疏松砂巖油藏水平井防砂篩管優選和防砂精度優化

張俊斌 張慶華 張譯 魏裕森 樓一珊 高斐

1.中海油深圳分公司鉆完井部；2.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室

位于南海東部珠江口盆地珠I坳陷惠州凹陷南的疏松砂巖油藏埋藏淺、產量高，生產過程中極易出砂，出砂臨界生產壓差僅為1.38～5.52 MPa，普遍采用水平井裸眼優質篩管先期防砂完井的方式。雖然油井初期產能高，但隨著含水上升，產油量迅速降低，大量的井出現了不同類型的防砂失效問題。因此，選擇合適類型的防砂篩管顯得尤為重要［1］。目前優質篩管種類繁多［2］，但是應用比較廣泛的是金屬網布類篩管。篩管結構、防砂介質性能、地層砂特征直接影響著防砂的有效性、油井產能以及壽命［3-5］。針對珠江口盆地疏松砂巖油藏的儲層特征，采用實尺寸篩管防砂物理模擬實驗裝置，對改進型星孔復合篩管、3種金屬網布類復合篩管進行防砂性能、抗堵塞性能及綜合性能評價實驗，優選出適合珠江口盆地疏松砂巖油藏水平井的防砂篩管，以保障油田實現長效防砂和穩產。

1 儲層基本特征

1.1 儲層物性特征

南海東部珠江口盆地疏松砂巖油藏儲層埋藏淺，壓實程度不高，膠結強度低。主要含油層分布在上第三系中新統。儲層上部油層為細粒石英砂巖，下部油層為中粒偏粗的長石石英砂巖，分選差～中等。儲層中膠結物以泥質為主，各儲層泥質含量差異較大，泥質含量分布范圍為0.3%～22.0%。油層孔隙度為16.7%～28.1%，滲透率為 129.7～3 744.0 mD，屬于中高孔、中高滲儲層。

1.2 黏土礦物組分及含量

南海東部珠江口盆地疏松砂巖油藏油組黏土礦物含量為4.0%～20%，平均值為12%。從黏土礦物組分來看，以高嶺石為主，次為伊利石-蒙脫石，含少量綠泥石。其中高嶺石含量在50%以上，伊利石-蒙脫石含量為30%，綠泥石含量為10%左右。儲層見水后巖石強度降低且極易出砂。

1.3 儲層砂巖粒度分布特征

儲層粒度分布特征是進行防砂方式選擇設計的主要依據［6-7］，南海東部珠江口盆地疏松砂巖油藏A油組粒度分布情況見表1，粒度中值主要介于70～570 μm之間，主要集中在100～500 μm之間，平均值為250 μm，屬于細～中粒砂巖儲層，且細粉砂含量較少，基本在5%以內。粒度均勻系數不大于5，分選系數基本上都在10以內，地層較均勻［8］。

表1 珠江口盆地疏松砂巖油藏A油組地層砂粒度分布數據Table 1 Particle size distribution of sand in Oil Formation A of unconsolidated sandstone oil reservoirs in the Pearl River Mouth Basin

2 防砂實驗原理及評價參數

2.1 實驗裝置與實驗原理

該實驗采用實尺寸篩管防砂物理模擬實驗裝置，主要部件由固液兩相循環管線、數據測量及采集系統（流量計、壓力傳感器、伺服系統和電腦數據采集系統）、模擬井下篩管防砂系統（近井地帶、環空、防砂篩管）以及其他輔助系統組成，如圖1所示。

圖1 實尺寸篩管防砂物理模擬實驗裝置Fig.1 Full-scale physical simulation experiment device of sand control screen

依據地層砂粒度分布范圍和泥質組分及含量采用工業砂和黏土礦物配制地層砂，實驗砂粒度中值約為250 μm，非均勻系數3.17，泥質含量12%，高嶺石和蒙脫石各占50%。

