海上高產氣田防砂擋砂精度設計研究

馬 帥熊友明于 東劉理明熊 軍杜建波

（1.西南石油大學油井完井技術中心，四川成都 610500；2.中海石油湛江分公司，廣東湛江 524000）

海上高產氣田防砂擋砂精度設計研究

馬 帥1，2熊友明1于 東2劉理明1熊 軍1杜建波1

（1.西南石油大學油井完井技術中心，四川成都 610500；2.中海石油湛江分公司，廣東湛江 524000）

高級優質篩管防砂是海上高產氣田常用的防砂工藝，擋砂精度設計的合理性直接影響防砂效果的好壞。由于缺乏該類氣田的防砂標準，擋砂精度設計多按照70年代Saucier提出的D50=（5～6）d50設計原則，考慮因素單一，對于特殊地層不具備針對性。制定了海上高產氣田的防砂有效標準，以流花氣田19-5實際地層巖心為例，進行了均勻系數對擋砂精度設計影響規律實驗，結果顯示均勻系數越大最佳擋砂精度值越小。首次對泥質含量對氣田擋砂精度設計影響規律進行了實驗分析，結果顯示泥質含量越高最佳擋砂精度值越大，但泥質含量較低時該影響可以忽略。實驗結果還表明，當地層砂泥質含量高于14%時不宜采用高級優質篩管防砂。8×8組出砂模擬實驗結果遵循D50=（3～5）d50，相對于傳統的設計原則，實驗佐證了海上高產氣田精細防砂理念的正確性，為氣田防砂擋砂精度設計和防砂方案優選提供了依據。

砂巖氣田；精細防砂；高級優質篩管；擋砂精度；防砂實驗

防砂可靠性和產能是防砂過程中的矛盾問題，一味考慮防砂可靠性勢必會犧牲產能，而一味追求產能可能會導致防砂失效，所以需要找到一個合適的擋砂精度來平衡二者關系。目前國外的擋砂精度設計方法主要有Saucier［1］、Tiffin［2］和Johnson［3］方法，其中Saucier是國內油田防砂設計最常用的一種方法，該法通過礫石充填實驗得出D50=（5～6）d50的設計原則，其中D50為充填礫石粒度中值，d50為地層砂粒度中值。鄧金根［4-7］等針對海上疏松砂巖適度防砂進行了擋砂精度的設計研究，對于適度出砂防砂［8-10］，推薦高級優質篩管擋砂精度設計仍為D50= （5～6）d50或稍放大一級，但該原則是針對常規油藏的。對于海上高產氣田，高速攜砂氣流對井下管柱沖蝕嚴重，如果設計結果過于寬松，難以保證防砂的持久有效，鑒于海上施工高風險高投入的特征，熊友明［11］對番禺30-1氣田提出高級優質篩管精細防砂的擋砂精度設計準則，認為氣田擋砂精度應當比傳統原則保守，對于海上高產氣田推薦D50=（4～4.5）d50的精細防砂設計原則，但該思想是基于番禺30-1氣田提出的，沒有充分考慮地層砂粒度均勻性和泥質含量對擋砂精度的影響。

目前氣田常用的防砂方法為高級優質篩管防砂和礫石充填防砂兩種，二者的防砂理念是一致的。礫石充填依靠充填礫石擋砂，礫石間隙出液，高級優質篩管靠管柱實體部分擋砂，篩網縫隙出液，其核心都是擋砂精度的設計。在前人的研究基礎上［12-17］，筆者對流花19-5區塊進行高級優質篩管防砂模擬實驗，主要分析地層砂均勻系數和泥質含量對高級優質篩管擋砂精度的影響。

1 室內出砂模擬實驗

實驗采用流花氣田19-5現場返回的巖心以及人工配制的各樣品，結合不同擋砂精度的篩網，模擬產層條件（溫度、壓力、井筒周圍滲流速度）下的出砂情況。精細防砂高級優質篩管擋砂實驗步驟如下。

