人工井壁防砂樹脂涂覆顆粒耐沖刷性能評價實驗裝置研制與應用

張云飛，蘇延輝，江 安，鄭曉斌，黃毓祥，崔國亮，王康男

(1.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452；2.中國石油長慶油田分公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

人工井壁防砂施工中向出砂井中充填顆粒，受地層溫度壓力等條件的作用，顆粒表面的樹脂軟化黏連并固結，在出砂層位形成高強度且具有良好滲透性的擋砂屏障[1-3]。顆粒物質一般為樹脂涂敷的石英砂或陶粒[4]，其形成的擋砂屏障的性能是保證防砂效果的關鍵[5-8]，因此，在施工前需開展系統的性能評價[9-12]。目前對人工井壁防砂樹脂涂覆顆粒(簡稱涂覆顆粒)的性能評價，一般采用抗壓強度和滲透率2個參數作為評價指標[13-14]，但其不能有效反映人工井壁受高強度長時間流體沖刷后的實際情況[15-18]。王寶權等[19]的研究表明，在采用人工井壁防砂時，施工前需對涂覆顆粒進行耐沖刷實驗評價，充分考慮流體對人工井壁的沖刷作用。為此，研制了涂覆顆粒耐沖刷實驗評價裝置，可通過改變沖刷排量、沖刷線速度、沖刷壓差及沖刷時間，動態模擬流體長時間高強度沖刷人工井壁過程，評價涂覆顆粒的耐沖刷性能。

1 耐沖刷性能實驗評價裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置

耐沖刷性能評價實驗裝置包括動力系統、耐沖刷測試系統、過濾及儲水系統、數據采集控制及處理系統(圖1)。由動力系統產生帶壓流體(液體或氣體)，通過管匯進入耐沖刷測試系統，高速流體對涂覆顆粒固結形成的巖心(模擬人工井壁)進行沖刷，流體通過固結巖心后進入過濾及儲水系統，過濾后的液體重新進入動力系統，完成實驗循環。

圖1 耐沖刷評價實驗裝置示意圖

(1) 動力系統。包括液體注入模塊與氣體壓縮調壓模塊。液體注入模塊包括高壓柱塞泵、蓄能器、溢流閥和安全閥；氣體壓縮調壓模塊為自帶減壓閥的空壓機，空壓機通過管路與安全閥相連；液體注入模塊與氣體壓縮調壓模塊為并聯結構，可分別為油氣水的流動提供動力。其中，蓄能器用于減小壓力波動，可控制壓力波動小于±0.05 MPa，保障高壓柱塞泵穩定工作；溢流閥是一個安全裝置，系統壓力超過設定壓力時，溢流閥自動打開，通過旁通管路使多余的流量回流到水箱單元中，保證系統壓力不再升高；安全閥是另一硬件保障，在系統壓力超過設備承壓90%時，安全閥內的爆破片即刻破裂或脫落，并泄放流體介質，此時評價系統停止運行，需更換新的爆破片才可繼續實驗。

(2) 耐沖刷測試系統。包括填砂模型、巖心夾持器組和全自動上覆壓力模擬系統。填砂模型中可填充地層砂，模擬疏松砂巖地層。巖心夾持器組由并聯設置的多個不同內徑的巖心夾持器組成，在每個巖心夾持器靠近出口的位置，在垂直于流體流動方向設置有多孔結構的金屬片或者金屬板，可防止實驗過程中砂堵在出口處。全自動上覆壓力模擬系統的主要作用是給巖心夾持器組提供圍壓，可實時監測和自動調節壓力。

(3) 過濾及儲水系統。包括水箱單元和過濾單元。水箱單元即儲液罐，一方面接收流經過濾單元的流體，并向高壓柱塞泵提供流體，以實現實驗流體的循環使用；另一方面，溢流閥定壓溢流時，接收溢流出來的流體，降低系統壓力；同時安裝有浮球液位計，可實時監測液位，超出設置的液位上下限時觸發報警并及時關閉高壓柱塞泵閥門(停止實驗)，排除異常后可繼續實驗。過濾單元是Y形過濾器，可按照實驗要求實時收集計算出砂量。

(4) 數據采集控制及處理系統。主要包括壓力傳感器、流量計、顯示單元、數據采集控制硬件單元及數據處理用計算機，主要用于實現壓力、流量等參數的實時顯示、采集、監控及數據處理，還可以實現控制命令的傳輸，控制泵的啟停、沖刷排量、沖刷線速度、沖刷壓差、沖刷時間以及監測液位與壓力異常，實現報警保護等。