4種篩管短節樣品長度40 cm，一端開口一端封閉，有效過濾長度為20 cm。實驗篩管短節類型為：改進型星孔復合篩管（SG1）、金屬網布復合篩管Ⅰ型（SG2）、金屬網布復合篩管Ⅱ型（SG3）、金屬網布復合篩管Ⅲ型（SG4），防砂精度為150、200、250、300 μm，見圖2。這4種篩管結構不同，改進型星孔復合篩管其防砂介質為鑲嵌在基管上的金屬纖維元件，金屬網布優質篩管Ⅰ防砂介質為斜紋網+3層密紋網+斜紋網的復合結構，金屬網布優質篩管Ⅱ防砂介質為斜紋網+雙層密紋網+斜紋網的復合結構，金屬網布優質篩管Ⅲ防砂介質為雙層密紋網的復合結構。篩管防砂介質類型及層數不同決定著其防砂效果的差異性。

實驗前將防砂篩管短節放置于裝置釜體中央并進行端面的密封，然后用高壓隔膜泵將按照儲層粒度分布特征和組分配制好的實驗砂與具有一定黏度的攜砂液的混合物泵入防砂釜體裝置中，經防砂篩管，大顆粒的砂粒被擋在篩管外形成環空堆積層，小顆粒砂穿過篩管防砂介質流出防砂系統，并在出口進行出砂監測。

實驗過程中對防砂系統流量、壓降進行測量和數據采集，并對產出砂進行收集稱重、粒度分析和含砂濃度計算。按照達西定律和平面徑向流的特征計算整個實驗過程中篩管允許流體經過的能力以及抗堵塞性。

圖2 4種實尺寸篩管實驗短節Fig.2 4 full-scale experimental screen subs

式中，k為篩管滲透率，D；Q為泵排量，m3/h；μ為攜砂液流體黏度，Pa·s；h為篩管短節有效過濾長度，m；pe為防砂系統入口端壓力，MPa；pw為防砂系統出口端壓力，MPa；Re為防砂系統主體內筒半徑，m；Rw為篩管內半徑，m。

為了評價不同篩管對儲層的適應性，進行了實際工況模擬，實時測量并采集流量、壓降數據。由于該疏松砂巖油藏含水上升快，長時間處于高含水（90%以上）生產階段，因此本次實驗采用加入增黏劑的水進行攜砂實驗。實驗溫度為25 ℃，最大驅替壓差為10 MPa，防砂系統出口壓力為大氣壓，入口壓力及系統壓降主要由泵的排量、篩管的堵塞情況以及流動阻力來確定。

2.2 篩管性能評價指標

優質篩管結構和防砂介質決定著篩管的防砂性能和過流能力［9］。本研究采用篩管的防砂性能指標和抗堵塞性能指標來評價篩管的綜合性能。

2.2.1 防砂性能指標 防砂性能指標［10］反映篩管的防砂效果，實驗過程中通過篩管的出砂量來表示。根據1/2～2/3架橋原理［11］，能夠通過篩管的顆粒粒徑為篩管標稱精度的2/3。為了便于不同類型篩管的橫向比較，篩管防砂性能指標為

式中，ms為通過篩管的總砂量，g；mt為總加砂量，g；w為過砂率，粒徑小于篩管標稱精度2/3的砂量所占總砂量的比例，%；Is為篩管防砂性能指標，無量綱。

2.2.2 抗堵塞性能指標 抗堵塞性能指標［12］反映篩管的過流能力，用篩管的綜合滲透率ks來表示。即篩管堵塞前的滲透率k1、堵塞過程中的平均滲透率k2以及堵塞穩定后的平均滲透率k3的加權平均值。X為加權系數，取值按照實驗過程中堵塞的不同階段所占的時間比例

