機械篩管沖縫外殼結構參數優化設計

肖遙，宋昱東，李根，王太，姚銀，王寶軍，徐琰

1.中海石油(中國)有限公司天津分公司（天津 300459）

2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司（天津 300450）

0 引言

防砂是油氣井完井作業過程中的重點，目前我國海上油氣井防砂作業有常用簡易防砂和礫石充填防砂兩種方式，其中機械篩管的結構設計與選擇直接決定油氣井投產后的產能及防砂效果。

國內外學者針對機械篩管防砂精度問題已開展了大量研究并取得一定成果，開展室內防砂模擬實驗進行論證可有效結合區塊儲層特性對防砂精度進行優選，如文獻[1-6]結合實際生產制度和地層砂組成，通過室內防砂模擬實驗對比了不同防砂精度機械篩管生產過程中的地層出砂量及產能，優選得到適合的防砂精度參數，并應用于目標儲層開發。之后學者們進一步考慮到油氣井生產過程的動態變化，針對生產過程中機械篩管力學完整性、堵塞、腐蝕及防砂長效性問題開展了一系列深入研究，如文獻[7-13]通過開展物模實驗評價生產過程中不同機械篩管的堵塞現象，進而從機械篩管擋砂介質（如金屬網和繞絲的形狀布置等）提出優化方法；而針對篩管失效機理開展的研究如文獻[14-20]，針對性地開展腐蝕、沖蝕評測實驗、建立預測分析模型等手段可為機械篩管材質優選及結構設計提供指導依據，從而進一步保障防砂長效性。

目前機械篩管設計和優選方法已形成較為完善的體系，但已有研究成果多針對機械篩管整體和內部防砂介質的評價，而針對機械篩管外保護殼的研究則相對較少。外保護殼作為機械篩管首先接觸地層流體及地層砂的結構，其過流能力及堵塞規律對機械篩管的整體應用效果有直接影響。為進一步研究機械篩管外保護殼對于防砂效果及儲層產能釋放的影響規律，通過開展沖縫外殼結構參數優化實驗，從產能、防砂效果、堵塞規律等角度進行分析對比，以期為機械篩管沖縫外殼設計提供新思路。

1 沖縫外殼結構

機械篩管（如金屬網布篩管和預充填篩管等）主要由外保護殼、中間層擋砂介質單元和基管3部分組成，如圖1所示。外保護殼位于機械篩管外層，強度較高，可保護內層擋砂介質和基管，其中沖縫型外殼又因其抗沖蝕和耐腐蝕性能優的特點而被廣泛應用[21]。沖縫外殼大多通過沖壓裝置作用于鋼板沖壓形成，但對于沖縫外殼結構參數并沒有統一標準。

圖1 機械篩管結構

油氣井投產后，機械篩管與地層流體及地層砂首先接觸的部分是沖縫外殼，而沖縫結構參數對地層流體過流狀態以及篩管整體防砂效果都有一定影響，結合沖縫外殼的加工過程，考慮可能存在影響的結構參數主要有：過流開口的高度即開口尺寸、開口長度即縫長、開口寬度即縫寬和沖縫在外殼上的排列方式，如圖2所示。

圖2 沖縫外殼參數

2 沖縫外殼結構參數優化實驗

2.1 實驗原理

應用小型室內防砂模擬實驗裝置模擬油井生產過程，即模擬地層流體和地層砂的混砂液在一定壓差作用下運移，并通過防砂介質直至采出這一過程。實驗過程中，通過壓力計和流量計采集防砂介質前后過流量和壓力值，并收集過流后的出砂量，通過數據處理得到采油指數和滲透率，以評價所實驗機械篩管的過流能力及堵塞程度。

結合實驗過程中實時壓力數值與最終總出砂量計算在單位時間和單位壓差條件下篩管的過流量來分析沖縫外殼的過流能力，其中壓力為沖縫外殼處壓力，出砂量為出口液體收集裝置處所收集砂量，采油指數I為：

式中：Q為流量，mL/min；ΔP為實驗壓差，MPa。

定義產能提升系數ε來評價不同實驗條件下產能變化幅度：

式中：I1、I2為實驗后期穩定后的采油指數，mL/(min·MPa)。

實驗中滲流速度為30 mL/min，滲流速度較小屬于層流，利用達西滲流定律計算篩管早期滲透率k：

式中：Q為流體流量，cm3/min；μ為流體黏度，mPa·s；L為充填礫石層厚度，cm；A為礫石層面積，cm2；ΔP為實驗壓差，MPa。

機械篩管堵塞程度可通過滲透率的變化反映，定義為初始狀態下與實驗開始后的滲透率比值k r：

式中：k0、k i分別為初始狀態的滲透率和生產過程中第i時刻的滲透率，mPa·s。

2.2 實驗裝置

圖3為開展實驗所用小型防砂模擬實驗裝置，過流裝置左端為防砂單元，防砂單元右側為混砂區，混砂區右側連接供液系統，防砂單元左側為液體出口連接收集裝置，并在擋砂單元處設有壓力傳感器。

