油井出砂可视化模拟实验系统设计

程远方, 张怀文,2, 滕 飞, 韩忠英, 闫传梁

(1. 中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东 青岛 266580; 2. 中国石油集团工程技术研究院, 北京 102206)

在石油工业中,油井生产出砂是世界范围内的普遍问题,每年用于此项研究的经费支出高达数亿美元之巨[1-2]。油井出砂是指油井在生产过程中,由于地质条件、开采方式以及措施作业等各种综合因素,使井底附近地层的岩石结构发生变化,导致地层离散砂或脱落砂被地层产出流体携带进入井筒,从而对油气井生产造成一系列不利影响的过程或现象[3-4]。油田开发出砂发生在地层深处,地层出砂过程在地面无法直接观测。随着油井生产的进行和各种增产措施的实施,储层变得更加复杂,使得油井出砂的研究更为困难[5-6]。

室内油气出砂模拟实验是通过模拟井眼及其生产环境来研究影响地层出砂的因素,从而将理论出砂模型与实际生产相结合[7-8]。由于目前油井出砂模拟实验设备核心部件是高压井筒,无法直接观测油井出砂时岩石的形态变化,为此笔者根据油井出砂模拟研究经验,设计了一套油井出砂可视化模拟实验教学系统,利用多发多收声波探测方法,通过交叉路径波速探测,检测整个岩样出砂的位置和几何形态,实现了出砂研究的可视化,可以让学生更为直观的认识油井出砂,进而让学生更好地探索油井出砂机理,设计油井防砂方案。

1 油井出砂可视化模拟实验设计

1.1 可视化实验系统设计

油井出砂可视化模拟实验系统主要由填砂管主体、压力控制部分、测量部分、出口分离计量部分、数据采集部分、声波监测部分等组成。图1为整个系统的连接图。填砂管内部直径为100 mm,高520 mm,耐压50 MPa。

图1 油井出砂可视化模拟实验系统示意图

实验步骤:(1)制备岩样,将配制的砂土混合物分多次填入填砂管(见图2)中,每填一层,都进行压实。最后对整个岩样加载轴压,压力控制为预设压力,加载时间为30 min；(2)打开恒温箱,调节填砂管温度为实验温度；(3)打开恒流泵,通过调节流量控制入口压力,形成不同的驱替压差；(4)打开超声波监测仪,对填砂管内的砂体进行声波监测并采集声波数据；(5)记录各实验数据。

图2 填砂管主体

1.2 声波监测系统的设计

岩样声波监测仪采用扬州东方超声科技公司的岩样声波监测仪(见图3),主要技术参数:发射电压为10～1 000 V连续可调；多点四道宽带接收机工作频率为10 kHz～1 MHz；AD/DA转换器时间测读范围为0～1 000 μs；φ30 mm声波换能器耐压为50 MPa,频率350～650 kHz。

图3 岩样声波监测仪

该套实验系统通过监测填砂管内砂体的波速变化,可以判断岩样内部结构的变化,从而判断出砂位置。声波监测系统主要包括声波监测仪和声波换能器。声波换能器成对、呈直线分布在填砂管管体的两侧(见图2)。声波探头穿过填砂管管壁与填砂管内的岩样紧密贴合。

该套设备测试范围广,可以完成对大体积、大长度岩样的纵波测量,同时可以完成一发多收,多点发射、多点多通道接收,定时自动采集。

2 岩样出砂多发、多收超声波探测方法

声波监测使用的是超声波监测[9-10],一般采用频率在20 kHz～1 GHz范围内的声波。超声波可以在多种介质中传播,但是气体和液体不能传播横波。超声波监测需使用能产生和接收超声波的声波换能器,完成声波信号和电信号之间的相互转换[11]。岩样声波速度由下式确定[12]:

(1)

