热采水平井完井筛管性能评价试验研究

魏剑飞

中石化胜利油田分公司石油工程技术研究院修井完井研究所 山东 东营 25700

1 研究的目的和意义

完井筛管是热采水平井裸眼防砂完井技术的重要组成工具，它具有过滤面积大、渗透性高、堵漏能力强、强度高、使用寿命长等优点。在防砂完井过程中，筛管与其它完井配套工具连接在一起下入油层部位裸眼中。在油井生产过程中，油流通过筛管的过滤层进入井筒，采出地面，而地层砂被阻挡在筛管与井筒环空内，非常细的地层砂随油流被产出，较大颗粒的地层砂聚积在环空内形成自然充填层，进一步提高了防砂效果。

通过对目前应用的各种筛管的过滤层性能进行分析，采用了绕丝层与金属网层复合的过滤层结构。过滤层内层为绕丝层，外层为金属网层，通过两层过滤结构提高了挡砂效果，增加了过滤层的强度，提高了过滤层的抗冲蚀能力。

但在现场应用的过程中，出现了以下问题：

（1）目前选取筛管过滤粒径是依据理论设计值，粒径选择不合适容易造成油井出砂和筛管堵塞导致产能下降；

（2）目前对筛管挡砂能力和抗冲蚀能力缺乏评价的方法和评价标准，没有形成理论；

（3）缺少对筛管挡砂能力和抗冲蚀能力进行评价的试验装置，无法模拟现场筛管生产情况。

针对以上的问题，进行了热采水平井完井筛管挡砂性能评价研究和抗冲蚀性能评价研究，为筛管设计提供依据，根据不同油藏特性进行筛管的筛选，使方案设计和单井应用更有针对性。

2 热采水平井完井筛管挡砂性能评价方法研究

通过微观模拟、宏观模拟和室内试验，对设计的筛管的实际防砂效果进行了模拟评价。实验的主要思路是通过压力传感器连续采集筛管注入端内外压降的变化，从而反应出筛管受到的堵塞和堵塞物的解除情况；通过测量通过筛管的流体流速，反应筛管对于油气的导流能力，从而评价防砂后对产能的影响；通过测量通过筛管后流体中所含有的砂粒质量，从而评价滤砂管的对于不同级数砂粒的防砂性能；试验中过滤层随时间变化的破坏程度可以模拟现场筛管的抗冲蚀能力。

首先从现场获取地层砂样和流体，根据粒度分析和粘度分析的结果配置试验砂样和流体，试验时，在一定的注入压力下，观察流量、筛管内外压降随时间的变化，根据变化情况来评价筛管的产能、堵塞和解堵性能；通过对筛管产出砂进行粒度分析，结合实际地层砂的粒度分析和生产要求，来确定筛管的挡砂精度，评价筛管的挡砂性能。

（1）试验砂样配制原则

严格按照现场取出的砂样粒径分布进行配制，各级别的砂粒按比例配入。砂样供选择的粒径包括：40μm，60μm，70μm，89μm，100μm，120μm，150μm，170μm，250μm，300μm。

（2）试验流体配制原则

配制流体模拟现场流体物性，主要以流体粘度为主要参考值。

（3）筛管试件

取整根筛管的一段，包括筛管外保护套、过滤层、冲孔板、基管及端环等结构。

（4）筛管试验结果评价

① 米采油指数

借用米采油指数来对筛管的产液能力进行考量，米采油指数越大，筛管的产液能力越高，渗透性越好。

② 筛管出砂粒径分析

利用激光粒度分析通过筛管过滤后的砂样，挡砂能力合格的筛管需要符合两个指标：一方面，在标称挡砂粒径以下级别的砂样都必须含有；另一方面，超过标称挡砂粒径的石英砂占全部砂样质量比需要在10%以下。

3 热采水平井完井筛管挡砂性能评价试验装置研制

本次研究针对筛管特点研制开发了完井筛管性能评价试验装置，该装置将筛管的性能评价手段从理论研究提高到工程评价研究，实现了以微观模拟宏观。这套装置主要可以划分为模拟系统、循环系统、测量系统等三个模块。该装置通过模拟完井筛管防砂性能的试验研究，验证筛管过滤砂粒的效果。