圖3 實驗設備

實驗裝置流程圖如圖4所示，供液系統實現砂和流體的混合，通過動力系統控制泵壓并向裝置主體供砂液混合。出砂實驗模擬裝置主體包括防砂單元及流體流動空間，同時應用數據自動采集系統收集壓力實時數據，裝置另一端設置出口液體收集裝置以收集砂液經過防砂單元后的最終樣品。

圖4 裝置流程圖

2.3 實驗條件

實驗所用沖縫外殼樣品開口尺寸分別為0.2、0.3、0.4、0.6 mm，縫長分別為10、20 mm。充填礫石尺寸選用16～30目，充填厚度為30 mm，實驗所用流體為白油，黏度為10～20 mPa·s，實驗過程中控制流量為30 mL/min。為更好地模擬地層砂性質，配制地層砂樣品時應用一定目數的石英砂并加入適量黏土礦物后按比例混合，最終配砂粒度中值為214μm，具體粒度分布見表1。

表1 實驗配砂粒度分布表

3 沖縫外殼結構參數對防砂效果和產能的影響分析

3.1 沖縫外殼結構參數對防砂效果的影響規律

實驗結束后，對不同結構參數的沖縫外殼對應出口液體進行固液分離處理后發現，8組實驗均未出砂。對實驗結束后的擋砂單元即沖縫外殼和礫石層狀態進行觀察，結果如圖5所示。

圖5 實驗后的沖縫外殼和礫石層

可以看出，圖5（a）中地層砂在沖縫外殼表面堆積較多，且堆積狀態穩定，而圖5（b）中反面礫石層無明顯砂粒通過。由于沖縫外殼開口尺寸大于模擬所用部分地層砂的粒度，且依據Saucier防砂設計準則：

式中：D50為陶粒粒度，μm；d50為地層砂粒度中值，μm。

可以判斷，16～30目礫石層可以對實驗所配模擬地層砂起到較好的阻斷作用。生產過程中，混砂液中砂被礫石層有效阻斷，流至機械篩管處的砂量極少，從而使得沖縫外殼參數的改變并不會影響實驗整體的防砂效果。

3.2 沖縫外殼參數對產能的影響規律

應用公式（1）將不同結構參數的沖縫外殼對應防砂模擬實驗過程中壓力及過流量處理為采油指數，并繪制實驗過程中壓力及采油指數隨時間的變化曲線，如圖6和圖7所示。

圖6 不同結構參數沖縫外殼篩管實驗壓力變化

圖7 不同結構參數沖縫外殼篩管采油指數變化

可以看出，縫長10 mm和20 mm沖縫外殼實驗過程中壓力和采油指數變化趨勢相似，均表現為實驗前期壓力上升較為迅速，采油指數降低較快，實驗中期壓力上升緩慢，采油指數緩慢降低，實驗后期壓力和流量均逐漸趨于穩定。①實驗前期，縫長10 mm沖縫外殼對應壓力快速上升至穩定和采油指數快速降低至穩定的時間約為縫長20 mm實驗中相應時間的2倍。②實驗后期，實驗壓力和采油指數穩定數值也表現出明顯差異，縫長10 mm時，開口尺寸為0.2、0.3、0.4、0.6 mm對應實驗后期穩定壓力為1.0～1.1 MPa，穩定采油指數為27～28 mL/(min·MPa)；而縫長20mm時，開口尺寸為0.2、0.3、0.4、0.6 mm對應實驗后期穩定壓力0.4、0.5、0.7、0.9 MPa，對應實驗后期穩定采油指數為35、40、55、78 mL/（min·MPa）。

對比上述兩種縫長尺寸，當沖縫外殼縫長為10 mm時，實驗后期穩定壓力和采油指數不受開口尺寸影響，即提高沖縫外殼開口尺寸并不能顯著提高機械篩管過流能力；而對于縫長為20 mm的沖縫外殼而言，隨著開口尺寸的適當增加，實驗后期穩定壓力有一定幅度的降低，且采油指數表現為有一定幅度增大，即縫長相對更長的沖縫外殼，增大開口尺寸可明顯提高篩管過流能力，進而更好地釋放油氣井長期產能。

