井楼油田砾石充填防砂参数优化实验研究

高凯歌,董长银,赵　林,刘浩伽,韩博宇

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266580；2.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院)



井楼油田砾石充填防砂参数优化实验研究

高凯歌1,董长银1,赵林2,刘浩伽1,韩博宇2

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266580；2.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院)

砾石层和机械筛管是砾石充填防砂的关键组成部分，其类型和性能决定了挡砂效果和防砂井产能。井楼油田井楼7区块油藏出砂严重，为优选砾石层充填方式和机械防砂筛管精度，使用挡砂介质性能评价装置，模拟现场条件对3种砾石层及8种不同筛管样本进行挡砂介质性能评价实验。根据动态实验数据计算得到挡砂介质的流通性能、挡砂性能、抗堵塞性能的量化评价指标，并针对井楼7区块进行了砾石充填防砂参数优选。

井楼油田； 砾石充填防砂；性能评价； 挡砂驱替实验

疏松砂岩油藏由于自身胶结程度差、非均质性强，在生产过程中普遍存在出砂问题。砾石充填防砂是目前广泛使用的防砂方式之一，挡砂介质的主要作用是有效阻挡地层砂侵入井筒并保持一定渗透率使油气畅流入井[1]，砾石层的性能决定了防砂井产能及防砂有效期。目前井楼油田井楼7区块防砂筛管主要为挡砂精度为0.15 mm、0.20 mm的绕丝筛管和复合筛管，外径分别为108 mm和202 mm，采用0.3～0.6 mm和0.425～0.85 mm两种尺寸石英砂进行双级砾石充填。相对于单级砾石充填，双级砾石充填的成本更高、施工难度更大。为降低施工成本的同时保证良好的防砂效果，砾石层充填方式、砾石尺寸以及机械筛管精度的优选是目前井楼7区块防砂决策的主要问题之一。

近年来，国内外学者针对砾石层及筛管防砂性能评价进行了大量研究，而实验检测是研究的主要技术手段之一[2-11]。针对上述问题，本文使用自行研制的防砂筛管与砾石层特性评价微观驱替模拟实验装置，对3种砾石层和8种筛管样品进行性能评价实验，并对井楼油田进行砾石充填防砂参数优化。

1　实验条件与方法

1.1挡砂介质性能评价实验原理

挡砂介质性能评价实验直接模拟地层流体携带地层砂冲击挡砂介质，并模拟挡砂介质的挡砂及堵塞过程。流体携带的地层砂使用目标区块的地层砂，以稳定的含砂率长时间驱替，同时测量机械筛管短节管壁和砾石层两侧的驱替流量、压差和过砂量。在驱替过程中，由于地层砂的堵塞作用，挡砂介质两端的驱替压差和流量会发生变化，通过测量挡砂介质两端压差和流量，根据达西公式求出挡砂介质的渗透性变化。

1.2实验装置与实验方法

挡砂介质性能评价实验采用防砂筛管与砾石层特性评价微观驱替模拟实验装置，由主体装置、储液罐、混砂器、泵、压差与流量计以及数据采集系统组成，本次实验使用径向流驱替部分。

实验使用一致的流体黏度、初始驱替流量、地层砂。随着地层砂侵入，地层发生堵塞，挡砂介质两端压差及流量发生变化。当压差、流量长时间趋于稳定后，说明堵塞桥架达到平衡状态，可以结束实验。

1.3实验材料与实验条件

本实验在室温条件下实施，温度约为20 ℃，管线出口压力均为大气压，实际压力取决于实验排量、筛管与砾石层堵塞程度和流动阻力。

井楼油田为稠油油藏蒸汽吞吐开采，经过测算，实验流体采用2～10 mPa·s的增黏水。地层砂使用井楼7区块Ⅳ2-3油层产出砂数据进行复配，粒度中值为0.229 mm，均匀系数为1.596(编号为S1)；筛管样品共8种，样品短节长度240 mm，有效渗率长度210 mm；实验使用3种充填砾石层，具体见表1和表2所示。

