自源闭式能量补充井水源层防砂参数研究

刘玉飞，张春升，王 尧，邓 晗，孟召兰，季菊香，马喜超

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

南海E油田为疏松砂岩稠油油田，主要油层位于H组，该油田投产后，大部分油井产能没有达到预期要求，严重影响油田经济效益。通过前期综合分析判断，存在地层天然能量补充较慢、产层出砂等问题。针对地层天然能量不足这一情况，制定油田注水开发方案，合理补充地层能量成为解决问题的关键。

结合油田情况，设计自源闭式能量补充井，将水源层产出水通过电泵增压后回注至油层，补充地层能量。水源层能否长期稳定的开采，对油田持续注水开发至关重要。

本文对自源闭式能量补充井的水源层防砂参数进行了优选。水源井出砂是开采水源层面临的重要难题。出砂不仅易造成水源井的减产和停产，加剧地面和井下设备的磨损，严重时更会造成套管的永久性损害甚至是油井报废，因此水源层的防砂作业直接决定着能否有效开采地层水[1]。目前，几乎所有的水源井都采取机械防砂的方法进行防砂，而筛管是井下防砂关键器材，对防砂质量、成本和油井产量等都有很大影响，一旦筛管失效将导致油井出砂停产，使整个防砂作业失败[2-4]。

基于水源井防砂研究现状，笔者以自源闭式能量补充井为例，针对水源层防砂方式及挡砂精度进行了设计，并以获得的设计参数进行室内防砂实验效果评价。对自源闭式能量补充井的水源层防砂参数提出了建议。所得参数在现场得到应用，取得了较好的防砂效果。

图1 自源闭式能量补充井管柱结构Fig.1 Self-closing energy replenishing well tubular structure

1 自源闭式能量补充井概况

该井斜深2 497.5 m，H注水层有效厚度2.9 m，泥质含量26.4%，有效孔隙度20.8%，渗透率314.8 mD，地层压力11.85 MPa，地层温度74℃；Z水源层有效厚度75.9 m，泥质含量14.5%，有效孔隙度22.2%，渗透率568.1 mD，地层压力22.52 MPa，地层温度115℃。该井选用罐装泵自源闭式注水管柱结构，水源层和注水层通过封隔器隔离密封，水源层产出水经罐装系统增压后注入至注水层，实现注水层地层能量补充（见图1）。

2 防砂方式及挡砂精度优选

2.1 储层出砂预测

根据此油田探井测井数据及油层解释数据，利用声波时差、出砂指数、斯伦贝谢法对H油层和Z水源层进行出砂预测及分析评价。

H油层声波时差都大于312 μs/m，出砂指数B局部小于2×104MPa，斯伦贝谢出砂指数S值局部小于5.9×107MPa2。Z 油层声波时差都小于 312 μs/m，出砂指数B都大于2×104MPa，斯伦贝谢出砂指数S值都大于5.9×107MPa2。

通过3种方法预测，同时参考在生产井的生产情况，H油层生产中出砂风险较大，应采取先期防砂措施；Z油层生产初期不易出砂，考虑到该井是自源闭式能量补充井，由Z层产出的地层水直接注入H层，为降低后期出砂修井风险，Z层仍推荐采取防砂措施。

2.2 防砂方式确定

根据生产井的实际生产情况，H层生产井应采用砾石充填防砂，考虑到该层位在自源闭式能量补充井为注水层位，不进行油气采出生产，因此将防砂方式简化为独立筛管简易防砂方式。

下面对Z水源层的防砂方式进行论证分析。防砂方式的确定主要考虑以下几个因素：泥质含量和黏土吸水的膨胀性。

当泥质含量小于10%时，防砂筛管不容易被堵塞，可采用优质筛管防砂；当泥质含量大于10%时，如黏土矿物中以伊利石和高岭石为主，则吸水膨胀性弱，可采用优质筛管防砂，反之需要采用砾石充填防砂。选择方法可参见Tiffin防砂方式优选图版和石油大学防砂设计图版。

2.2.1 Z水源层泥质含量统计 根据邻井测井解释分析：Z水源层段主要含油层段泥质含量均>10%，最高达 20.8%（见图 2）。

2.2.2 地层砂粒度分析 Z层岩石薄片粒度图像分析（见图 3）。

图2 邻井测井解释泥质含量统计Fig.2 Adjacent well logging explains mud content statistics

图3 地层砂粒度分布曲线Fig.3 Formation sand particle size distribution curve

图4 石油大学防砂方式选择图版Fig.4 China University of Petroleum sand control mode selection chart

图 5 Tiffin 防砂方式选择图版（d10/d95＜10）Fig.5 Tiffin sand control mode selection chart（d10/d95＜10）

图 6 Tiffin 防砂方式选择图版（d10/d95＜20）Fig.6 Tiffin sand control mode selection chart（d10/d95＜20）

2.2.3 防砂方式优选图版 该防砂方式优选图版方法主要是依据中国海洋石油总公司企业标准Q/HS 14014-2012《海上油气井防砂设计要求》的部分内容进行优选，主要考虑了地层砂分选系数Sc（即d10/d95）、泥质含量、黏土矿物成分、细粉砂质量含量（＜44 μm的颗粒含量）以及地层砂均质系数等因素（见图4～图6）。

