辽河油田雷61储气库防砂筛管试验与应用

匡韶华 吕 民

中国石油辽河油田公司钻采工艺研究院

0 引言

辽河油田储气库群项目被列为国家石油天然气基础设施建设重点工程，项目建成后将形成100亿立方米的库容量，承担区域内天然气调峰保供重任。该项目主要利用辽河油田的枯竭油气藏，通过改扩建形成地下天然储气库群，主要包括双台子、雷61、黄金带、马19等储气库。由于砂岩储层岩石胶结强度低，以及注采交变载荷的影响[1]，导致多个储气库均存在不同程度的出砂风险，需要采取防砂措施来保障气井的安全平稳运行。国内外的储气库主要采用筛管防砂完井来应对地层出砂问题[2]。而针对特定的油气藏，开展筛管综合性能的评价与优选，对于保障筛管的防砂效果具有重要意义。

近年，国内外学者针对筛管性能评价开展了大量研究，形成了多种试验装置和评价方法[3-12]。但他们主要采用液体作为试验流体，是针对油井筛管防砂而开展的研究。在气井筛管防砂评价方面的研究比较少，如熊友明等[13]利用筛管过滤介质防砂试验装置，针对番禺30-1气田开展了高级优质筛管的试验评价；王利华等[14]研制了大型气井防砂模拟试验装置，针对荔湾3-1气田开展了实尺寸筛管防砂试验评价。这两种方法的局限性在于，都是采用预先在筛管表面填充地层砂的方式来模拟气井筛管防砂，与气井实际防砂机理存在一定差异，因此需要进一步完善。

针对这些问题，本文依据气井防砂原理自主研制了一套气井防砂试验装置，并以雷61储气库为例，开展了气井防砂筛管评价试验，依据试验评价结果指导了现场筛管完井实施，取得良好效果。

1 防砂筛管选择

储气库在生产过程中，筛管需要承受高强度注采、高流速冲蚀、CO2腐蚀等复杂条件的影响，因而对筛管性能提出严苛的要求。为保障储气库全生命周期的防砂有效性，要求防砂筛管具备高强度、耐冲蚀、耐腐蚀性能，同时具有良好的挡砂性能和抗堵性能。通过对辽河油田5种常用防砂筛管的结构特点和应用情况进行分析，优选出金属滤网筛管和自洁缝隙筛管作为试验评价对象，其结构如图1所示。金属滤网筛管（图1a）从内到外依次由基管、不锈钢多层烧结滤网、不锈钢冲缝保护罩组成，多层烧结滤网采用高精度的多层不锈钢金属筛网真空烧结而成，过流面积大、耐腐蚀性强；冲缝保护罩可以改变流体方向，避免砂粒对过滤介质进行直接冲蚀。自洁缝隙筛管（图1b）是将过滤件镶嵌焊接在基管孔眼，过滤件采用不锈钢材质，具有栅状V型缝隙结构，V型缝隙由外向内逐渐均匀变宽，自洁功能强，不易堵塞。这两种防砂筛管在蒸汽吞吐井中应用效果良好，耐温350℃以上。

图1 金属滤网筛管和自洁缝隙筛管照片

按照SY/T6916-2012《石油天然气工业井下工具防砂筛管》测试出金属滤网筛管、自洁缝隙筛管这两种筛管的抗挤毁强度为35 MPa以上。按照GB/T246-2017《金属材料 管 压扁试验方法》对两种筛管进行压扁试验，结果为：金属滤网筛管在479.5 kN压扁载荷下，管体被压扁，但是无裂缝，仍具有一定防砂功能（图2a）；自洁缝隙筛管在109 kN压扁载荷下，管体出现开裂，失去防砂功能（图2b）。

图2 金属滤网筛管和自洁缝隙筛管压扁试验形态照片

2 试验原理与方法

2.1 筛管防砂机理

油气井采用筛管防砂完井后，筛管与套管或井壁之间形成环空。油气井投产后，地层流体携带固体颗粒（地层砂及堵塞物）产出，部分较细的固相颗粒进入筛管挡砂介质（通过挡砂介质被排出或者堵塞在挡砂介质内部），而粒径大于挡砂介质孔径或缝宽的固相颗粒则被阻挡在筛管外部，形成砂桥，进一步阻挡更小的颗粒通过，逐渐将环空完全填满，形成砂层[15]。砂层形成后，相当于构建了新的挡砂屏障，通过筛管的出砂量会大幅减少，但是仍有少部分颗粒会随着流体继续通过筛管挡砂介质。因此，筛管防砂的机理可以分为两个阶段：第一阶段，地层砂在筛管外层逐渐堆积形成砂层的过程；第二阶段，砂层形成后的防砂过程。