对于径向流双粒级充填方式，靠近筛管外壁处充填0.425～0.8 mm砾石，靠近模拟井筒内壁处充填0.3～0.6 mm砾石。

表1　实验筛管短节样品

表2　实验使用充填砾石

2　实验结果分析

性能良好的挡砂介质不仅要有效地阻挡地层砂进入井筒，还要在整个生产过程中保持一定渗透性以保持油井产能。实验中使用实时数据进行计算，使用流通性能指标、挡砂性能指标、抗堵塞性能指标以及挡砂介质的综合性能指标来评价挡砂介质的防砂性能优劣，具体计算方法见文献[12-13]。

2.1筛管尺寸优选实验结果分析

为检验不同筛管尺寸(砾石层充填厚度)对防砂效果的影响，使用外径分别为108 mm、202 mm的绕丝筛管和复合筛管、A2(0.425～0.85 mm)砾石层以及黏度为2～10 mPa·s的瓜胶溶液进行径向驱替实验，挡砂介质渗透率变化曲线如图1和图2所示。

图1　井楼7区块地层砂A2砾石不同复合筛管尺寸渗透率变化曲线

由实验结果可知，在井筒尺寸相同条件下，4种挡砂介质在驱替过程中渗透率变化规律相似，均随地层砂的堵塞作用而逐渐降低并最后保持稳定。使用大尺寸筛管会导致砾石层变薄，驱替过程中地层砂侵入区域比例占全部砾石层厚度较高，导致总体渗透率下降较快，整个驱替过程中的平均渗透率和最终渗透率都较低；而使用尺寸较小的筛管可获得相对厚的砾石层，堵塞过程虽有地层砂侵入，但侵入区域所占总砾石层厚度的比例较低，驱替过程中的渗透率下降较慢，并且最终渗透率较高。

图2　井楼7区块地层砂A2砾石不同绕丝筛管尺寸渗透率变化曲线

根据实验结果分析，针对井楼油田井楼7区块砾石充填防砂，推荐使用较小规格尺寸(77/108 mm)的筛管，以获得较高的充填层厚度和较高的总体渗透率和流通性能。因此，后续挡砂介质径向流驱替实验均使用外径为108 mm的机械筛管。

2.2砾石层充填粒级及砾石尺寸优选实验分析

使用相同的机械筛管、地层砂样品及实验参数分别进行A1(0.3～0.6 mm单粒级充填)、A2(0.425～0.850 mm单粒级充填)、A3(两种砾石双粒级充填)防砂效果评价实验，对比单粒级砾石充填和双粒级砾石充填的防砂效果。

2.2.1 地层砂和F1复合筛管不同充填层实验结果对比

使用F1复合筛管进行支撑，分别使用A1、A2、A3砾石层进行充填，使用井楼7区地层砂和黏度为2～10 mPa·s的瓜胶溶液进行驱替实验。挡砂介质渗透率变化曲线如图3所示，计算得到的各项性能指标如图4所示。由实验结果可知，3组驱替实验中均未观察到地层砂通过挡砂介质，说明3种充填方式均能满足挡砂要求，挡砂性能指标均为1； A3(双粒级)砾石层的流通性能指标为1.0，综合流通性能最好；A2的流通性能指标为0.81，略低于A3，但相差不大；砾石层流通性相对较差；A1砾石由于粒径较细，地层砂不易侵入，表现出较强的抗堵塞性； A3砾石层和A2砾石层的抗堵塞性略差； A3充填方式的综合性能指标为1.0，综合性能最好；A2的综合指标为0.86，与A3相差不大。

图3　井楼7区块地层砂F1复合筛管=三种充填方式实验的渗透率变化对比

图4　S1F1三种充填方式各项性能指标对比

2.2.2 不同充填层实验结果对比

使用R2绕丝筛管进行支撑，分别使用A1、A2、A3砾石层进行充填，使用井楼7区块地层砂和黏度为2～10 mPa·s的瓜胶溶液进行驱替实验。挡砂介质渗透率变化曲线如图5所示，计算得到的各项性能指标如图6所示。

图5　井楼7区块地层砂R2绕丝筛管　　　三种充填方式实验的渗透率变化对比

图6　S1R2三种充填方式各项性能指标对比

由实验结果可知，3组驱替实验中均未观察到地层砂通过挡砂介质，说明3种充填方式均能满足挡砂要求，挡砂性能指标均为1；A3(双粒级)砾石层的流通性能指标为1.0，综合流通性能最好；A2的流通性能指标为0.82，略低于A3但相差不大；A1砾石由于粒径较细，地层砂不易侵入，表现出较强的抗堵塞性； A3充填方式的综合性能指标为0.91，综合性能最好；A2的综合指标为0.84，与A3相差不大。

