地熱井濾水管篩網(wǎng)擋砂效果研究

任小慶 高小榮

中石化綠源地熱能開發(fā)有限公司, 陜西 咸陽 712000

0 前言

我國地熱資源量相對豐富[1],2017年1月,國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局、國土資源部聯(lián)合下發(fā)《地熱能開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》,為地熱能的開發(fā)利用指明了方向。在砂巖熱儲層的開發(fā)過程中,熱儲層伴有不同程度的出砂現(xiàn)象,出砂量太大易造成生產(chǎn)管柱被埋、潛水泵葉輪砂卡等一系列生產(chǎn)、運行問題,但是如果過度強調(diào)防砂,濾網(wǎng)精度過高則又會影響地層出水量。

目前圍繞篩網(wǎng)擋砂效果的評價研究主要集中在石油行業(yè),許多專家學者從油氣井機械防砂理論出發(fā)，對擋砂介質(zhì)堵塞機制及堵塞規(guī)律、防砂擋砂材質(zhì)、擋砂介質(zhì)變形及擋砂精度變化規(guī)律、評價方法與標準等方面進行了一系列研究[2-18],但油氣開發(fā)與地熱能開發(fā)相比,兩者儲層性質(zhì)、流體性質(zhì)、生產(chǎn)狀況差異明顯,出砂、防砂、擋砂的規(guī)律、方法和評價標準也不一樣。以往對地下水濾水管所用篩網(wǎng)僅對不同含水層不均勻系數(shù)條件下的非填礫過濾器包網(wǎng)網(wǎng)眼尺寸做了技術要求[19],對于深層地熱開發(fā)僅對出水含砂量做了相關要求[20],對地熱井篩管濾網(wǎng)擋砂效果影響因素未見有相關技術規(guī)范及研究成果。如何評價地熱井篩管濾網(wǎng)擋砂效果,成為制定砂巖熱儲層地熱井機械擋砂參數(shù)的一個重要技術問題。鑒于此,在模擬地層條件下,針對濾水管篩網(wǎng)不同孔徑大小、層數(shù)、排列方式,分別在單層篩網(wǎng)、同精度篩網(wǎng)、不同精度篩網(wǎng)條件下進行實驗,對隨液體流出的砂樣進行激光粒度分析,對擋砂精度和影響效果進行系統(tǒng)研究,給出地熱開發(fā)條件下各主要因素對擋砂效果的影響結果。

1 實驗系統(tǒng)與方法

1.1 實驗材料

實驗模擬地層砂采用標準目數(shù)石英砂,根據(jù)實際熱儲層粒度分布特性及粒度特征值,經(jīng)過調(diào)整比例,配置后的石英砂與熱儲層粒度特征值相一致。實驗用流體采用原井地熱水。

1.2 實驗裝置

主要儀器和材料有:全自動巖心流動試驗儀,音波振動式篩分粒度儀,馬爾文激光粒度儀,壓力傳感器，流量計，數(shù)據(jù)采集器，石英砂，不同精度的濾水管篩網(wǎng)，高壓循環(huán)泵，固液分離裝置及其他附屬工具。實驗開始前,在巖心流動儀內(nèi)裝入濾水管篩網(wǎng),在濾水管篩網(wǎng)外填入配置好的石英砂。實驗開始后,將地熱原水通過高壓循環(huán)泵注入巖心流動儀中,模擬地熱水攜帶地層砂進入篩管的過程,流入巖心流動試驗儀后,將地熱水及所含固體顆粒進行固液分離,將分離后的砂粒進行烘干、稱重,并做粒度分析。分離后的地熱水通過循環(huán)泵繼續(xù)循環(huán)。巖心流動儀中設置有5個壓力傳感器,入口處1個,出口處1個,中間依次3個。整個實驗過程記錄篩管進出口及中點壓力、出砂量及統(tǒng)計分析后的出砂粒徑等數(shù)據(jù)。

2 實驗結果與分析

從單層篩網(wǎng)、同精度篩網(wǎng)層數(shù)、同精度篩網(wǎng)排列方式和不同精度篩網(wǎng)放置順序等方面對擋砂效果進行研究。

2.1 單層篩網(wǎng)

