砂泥岩互层坍塌对表皮系数的影响规律实验研究

陈伟宏，柯澳香，马智雄

（长江大学石油工程学院，湖北武汉 430100）

水平井技术被广泛应用于南海东部各油田的高效开发中，然而在储层段钻进过程中时常会钻遇到砂泥岩夹层，产生井眼缩径或者坍塌掉块，造成井眼不规则变形，导致下部完井管柱下入困难甚至下不到设计井深等，影响作业时效和安全，甚至对油井产能产生不利影响。通过对以往环空表皮系数的研究进展调研发现，目前的环空表皮系数研究多从理论推导的方向进行，缺少从实验方向的研究。并且理论推导模型涉及参数繁多，计算方法复杂，在工程实践中往往难以计算。而在生产现场环空表皮系数主要是使用不稳定试井方法测得，只能测出总环空表皮系数，由于影响环空表皮系数因素过多，这种方法精准度相对较低。在泥岩段由于泥岩水化膨胀，导致泥岩坍塌，通常使用盲管将其封隔[1-4]。在砂岩段，通常使用筛管进行防砂处理，然而在砂泥岩互层段，泥岩坍塌后地层砂堆积在环空中，从盲管段运移至筛管段堵塞筛管，导致筛管的产能下降[5-8]。

1 实验装置

1.1 实验装置

根据油田现场实际工况，基于相似原理，设计了一套全可视水平井盲管-割缝筛管组合测算环空表皮系数研究实验装置。实验装置见图1，包括监测系统、循环系统、井筒模拟系统、数据采集处理系统。其中监测系统包含压力表、压差传感器、流量计，主要作用是对管线压力、压差、流量进行监测，防止泵压超过井筒最大载荷发生事故。循环系统包括电机、高分子隔膜泵、回流管线、安全阀门、储液混砂罐，其中电机和高分子隔膜泵的作用是为循环管线提供动力，回流管线是为了防止泵压过载，保证实验安全，储液混砂罐是为了储存液体，并将砂砾与液体充分混合均匀，防止大量砂砾集中进入高分子隔膜泵，损坏隔膜。数据采集处理系统包括计算机、数据采集器，主要作用是采集实时数据、对泵频进行适时调整，以得到较好实验数据。

图1 盲管-割缝筛管组合完井方式环空颗粒运移分布规律实验装置图

井筒模拟系统包括有机玻璃井筒，三种不同组合比例的盲管-割缝筛管防砂管柱以及夹持装置（图2），为了能够让装置更加符合真实工况，根据南海某油田的现场完井管柱尺寸进行等比例缩放。缩放后，模拟井筒外径为60 mm，盲筛管尺寸为30 mm，环空尺寸为10 mm。并设计了盲筛比为3∶1、2∶2、1∶3 三种不同比例的盲管-割缝筛管完井防砂管柱。

图2 盲管-割缝筛管组合完井方式环空表皮系数测算实验装置实物图

实验装置的运行过程如下：在实验前按照地层砂粒度测试结果配制好地层砂，再将实验所需的携砂液与地层砂在储液混砂罐中进行配制，在高分子隔膜泵的抽吸作用下沿着管线进入环空表皮系数测试装置，岩屑颗粒在盲管-割缝筛管环空中运移后进入储液混砂罐继续循环。在运移过程中，各类传感器对运移情况进行监测，数据采集器对各类数据进行采集，计算机进行数据处理，搅拌装置在储液混砂罐中持续进行搅拌。

1.2 实验设计方案

设计方案见表1，在油田实际生产过程中，伴随着砂泥岩互层持续坍塌，地层砂在环空中不断堆积，直至堵塞环空。压差、流量不断随着时间变化，故通过给定泵频的方式来确定流速。统计油田现场平均流速为0.002 4 m/min，通过计算，确定采用3 Hz 的泵频可达到油田实际平均流速。

表1 实验设计方案

2 理论模型

2.1 环空表皮系数的计算方法

地层砂在井眼环空中自然堆积，当流体从地层中进入筛管时，坍塌的地层砂会对流体产生阻力，产生一定附加压降，故用环空表皮系数Ss表示环空堆积砂附加压降[9]；筛管环空表皮系数计算式如式（1）所示：