3.1 试验装置介绍

自主设计研制了一套筛管挡砂性能评价试验装置如图1所示。

图1 筛管性能评价试验装置主视图

该装置包含以下几个模块：

（1）模拟系统

该系统能够承受达到20MPa的压力，而且具有一定的耐腐蚀性能。为了进一步贴合现场实际地层，将在模型中充填不同目数的模拟地层砂，在容器里部安装有滤网。

试验时按由内而外地顺序依次将筛管、模拟地层砂、分流滤网安装好，然后把不同目数的模拟地层砂压实。这种大尺度填砂管模型可以模拟不同条件下的出砂情况，从而优化筛选滤砂管基本性能。

（2）循环系统

循环系统由柱塞泵、管线、多级液罐等组成，开始由注入泵将泵内的液体以一定的压力输出，首先来到集散器，经由集散器的作用分散到试验装置，分别从九个不同方向的注入口注入试验筒，采出液经过管线流入沉降池，而后经多级沉降和过滤，最终重新回到泵吸入口，形成一个闭环控制系统。

（3）测量系统

测量系统由多个压力和流量传感器组成，其中压力传感器分布在注入端、筛管外壁、砂体中间等部位，可以通过压力表对数据进行实时的采集。流量采集主要是对在入口处对流体的流速进行测量。

由于最终产出流体中含有一定量的细砂粒，因此需要隔一段时间对砂粒进行收集，然后过滤烘干，用天子天平称重，分析统计一段时间内的出砂量。

3.2 试验装置功能

该装置可以模拟一定压差和流量条件下不同类型滤砂管在地层中的挡砂效果以及对产量的影响，具体来说可以实现以下4个功能。

（1）出砂量测定；

（2）挡砂粒径测定；

（3）堵塞情况分析；

（4）产量影响测定；

4 热采水平井完井筛管挡砂性能评价试验

4.1 试验目的

研究某区块地层砂粒条件下的不同滤砂管性能。

4.2 试验材料

（1）砂样

砂样数据：D50＝0.23mm，D40＝0.26mm，D90＝0.06mm。均匀性系数c＝4.33，为非均匀砂，泥质含量5%。

（2）筛管

选用7in优化设计后的成品筛管，长度设计为30cm，过滤粒径：取120μm、150μm、200μm、220μm。

（3）试验配件

配件材料包括粘度100mpa.s的模拟油以及电子天平、恒温干燥箱等。

4.3 试验步骤

（1）试验筒准备

① 开泵并进行调试，直到压力能够保持稳定；

② 向注入泵灌进液体（水），保证有液体均匀流出注入孔，于此期间校对压力测量系统；

③ 为了对试验装置进行试压工作，我们关闭试验筒的出口，试验压力为8MPa，压力显示没有下降并且整个试验装置没有漏失处为标准。

（2）填放砂样

将筛管与试验筒密封，而后将配好的模拟地层砂导入样机，填匀压实。

（3）挡砂性能试验

① 开泵，泵压2.5MPa；

② 出口用容器收集产出液，并称重；

③ 记录压力表读数，每隔1min采集一个点；

④ 待流量压力稳定后，提高泵压到3.5MPa继续试验；

⑤ 对采出液中砂粒进行过滤洗涤称重；

⑥ 使用激光粒度仪进行砂粒粒径分布测试。

4.4 试验数据

（1）7in筛管，过滤粒径120μm挡砂性能试验结果

① 流量压力数据

100min内流量随时间逐渐下降，同时压力逐渐上升，100min以后流量压力同时突变，表明筛管孔眼堵塞，而后流量接近于0，最终驱动压力为3.2MPa，流量约0.1 kg/min。

② 出砂情况分析

前100min出砂较多，而后随着流量下降，出砂量也急剧减少，注入压力升高后，陆续又有少量砂产出。试验共累计出砂9.05g。用激光粒度分析仪测得的砂样粒径分析结果可以看出产出砂以细粉砂为主，粒径最大0.177mm，最小为0.004mm，粒径大于0.125的砂子占6.32%，满足防砂要求。