實驗所用填砂管總長度60 cm(第1段10 cm、第2段20 cm、第3段20 cm、第4段10 cm),填砂管直徑3.8 cm,濾水管篩網(wǎng)選用0.05 mm(120目×1 100目)、0.10 mm(80目×400目)、0.15 mm(50目×270目)、0.20 mm(40目×200目)、0.25 mm(30目×150目)5種不同規(guī)格的篩網(wǎng),實驗進行時,模擬流量為50 mL/min(相當于日產(chǎn)液量60 m3/d)。

圖1 單層篩網(wǎng)精度與填砂管各點壓力的關系

圖2 單層篩網(wǎng)精度與填砂管各段滲透率的關系

圖3 不同精度單層篩網(wǎng)實驗滲透率和采出液中含砂量

圖4 不同精度單層篩網(wǎng)實驗流出激光粒度分析結果

2.2 同精度篩網(wǎng)層數(shù)

圖5 同精度篩網(wǎng)層數(shù)對滲透率和含砂量的影響關系

選用0.10 mm(80目×400目)、0.15 mm(50目×270目)、0.20 mm(40目×200目)三種不同規(guī)格的篩網(wǎng),以50 mL/min排量(相當于100 m裸眼濾水管、日產(chǎn)液量60 m3/d)進行多層(2層、3層、4層)篩網(wǎng)出砂驅(qū)替實驗,收集隨液體流出的砂樣并進行激光粒度分析,實驗條件:填砂管總長度60 cm(第1段10 cm、第2段20 cm、第3段20 cm、第4段10 cm);填砂管直徑3.8 cm。多層篩網(wǎng)的放置角度為0°,也就是直接重疊放置。

表1同精度篩網(wǎng)層數(shù)對擋砂精度和含砂量影響程度

同精度篩網(wǎng)層數(shù)/層擋砂精度提高率/(%)含砂量減小率/(%)滲透率減小率/(%)1---24.227.030.4438.1913.41.72412.0123.54.67

2.3 同精度篩網(wǎng)排列方式對擋砂效果的影響

選用0.15 mm(50目×270目)篩網(wǎng),以50 mL/min排量(相當于100 m裸眼濾水管、日產(chǎn)液量60 m3/d)進行多層篩網(wǎng)(2層、3層)最佳排列方式出砂驅(qū)替實驗,收集隨液體流出的砂樣并進行激光粒度分析,實驗條件:填砂管總長度60 cm(第1段10 cm、第2段20 cm、第3段20 cm);填砂管直徑3.8 cm。多層篩網(wǎng)排列方式:2層篩網(wǎng)的放置角度為0°+0°、0°+45°、0°+90°。3層篩網(wǎng)的放置角度為0°+0°+0°、0°+45°+90°、0°+60°+120°。

從表2同精度篩網(wǎng)排列方式對擋砂效果和滲透率的影響程度可見,當篩網(wǎng)層數(shù)固定時,排列方式不同,對滲透率和含砂量影響不同,處于最佳排列方式時,相對0°的排列方式含砂量和滲透率都減小,但含砂量減小幅度大,滲透率減小幅度小。

2.4 不同精度篩網(wǎng)放置順序

2.4.1 不同精度2層篩網(wǎng)放置順序

選用0.10 mm(80目×400目)、0.15 mm(50目×270目)、0.20 mm(40目×200目)三種不同精度篩網(wǎng),以20 mL/min排量(相當于100 m裸眼濾水管、日產(chǎn)液量200 m3/d)進行2層篩網(wǎng)放置順序出砂實驗,收集隨液體流出的砂樣并進行激光粒度分析。

表2同精度篩網(wǎng)排列方式對擋砂效果和滲透率的影響程度

篩網(wǎng)精度及層數(shù)篩網(wǎng)精度層數(shù)/層排列方式滲透率/μm2含砂量/()粒徑/μm最大粒徑dmax粒度中值d500.15 mm(50×270)理論精度:69 μm123-1.4290.58159.149.620°+0°1.4250.52157.348.880°+45°1.3870.34146.444.620°+90°1.3450.25137.240.840°+0°+0°1.4110.33155.946.250°+45°+90°1.3770.27140.442.160°+60°+120°1.3410.18136.939.78