該實驗裝置具有以下特點。

(1) 實驗裝置的沖刷排量最高可達50 L/min，沖刷線速度為0.0～12.6 m/s，沖刷壓差為0.00～15.00 MPa；沖刷時間理論上可支持無限長時間耐沖刷實驗，能夠有效模擬現場工況下防砂施工后人工井壁長時間受沖刷的實際情況。

(2) 可實現實驗過程中壓力、流量等參數的實時采集、監控、報警，通過硬件和軟件雙重保障，實現全自動無人值守，是集自動化、智能化于一體的多功能實驗評價系統。

(3) 實驗評價系統采用循環管路，設計了2個過濾單元，實驗時一般只有一個過濾單元是通路，當需要按照實驗設計時間收集出砂量時，另一個過濾單元開通，關閉原開通的過濾單元，收集出砂，滿足實時觀察出砂量的要求；2個過濾單元的設置同時也可避免收集出砂過程中壓力的大幅波動，規避因壓力大幅波動造成巖心振動破壞，導致涂覆顆粒剝落的可能性，可保證實驗結果的準確性。

1.2 技術參數

(1) 高壓柱塞泵：工作流量為0～50 L/min，精度為0.5%；工作壓力為0.00～15.00 MPa，壓力波動小于0.05 MPa。

(2) 填砂模型：尺寸為Φ50 mm×300 mm，耐壓為20.00MPa。

(3) 巖心夾持器組：尺寸分別為Φ50 mm×500 mm、Φ38 mm×500 mm、Φ25 mm×500 mm，耐壓為20.00 MPa。

(4) 全自動上覆壓力模擬系統：壓力控制范圍為0.00～20.00 MPa，精度為0.10 MPa。

(5) 壓力傳感器：4套，其中3套壓力傳感器(圖1中1、2、4)量程為20.00 MPa，精度為0.1%；另1套壓力傳感器(圖1中3)量程為5.00 MPa，精度為0.1%。

(6) 泄壓安全閥：工作壓力為5.00～15.00 MPa，反應時間不大于0.1 s。

(7) 水箱單元：容積為1 000 L。

2 評價方法

2.1 實驗步驟

(1) 制取2組涂覆顆粒固結巖心，其中第1組用于耐沖刷評價實驗前的抗壓強度測試。

(2) 第2組固結巖心裝入巖心夾持器后，旋緊巖心夾持器左右堵頭，圍壓加載至2.00 MPa左右(系統設置為壓力自動調節模式，保持圍壓始終比巖心夾持器入口壓力高2.00 MPa)。

(3) 將巖心夾持器連接到沖刷實驗流程中。若只進行沖刷實驗，則將填砂模型短接，高壓柱塞泵將實驗流體直接泵入巖心夾持器；若進行人工井壁擋砂精度測試，則將填砂模型充填滿模擬地層砂后接入流程中。

(4) 打開其中一個過濾單元(例如過濾單元Ⅰ)所在管路，計算機控制軟件設置好沖刷程序，高壓柱塞泵啟動進行巖心試樣耐沖刷實驗，采集實驗過程中的沖刷壓差及沖刷排量。

(5) 開啟另一路過濾單元(例如過濾單元Ⅱ)，關閉過濾單元Ⅰ，并拆卸過濾器，收集砂子，烘干、稱重。

(6) 耐沖刷實驗結束后，取出巖心試樣，進行抗壓強度測試。

2.2 數據處理

巖心夾持器兩端的壓差隨時間的變化可反映高強度的沖刷作用后人工井壁內部顆粒的運移情況；沖刷過程中收集出砂量，計算沖刷率，可反映涂覆顆粒的剝落情況；實驗結束后取出固結巖心進行抗壓強度測試，計算巖心沖刷前后抗壓強度保持率，可反映沖刷后人工井壁的破壞程度。

沖刷率為：

(1)

式中：w為沖刷率(單位面積上每分鐘涂覆顆粒的剝落量)，g/(cm2·min)；m為沖刷過程中涂覆顆的剝落量，g；A為巖心的截面積，cm2；t為巖心沖刷時間，min。

抗壓強度保持率為：

(2)

式中：ηs為抗壓強度保持率，%；R0s為巖心沖刷前的抗壓強度，MPa；R0為巖心沖刷后的抗壓強度，MPa。

3 實例應用

3.1 現場問題描述

2019年，海上某油田先后采用了2種涂覆顆粒FQ-1與HY(20～40目)進行了人工井壁防砂[20-23]，現場防砂施工參數基本一致，防砂措施后生產情況見表1。

由表1可知：2種涂覆顆粒在防砂初期均有效，但防砂有效期數據顯示，涂覆顆粒HY防砂效果更好，能夠較長時間耐受地層流體的沖刷破壞作用。為了更好地指導后續防砂作業，使用耐沖刷性能評價實驗裝置對2種涂覆顆粒進行耐沖刷模擬實驗。

