多粒级砾石充填防砂性能及尺寸优化试验研究

钟奕昕,董长银,周玉刚,秦延长，邵现振,郑英杰

(1.中国石油大学(华东) 石油工程学院,山东 青岛 266580; 2.中国石化胜利油田分公司 河口采油厂,山东 东营 257000)

多粒级砾石充填防砂方式作为一种重要的防砂工艺,主要适用于泥质含量较高、地层砂粒度中值较低的细粉砂出砂地层,以及出砂时间较长、亏空严重的老井[1- 8]。其中,对于复合层砾石尺寸的选择与匹配是影响防砂效果的重要因素。近年来,国内外学者在砾石充填防砂方面进行了一些研究。针对不同地区的单级砾石充填防砂工艺参数设计,多是通过理论优化、数值模拟、试验分析等方式来优化砾石尺寸[9-21];针对多粒级砾石充填防砂的防砂性能及尺寸研究主要集中在模拟试验和模型预测两方面,如陈宇、邓金根等[22]对多粒级充填进行了模拟研究,得出多粒级充填会导致初期出砂量增加,但能改善砾石层渗透率从而提高产量;赵修太、陈东明[23]利用岩石力学等影响因素得到了多粒级充填级数和各级长度预测模型;李鹏、周承师等[24]阐述了多粒级充填防砂的工艺原理,并提出在分级砾石充填层的中粒度粒径砾石中加入短切纤维能大大提高防砂效果。上述研究中,针对单粒级砾石充填防砂的砾石尺寸研究较多,但将单粒级砾石充填与多粒级砾石充填进行防砂效果对比较少,缺乏室内试验数据的支撑,对于多粒级砾石充填层中不同砾石尺寸的匹配,并没有形成对应的优化方法。笔者使用砾石层特性评价微观驱替模拟试验装置,根据实际生产情况,以石英砂作为充填材料,在相同地层砂驱替条件下,进行3种单粒级充填层和3种多粒级充填层的性能评价试验,根据动态试验数据计算得到砾石层的流通性能、挡砂性能等评价指标,对单粒级、多粒级充填的防砂效果进行比较分析,并对多粒级充填层的砾石尺寸进行匹配与优化以及现场案例分析。

1 试验原理与方法

1.1 试验原理

所谓双粒级砾石充填防砂方式,是将两种不同粒径砾石按不同比例分级充填到地层中不同位置,首先使用较细的砾石充填到地层远端;然后使用粗一级的砾石完成近井地带和井筒内充填,如图1所示。在双粒级砾石充填层中,较细的砾石具有较好的挡砂效果,同时可以获得较低的砾石与地层砂中值比(GSR),降低地层细砂对砾石层的侵入,有利于维持较高的堵塞渗透率比;近井较粗的砾石有利于提高砾石充填层的总体渗透率,获得高产量。

图1 双粒级砾石充填层

试验使用砾石层特性评价微观驱替模拟装置,然后使用地层砂驱替从而评价各项性能,进而对各充填层的挡砂效果进行对比评价。试验时,将砾石材料充填于单向驱替装置的短节中,使用流体携带地层砂驱替砾石层,设置好试验参数后开始驱替试验。由于堵塞物的侵入和堵塞作用,砾石层渗透率随着时间逐步降低,驱替流量降低、压力升高。当趋于稳定后,表明堵塞达到平衡状态,即可结束试验。

试验测得的渗透率为砾石层的绝对渗透率,砾石层与试验流体之间不发生任何物理化学反应,在离心泵的作用下驱替液稳定通过砾石层。计算实时砾石层渗透率为

(1)

式中,K为渗透率,μm2;Q为试验用液体的体积流量,m3/s;P1、P2分别为注入端与流出端的压力,MPa;μ为试验所用流体的黏度mPa·s;A为砾石填充层的横截面积,m2;L为砾石填充层的长度,m。

1.2 试验材料与条件

试验所使用的驱替地层砂为粒度中值d50=0.085 mm的细粉砂,编号为FB,含泥质含量12%,泥质含量使用伊利石粉、蒙脱石粉、高岭石粉的混合物进行模拟,配置比例为3∶1∶1。使用的充填材料为现场常用的标准尺寸石英砂,砾石层充填方式分为单粒级充填和双粒级充填,砾石尺寸及其编号如表1所示。试验所使用的流体是黏度约为1 mPa·s的清水。在进行双粒级充填试验时,尺寸较细的砾石充填在流体入口端,尺寸较粗的砾石充填在流体出口端。

表1 试验使用固相充填材料及其编号

试验在室温条件下实施,温度大约15～20 ℃。试验压力条件为低压系统,对于单向流驱替,管线出口压力均为大气压0.101 325 MPa,流体排量均为1.2 m3/h,实际压力取决于排量和砾石层堵塞程度与流动阻力。

1.3 试验装置与方法

试验采用中国石油大学(华东)油气井防砂完井实验室的防砂筛网与砾石层特性评价微观驱替模拟装置。该装置专门用于观察和检测各种挡砂介质的挡砂性能和堵塞规律。装置主体部分采用有机玻璃制成,根据不同要求可选择不同管道进行试验,所选管道外径约为115 mm;模拟砾石层充填段长度约为145 mm;整个驱替过程可直观观察,流量压力压差等数据通过计算机自动采集。装置实物如图2所示。