式中,vp为岩样纵波声速；L为岩样长度；t为实验测得的纵波首波发射—接收时；t0为标定声波在探头中传播的固有时间。

图4为多发多收声波监测原理图。三对声波探头排布在填砂管的两侧,每对声波探头都包括一个发射探头和一个接收探头。探头1、探头2、探头3的间距分别116 mm、97 mm。当发射探头1发射声波信号时,接收探头1、2、3都会接收到信号。同样,当发射探头2和3发射声波信号时,接收探头1、2、3也会接收到信号。通过多点发射和接收就形成了多条交叉路径和交叉点,通过对这些交叉路径和交叉点的声波监测,就可以探测出岩样内部的空间结构变化,从而得知岩样出砂位置等信息。

图4 声波监测原理示意图

在理解多发多收的声波监测方法后,就可以进行油井出砂驱替实验。制备好岩样后,按照图1的实验系统连接仪器,调节恒温箱温度为实验温度；打开恒流泵,调节流量,控制驱替压差为1 MPa；打开超声波监测仪,发射声波信号,每隔5 min记录一次声波数据。

3 实验结果与分析

记录实验过程中监测到的纵波首波,将整理后的数据作成图5曲线,以便进一步分析实验规律。

图5 岩样纵波与时间关系曲线

图5中的1发1收表示发射探头1发射、接收探头1接收,1发2收表示发射探头1发射、接收探头2接收,其他曲线的命名规则相同。图6为声波换能器的位置坐标图,坐标原点为岩心左端面的中心。由图5可知,各条线的初始点波速并不相等,这主要是因为岩样的压实不均匀造成的,但仍然可以从各曲线的变化趋势得出一些规律。结合图6可以看出,在前5 min,各个位置的声波数值基本无变化,只有曲线1发1收波速下降了约300 m/s,说明坐标原点0 mm位置处开始出现了砂粒流失。

当时间到达10 min时,各曲线的纵波速度都出现了不同程度的下降,说明其对应检测的位置0 mm、58 mm、106 mm、116 mm处发生了不同程度的出砂现象,并且由声波下降的幅度来看,出砂程度沿横坐标轴逐渐加重,出砂面积加宽,形成了类似喇叭口的孔隙空间。

图6 声波换能器位置坐标图

当时间到达15 min时,由1发1收、1发2收、2发1收曲线的纵波速度进一步下降,则0 mm、58 mm处进一步出砂。换能器监测的2发3收、3发2收、3发3收波速出现下降,说明164 mm、213 mm处出现砂粒流失,出砂位置进一步加深。

当时间到达20 min时,1发2收、2发1收、3发3收曲线进一步下降,而2发3收、3发2收曲线变化不大,说明此时164 mm处出砂面积没有加宽而是继续纵深发展。25 min时,2发3收、3发2收、3发3收曲线波速下降,位置164 mm、213 mm处出砂面积加宽。

综上所述,可得地层出砂的规律如图7所示:实验中岩心的出砂位置由端面(0 mm)向底端(213 mm)发展,即由井口逐渐向地层纵深处发展。

图7 地层出砂动态图

在这个过程中,首先是孔隙中的自由砂随着流体流出,接着由于地层和井口压差的作用,井口处出现出砂；然后失去中心支撑的砂体,受到的上覆有效应力增大,出砂面积加大、位置加深；下一阶段,砂体较稳定,出砂面积不变,然而砂体骨架颗粒仍受流体的拖曳力发生剥落,出砂向纵深发展；最后由于上覆有效应力再次增加,砂体坍塌,出砂面积继续加大,出砂位置继续加深,如此往复。整个过程中,声波纵波的变化与岩心出砂情况具有很大的一致性,声波探测技术可以在一定程度上反映出砂的程度以及出砂的位置,在一定程度上实现了出砂的可视化。

4 结论

(1) 多发多收声波探测方法通过对交叉路径的监测,可以检测整个岩样出砂的位置和程度,实现了出砂研究的可视化,可以作为出砂研究的重要辅助手段。

(2) 油井出砂可视化方法的实现为油井出砂和防砂的研究提供了更加丰富的方法,对于实现常规油气藏的安全高效开采具有指导意义。

(3) 开展油井出砂的可视化方法研究,对于培养学生从多种角度解决问题的意识、发散思维、创新实验研究能力有重要意义,为相关的教学和科研工作提供了有益借鉴。