2.2 试验装置及原理

按照筛管防砂原理，自主研制了一套气井防砂试验装置。该装置主要由空压机、储气罐、调压阀、流量压力监测器和主体测试模型组成（图3a）。试验装置能够提供的最大气量200 m3/h，最高压力5 MPa，最大加砂量1 kg。

该装置的核心部分是测试模型（图3b），采用了特殊结构加砂装置（砂漏），如图3b的右侧所示，砂漏上部为圆筒，下部为锥体，圆筒外侧设置导气槽，上端放置盖板，锥体底端设置出砂孔。试验时，如图3b的左侧所示，将模拟砂填入砂漏中；调节进气压力，气体从砂漏外侧导气槽中通过；模拟砂从出砂口中缓慢流出，在筛管样件表面逐渐堆积形成砂层，模拟筛管防砂的第一阶段；当模拟砂全部落入筛管表面后，继续注入气体，模拟筛管防砂的第二阶段；部分砂粒随气体通过筛管样件落入过滤袋；实时记录流量压力变化；试验结束后，测量过滤袋中的出砂量。

图3 气井防砂试验装置图

2.3 试验材料及试验参数

2.3.1 模拟地层砂

雷61储气库属于中浅层碎屑岩储气库，储层岩石胶结疏松，出砂风险大。根据雷61-6井的钻井取心进行粒度分析，得到该井的地层砂粒度分布数据（表1）：砂样粒径＞0.224 mm质量占比47.79%；粒径＜0.071 mm质量占比2.49%；粒度中值为0.217 mm。按照该井地层砂粒度分布，采用不同粒径石英砂按不同比例复配模拟砂。

表1 雷61-6井钻井取心地层砂粒度分布数据表

2.3.2 筛管样件

为了便于试验对比，将两种筛管加工成等效面积的筛管样件。等效面积的计算方法：单根直径为Ø139.7 mm自洁缝隙筛管包含2 000个过滤件，相同尺寸的金属滤网筛管的过滤网面积约为5.2 m2，则单个过滤件对应过滤网的面积约为2 600 mm2，即1个自洁缝隙筛管的过滤件等效于51 mm 51 mm金属滤网筛管的过滤网（图4）。每一种筛管样件取3种挡砂粒径规格：0.10 mm、0.15 mm和0.20 mm。

图4 试验使用的两种筛管样件

2.3.3 试验参数

按照雷61储气库定向井和水平井的筛管段长度和配产气量，确定试验气量参数：定向井筛管长度50 m，日采气量27 104m3；水平井筛管长度300 m，日采气量62 104m3；按照流速等效原则，折算定向井和水平井中单个筛管样件的过气量分别是1.1 m3/h和0.5 m3/h，考虑筛管非均匀进气（10%通过率）情况下的过气量分别是11.3 m3/h和4.6 m3/h；采用恒压变流量的方式测试筛管的过流抗堵性能，结合试验设备条件和筛管样件过气能力，设定试验压差为0.3 MPa，试验气量变化要尽可能高于折算的筛管样件过气量。

3 试验分析评价

行业内对筛管防砂效果的试验评价通常采用初始过流性能、挡砂性能和过流抗堵性能三项指标来分析[16-17]。①以不加砂条件下通过筛管的气体流量评价初始过流性能；②以加砂条件下通过筛管的出砂量评价挡砂性能；③以加砂条件下通过筛管的气量变化评价抗堵性能。

3.1 筛管初始过流性能评价

筛管初始过流性能反映了环空砂层未形成前的流体通过能力。它受到筛管过流面积的影响，是选择筛管的重要参数，尤其在高产油气井中对产量的影响较大。相同规格的筛管，金属滤网筛管过流面积为20%，自洁缝隙筛管过流面积为6%，两者相差3.3倍。将两种筛管样件放入试验装置中，在不加砂的情况下，测试在相同压差（0.3 MPa）下，金属滤网筛管和自洁缝隙筛管的气体流量分别是150 m3/h和40 m3/h，两者的流通性能相差3.8倍，说明金属滤网筛管的初始过流性能要明显好于自洁缝隙筛管。