4 沖縫外殼堵塞規律與機理分析

為研究沖縫外殼參數對篩管堵塞過程的影響規律，首先將不同縫長和開口尺寸的沖縫外殼機械篩管在實驗初始階段、實驗10 min階段和穩定階段的實驗壓力和采油指數變化進行統計，見表2。

可以看出，在流量保持不變的條件下，對于縫長10 mm和20 mm沖縫外殼機械篩管，堵塞主要發生在實驗前10 min內，實驗進行到20 min后壓力和采油指數基本趨于平穩，即堵塞程度已達最大并趨于穩定。其中縫長10 mm沖縫外殼機械篩管堵塞更嚴重，而縫長20 mm沖縫外殼機械篩管抗堵塞性能相對更優。

表2 不同實驗時間的壓力和采油指數

為進一步分析實驗所用機械篩管及礫石層堵塞機理，結合實驗數據計算得到實驗過程中滲透率變化，如圖8所示。

圖8 不同沖縫外殼參數篩管滲透率變化

由圖8可知，不同縫長和開口尺寸下沖縫外殼機械篩管滲透率總體趨勢為前期較快下降至逐漸趨于穩定，同一縫長機械篩管對應滲透率下降至穩定所需時間基本相同。縫長20 mm的機械篩管達到穩定過流的堵塞程度時間較短，在實驗1 min時刻滲透率即下降到較緩慢狀態，而縫長10 mm沖縫外殼機械篩管在實驗3 min時刻才達到較緩慢狀態。縫長10 mm、不同開口尺寸沖縫外殼機械篩管最終滲透比基本相同，而縫長20 mm沖縫外殼機械篩管最終滲透比隨開口尺寸增大呈線性增加趨勢。實驗后通過顯微鏡對縫長10 mm和縫長20 mm沖縫外殼對應的充填礫石層進行觀察，結果如圖9所示。

圖9 不同縫長沖縫外殼對應礫石層狀態

可以看出，縫長10 mm沖縫外殼對應充填礫石表面存在大量細粉砂和黏土礦物，而縫長20 mm沖縫外殼對應充填礫石表面細粉砂和黏土礦物相對較少。由于實驗后期篩管表面存在穩定砂橋，細顆粒很難進入篩管內部，因此充填礫石內部的固相顆粒主要是在實驗早期進入到篩管內部，且充填礫石層滲透率損傷主要由堵塞在其內部的細顆粒造成。

針對實驗所用沖縫外殼試樣，縫長10 mm沖縫外殼橋孔面積為800 mm2，而縫長20 mm沖縫外殼橋孔面積為960 mm2。實驗結果反映出較大橋孔面積使得機械篩管保護殼外早期形成穩定砂橋的時間更短，即允許地層砂顆粒進入充填礫石層中的時間更少，相應地，穩定砂橋形成后，地層砂中的細顆粒進入到礫石層內難度更大，對礫石層造成的滲透損傷更小。因此形成穩定砂橋時間更短的篩管對儲層產能的釋放作用更優。

5 結論

針對沖縫外殼結構特點及參數，基于過流能力和抗堵塞性能兩個角度，應用小尺寸防砂模擬設備開展防砂模擬實驗，對沖縫外殼開口尺寸和縫長等結構參數進行了差異性分析，得到如下結論和認識：

1）防砂介質實現精準防砂的主體為充填礫石層及內部擋砂單元（如金屬網布等），一定范圍內的機械篩管沖縫外殼參數改變不會影響整體防砂效果。

2）當機械篩管擋砂介質精度及充填礫石目數一定，沖縫外殼縫長為10 mm時，保證礫石不進入篩管的前提下，適當增加沖縫開口尺寸并不能有效增大機械篩管過流能力和緩解篩管堵塞程度。

3）沖縫外殼縫長為20 mm時，適當增加沖縫開口尺寸雖不能延緩生產初期篩管的堵塞程度，但生產一段時間后，沖縫外殼開口尺寸越大的機械篩管，采油指數越大，對儲層產能的釋放作用越明顯。

綜上所述，針對沖縫型保護殼機械篩管防砂方式，在擋砂精度滿足有效防砂的前提下，沖縫外殼縫長更長的機械篩管其對應的抗堵塞性能和長期過流能力更優，選擇縫長20 mm以及開口尺寸0.4～0.6 mm的沖縫外殼，相比常規應用的縫長10 mm、開口尺寸0.2 mm沖縫外殼，可實現機械篩管整體滲透率和長期產能增長50%～80%。