式中：ΔPs-原油流过储层砂堆积层时的附加压降，10-1MPa；Kh-水平方向地层砂堆积层的渗透率，μm2；Kv-垂直方向地层砂堆积层的渗透率，μm2；L-割缝筛管的长度，m；qo-油井的配产，即为实验中流量，m3/d；Bo-流体体积系数。

3 实验结果

3.1 实验及数据分析

实验后发现，从流量波动阶段到平稳阶段所需时间更长，基本在40 min 以上，波动阶段流体携砂量较多，从透明井筒中看到，流体冲蚀地层砂产生的流体通道较少，全堵塞工况相较于不完全堵塞工况对于流体流量和压力的影响更显著，地层砂与黏土产生的压实层体积更大。

盲筛比为3∶1，黏土含量为10%、12.5%、15%（水为流体介质），10%的黏土含量的压力波动变化较为剧烈，流量发生了不稳定的突变；12.5%的黏土含量的压力和流量波动较为平稳；15%的黏土含量时，流量基本无变化。

盲筛比为2∶2，黏土含量为10%、12.5%、15%（水为流体介质），10%的黏土含量的流量与压力波动变化较平稳，稳定后流量值波动范围为320～340 kg/h，压力值在1.4～1.7 MPa；12.5%的黏土含量的压力和流量发生波动不明显，流量稳定在250 kg/h，压力稳定在1.5 MPa；15%的黏土含量时，流量稳定在360 kg/h，压力稳定在1.1～1.5 MPa。

盲筛比为1∶3，黏土含量为10%、12.5%、15%（水为流体介质）。10%的黏土含量的流量与压力波动变化较大，稳定后流量值波动范围为180～210 kg/h，压力值在1.0～1.5 MPa；12.5%的黏土含量的压力和流量发生波动不明显，流量稳定在150～170 kg/h，压力稳定在3.0～3.2 MPa；15%的黏土含量时，流量稳定在150～170 kg/h，压力稳定在4.5～5.0 MPa。

3.2 环空表皮系数计算结果分析

根据式（1）计算出环空表皮系数，计算过程中采用的地层砂计算参数见表2。

表2 环空表皮系数计算参数表

在完全堵塞的工况下，三种黏土含量的环空表皮系数集中在0.18～1.62。

从图3 可以看出，盲筛比不同时，筛管长度大于总长度1/2，对环空表皮系数影响比较显著，黏土含量为10%、12.5%、15%，盲筛比为1∶3 的环空表皮系数分别是盲筛比为2∶2 的环空表皮系数的1.6 倍、4.9 倍、1.45倍。筛管长度小于总长度1/2 时，盲筛比对环空表皮系数的影响不大，盲筛比为2∶2 和3∶1 时，环空表皮系数几乎不变。

图3 盲筛比影响环空表皮系数

从图4 可以看出，黏土含量不同时，黏土含量大于12.5%，黏土含量对环空表皮系数的影响比较显著，三种盲筛比在15%的黏土含量时的环空表皮系数分别是12.5%的黏土含量环空表皮系数的8.2 倍、6.9 倍和2倍；黏土含量小于12.5%时，黏土含量对环空表皮系数的影响较小，10%的黏土含量的环空表皮系数与12.5%的黏土含量的环空表皮系数相差不大。

图4 黏土含量影响环空表皮系数

4 结论

（1）通过物理的方法模拟现场实际工况，设计了一套测算环空表皮系数的全可视化的室内实验装置，利用这套装置对不同比例盲管-割缝筛管组合完井方式以及不同黏土含量下的环空表皮系数进行测算，得到了不同盲筛比、不同黏土含量对环空表皮系数的影响规律，为水平井砂泥岩段优化盲筛组合完井方式提供了理论依据。

（2）在堵塞工况下，当筛管长度大于总长度的1/2时，盲筛比对环空表皮系数影响显著，增大2～4 倍。当筛管长度小于总长度1/2 时，环空表皮系数受到影响小。当黏土含量小于12.5%时，黏土含量对环空表皮系数的影响不明显，黏土含量大于12.5%时，环空表皮系数会增大2～8 倍。