為了便于不同類型篩管的比較，對綜合滲透率ks進行歸一化處理

式中，Ik為篩管抗堵塞性能指標，無量綱；ks為篩管綜合滲透率，D；ksmax為4種篩管中綜合滲透率最大值，D。

2.2.3 綜合性能評價指標 綜合性能評價指標［13］反映篩管綜合防砂能力和過流能力。采用防砂性能指標Is和抗堵塞性能指標Ik進行加權平均得到。由于篩管Is和Ik是油井進行長效防砂的兩個重要指標，故加權系數Y1和Y2都取0.5

式中，I為綜合性能指標，無量綱；Y1、Y2為加權系數。

3 篩管防砂性能評價及防砂精度優化

3.1 防砂篩管優選

根據南海東部珠江口盆地疏松砂巖油藏水平井平均產液量、篩管有效過流長度以及篩管短節長度，計算得到泵的排量為0.30～0.35 m3/h。按照上述實驗方法使用隔膜泵攜帶實驗砂模擬篩管的防砂過程和堵塞過程，4種篩管類型、4種防砂精度，共進行了16次實驗。

防砂精度為150 μm的4種篩管的流量和壓差見圖3，實驗初期（5 min內）4種篩管的流量基本相同，都為設定流量范圍，篩管壓降也較低（0.02 MPa），隨著加砂量逐漸增加，SG2、SG3、SG4篩管流量略微降低后趨于穩定，SG1篩管流量卻大幅度降低，同時4種篩管的壓降都逐步上升，說明4種篩管出現了不同程度的堵塞，最后達到穩定狀態。從實驗后篩管外觀形貌可以看出，篩管的過流罩縫隙中都充滿了砂，大部分砂被阻擋在篩網外。

圖3 防砂精度150 μm的4種篩管驅替流量和壓降隨驅替時間的變化Fig.3 Change of displacement rate and pressure drop over the time of 4 screens with sand control precision of 150 μm

篩管滲透率是篩管結構特征、防砂介質孔隙形狀、尺寸以及孔網有效過流面積的綜合反映，因此為了更直觀地了解篩管的堵塞情況以及定量評價篩管的流通性，根據動態實驗數據分別計算了SG1、SG2、SG3、SG4等4種篩管滲透率隨時間的變化，如圖4所示。由于SG1改進型星孔復合篩管屬于在基管上鑲嵌一定數量致密金屬纖維絲過濾元件的整體式篩管，其過流面積僅為篩管表面積的9%。而SG2、SG3、SG4金屬網布型優質篩管是在基管上包裹金屬網布來進行防砂，其過流面積為篩管表面積的20%，且過濾篩網層數、目數以及編織方式的不同造成其防砂性能也不同，因此，4種篩管結構的差異使其初期滲透率以及對細粉砂和黏土礦物的敏感性也不同。隨著加砂實驗的進行，由于防砂介質的類型及精度不同，一方面進入防砂介質內部的部分細顆粒滯留并堵塞篩管；另一方面被阻擋在防砂介質外部的大顆粒會形成孔喉尺寸更小的多孔介質防砂層，會造成后泵入的與其孔喉尺寸相匹配的砂粒堵塞，加之黏土的水化膨脹影響，造成整個防砂系統滲透率和驅替壓差呈現不同程度地下降和上升，平衡后趨于穩定。從防砂介質結構和性質來看，SG1改進型星孔復合篩管采用的防砂介質由鑲嵌式的方孔網緊密夾持的金屬纖維絲組成，其致密程度較高，因此其防砂范圍大、效果較好，容易被細粉砂和泥質堵塞；SG2、SG3、SG4金屬網布類篩管都為多層網布包裹式篩管，采用密紋網和方孔網組合，由于篩網層數及組合不同，對細粉砂及黏土的敏感性不同［14］，最終堵塞程度也不同。從實驗結果可以看出，SG1篩管由于金屬纖維絲防砂介質較致密，最早發生堵塞，滲透率下降程度大；采用密紋網［15］作為防砂介質的SG4復合篩管堵塞較快，滲透率下降程度較大；SG2、SG3篩管防砂介質采用斜紋網和密紋網組合，不易被堵塞，而SG3篩管比SG2篩管少一層密紋網，堵塞也最晚，并且穩定后保持了較高的滲透率，適應性較強。

