熱采水平井完井篩管性能評價試驗研究

魏劍飛

中石化勝利油田分公司石油工程技術研究院修井完井研究所 山東 東營 25700

1 研究的目的和意義

完井篩管是熱采水平井裸眼防砂完井技術的重要組成工具，它具有過濾面積大、滲透性高、堵漏能力強、強度高、使用壽命長等優點。在防砂完井過程中，篩管與其它完井配套工具連接在一起下入油層部位裸眼中。在油井生產過程中，油流通過篩管的過濾層進入井筒，采出地面，而地層砂被阻擋在篩管與井筒環空內，非常細的地層砂隨油流被產出，較大顆粒的地層砂聚積在環空內形成自然充填層，進一步提高了防砂效果。

通過對目前應用的各種篩管的過濾層性能進行分析，采用了繞絲層與金屬網層復合的過濾層結構。過濾層內層為繞絲層，外層為金屬網層，通過兩層過濾結構提高了擋砂效果，增加了過濾層的強度，提高了過濾層的抗沖蝕能力。

但在現場應用的過程中，出現了以下問題：

（1）目前選取篩管過濾粒徑是依據理論設計值，粒徑選擇不合適容易造成油井出砂和篩管堵塞導致產能下降；

（2）目前對篩管擋砂能力和抗沖蝕能力缺乏評價的方法和評價標準，沒有形成理論；

（3）缺少對篩管擋砂能力和抗沖蝕能力進行評價的試驗裝置，無法模擬現場篩管生產情況。

針對以上的問題，進行了熱采水平井完井篩管擋砂性能評價研究和抗沖蝕性能評價研究，為篩管設計提供依據，根據不同油藏特性進行篩管的篩選，使方案設計和單井應用更有針對性。

2 熱采水平井完井篩管擋砂性能評價方法研究

通過微觀模擬、宏觀模擬和室內試驗，對設計的篩管的實際防砂效果進行了模擬評價。實驗的主要思路是通過壓力傳感器連續采集篩管注入端內外壓降的變化，從而反應出篩管受到的堵塞和堵塞物的解除情況；通過測量通過篩管的流體流速，反應篩管對于油氣的導流能力，從而評價防砂后對產能的影響；通過測量通過篩管后流體中所含有的砂粒質量，從而評價濾砂管的對于不同級數砂粒的防砂性能；試驗中過濾層隨時間變化的破壞程度可以模擬現場篩管的抗沖蝕能力。

首先從現場獲取地層砂樣和流體，根據粒度分析和粘度分析的結果配置試驗砂樣和流體，試驗時，在一定的注入壓力下，觀察流量、篩管內外壓降隨時間的變化，根據變化情況來評價篩管的產能、堵塞和解堵性能；通過對篩管產出砂進行粒度分析，結合實際地層砂的粒度分析和生產要求，來確定篩管的擋砂精度，評價篩管的擋砂性能。

（1）試驗砂樣配制原則

嚴格按照現場取出的砂樣粒徑分布進行配制，各級別的砂粒按比例配入。砂樣供選擇的粒徑包括：40μm，60μm，70μm，89μm，100μm，120μm，150μm，170μm，250μm，300μm。

（2）試驗流體配制原則

配制流體模擬現場流體物性，主要以流體粘度為主要參考值。

（3）篩管試件

取整根篩管的一段，包括篩管外保護套、過濾層、沖孔板、基管及端環等結構。

（4）篩管試驗結果評價

① 米采油指數

借用米采油指數來對篩管的產液能力進行考量，米采油指數越大，篩管的產液能力越高，滲透性越好。

② 篩管出砂粒徑分析

利用激光粒度分析通過篩管過濾后的砂樣，擋砂能力合格的篩管需要符合兩個指標：一方面，在標稱擋砂粒徑以下級別的砂樣都必須含有；另一方面，超過標稱擋砂粒徑的石英砂占全部砂樣質量比需要在10%以下。

3 熱采水平井完井篩管擋砂性能評價試驗裝置研制

本次研究針對篩管特點研制開發了完井篩管性能評價試驗裝置，該裝置將篩管的性能評價手段從理論研究提高到工程評價研究，實現了以微觀模擬宏觀。這套裝置主要可以劃分為模擬系統、循環系統、測量系統等三個模塊。該裝置通過模擬完井篩管防砂性能的試驗研究，驗證篩管過濾砂粒的效果。

3.1 試驗裝置介紹

自主設計研制了一套篩管擋砂性能評價試驗裝置如圖1所示。

圖1 篩管性能評價試驗裝置主視圖

該裝置包含以下幾個模塊：

（1）模擬系統

該系統能夠承受達到20MPa的壓力，而且具有一定的耐腐蝕性能。為了進一步貼合現場實際地層，將在模型中充填不同目數的模擬地層砂，在容器里部安裝有濾網。

試驗時按由內而外地順序依次將篩管、模擬地層砂、分流濾網安裝好，然后把不同目數的模擬地層砂壓實。這種大尺度填砂管模型可以模擬不同條件下的出砂情況，從而優化篩選濾砂管基本性能。

（2）循環系統

循環系統由柱塞泵、管線、多級液罐等組成，開始由注入泵將泵內的液體以一定的壓力輸出，首先來到集散器，經由集散器的作用分散到試驗裝置，分別從九個不同方向的注入口注入試驗筒，采出液經過管線流入沉降池，而后經多級沉降和過濾，最終重新回到泵吸入口，形成一個閉環控制系統。

（3）測量系統

測量系統由多個壓力和流量傳感器組成，其中壓力傳感器分布在注入端、篩管外壁、砂體中間等部位，可以通過壓力表對數據進行實時的采集。流量采集主要是對在入口處對流體的流速進行測量。

