免充填自適應(yīng)控砂過(guò)砂工藝技術(shù)研究

張 磊

（中國(guó)石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017）

1 防砂狀況

復(fù)雜油藏防砂問(wèn)題等仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-7]，防砂作業(yè)成本在一口井的開(kāi)采成本中所占權(quán)重也在不斷增加。鑒于防砂作業(yè)的重要性，油服公司也提出了“早防砂、高收益”的觀點(diǎn)。國(guó)外斯倫貝謝、威德福、貝克休斯與哈里伯頓都對(duì)防砂技術(shù)特別關(guān)注。特別是海上作業(yè)成本、作業(yè)水深以及油藏復(fù)雜程度不斷升高，對(duì)于防砂作業(yè)，一些油氣服務(wù)公司也積極的提出了一些新型的應(yīng)對(duì)措施，并提出了這樣的觀點(diǎn)：從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，在防砂措施方面的前期投入，將會(huì)節(jié)約更多的成本，這在深水井與海底完井作業(yè)中表現(xiàn)的尤為突出。

目前現(xiàn)有篩管防砂將粒徑不一的地層砂均阻擋在篩管外側(cè)，小粒徑在大粒徑間隙內(nèi)的填充會(huì)減小擋砂層的過(guò)濾面積，流動(dòng)阻力增大，特別是細(xì)粉砂的填充，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)流能力顯著降低，隨著擋砂在篩管外不斷堆積，擋砂層厚度增大，滲流阻力進(jìn)一步增加，陷入不出砂也不產(chǎn)油氣的窘境。為了有效避免細(xì)粉砂在篩管外側(cè)的堆積，同時(shí)考慮出砂量的控制，本文研發(fā)了控砂過(guò)砂管。對(duì)于內(nèi)側(cè)濾網(wǎng)，其濾孔尺寸既需要允許細(xì)粉砂通過(guò)，又需要滿足出砂量的控制-將較大粒徑砂粒阻擋在外。為了避免單層濾網(wǎng)外粒度不一的擋砂相互填充，降低擋砂層的滲透率。本研究在內(nèi)側(cè)濾網(wǎng)外又設(shè)計(jì)了兩級(jí)濾網(wǎng)，即三級(jí)濾網(wǎng)式控砂過(guò)砂管。通過(guò)合理設(shè)計(jì)濾網(wǎng)尺寸，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)控砂過(guò)砂，有效保證每級(jí)濾網(wǎng)外的砂粒分選，達(dá)到提升擋砂層導(dǎo)流能力的目的。

2 免充填防砂工藝

2.1 儲(chǔ)層砂粒分析

圖1 顯微鏡下的油藏砂粒

目前常用的防砂工藝有機(jī)械防砂和化學(xué)防砂。免充填自適應(yīng)防砂工藝結(jié)合兩者特點(diǎn)形成的一種新的防砂工藝技術(shù)。首先采用防砂劑對(duì)弱膠結(jié)的儲(chǔ)層進(jìn)行改造，增加儲(chǔ)層的膠結(jié)強(qiáng)度，減少出砂風(fēng)險(xiǎn)，建立良好滲透性能的擋砂人工井壁，達(dá)到有效防止地層出砂的目的。防砂劑由液、固兩相材料組成。液相為一種良好的粘結(jié)劑，在特定的催化劑作用下能與地層砂和固相網(wǎng)絡(luò)通道式材料很好固結(jié)，且固結(jié)后有一定的收縮性，固相網(wǎng)絡(luò)通道式材料及收縮性能保證較好的滲透性。固相為分散狀的網(wǎng)絡(luò)纖維材料，密度與液相相近，確保了施工中被均勻地?cái)y帶至地層。防砂材料被泵送到地層，固相材料填充已虧空地層后堆積于井壁附近；通過(guò)液相膠結(jié)劑把固相材料和井壁附近地層的疏松砂粒固結(jié)住，形成具有較高抗壓強(qiáng)度和良好滲透性能的擋砂人工井壁，達(dá)到有效防止地層出砂的目的。實(shí)際的油藏砂粒形狀（見(jiàn)圖1），試驗(yàn)所用的合成砂巖由砂粒、黏土組成。配制巖樣的砂粒粒徑分布曲線（見(jiàn)圖2）。

2.2 儲(chǔ)層砂固結(jié)

固結(jié)材料在疏松儲(chǔ)層中會(huì)與帶負(fù)電荷的砂粒產(chǎn)生靜電吸引，重新自整合成一層固結(jié)材料。自整合納米粒子在儲(chǔ)層溫度下會(huì)發(fā)生固化并在砂粒周圍形成一層薄的硬凝膠。砂粒會(huì)固結(jié)在一起，而油氣生產(chǎn)的孔隙卻不會(huì)被堵上（見(jiàn)圖3）。

由圖3 可以看出，左邊有一些碎石塊的砂堆是松散的沙子；右邊的圓柱形部分是松散砂粒壓實(shí)后形成的一個(gè)有強(qiáng)度的巖石。膠結(jié)的巖心的滲透率大于40×10-3μm2。

2.3 免充填防砂工藝

圖2 巖樣的砂粒粒徑分布曲線

圖3 儲(chǔ)層砂實(shí)驗(yàn)室固結(jié)

