深水高产气井防砂方式及精度优选实验评价

刘玉飞，邓 晗，孟召兰，姚智翔

（海洋石油高效开发国家重点实验室，中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

针对气井的防砂效果评价，目前尚无统一的标准，气田常用的防砂方法为高级优质筛管防砂和砾石充填防砂两种，二者的防砂理念是一致的[7]。砾石充填依靠充填砾石挡砂，高级优质筛管靠管柱实体部分挡砂，其核心都是挡砂精度的设计。

L深水气田储层为高孔高渗气藏，细粉砂岩地层，储层物性纵向范围变化较大，部分层位非均质性较强，粒度、泥质含量变化较大，因此，利用多种常规方法选择防砂方式和挡砂精度往往出现不一致的设计结果，需要借助实验手段进一步验证和优化防砂参数。

国内关于气井防砂实验研究的学者不多，王利华教授等[8]基于荔湾3-1气田，进行了不同类型防砂筛管、不同防砂精度以及充填厚度的对比实验，提出了适合深水气田提高产能采用“金属网优质筛管+裸眼砾石充填+适度扩眼增大砾石层厚度”的防砂措施；董长银教授等[9]为优选水平井二次防砂筛管类型和挡砂精度，对5种类型的筛管进行综合性能评价试验；邓金根教授[10]针对深水气田防砂方案进行了实验优选。针对高产气井的防砂方案优化的文献较少，由于L气田单井最高产气量在200×104m3/d以上，为模拟高产气井的实际产气量，本次实验考虑了实验的驱替时长和实验驱替流量的影响。

1 实验评价内容

选取L深水气田HL组细粉砂岩为实验对象，以HL油组地层砂为例，模拟地层砂在相同产气量驱替条件下，评价不同精度防砂介质的出砂质量和出砂粒径。实验评价内容计划如下：

（1）不同防砂方式出砂对比实验

（2）砾石充填防砂精度对比实验

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（3）不同驱替时长对比对比实验

（4）砾石充填厚度对比实验

（5）不同结构形式砾石充填对比实验

2 实验评价方案设计

2.1 气井产气量模拟

根据日产气量及各单井射孔炮眼过流总面积，计算得到对应实验条件的气体流速。根据各单井的配产数据以及射孔资料，得到室内实验模拟的产气量（表1）。室内实验的产气量达到50 m3/h左右，可以满足各单井的配产要求。

表1 实验室模拟单井产气量计算Table 1 Gas production calculation of laboratory simulated single well

2.2 气驱实验方案

气井防砂效果对比室内评价实验流程见图1。为保持实验数据的可对比性，所有实验气量在40～70 m3/h，实验气源压力为5 MPa，驱替时长2～3 h。

图1 气井防砂效果评价实验流程图Fig. 1 Flow chart of sand control effect evaluation experiment of gas well

3 实验评价成果

3.1 不同防砂方式出砂对比实验

通过渗透率变化可以发现，随着驱替时间的增长，120 μm筛网砾石充填和120 μm筛网简易防砂实验中筛网渗透率呈现明显的下降趋势，说明在高速气体的携带下，地层疏松砂粒不断侵入筛网，堵塞筛板。

选用筛网简易防砂模拟实验时，挡砂层渗透率为筛网砾石充填条件下的1/4左右，说明筛网砾石充填从过流能力方面来说，优于筛网简易防砂方式。在3 h实验时长内，筛网砾石充填和筛网简易防砂渗透率下降幅度分别为17%和0.7%。其原因分析为：前者驱替速度为60 m3/h比后者50 m3/h具有更高的流速，因此可携带更多的固相颗粒至防砂层，砾石层和筛网发生堵塞的风险更高。

在更高的驱替速度下，筛网砾石充填防砂出砂量远小于筛网简易防砂（表2），前者出砂量仅为后者的26%左右，说明砾石充填将固相颗粒阻挡在了地层段，具有更好的控砂效果。综合防砂层过流能力和出砂质量，砾石充填防砂比筛管独立防砂更有优势。

表2 相同实验条件下不同防砂方式出砂量对比Table 2 Comparison of sand production under different sand control methods under the same experimental conditions

3.2 砾石充填防砂精度对比实验

对比实验中，分别进行60 μm筛网70/100目砾石充填、100 μm筛网40/60目砾石充填和120 μm筛网20/40目砾石充填实验。通过渗透率变化可以发现，随着驱替时间的增长，筛网渗透率基本保持稳定。

60 μm筛网70/100目砾石充填实验，3 h内渗透率仅下降1.1%，但过流压降由0.124 MPa逐渐上升至0.13 MPa，过流阻力增高4.8%。

100 μm筛网40/60目砾石充填实验，3 h内渗透率仅下降1.6%，但过流压降由0.083 MPa逐渐上升至0.089 MPa，过流阻力增高7.22%。

120 μm筛网20/40目砾石充填实验，3 h内渗透率仅下降17%，过流压降由0.025 MPa逐渐上升至0.045 MPa。

为了验证进一步放大筛网孔径的情况下，20/40目砾石充填防砂层的渗透率是否会有进一步的提升，在120 μm筛网20/40目砾石充填实验的基础上设计了150 μm筛网20/40目陶粒充填和200 μm筛网20/40目陶粒充填的对比性实验。并分别进行流量60 m3/h、时长3 h的恒压气体驱替实验（表3）。