圖4 防砂精度150 μm的4種篩管滲透率隨驅替時間的變化Fig.4 Change of permeability over the time of 4 screens with sand control precision of 150 μm

實驗過程中通過篩管的砂越少、砂粒徑越小則表示篩管的防砂效果越好［16-19］。將精度150 μm的4種篩管的過砂率和產出砂最大粒徑進行對比分析，見圖5。在相同的標稱精度下，SG1、SG2、SG3、SG4等4種篩管的過砂率分別為0.11%、0.25%、0.28%、0.46%。改進型星孔復合篩管、金屬網布復合篩管Ⅰ和金屬網布復合篩管Ⅱ過砂率都相對較小，防砂性能較好。從產出砂最大粒徑來看，4種篩管實際產出砂最大粒徑都小于其標稱的防砂精度，符合防砂要求。但是防砂完井的目的不僅僅是防砂效果，更重要的是油井的產能，因此需要進行綜合比較優選防砂篩管類型。

圖5 4種篩管過砂率和最大過砂粒徑對比Fig.5 Comparison of the four sand screens and the maximum sand particle size

為了比較4種篩管的防砂性能指標、抗堵塞性能指標以及綜合性能指標，進行了單向性能指標和綜合性能指標的計算（4種實驗結果的平均值），從圖6可以看出：不管是從單向性能指標還是綜合性能指標以及均衡性分析，金屬網布復合篩管Ⅱ都表現出良好的防砂性能和抗堵塞性能，其次金屬網布復合篩管Ⅰ的防砂性能和抗堵塞性能相對均衡比較高。故推薦金屬網布復合篩管Ⅱ和金屬網布復合篩管Ⅰ作為南海東部珠江口盆地疏松砂巖油藏水平井機械防砂篩管類型。

圖6 4種篩管單項及綜合指標對比Fig.6 Comparison of single and overall indexes between 4 screens

3.2 防砂精度優化

根據4種篩管防砂性能評價實驗推薦結果，針對南海東部珠江口盆地疏松砂巖儲層的粒度特征及組分，進行4種防砂精度下的金屬網布復合篩管Ⅰ和金屬網布復合篩管Ⅱ防砂模擬實驗，評價兩種篩管的防砂效果和綜合性能，見圖7。

實驗結果表明，200～250 μm篩管精度防砂綜合指標最高，綜合考慮篩管防砂性能和抗堵塞性［20-21］對防砂效果的影響，推薦在該油田采用防砂精度為200～250 μm金屬網布復合篩管Ⅱ和金屬網布復合篩管Ⅰ。

圖7 推薦篩管不同精度下的過砂率和防砂性能評價指標Fig.7 Sand passing experiment result and sand-control performance evaluation index of two recommended screens with different precisions

4 結論

（1）防砂篩管結構及防砂介質是影響篩管防砂效果和油井產能的主要因素，采用篩管防砂物理模擬實驗裝置模擬油井出砂過程的平面徑向流，提出用防砂性能、抗堵塞性能及綜合性能指標評價篩管防砂效果和過流能力，具有較好的實用性。

（2）針對南海東部珠江口盆地疏松細～中粒砂巖油藏長期處于高含水生產階段，并且黏土礦物含量（4%～20%，平均值為12%）差異性較大的特點，篩選出金屬網布復合篩管Ⅱ和金屬網布復合篩管Ⅰ，研究認為，2種篩管具有較強的適應性，防砂性能、抗堵塞性能和綜合性能指標均較高，推薦在該油田使用該防砂篩管。

（3）對于南海東部珠江口盆地疏松砂巖油藏地層砂粒度中值為250 μm、非均勻性系數為3.17、泥質含量12%的地層，推薦金屬網布復合篩管Ⅱ和金屬網布復合篩管Ⅰ的防砂精度為200～250 μm。