（1）將地層砂搗碎使其處于松散狀態，或人工調配適當粒度的砂粒并將其充填于巖心填砂管中；

（2）圍壓加至地層壓力大小；

（3）按照圖1連接實驗裝置，恒溫箱保持在產層溫度；

（4）將氮氣以井筒周圍滲流速度泵入巖心填砂管，同時測量填充砂兩端的壓力及流量、總出砂量；

（5）根據測定數據反推充填砂滲透率。

圖1 室內出砂模擬實驗裝置

應注意，真實氣井生產過程中往往伴隨產水，可能是氣層本來含水也可能是周邊水入侵。為了模擬這一真實反映，在填砂桶內放置總體積5%的鹽水，實驗采用填砂桶體積565.2 mL，故加入28.26 mL飽和K+的NaCl溶液，分散在砂粒縫隙之中。

2 防砂標準制定

防砂標準的制定需要同時滿足防砂有效性和產能最大化兩個原則。

2.1 防砂有效性

根據原油集輸條件，要求原油的含砂量不宜超過0.03%，即每萬方原油最多含砂3 t，目前流行的稠油適度防砂可以將該標準放寬至0.05%～0.07%，但這些都是基于原油的。氣的流動特征和出砂、攜砂原理以及對井下管柱工具的沖蝕與原油有一定差異，且目前國內外沒有針對氣井生產提出合理的含砂量上限。防砂有效性原則需滿足兩點：（1）確保井下管柱工具在較高產量下能夠長期安全生產，即含砂的氣體對管柱的沖蝕不能過大；（2）出砂量不能超出平臺處理能力。防砂后，氣井出砂能夠同時滿足以上兩點，則視為防砂有效。驗證能否安全生產一年以上只有通過現場實例進行取證，這里采用番禺30-1氣田的生產實例進行說明。

番禺30-1氣田有9口生產井采用高級優質篩管防砂，生產一年多后所有井都能夠正常作業，且沒有發生油管被地層砂沖蝕壞的情況。9口井平均日產氣50.4×104m3，年出砂量均控制在3 t以下，認為該工作制度下，能夠保證井下管柱的長期有效性。為了與油井統一，這里采用氣體單位體積含砂量Sc來表征。

即每萬方天然氣含砂量不超過0.163 kg時，認為氣井能夠安全生產。

2.2 產能最大化

防砂的目的不僅僅是為了防住砂，還要在保證防砂有效性的前提下追求氣井產能的最大化，因此需要在二者之間尋求一個平衡點即防砂標準。這里通過以下兩個實例進行說明。

（1）產能優先原則。隨著篩網縫隙增大，出砂量隨之增大，但篩管—井筒環空填充層的剩余滲透率呈現出先增大后減小然后再增大的趨勢，這與Saucier礫石充填實驗的規律是一致的。在圖2中所示的情況下，在出砂量尚未達到防砂有效上限163 g/104m3時，剩余滲透率即產能先達到第1個極值，當出砂量達到163 g/104m3后，剩余滲透率已經開始減小，此時應當以產能優先原則選擇剩余滲透率達到第1個極值時的擋砂精度。

圖2 產能優先原則

（2）防砂優先原則。圖3與圖2趨勢整體一致，但滲透率達到第1個極值時，出砂量已經超過了防砂有效標準163 g/104m3，故此時應當以防砂有效為優先原則選擇相應擋砂精度。

圖3 防砂優先原則

實驗結果顯示，本文實驗部分全部遵循防砂優先原則，以下分析中只需要對出砂量進行分析。

3 均勻系數對擋砂精度的影響

定義均勻系數UC=d40/d90，該值越小表示均勻性越強。取UC分別為1.83、4.33、6.39、9.68的4種相同粒度中值（d50=203 μm）、相同泥質含量（m=7.2%）的地層巖心進行室內出砂模擬實驗，巖心數據見表1。

表1 實驗樣品參數（不同均勻系數）

實驗圍壓18.3 MPa，溫度130 ℃，泵入氮氣速率0.23 m3/s。實驗結果顯示各臨界擋砂精度即為最佳擋砂精度，出砂量測試結果見圖4。

圖4 均勻系數對擋砂精度影響

由圖4可看出，均勻系數越高最佳擋砂精度值越小，各均勻系數巖心對應的擋砂精度和對應的Saucier設計原則見表2。

表2 均勻系數影響結果

均勻系數低的巖心其粒度集中分布在d50左右，在篩網縫隙較小時出砂量很小，當篩網縫隙增大到一定值后出砂量迅速增加，此后又變化平緩；均勻系數高的巖心粒度分布分散，隨著篩網縫隙的增大，出砂量變化較為穩定。

