渤海某油田油井出砂及篩管沖蝕分析

袁偉偉，張啟龍，陳 彬，徐 濤，賈立新

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300459）

油井出砂會(huì)導(dǎo)致地面設(shè)備磨損，嚴(yán)重的出砂會(huì)造成井筒沙埋無(wú)法供液[1-2]。特別針對(duì)投產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)的油井，隨著注水開(kāi)發(fā)以及邊底水的推進(jìn)，油井含水率逐漸升高，導(dǎo)致儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度降低，加大了油井的出砂風(fēng)險(xiǎn)[3-5]。渤海油田近年來(lái)由于出砂原因造成檢泵甚至修井作業(yè)比例逐年提高，特別是由于篩管沖蝕穿孔導(dǎo)致的嚴(yán)重出砂問(wèn)題日益突出。本文針對(duì)渤海某油田出砂較為嚴(yán)重的問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對(duì)實(shí)際出砂井的天然地質(zhì)因素、生產(chǎn)控制因素和沖蝕穿孔等多個(gè)方面進(jìn)行了分析，并開(kāi)展了篩管沖蝕實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步論證了該油田篩管沖蝕的影響因素，為后期調(diào)整井開(kāi)發(fā)防砂方案提供了一定的理論依據(jù)。

1 渤海某油田出砂情況

渤海某油田目前包含A、B 兩座平臺(tái)，其中A 平臺(tái)采油井34 口，B 平臺(tái)采油井32 口，本油田2009 年投產(chǎn)，分別經(jīng)歷了產(chǎn)能建設(shè)階段、綜合調(diào)整階段以及局部加密調(diào)整三個(gè)開(kāi)發(fā)階段，目前該油田整體含水率為85%，年穩(wěn)產(chǎn)油88×104t 以上。該油田老井生產(chǎn)出砂情況較為頻繁，且部分井由于出砂嚴(yán)重?zé)o法供液，后期采用井筒側(cè)鉆繼續(xù)生產(chǎn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)A 平臺(tái)生產(chǎn)井中未發(fā)現(xiàn)出砂情況的僅有5 口，占A 平臺(tái)總井?dāng)?shù)的14.7%，B 平臺(tái)生產(chǎn)井中未發(fā)現(xiàn)出砂情況的有8口，占B 平臺(tái)總井?dāng)?shù)的25%。根據(jù)出砂井含砂量進(jìn)行劃分，A 平臺(tái)出砂井含砂量大于0.03%的共13 口，占比38.2%；B 平臺(tái)出砂井含砂量大于0.03%的共1口，占比3.1%，兩平臺(tái)其余出砂井均為微量含砂。由出砂嚴(yán)重導(dǎo)致無(wú)法產(chǎn)液，后期開(kāi)窗側(cè)鉆井的共6 口，通過(guò)井徑成像測(cè)井技術(shù)發(fā)現(xiàn)，防砂篩管有一處有明顯破損，導(dǎo)致防砂失效，見(jiàn)圖1。

圖1 成像測(cè)井篩管位置發(fā)生破損

2 儲(chǔ)層出砂因素分析

通過(guò)對(duì)該油田取樣巖心進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該油田儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度較低，單軸抗壓強(qiáng)度在1.3～10 MPa 之間，泡水實(shí)驗(yàn)表明巖心泡水48 h 后強(qiáng)度大幅下降，為0.1 Mpa，見(jiàn)表1。隨著油田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)后期注入水以及地層水的連通，儲(chǔ)層含水率升高，進(jìn)一步降低儲(chǔ)層的巖石強(qiáng)度，且該油田地飽壓差較低，隨著地層壓力的下降，生產(chǎn)過(guò)程中在井筒周圍出現(xiàn)脫氣現(xiàn)象，導(dǎo)致原油脫氣黏度提高，增加了巖石的拖曳力，從而加劇儲(chǔ)層出砂。

表1 巖石抗壓強(qiáng)度和泡水后強(qiáng)度

通過(guò)分析該油田不同開(kāi)發(fā)油組的儲(chǔ)層泥質(zhì)含量發(fā)現(xiàn)，該油田開(kāi)發(fā)的3 個(gè)油組泥質(zhì)含量較高，平均泥質(zhì)含量均高于10%，其中二油組最高泥質(zhì)含量為28.8%。根據(jù)黏土礦物成分分析數(shù)據(jù)，儲(chǔ)層蒙脫石含量平均占比70%，具有較強(qiáng)的吸水膨脹性，進(jìn)一步降低儲(chǔ)層巖石的強(qiáng)度，見(jiàn)圖2 和圖3。地層見(jiàn)水后，顆粒間原始毛細(xì)管力下降，黏土礦物遇水后膨脹分散，同時(shí)由于注水的反復(fù)沖刷，導(dǎo)致巖石發(fā)生拉伸破壞，加劇了地層出砂。