3.2 模拟地层砂条件下筛管防砂效果评价

将模拟地层砂填入试验装置的砂漏中，在模拟地层砂条件下，分别测试两种筛管的气量变化和出砂量，评价筛管的过流抗堵性能和挡砂性能。

筛管气量随试验时间变化如图5所示。可以看到，在相同地层砂和过流压差下，两种筛管表面形成砂层后的气量相差近4.5倍，说明砂层形成后的金属滤网筛管过流性能明显优于自洁缝隙筛管，在砂层叠加效应的影响下，两种筛管的过流性能差异加大。但是在试验中后期，两种筛管的气量变化相对平稳，没有出现气量大幅下降的趋势，说明砂粒在筛管表面形成了稳定的砂桥，未侵入到筛管过滤介质内部，筛管架桥堵塞达到平衡状态，在本试验条件下，两种筛管均具有很好的抗堵塞性能。

图5 两种筛管通过气体流量随时间变化图

试验结束后，收集并测量通过筛管样件的出砂量（图6）。可以看到，金属滤网筛管的出砂量要明显大于自洁缝隙筛管，并且挡砂粒径（缝宽或孔径）越大，出砂量越多。0.10 mm金属滤网筛管与0.15 mm自洁缝隙筛管的出砂量较少，且比较接近，两者分别为0.012 7 g和0.004 4 g。

图6 通过两种筛管的出砂量与挡砂粒径对比图

3.3 模拟不同生产阶段下筛管过流抗堵性能评价

随着地层持续出砂，在不同生产阶段进入气井环空中的出砂量会持续增加，形成不同的砂层厚度，对气井防砂后的产量也会造成不同的影响。因此，为评价两种筛管在不同生产阶段过流抗堵性能，开展了不同砂层厚度下的试验评价。以套管射孔后下防砂筛管完井为例，取不同模拟地层砂量（100 g、300 g和500 g），分别填入试验装置的砂漏中，试验过程中能够在筛管表面形成三个不同的砂层厚度（8 mm、24 mm和40 mm）。这三个砂层厚度分别代表不同生产阶段：①生产初期，筛管外侧形成较薄的砂层；②生产中期，筛管与井眼环空填充地层砂；③生产后期，砂层堆积于射孔孔道中。试验测量0.15 mm挡砂粒径的两种筛管在不同砂层厚度下的气量变化如图7所示。

图7 两种筛管不同砂层厚度下气量随时间变化图

从实验结果来看，随着砂层厚度增加，气体流量均出现下降趋势，砂层厚度从24 mm增加到40 mm时，气体流量下降更加明显，说明在生产中后期筛管防砂对气井产量影响更加显著；在不同砂层厚度下，金属滤网筛管的过流抗堵性能均要明显好于自洁缝隙筛管。

4 现场应用分析

根据上述实验结果：在雷61储气库储层砂样特征和生产条件下，金属滤网筛管的过流性能优于自洁缝隙筛管，而自洁缝隙筛管的挡砂性能优于金属滤网筛管。筛管的选择需要平衡防砂和产量之间的关系，两者都要兼顾[18]；同时，考虑到金属滤网筛管的抗压强度要高于自洁缝隙筛管，在水平井裸眼筛管完井中可以有效防止因地层坍塌造成筛管挤扁而导致的防砂失效问题。因此，综合考虑，6口定向井采用挡砂粒径0.15 mm自洁缝隙筛管，3口水平井采用挡砂粒径0.10 mm金属滤网筛管。其中，定向井采用Ø177.8 mm套管射孔完井后悬挂Ø139.7 mm防砂筛管，筛管长度50 m；水平井采用裸眼筛管完井方式，Ø177.8 mm油层套管接Ø168.3 mm防砂筛管，筛管长度650 m。

目前，该储气库顺利完成了首轮试注试采，并进入第二轮注气期。首轮注气平均注气压力5.1～5.8 MPa，单井日注气量7.1 104～9.9 104m3，最高日采气量25.7 104m3，地面取样未发现出砂现象。因此，通过本试验优选的防砂筛管经受住了首轮注采试运行的考验。

5 结论与认识

1）依据筛管防砂原理，采用独特的砂漏结构设计，研制出气井防砂试验装置，实现高速气体缓慢混砂功能，可以真实模拟气井防砂过程。

2）金属滤网筛管初始过流能力是自洁缝隙筛管的3.8倍；筛管表面形成砂层后，金属滤网筛管过流能力是自洁缝隙筛管的4.5倍。实验结果表明砂层对自洁缝隙筛管的过流能力影响更大，金属滤网筛管更加适合产量高的气井。

3）在雷 61储气库储层砂样特征和生产条件下，自洁缝隙筛管的挡砂性能要明显优于金属滤网筛管，并且两种筛管均具有较好的抗堵塞性能。

4）为了平衡防砂和产量之间的关系，兼顾考虑成本因素，推荐产量高的水平井采用金属滤网筛管，产量低的定向井采用自洁缝隙筛管。