的计算模型是不考虑气体影响及充填非均质性等复杂条件的理想模型，关于复杂条件下模型的修正，将在后续工作中做进一步的研究。

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（修改稿收到日期 2014-08-19）

〔编辑 朱 伟〕

Model study on evaluation of water reduce and sand control technique effect

LI Yanlong1,DONG Changyin1,LI Huaiwen2,SHAO Lifei2,CHEN Xin’an1,XU Tuotuo1
（1.Petroleum Engineering College,China University of Petroleum (East China),Qingdao266555,China;2.Petroleum Engineering Research Institute,CNPC Dagang Oilfield Company,Tianjin300280,China）

Sand control by packing water reduce and sand control materials can improve the flow conditions at hole bottom and play the role of reducing water cut,increasing oil production and stabilizing sand;however,the study on the overall evaluation model on its operation effect is still a blank.Through evaluation and experiment on oil/water relative permeability performance of water reduce and sand control materials,this paper discusses the basic seepage performance of the water reduce and sand control material and its primary function mechanism,has established a simplified model for packing of water reduce and sand control material,and inferred the computing model for the water reduce effect of water reduce and sand control material packing and the prediction of production-increasing effect.Software was used to conduct analog computation of sensitivity of prediction model and verified the water reduce effect and production-increasing effect of the technology of water reduce and sand control packing by example computation.The research finding is of certain reference significance to the establishment of water reduce and oil-increasing measures for high water cut unconsolidated sandstone oilfields.

unconsolidated sandstone;sand control;water reduce and sand control material;water reduce rate;equivalent capacity ratio

李彦龙，董长银，李怀文，等.降水防砂工艺措施效果评价模型研究［J］.石油钻采工艺，2014，36（5）：113-116.

TE358

：A

1000–7393（2014） 05–0113–04

10.13639/j.odpt.2014.05.028

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“柴达木盆地涩北疏松砂岩气藏稳产及新区上产技术研究”（编号：2011E-0309）。

李彦龙，1989年生。2012年毕业于中国石油大学（华东），现主要从事油气井防砂完井、固液多相流方面的研究工作。E-mail：liyanlongupc@163.com。