圖2 不同油組泥質(zhì)含量分布

圖3 黏土礦物中伊蒙混層含量比例

3 篩管沖蝕破損分析

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)井下篩管的沖蝕破損研究較多，如微切削磨損理論、變形磨損理論、擠壓-薄片剝落磨損理論、絕熱剪切與變形局部化磨損理論和脆性材料的斷裂理論，等等。由于篩管結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及影響材料沖蝕破壞因素多樣，如環(huán)境因素、磨粒性質(zhì)和靶材的性質(zhì)，等等。其中環(huán)境因素又包括沖蝕速度、沖蝕角度和時(shí)間溫度等，磨粒性質(zhì)包括材料的硬度、形狀和破損性等，靶材的硬度、力學(xué)性能和物理性能等。因此，單一的理論研究并不能對(duì)該油田篩管沖蝕破損進(jìn)行判斷，針對(duì)該油田的實(shí)際篩管破損情況，本文通過(guò)室內(nèi)沖蝕模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有針對(duì)性的研究，對(duì)今后該油田的防砂設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。

3.1 篩管沖蝕模擬實(shí)驗(yàn)

篩管沖蝕模擬實(shí)驗(yàn)裝置為中海油自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可模擬不同結(jié)構(gòu)全尺寸篩管短節(jié)以及篩管樣片等不同規(guī)格的沖蝕實(shí)驗(yàn)，沖蝕流速控制范圍為0～120 m/s，并配備高清多角度攝像機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)?？蓪?shí)現(xiàn)不同沖蝕距離、不同沖蝕角度、不同沖蝕速度以及不同含砂濃度下的篩管試件的沖蝕實(shí)驗(yàn)分析以及沖蝕壽命預(yù)測(cè)。本次實(shí)驗(yàn)采用對(duì)射流沖蝕和過(guò)流沖蝕2 種沖蝕方案，其中射流沖蝕實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)不同沖蝕距離、流速以及不同含砂濃度對(duì)篩管的壽命進(jìn)行分析，過(guò)流沖蝕為要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)篩管堵塞造成的局部熱點(diǎn)沖蝕，采用200 μm 金屬網(wǎng)布篩管短節(jié)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試排量為60 L/min。

3.2 沖蝕結(jié)果分析

不同沖蝕距離、不同沖蝕流速以及不同含砂濃度下篩管試件的沖蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4 至6 圖。通過(guò)射流實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論。

圖4 沖蝕距離與破壞時(shí)間影響

（1）沖蝕壽命：距離為15～60 mm 時(shí)，篩管破壞的時(shí)間基本一致，約為18 min。當(dāng)距離大于55 mm時(shí)，篩管的沖蝕破壞時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，整體平均破壞時(shí)間為19.2 min。

（2）150/200 μm 篩管試件金屬網(wǎng)，沖蝕破壞時(shí)間隨速度的變化規(guī)律基本一致。

（3）篩管沖蝕壽命與出砂濃度，成-1.107 次方關(guān)系。

（4）外護(hù)罩出現(xiàn)明顯且較規(guī)則的沖蝕孔。外護(hù)罩下部的金屬網(wǎng)布出現(xiàn)不規(guī)則的破壞，且破壞面積普遍大于外護(hù)罩的破壞面積。

圖5 沖蝕速度與破壞時(shí)間影響

圖6 含砂濃度與破壞時(shí)間影響

圖7 為過(guò)流沖蝕實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)曲線。過(guò)流沖蝕實(shí)驗(yàn)充分展示了篩管的沖蝕破壞階段，主要包括以下4個(gè)階段。

圖7 篩管過(guò)流沖蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（1）堵塞階段：發(fā)生在測(cè)試開(kāi)始時(shí)，表現(xiàn)為泵壓逐漸升高，說(shuō)明此階段篩管逐漸發(fā)生堵塞，導(dǎo)致篩管過(guò)流面積逐漸減小。

（2）沖蝕磨損階段：隨著泵壓的逐漸穩(wěn)定，頻繁出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)，此階段說(shuō)明篩管的擋砂介質(zhì)出現(xiàn)了輕微的沖蝕磨損，并伴有一定的斷絲，此時(shí)篩管仍然具有擋砂能力。

（3）沖蝕破壞階段：伴隨泵壓的逐漸降低，說(shuō)明篩管沖蝕孔逐漸增大，并逐漸失去擋砂能力。

（4）沖蝕穿孔階段：此階段泵壓較低，說(shuō)明篩管目前已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的沖蝕穿孔，完全不具備擋砂能力，通過(guò)拆解實(shí)驗(yàn)篩管發(fā)現(xiàn)，篩管表面出現(xiàn)了5～10 mm 的穿透沖蝕孔。

4 結(jié)論

（1）該油田儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度低，隨著生產(chǎn)后期含水率的升高，地層極易出砂，建議后期調(diào)整井開(kāi)展具有針對(duì)性的防砂措施。

（2） 該油田生產(chǎn)過(guò)程中主要以微量含砂為主，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)壓差的變化和壓力激動(dòng)是導(dǎo)致出砂的重要因素，建議生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制生產(chǎn)壓差，并減小壓力激動(dòng)變化，通過(guò)逐漸調(diào)頻改善壓力激動(dòng)過(guò)大的影響。

（3）從篩管破損實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該油田部分井由于出現(xiàn)篩管沖蝕破損導(dǎo)致防砂失效，并針對(duì)篩管沖蝕進(jìn)行了系統(tǒng)的分類分析，以及篩管沖蝕的影響因素分析，為今后篩管防砂失效研究提供了一定的實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)。