图2 砾石层特性评价微观驱替模拟试验装置

试验时,设置好要求的流量与携砂浓度等条件后,人为将砾石层压实充填到管内,先使用清水携带模拟地层砂长时间驱替砾石层,测量砾石层两侧的压力差及试验压力和流量;然后改变砾石层尺寸或充填方式,其他条件不变,重复试验,测量砾石层两侧的压力差及试验压力和流量;最后应用砾石层挡砂性能评价软件进行数据采集、数据处理分析、砾石层的性能评价指标计算,并且收集最终通过砾石层的地层砂量,以过砂率表示不同砾石层的挡砂能力。

2 试验结果分析

在对油气井采取防砂措施时,不仅要考虑是否有良好的防砂效果,还要使地层具有一定的流通性,保证产量。使用实时监测到的数据,评价不同砾石尺寸下砾石充填层的挡砂性能指标、流通性能指标、抗堵塞性能指标以及综合性能指标,以此来评价不同砾石充填层的性能优劣,具体计算方法见文献[25-26]。

2.1 不同级数砾石充填层防砂效果对比分析

使用编号A(0.30～0.58 mm单粒级充填)、B(0.42～0.84 mm单粒级充填)、C(0.58～1.19 mm单粒级充填)、AB(0.30～0.58 mm/0.42～0.84 mm双粒级充填)、AC(0.30～0.58 mm/0.58～1.19 mm双粒级充填)5种砾石层进行对比评价试验。当砾石层渗透率不再发生变化时停止驱替,各个试验排量基本保持一致,得到砾石层渗透率随时间的变化如图3所示。

图3 不同充填层渗透率变化曲线

由图3可知,各个砾石层渗透率随着驱替逐渐下降,这是由于地层砂的侵入堵塞作用,渗透率最终趋于稳定,说明堵塞达到了平衡。针对0.085 mm的粉细砂,单粒级充填层B、C的初始渗透率最高,约为280 μm2。这是因为在原始充填状态下,砾石层的粒径越大,颗粒与颗粒之间充满均匀的孔隙,流体流动更容易;反而单粒级充填层A的尺寸最小,初始渗透率最小。以单粒级充填层A、B和双粒级充填层AB为例,AB双粒级充填层的初始渗透率介于单级砾石层A和B之间,约为180 μm2,稳定后最终渗透率比B充填层>AB充填层>A充填层。可以得出,B单层砾石层流通性能最优,AB双粒级充填层其次;分析其他充填层可以得出相似的规律,即双粒级充填层的流通性介于两个单粒级充填层之间。具体各个砾石层的渗透率变化及过砂率比较如表2所示。

表2 不同砾石层性能指标汇总

将试验时得到的渗透率和压差数据进行计算,得到挡砂性能指标、流通性能指标、抗堵塞性能指标和综合性能指标对比如图4所示。

结合表2和图4可得出,针对0.085 mm粉细砂,单粒级充填层B的挡砂性能、流通性能和抗堵塞性能三者数值差异明显,其中挡砂性能最低为0.55,但流通性能和抗堵塞性能最高,为0.9左右;同样可以根据性能指标分析得出单粒级充填层A不能同时兼顾挡砂性能和流通性能。对于AB双粒级充填层,其挡砂性能优于单级B充填层,流通性能又优于A充填层,使其具有一定的挡砂效果同时也能使流体易于通过。对于砾石层AC可以得出相似的结论,双粒级充填层AC的挡砂性能优于单粒级C充填层,而流通性能又优于单粒级A充填层,兼顾挡砂性和整体流通性,是三者中最好的选择。

图5为试验后单粒级充填层A和双粒级充填层AB得到的截面现象图。由图5可以看出，A层的单粒级砾石与地层砂接触界面出现明显的混砂带,说明地层砂侵入堵塞严重。而双粒级AB充填层并未发现明显的混砂现象,说明AB层有一定的抗堵塞性和流通性能。进一步分析,对于较常规的石油天然气藏开采,单粒级砾石充填防砂工艺有工艺简单、施工方便的优点,但对于泥质含量高的地层砂或粉细砂,容易在砾石和地层砂交界处形成泥饼,使得整个砾石层的渗透率大大下降,最终堵塞降产。

图4 不同充填层性能指标对比

在高清显微镜下,将试验后的0.3～0.6 mm石英砂以及0.4～0.8 mm石英砂砾石层切面取出小段放大观察,如图6所示。0.3～0.6 mm细砾石层砾石之间所产生的流通通道较小,使得砾石层渗透率较低。0.4～0.8 mm砾石层砾石之间所产生的流通较大,不利于阻挡地层砂的通过。使用单粒级砾石层作为挡砂介质时,无法兼顾挡砂性能和流通性能。因此对于亏空严重老井、粉细砂地层或泥质含量高的地层砂进行防砂方式选择时,建议优先考虑双粒级砾石充填防砂方式。