表3不同精度2層篩網(wǎng)放置順序?qū)跎靶Ч挠绊懗潭?/p>

篩網(wǎng)層數(shù)和精度層數(shù)/層組合方式/mm壓力/MPa滲透率/μm2含砂量/()粒徑/μmdmaxd5020.10(內(nèi))+0.15(外)0.126 31.1100.19106.519.250.15(內(nèi))+0.10(外)0.119 51.1670.22105.918.460.15(內(nèi))+0.20(外)0.112 01.2060.24156.847.670.20(內(nèi))+0.15(外)0.106 81.3920.29152.346.29

從表3不同精度2層篩網(wǎng)放置順序?qū)跎靶Ч挠绊懗潭瓤梢?通過不同精度2層篩網(wǎng)在基管外放置順序?qū)嶒灠l(fā)現(xiàn):對于內(nèi)層選用低精度而外層選用高精度篩網(wǎng),內(nèi)層篩網(wǎng)及支撐網(wǎng)內(nèi)幾乎沒有砂粒滯留,外層高精度篩網(wǎng)上有砂粒滯留;對于外層選用低精度篩網(wǎng)而內(nèi)層選用高精度篩網(wǎng),內(nèi)層和外層篩網(wǎng)上均有微量砂粒滯留。當濾水管應用于實際生產(chǎn)時使用時間要比本實驗進行時間長得多,微量的砂粒經(jīng)過長時間積累會導致濾水管堵塞,因此,對不同精度的2層網(wǎng)篩網(wǎng),內(nèi)層(緊貼基管1層)選用低精度、外層選用高精度網(wǎng)布擋砂效果較好。

2.4.2 不同精度3層篩網(wǎng)放置順序

選用0.10 mm(80目×400目)、0.15 mm(50目×270目)、0.20 mm(40目×200目)三種不同精度篩網(wǎng),以50 mL/min排量(相當于100 m裸眼濾水管、日產(chǎn)液量60 m3/d)進行2層篩網(wǎng)放置順序出砂實驗,收集隨液體流出的砂樣并進行激光粒度分析。

從表4不同精度3層篩網(wǎng)放置順序?qū)跎靶Ч绊懗潭瓤梢?對于從基管往外采用由大尺寸(低精度)到小尺寸(高精度)排列的網(wǎng)布組合,內(nèi)層、中間層網(wǎng)布及支撐網(wǎng)內(nèi)幾乎沒有砂粒滯留,外層小尺寸(高精度)網(wǎng)布上有砂粒滯留。而對于外層選用大尺寸(低精度)網(wǎng)布,內(nèi)層選用小尺寸(高精度)網(wǎng)布的網(wǎng)片組合實驗,內(nèi)層網(wǎng)布和外層網(wǎng)布上均有微量砂粒滯留,當濾水管應用于實際生產(chǎn)時,其使用時間要比本實驗進行時間長得多,微量的砂粒經(jīng)過長時間積累會導致濾水管堵塞。因此,對不同精度的3層篩網(wǎng),內(nèi)層(緊貼基管一層)選用低精度網(wǎng)布、中間層選用中等精度網(wǎng)布,外層采用高精度網(wǎng)布擋砂效果較好。

表4不同精度3層篩網(wǎng)放置順序?qū)跎靶Ч挠绊懗潭?/p>

篩網(wǎng)層數(shù)和精度層數(shù)/層組合方式/mm壓力/MPa滲透率/μm2含砂量/()粒徑/μmdmaxd5030.10(內(nèi))+0.15(中)+0.20(外)0.1281.170.22103.916.60.20(內(nèi))+0.15(中)+0.10(外)0.1121.330.28104.217.3

3 結論

1)對于單層篩網(wǎng)擋砂效果進行研究顯示,篩網(wǎng)的精度不是影響壓力和滲透率的主要因素,而是影響含砂量的主要因素。

2)當篩網(wǎng)精度一定時,篩網(wǎng)層數(shù)的增加對滲透率和含砂量影響較小,對擋砂精度影響較大,對流出砂最大粒徑基本沒有影響。當篩網(wǎng)精度和層數(shù)固定時,0°的排列方式下含砂量和滲透率都減小,但含砂量減小幅度大,滲透率減小幅度小。

3)不同精度2層篩網(wǎng),內(nèi)層選用低精度、外層選用高精度網(wǎng)布擋砂效果較好。對不同精度的3層篩網(wǎng),內(nèi)層選用低精度網(wǎng)布、中間層選用中等精度網(wǎng)布,外層采用高精度網(wǎng)布擋砂效果較好。