4 泥質含量對擋砂精度的影響

取不同泥質含量的5種相同粒度中值、相同均勻系數（UC=4.33）的地層巖心進行室內出砂模擬實驗。巖心數據見表3，出砂測試結果見圖5。

表3 實驗樣品參數（不同泥質含量）

圖5 泥質含量對擋砂精度影響

由圖5可看出，泥質含量越高最佳擋砂精度值越大，各泥質含量巖心對應的擋砂精度和對應的Saucier設計原則見表4。

表4 泥質含量影響結果

實驗結果顯示，泥質含量較低時最佳擋砂精度受泥質含量影響很小，但總體上呈現出泥質含量越高最佳擋砂精度越大的趨勢，主要原因是黏土顆粒容易附著在篩網縫隙上，縮小了實際縫寬，表現出最佳擋砂精度變大的現象。當泥質含量逐漸增大到一定程度后，黏土的堵塞效應增強，對最佳擋砂精度的影響也增大。泥質含量超過14%后，堵塞效應明顯增大，當泥質含量達到21.36%時擋砂精度達到216 μm，對應的Saucier設計公式為D50=6.48d50，這是不符合常規氣田防砂規律的。隨著生產的進行，近井帶泥質含量減少，出砂量會不斷增大，最終導致防砂失效，所以對于高泥質含量的地層不推薦采用高級優質篩管防砂。實驗結束后在篩網上可觀察到明顯的泥質附著。

5 結論

（1）對海上高產氣田防砂的高級優質篩管擋砂精度設計進行了研究，針對該類氣田制定了有效防砂標準，即每萬方天然氣含砂量不超過0.163 kg。在該標準下進行的出砂模擬實驗結果大致遵循D50=（3～5）d50，相對于傳統的D50=（5～6）d50，該實驗從另一方面佐證了氣田精細防砂的理念。

（2）地層砂均勻系數對擋砂精度設計影響顯著，當均勻系數較低時，可以適當放寬篩管縫寬；反之，需要針對小顆粒縮小篩管縫寬。

（3）實驗表明泥質含量較低時，對擋砂精度設計影響較小，可以忽略不考慮。泥質含量高于14%則嚴重影響擋砂精度設計結果，故高泥質含量的地層不適合采用高級優質篩管防砂。

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（修改稿收到日期 2013-10-25）

〔編輯 朱 偉〕

Research on precision design of sand control on high yield offshore gas field

MA Shuai1, 2, XIONG Youming1, YU Dong2, LIU Liming1, XIONG Jun1, DU Jianbo1

（1. Oil Completion Center, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. CNOOC Zhanjiang Branch, Zhanjiang 524000, China）

Advanced high quality screen sand control is a commonly used sand control technology for high yield offshore gas field, and the rationality of sand control precision design directly affects sand control effect. Currently, Because the sand standards of this kind gas field is rare, the most popular design method of sand control precision is the Saucier’s D50=（5～6）d50method which was proposed in the 1970s. And this method wasn’t suitable to some special formation due to simple consideration factors. This paper puts out an effective sand control standard which fits the offshore gas field perfect. Taking the actual formation cores in LiuHua 19-5 gas field as example, the experiment of testing the effect of sand uniformity coefficient on sand controlling precision design was conducted, and the results showed that a higher uniformity coefficient may cause a lower accuracy of sand control. For the first time the effect of sand clay content on the precision were studied, and another conclusion comes that the higher the clay content the greater the precision value and this phenomenon can be ignored if the clay content is not that high. We also found that the advanced high quality screen sand control should not be used if the clay content is higher than 14%. 8 × 8 set of sand simulation results follow D50=（3～5）d50, which is different from the traditional method put forward by Saucier, and prove that the method of fine sand control is reasonable for sandstone gas field. All these conclusions can provide basis for sand control precision design in sandstone gas field and sand control scheme optimization.

sandstone gas field; fine sand control; advanced high quality screen; accuracy of sand control; sand control test

馬帥，熊友明，于東，等. 海上高產氣田防砂擋砂精度設計研究［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（6）：48-51.

TE257

A

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0048 – 04

國家科技重大專項“深水鉆完井工程”（編號：2011ZX05026-001-04-01）。

馬帥，1989年生。在讀碩士研究生，從事防砂、完井方面的研究工作。E-mail：mashuai_swpu@163.com。

文章編號：1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0052 – 03