综合以上分析，Z层泥质含量较高，同时考虑到自源闭式同井注采完井方案的特点，推荐Z层采用砾石充填防砂方式。

2.3 防砂精度设计

目前国外对如何确定各种防砂管的防砂精度已有各种成熟的方法，本次主要使用Saucier方法和石油大学挡砂精度设计方法进行优质筛管防砂精度设计。

2.3.1 Saucier方法 根据Saucier提出的最优砾石尺寸设计方法，该方法以粒度中值d50作为选择砾石充填所需砾石尺寸D50=（5～6）×d50（式中：D50-砾石的粒度中值，mm；d50-地层砂的粒度中值，mm），然后根据砾石尺寸选择相对应的孔喉直径，以此作为所需优质筛管的挡砂精度，该方法简称Saucier法。

图7 石油大学挡砂精度选择图版Fig.7 China University of Petroleum sand control precision selection chart

2.3.2 石油大学方法 对于海上油田，出砂量的要求基本控制在0.3‰以内，根据石油大学防砂精度选择图版（见图7），可得出防砂管挡砂精度与储层粒度中值的关系式：ω≤0.88d50；由于此油田原油为重质稠油，适度出砂开采可提高单井产能，因此可以在传统挡砂精度设计的基础上适当放大筛管的挡砂精度，当油中含砂量控制在0.5‰以内时，推荐优质筛管的挡砂精度ω可以放大到：ω≤1.27d50。

根据各层位的粒度数据，应用Saucier法和石油大学方法计算各层挡砂精度结果（见表1）。

表1 挡砂精度选择结果Tab.1 Sand control precision selection result

Z水源层的理论挡砂精度应为177 μm，为了防止细砂颗粒产出堵塞注水层位，可以适当降低该层位的挡砂精度数值，选取油田前期开发井所用筛管中最低挡砂精度数值125 μm进行实验验证，既要确保挡砂效果，又要保证产液能力。

3 水源层防砂效果实验评价

通过Z水源层模拟地层砂与充填陶粒的匹配性实验，检测充填陶粒的防砂效果。

3.1 实验装置及实验准备

防砂筛管防砂介质挡砂精度检测系统包括：加砂速度控制系统、主体实验装置、取样容器、储液罐、联接滑套、单向节流阀、出液管、柱塞泵和数据采集系统（见图 8）。

图8 防砂介质挡砂精度检测实验装置Fig.8 Sand control medium sand blocking precision experimental device

图9 砾石尺寸与模拟地层砂挡砂效果实验流程Fig.9 Experimental procedure for gravel size and simulated formation sand control effect

按照Z水源层地层砂分布曲线配制实验用砂。所配制的模拟地层砂与地层砂筛析数据重复性、归一性好，测量结果偏差小，准确性好（见表2）。

表2 X射线衍射粒度分布曲线Tab.2 X-ray diffraction particle size distribution curve

3.2 实验过程

（1）利用填砂容器，模拟地层砂通过充填陶粒的过程，对压力进行采集，对出口端液体进行取样，检测出砂粒径及出砂量，评价充填陶粒的防砂效果。

（2）准备目标油田的模拟地层砂、充填砾石（40/50目、20/40目、16/30目）、烧杯、量筒等实验材料及器具。

（3）将配制好的模拟地层砂及充填砾石装入填砂系统，充填砾石放置到出液端，地层砂放置到进液端，底部放置125 μm筛管挡砂介质，连接流程。

（4）配制3%KCl溶液。

（5）调至5 mL/min泵速，启泵，驱替10～15倍PV，对样品进行饱和。

（6）实验采用 70 mL/min、90 mL/min、110 mL/min、130 mL/min、150 mL/min的泵速进行驱替，记录每一泵速下的驱替压差。

（7）收集驱替出的液体，实验过程中观察仪表及实验动态，记录实验过程中的压力、流量。

（8）待流量及压差稳定后，关泵，停止实验。

（9）拆除填砂系统并进行清洗。

（10）对产出液进行清洗、烘干、称重，进行激光粒度测试。

表3 筛板挡砂实验样品检测结果Tab.3 Screen plate sand control test sample test results

（11）清理结束后，重复上述实验过程，完成其他两种规格的充填陶粒与模拟地层砂的挡砂效果实验。

3.3 实验结果分析

砾石尺寸与模拟地层砂挡砂效果实验结果（见表3）如下：

（1）无陶粒充填的筛板压差0.05 MPa，充填陶粒后无压差，证明充填后的堵塞程度优于不充填，3种目数砾石充填后均可以达到较好的防砂效果。

（2）取样结果看出，产出液里全部都是蒙脱土。

（3）未充填陶粒样品的冲出砂颗粒个数比充填陶粒后的冲出砂颗粒数量多，出砂量也相对较高。

4 结论

（1）Z水源层采用125 μm挡砂精度筛管的砾石充填防砂效果要好于简易防砂，产出颗粒少，充填40/50目陶粒与水源层地层砂的匹配性较好，能够达到很好的防砂效果。

（2）尽管水源层采取了严格的防砂措施，但实际生产初期仍然可能产出部分地层颗粒，存在堵塞注入层的风险，建议首先进行水源层排液，经过排砂期产出稳定之后，不含固相颗粒时再进行注入。

（3）自源闭式能量补充井实施助流注水后，邻近井A3H产液量明显提升，为该井提产提供能量支持，截至2018年11月4日，A3H井产液量由注水前198 bbl/d上涨至1 398.89 bbl/d。

（4）助流注水工艺适用于南海E油田，可有效补充该油田地层能量。