（2）7in筛管，过滤粒径150μm 挡砂性能试验结果

① 流量压力数据

前110min压力随流量的下降而上升，110min后趋于稳定，压力增大到3.2MPa左右，流量稳定在0.12 kg/min。

② 出砂情况分析

前100min出砂较多，而后随着流量下降，出砂量也急剧减少，注入压力升高后，陆续又有少量砂产出。试验共累计出砂12.123g。用激光粒度分析仪测得的砂样粒径分析结果可以看出产出砂以细粉砂为主，粒径最大0.210mm，最小为0.004mm，粒径大于0.149的砂子占7.53%，满足防砂要求。

（3）7in筛管，过滤粒径200μm 挡砂性能试验结果

① 流量压力数据

前65min压力随流量的下降而上升，65min后趋于稳定，压力增大到3.1MPa左右，流量稳定在0.3 kg/min。

② 出砂情况分析

前65min出砂较多，而后随着流量下降，出砂量也急剧减少，注入压力升高后，陆续又有少量砂产出。试验共累计出砂30.35g。用激光粒度分析仪测得的砂样粒径分析结果可以看出产出砂以细粉砂为主，粒径最大0.297mm，最小为0.004mm，粒径大于0.21的砂子占8.75%，满足防住地层砂的要求。

（4）7in筛管，过滤粒径220μm 挡砂性能试验结果

① 流量压力数据

前55min压力随流量的下降而上升，55min后趋于稳定，压力增大到3.07MPa左右，流量稳定在0.41kg/min。

② 出砂情况分析

前55min出砂较多，而后随着流量下降，出砂量也急剧减少，注入压力升高后，陆续又有少量砂产出。试验共累计出砂45.68g。用激光粒度分析仪测得的砂样粒径分析结果可以看出产出砂以细粉砂为主，粒径最大0.354mm，最小为0.004mm，粒径大于0.220的砂子占14.38%，满足防砂要求。

4.5 试验数据综合分析

① 流量随时间的变化

试验过程中，4种精度的筛管的曲线变化规律大体一致，但是曲线斜率有所区别，表现为挡砂精度越高，流量变化速率越大。实验过程中，120μm筛管发生了堵塞，其他筛管可以在较长时间内保持流速恒定。

② 压力随时间的变化

试验过程中，4种精度的筛管的曲线变化规律大体一致，但是曲线斜率有所区别，表现为挡砂精度越高，压力变化速率越大。实验过程中，将注入压力提高到3.5MPa后，200μm筛管有10min压力调整期，而其他组并无此现象。

③ 米采油指数随时间的变化

四种过滤粒径的筛管米采油指数随时间的变化规律大体一致，但是曲线斜率有所区别，表现为挡砂精度越高，米采油指数变化速率越大。滤砂管精度从120μm 提高到后220μm，米采油指数增加了3.27倍，表明挡砂精度越高，对产能影响越大。

5 热采水平井完井筛管抗冲蚀过滤层性能评价试验

利用试验装置进行了抗冲蚀过滤层性能试验，利用一定含砂浓度的高速流体，冲击过滤层试件表面，根据过滤层随时间变化的破坏程度来模拟在生产情况下过滤层的抗冲蚀能力。

根据试验结果，在采液强度0.4 ～0.7 m3/（d.m），生产压差小于10MPa的情况下，抗冲蚀过滤层均未发生破坏，能满足现场生产要求。实现了采液强度小于0.8m3/（d.m）、生产压差10MPa以内不被破坏的目标。

6 结论

（1）形成了一套完井筛管挡砂性能评价方法，通过流体介质携带砂，模拟地层出砂，观察砂通过筛管对压力和流量的影响规律来评价筛管的性能，对产出砂进行粒度分析，结合实际地层砂的粒度分析和生产要求，来评价筛管的挡砂效果。

（2）研制了一套完井筛管性能评价装置，包括模拟系统、循环系统和测量系统三大部分，可进行51/2in和7in两种规格不同过滤粒径的筛管挡砂性能评价。

（3）针对区块砂样，进行了7in筛管挡砂能力评价试验。试验过程中的流量和压力变化趋势大致相同，试验中120μm筛管堵塞，150μm、200μm和220μm筛管流量趋于稳定，提高压力后，四种筛管流量略有提高，稳定后的米采油指数随着过滤粒径的增大而增大；

（4）利用完井筛管性能评价装置对抗冲蚀过滤层进行性能评价试验，筛管的抗冲蚀强度能够满足采液强度小于0.8m3/（d.m）、生产压差10MPa以内的现场生产要求。