根据实验结果分析，针对井楼7区块复合筛管砾石充填，推荐采用0.425～0.850 mm单粒级砾石充填方式，既能保证挡砂效果，又可以保持一定的流通性能，并可以简化施工程序，降低施工成本。

2.3筛管挡砂精度优选实验结果分析

2.3.1 不同筛管精度优选实验结果对比

使用F1、F2、R1、R2四种外径为108 mm、精度分别为0.15、0.20 mm的复合筛管和绕丝筛管，A2和A3砾石层，井楼7区块地层砂，以及黏度为2～10 mPa·s的瓜胶溶液进行实验。实验结果表明，对于砾石充填情况下的防砂效果，起主要作用的是砾石层，筛管仅起到支撑砾石层的作用，对其他性能影响不大。因此，无法在砾石充填情况下对筛管精度进行优选，需要进行筛管直接阻挡地层砂性能评价实验。

2.3.2 直接阻挡地层砂筛管挡砂精度优选

在砾石充填条件下，砾石层主要起到挡砂作用。对于井楼7区块，由于采用蒸汽吞吐热采方式，交替注热和生产可能会使砾石层失效，在此情况下，筛管就将承担防砂功能。

使用F1、F2、R1、R2四种外径为108 mm，精度分别为0.15、0.20 mm的复合筛管和绕丝筛管，井楼7区地层砂，清水进行驱替实验，模拟现场砾石充填层失效、筛管直接防砂的情况。4种筛管在实验过程中渗透率变化曲线如图7所示，过砂率对比如图8所示。

图7　不同筛管直接阻挡地层实验渗透率变化

由实验结果可知，随着驱替进行，不同精度的绕丝筛管和复合筛管渗透率均随时间下降；精度0.15 mm和0.20 mm的复合筛管的过砂率分别为9.3%和13%；而相应精度的绕丝筛管的过砂率只有0.85%和1.80%，即精度为0.15 mm筛管的挡砂效果要明显好于精度为0.20 mm筛管。因此，针对井楼7区块蒸汽吞吐的生产条件，当砾石层失效后筛管会直接面对地层砂，推荐选择0.15 mm精度机械筛管进行防砂。

图8　不同精度筛管过砂率对比

3　结论与建议

(1)砾石层充填方式、砾石尺寸以及机械筛管精度的优选是目前井楼油田井楼7区块防砂决策的主要问题之一，本文通过大量物模实验，对各项砾石充填防砂参数进行系统分析，并基于实验结果给出了优选推荐。

(2)针对井楼7区块地层砂(粒度中值0.229 mm)，3种砾石充填方式A1(0.30～0.6 mm)、A2(0.425～0.85 mm)、A3(两种粒级复合)砾石层均能满足挡砂要求。A1砾石层表现出较好的抗堵塞性；A2砾石层和A3砾石层的流通性能较好；A2砾石层和A3砾石层的综合性能均较好，A3砾石层的综合防砂性能更好一些。但考虑简化防砂设计和施工程序以及降低施工成本等因素，对于井楼7区块地层砂推荐采用A2单粒级砾石充填方式。

(3)根据实验结果分析，规格尺寸较小的108 mm复合筛管和绕丝筛管能获得相对较厚的砾石层，驱替过程中的渗透率下降较慢，且最终渗透率较高。对于井楼7区块地层砂，推荐使用较小规格尺寸的(77/108 mm)的防砂筛管，以获得较厚的砾石充填层、较高的总体渗透率和流通性能。

(4) 限于实验条件，实验流体使用清水和增黏水进行，实际油井中多为油气水混合物，情况更加复杂。建议后续采用更接近于实际现场条件的高黏流体开展进一步实验研究。

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编辑：王金旗

1673-8217(2016)05-0113-04

2016-04-27

高凯歌，1993年生，中国石油大学(华东)在读硕士研究生，从事采油工程、防砂完井方向研究。

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