表3 不同精度筛板匹配20/40目陶粒出砂量对比Table 3 Comparison of sand production of 20 / 40 mesh ceramsite matched with different precision sieve plates

经过对比可见，120 μm较150 μm精度筛板进行砾石充填，其渗透能力在5倍以上，二者出砂量几乎持平，说明120 μm更适合与20/40目陶粒进行充填防砂。若筛板精度持续放大到200 μm，此时筛板层过流能力略低于120 μm，但出砂量远高于120 μm充填，控砂效果较差。

同等实验条件下，120 μm筛网20/40目砾石充填其筛网渗透率持续保持在较高水平，是其他充填方式的2倍，筛网过流压降在0.05 MPa以下，且出砂量较低。120 μm筛网充填20/40目陶粒相比150 μm和200 μm精度筛网具有更高的渗透率，且过流压降小，出砂量明显低于200 μm筛网，控砂效果好。

3.3 不同驱替时长对比实验

为了对比120 μm筛网20/40目砾石充填长时间驱替渗透率的保持情况，开展了2倍标准时长共计6 h的室内驱替。驱替流速高达60 m3/h，得到筛网的渗透率及出砂量变化趋势（图2），渗透率损失幅度约为14%，分时段检测出砂量呈明显下降趋势。

图2 驱替6 h渗透率及出砂量变化图Fig. 2 Variation diagram of permeability and sand production after 6 hours of displacement

将长时间驱替下120 μm筛网20/40目砾石充填与不同充填精度下的渗透率进行对比，发现120 μm筛网20/40目长时间驱替后虽然渗透率有所下降，但相比于其他3种充填精度仍然保持在较高水平。分阶段测量出砂量，第一阶段60 min出砂0.021 g，占比总出砂量的47%，第二至第四阶段出砂量明显减弱（表4）。说明气井在开井后的初期阶段是出砂的高峰。

表4 不同阶段出砂量对比Table 4 Comparison of sand production in different stages

120 μm+20/40目陶粒充填进行了6 h长时间驱替，其筛板渗透率损失率约为14%，出砂量呈明显的下降趋势。

3.4 砾石充填厚度对比实验

为了进一步论证砾石充填的厚度对筛网渗透率的影响，进行120 μm筛网在1"、1.5"、2"和3"四种不同充填厚度下挡砂效果对比实验（表5）。

表5 不同砾石充填厚度下出砂量对比Table 5 Comparison of sand production under different gravel packing thickness

经过实验可知，砾石层充填厚度对筛网渗透率有较大影响，充填厚度由1″增大至2″后，筛板渗透率平均值由550×10-3μm2上升至766×10-3μm2，提高了40%；从2″增大到3″后，筛板渗透率平均值由766×10-3μm2上升至1 540×10-3μm2，进一步提高了101%左右，提升幅度明显，说明更厚的砾石层能够更好阻挡砂粒堵塞筛管。筛网过流压降以及出砂量几乎相同，说明1.5″厚度以上的砾石层能够有效地将地层砂阻挡在砂粒接触面。

3.5 不同结构筛管砾石充填对比实验

将编织网型筛网和泡沫金属筛网充填20/40目陶粒后，分别进行流量50 m3/h、时长3 h的恒压气体驱替实验（表6）。

表6 不同防砂介质充填20/40目陶粒出砂量对比Table 6 Comparison of sand production of 20 / 40 mesh ceramsite filled with different sand control media

经过实验可知，120 μm泡沫金属筛网与120 μm和200 μm编织网筛型筛网渗透率较为接近，但泡沫金属筛网具有更好的渗透稳定性。从过流压降上来说，泡沫金属筛网与编织网型筛网过流阻力在0.02～0.075 MPa范围，均属于较弱的过流阻力，整体上编织网过流能力略有优势；从出砂量上，泡沫金属筛网与编织网型筛网结构相当。综合过流能力和控砂能力，编制网结构筛网略优于泡沫金属筛网。

4 结论

根据L高产气田出砂模拟实验，得到以下结论：

（1）针对此类日产气量在 (100～200)×104m3的高产气井，从过流能力和控砂效果方面来说，砾石充填防砂比筛管独立防砂更有优势。

（2）通过不同充填精度的对比实验以及3倍标准时长驱替，得出L气田采用120 μm筛网充填20/40目砾石为最优防砂方案。

（3）综合筛管过流能力和抗冲蚀能力实验结果表明：充填层厚度至少达到1.5 in以上才能有效地将地层砂阻挡在充填砂与地层砂的接触面。

（4）从L高产气田完井后的试生产情况来看，通过本次实验评价优选的防砂方案防砂效果良好，本实验评价方案具有一定的推广应用价值。