勝利鉆井院研究了適用于免充填防砂工藝技術(shù)-采用自適應(yīng)膨脹防砂材料將其粘附于中心管上，取代目前礫石充填防砂工藝的一項(xiàng)前沿技術(shù)。自適應(yīng)膨脹防砂材料采用三級(jí)控制不同粒徑的儲(chǔ)層砂粒，該控砂管控砂范圍（50 μm～1 500 μm），小于40 μm 粒徑的砂粒將被過(guò)濾掉，伴隨流體一起排出，通過(guò)除砂設(shè)備分離；擋砂精度高，完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)防砂精度要求；易清洗、易疏通、易解堵；過(guò)濾面積大，滲透率高，每米有效過(guò)濾面積達(dá)基管內(nèi)橫截面積的5～6 倍；擁有較強(qiáng)的抗高溫、抗腐蝕能力，抗拉、抗扭、抗壓、抗彎、抗擠等均符合API 標(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)防一體、性價(jià)比高、安全。

2.3.1 控砂管評(píng)價(jià)的試驗(yàn)裝置 研制了控砂管評(píng)價(jià)的試驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖4），由以下幾個(gè)部分組成：

圖4 控砂管性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置主視圖

使用該試驗(yàn)裝置對(duì)擋砂精度120 μm、150 μm、200 μm、220 μm 的177.8 mm 防砂管進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果過(guò)程中，當(dāng)環(huán)空充填層滲透率減小時(shí)，生產(chǎn)壓差增大，當(dāng)壓差增高超過(guò)一定值時(shí)，復(fù)合防砂管的過(guò)濾層孔隙發(fā)生變化，使一定粒度的地層砂通過(guò)；當(dāng)環(huán)空充填層的滲透率增大時(shí)，復(fù)合防砂管的過(guò)濾層在彈性作用下恢復(fù)原狀，具有良好的自潔能力、過(guò)濾特性和水動(dòng)力特點(diǎn)以及良好的防砂效果和液流效應(yīng)。試驗(yàn)?zāi)M地層砂基本被防砂管擋住，流量穩(wěn)定后無(wú)砂產(chǎn)出，120 μm、150 μm、200 μm、220 μm 防砂管在試驗(yàn)過(guò)程中超過(guò)標(biāo)稱擋砂粒徑的出砂量均小于總出砂量的10%，滿足防砂要求。

2.3.2 工藝原理 將自適應(yīng)膨脹防砂管下放井底，當(dāng)處于井底溫度條件下，其內(nèi)部化學(xué)成分被激活便會(huì)順著井眼形狀開(kāi)始擴(kuò)展延伸，并對(duì)周圍地層形成有效的支撐。該作用能夠有效穩(wěn)定近井眼地帶，減少顆粒運(yùn)移；其濾失特性達(dá)到甚至超過(guò)了礫石充填的效果，同時(shí)也避免了鋪置支撐劑的麻煩。

2.3.3 工藝特點(diǎn) 具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）無(wú)需泵注礫石作業(yè)，可以簡(jiǎn)化后勤作業(yè)、減少設(shè)備占地面積、節(jié)約人力以及降低HSE 風(fēng)險(xiǎn)；（2）濾失特性覆蓋粒徑范圍更廣，不亞于礫石充填防砂效果；（3）全井眼貼合，可以增強(qiáng)防砂能力并提升完井可靠度；（4）原始地層應(yīng)力，可以穩(wěn)定近井地層、防止地層砂運(yùn)移、提升完井質(zhì)量的長(zhǎng)期可靠性；（5）滲透率高，可以實(shí)現(xiàn)井底流壓的最大化；（6）簡(jiǎn)易模塊化設(shè)計(jì)，中心管無(wú)需焊接，可以采用現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員及材料進(jìn)行作業(yè)，也可根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制。

作業(yè)時(shí)需要更少的設(shè)備和資源，從而減少了對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)，在安裝時(shí)也需要更少的人力和花費(fèi)更少的時(shí)間。因此，基于免充填工藝系統(tǒng)與傳統(tǒng)礫石充填防砂技術(shù)相比，是一個(gè)更為實(shí)際、節(jié)約成本的選擇。

2.3.4 試驗(yàn)效果 可用于替代裸眼礫石充填作業(yè)、水平井、補(bǔ)救性防砂作業(yè)、小井眼作業(yè)、常規(guī)油氣和重油開(kāi)采等。

免充填系統(tǒng)確保濾失量最小，將水敏性地層暴露風(fēng)險(xiǎn)降到最低。自適應(yīng)膨脹濾砂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全井筒貼合，選擇性過(guò)砂，保證了更好的防砂。從而保證生產(chǎn)井在無(wú)砂堵的情況下安全生產(chǎn)。

3 總結(jié)

對(duì)于防砂井段長(zhǎng)，黏土含量高的粒徑不均的疏松泥質(zhì)儲(chǔ)層，免充填無(wú)疑是一種可選的防砂工藝技術(shù)，但是該工藝面臨的難題是仍在微調(diào)如何把自適應(yīng)膨脹防砂管安放在正確的地方。對(duì)于儲(chǔ)層越厚，就越難將防砂劑輸送到正確的位置實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。防砂劑在特別厚的儲(chǔ)層或大水平井中的應(yīng)用都會(huì)受限。這種免充填自適應(yīng)的防砂工藝仍有許多研究及試驗(yàn)工作要做。