2.2 不同粒径砾石匹配充填防砂效果对比分析

在相同条件下,使用AB(0.30～0.58 mm/0.42～0.84 mm)、AC(0.30～0.58 mm/0.58～1.19 mm)和BC(0.42～0.84 mm/0.58～1.19 mm)3种双粒级充填砾石层进行对比评价试验。得到砾石层渗透率随时间的变化以及性能指标对比如图7所示。

从图7可知,3种砾石层的初始渗透率相差不大,均为180 μm2左右,随着驱替过程的进行及地层砂的堵塞作用,AB双级砾石层渗透率下降速率最慢,其渗透率下降程度也最小,稳定后最终渗透率比AB充填层>AC充填层>BC充填层。表明在这三组双粒级充填层中,AB层的抗堵塞性能最好,堵塞后砾石层渗透率最高,能维持较好的流通性。

针对0.085 mm粉细砂,AB、AC和BC三个双粒级充填层的挡砂性能指标都很高,但AC层和BC层的抗堵塞性能指标和流通性能指标都很低,因而可以得出这两个砾石层的高挡砂性能是由于其地层砂堵塞严重而来,并不能兼顾挡砂性和流通性。而AB双粒级充填层,挡砂性能指标为0.89,流通性能指标为0.75,抗堵塞性能指标为0.77,综合性能指标为0.85,效果最佳。如图8所示,在双粒级充填层中,细尺寸砾石在入流端起到挡砂的作用,粗尺寸砾石则起到流通的作用,二者协同产生粗挡砂细导流的作用,不同粒级砾石间存在合理尺寸匹配模式,在尺寸选择时也不可忽视这一点。

综合考虑挡砂性能、流通性能和抗堵塞性能,充填方式为0.3～0.6 mm/0.4～0.8 mm双粒级充填的砾石层最适合0.085 mm的粉细砂。分析其原因,由于流体冲刷携带作用,充填层中粒径较小的充填材料颗粒会运移到较大颗粒之间,形成一段两种充填材料的混合带,其渗透率远低于两种材料本身的渗透率,造成一定程度的自身堵塞(图8)。自身堵塞现象与两种材料的粒径差别有关,差别越大,自身堵塞越严重。AB复合层所用的两种充填材料粒径差距最小,自身堵塞现象最轻微,因此其流通性能和抗堵塞性能最好,且具有一定的挡砂效果;AC复合层的粒径差距较大,内部充填材料颗粒的运移更严重,加剧自身堵塞,使得复合充填层内部流动空间最小,其流通性能和抗堵塞性能最差;BC复合层的粒径差距虽不如AB层,但其流通性能仍低于AB层,抗堵塞能力更弱。

图7 不同粒径充填层性能对比

图8 多级充填层实物与显微界面分析

3 现场应用案例

胜利油田河口油区储层为疏松砂岩地层,其中某层某井采用套管射孔完井。该层孔隙度为34%,原始地层砂粒度中值为0.09 mm,生产过程中出砂严重。根据传统的单粒级充填砾石尺寸设计方法,该油井采用0.3～0.6 mm以及0.4～0.8 mm单粒级砾石充填防砂时,由于存在泥质含量越高、粉细砂等问题,地层发生堵塞,使得防砂效果较差,有效周期短,产量低。根据本文研究得到的结论,采用双粒级砾石充填防砂工艺,现场加0.3～0.6 mm石英砂20 t和0.4～0.8 mm石英砂10 t,排量1.5 m3/min,施工压力14～17 MPa,施工砂比5%～30%,采用胍胶携砂液100 m3。此次防砂后产液量由原来的28.8 m3/d提高到了81.6 m3/d,产油量由原来的0.7 m3/d提高到了3.9 m3/d,稳产后产液66.9 m3/d,产油量为2.4 m3/d,防砂效果较好,提液效果明显,如图9所示。截止至2018年1月,累增油377.2 t。目前该技术正在进一步推广中。

图9 现场产量变化

4 结 论

(1)对粒度中值为0.085 mm的粉细砂,0.3～0.6 mm与0.4～0.8 mm的双粒级砾石充填层可以实现外层挡砂、内层疏导,因而具有良好的防砂效果。其流通性和抗堵塞性优于0.3～0.6 mm单粒级充填层,挡砂性能高于0.4～0.8 mm单粒级充填层。

(2)对于双粒级复合充填,整个充填层由两种不同尺寸砾石组成,在流体冲刷携带作用下,两种材料接触界面发生结构再平衡,形成一段两种充填材料的混合段,造成一定程度的自身堵塞。两种材料的粒径差别越大自身堵塞越严重。因此对粒度中值0.085 mm的粉细砂,0.3～0.6 mm与0.4～0.8 mm的复合充填,综合性能优于0.3～0.6 mm与0.6～1.2 mm的复合充填及0.4～0.8 mm与0.6～1.2 mm的复合充填。

(3)当对亏空严重老井、粉细砂地层或泥质含量高的地层进行防砂方式选择时,建议优先考虑双粒级砾石充填防砂方式,具体防砂方式的选择因实际情况而异。