表1 防砂措施后生產情況對比

3.2 室內實驗評價

利用涂覆顆粒FQ-1與HY，依據行業標準[24]制得固結巖心各3塊，進行耐沖刷模擬實驗。參照現場生產數據，確定人工井壁耐沖刷模擬實驗參數。沖刷排量分別為5、10、15、20、25、30、35、40、45 L/min，每個沖刷排量對應的沖刷時間均為1 h。實驗結果見圖2、3和表2(沖刷排量為40 L/min時，涂覆顆粒FQ-1的沖刷壓差為12.40MPa，為防止沖刷壓力超過實驗工作壓力上限，未進行沖刷排量為45 L/min的實驗)。

圖2為沖刷排量與沖刷壓差關系曲線。由圖2可知：涂覆顆粒FQ-1的沖刷壓差與沖刷排量呈非線性關系，斜率逐漸增大，表明巖心的物性在高排量、高壓差條件下發生變化，物性逐漸變差，可能內部發生顆粒運移；涂覆顆粒HY的沖刷壓差與沖刷排量有很好的線性關系，即沖刷排量與沖刷壓差之比始終為一個定值，表明巖心物性一直沒有變化，內部未發生顆粒剝落和運移。

圖2 沖刷排量與沖刷壓差關系

圖3為沖刷率與沖刷排量關系曲線。由圖3可知：涂覆顆粒FQ-1的剝落量隨沖刷排量的增加整體呈平緩增加、減少、急劇增加的趨勢，說明其耐沖刷性能隨沖刷排量增大會急劇降低；當沖刷排量大于20 L/min后，剝落量急劇增加，說明20 L/min是涂覆顆粒FQ-1的“臨界剝落排量”，現場可根據實驗結果，適時調整作業生產制度，延長防砂有效期。涂覆顆粒HY并未出現剝落現象，且抗壓強度保持率接近100%(表2)。

圖3 沖刷率與沖刷排量關系

表2 沖刷前后抗壓強度保持率

上述實驗結果表明，涂覆顆粒HY的耐沖刷性能優于涂覆顆粒FQ-1，可提高防砂有效期。實驗結果與現場生產數據保持一致，也說明該評價實驗裝置的設計是實用和有效的。

3.3 涂覆顆粒HY現場應用情況

根據耐沖刷評價實驗結果，在后期的3口防砂井中均改用了涂覆顆粒HY，措施后均取得了較好的防砂效果，沒有出砂跡象，截至目前防砂有效期均超過6個月，累計增油量為8 734 m3。

W22井屬于邊水層狀構造、底水塊狀油藏，為含礫砂巖、中砂巖、細砂巖及粉砂巖的巖性組合，儲集層結構疏松，膠結模式以孔隙型為主，儲層平均孔隙度為31%，平均滲透率為2 000 mD，受鉆完井液嚴重污染，產液強度低于鄰井，該井經多次酸化壓裂解堵后出砂嚴重。2021年3月實施了人工井壁防砂，涂覆顆粒HY用量為25.0 m3，平均砂比為26.3%～36.9%，加砂強度為1.9～3.5 m3/m，排量為2.5～3.8 m3/min。防砂作業后，目前日產液為65.0 m3/d，日產油為21.4 m3/d，防砂前后對比，日增油量為15.6 m3/d，采出液不含砂，截至目前已累計增油3 218 m3，且防砂仍有效。

4 結 論

(1) 研制了人工井壁防砂樹脂涂覆顆粒耐沖刷性能評價實驗裝置，沖刷排量可達50 L/min，沖刷線速度為0.0～12.6 m/s，沖刷壓差為0～15 MPa，理論上可進行無限長時間的耐沖刷實驗。

(2) 實驗裝置可通過沖刷壓差反映高強度沖刷作用后人工井壁內部顆粒運移情況，通過實時收集出砂量計算沖刷率反映涂覆顆粒的剝落情況。

(3) 海上油田常用的FQ-1和HY 2種涂覆顆粒的耐沖刷實驗結果與現場真實出砂現象基本一致，為涂覆顆粒的優選提供了技術支持，驗證了實驗裝置具有實用價值，可為人工井壁防砂技術的優化提供技術支持。

(4) 沖刷實驗中，沖刷排量存在小幅波動，無法精確控制，可能導致實驗精準性存在問題，該問題將是下步研究攻關方向。