由于最終產出流體中含有一定量的細砂粒，因此需要隔一段時間對砂粒進行收集，然后過濾烘干，用天子天平稱重，分析統計一段時間內的出砂量。

3.2 試驗裝置功能

該裝置可以模擬一定壓差和流量條件下不同類型濾砂管在地層中的擋砂效果以及對產量的影響，具體來說可以實現以下4個功能。

（1）出砂量測定；

（2）擋砂粒徑測定；

（3）堵塞情況分析；

（4）產量影響測定；

4 熱采水平井完井篩管擋砂性能評價試驗

4.1 試驗目的

研究某區塊地層砂粒條件下的不同濾砂管性能。

4.2 試驗材料

（1）砂樣

砂樣數據：D50＝0.23mm，D40＝0.26mm，D90＝0.06mm。均勻性系數c＝4.33，為非均勻砂，泥質含量5%。

（2）篩管

選用7in優化設計后的成品篩管，長度設計為30cm，過濾粒徑：取120μm、150μm、200μm、220μm。

（3）試驗配件

配件材料包括粘度100mpa.s的模擬油以及電子天平、恒溫干燥箱等。

4.3 試驗步驟

（1）試驗筒準備

① 開泵并進行調試，直到壓力能夠保持穩定；

② 向注入泵灌進液體（水），保證有液體均勻流出注入孔，于此期間校對壓力測量系統；

③ 為了對試驗裝置進行試壓工作，我們關閉試驗筒的出口，試驗壓力為8MPa，壓力顯示沒有下降并且整個試驗裝置沒有漏失處為標準。

（2）填放砂樣

將篩管與試驗筒密封，而后將配好的模擬地層砂導入樣機，填勻壓實。

（3）擋砂性能試驗

① 開泵，泵壓2.5MPa；

② 出口用容器收集產出液，并稱重；

③ 記錄壓力表讀數，每隔1min采集一個點；

④ 待流量壓力穩定后，提高泵壓到3.5MPa繼續試驗；

⑤ 對采出液中砂粒進行過濾洗滌稱重；

⑥ 使用激光粒度儀進行砂粒粒徑分布測試。

4.4 試驗數據

（1）7in篩管，過濾粒徑120μm擋砂性能試驗結果

① 流量壓力數據

100min內流量隨時間逐漸下降，同時壓力逐漸上升，100min以后流量壓力同時突變，表明篩管孔眼堵塞，而后流量接近于0，最終驅動壓力為3.2MPa，流量約0.1 kg/min。

② 出砂情況分析

前100min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續又有少量砂產出。試驗共累計出砂9.05g。用激光粒度分析儀測得的砂樣粒徑分析結果可以看出產出砂以細粉砂為主，粒徑最大0.177mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.125的砂子占6.32%，滿足防砂要求。

（2）7in篩管，過濾粒徑150μm 擋砂性能試驗結果

① 流量壓力數據

前110min壓力隨流量的下降而上升，110min后趨于穩定，壓力增大到3.2MPa左右，流量穩定在0.12 kg/min。

② 出砂情況分析

前100min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續又有少量砂產出。試驗共累計出砂12.123g。用激光粒度分析儀測得的砂樣粒徑分析結果可以看出產出砂以細粉砂為主，粒徑最大0.210mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.149的砂子占7.53%，滿足防砂要求。

（3）7in篩管，過濾粒徑200μm 擋砂性能試驗結果

① 流量壓力數據

前65min壓力隨流量的下降而上升，65min后趨于穩定，壓力增大到3.1MPa左右，流量穩定在0.3 kg/min。

② 出砂情況分析

前65min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續又有少量砂產出。試驗共累計出砂30.35g。用激光粒度分析儀測得的砂樣粒徑分析結果可以看出產出砂以細粉砂為主，粒徑最大0.297mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.21的砂子占8.75%，滿足防住地層砂的要求。

（4）7in篩管，過濾粒徑220μm 擋砂性能試驗結果

① 流量壓力數據

前55min壓力隨流量的下降而上升，55min后趨于穩定，壓力增大到3.07MPa左右，流量穩定在0.41kg/min。

② 出砂情況分析

前55min出砂較多，而后隨著流量下降，出砂量也急劇減少，注入壓力升高后，陸續又有少量砂產出。試驗共累計出砂45.68g。用激光粒度分析儀測得的砂樣粒徑分析結果可以看出產出砂以細粉砂為主，粒徑最大0.354mm，最小為0.004mm，粒徑大于0.220的砂子占14.38%，滿足防砂要求。

4.5 試驗數據綜合分析

① 流量隨時間的變化

試驗過程中，4種精度的篩管的曲線變化規律大體一致，但是曲線斜率有所區別，表現為擋砂精度越高，流量變化速率越大。實驗過程中，120μm篩管發生了堵塞，其他篩管可以在較長時間內保持流速恒定。

② 壓力隨時間的變化

試驗過程中，4種精度的篩管的曲線變化規律大體一致，但是曲線斜率有所區別，表現為擋砂精度越高，壓力變化速率越大。實驗過程中，將注入壓力提高到3.5MPa后，200μm篩管有10min壓力調整期，而其他組并無此現象。

③ 米采油指數隨時間的變化

四種過濾粒徑的篩管米采油指數隨時間的變化規律大體一致，但是曲線斜率有所區別，表現為擋砂精度越高，米采油指數變化速率越大。濾砂管精度從120μm 提高到后220μm，米采油指數增加了3.27倍，表明擋砂精度越高，對產能影響越大。

5 熱采水平井完井篩管抗沖蝕過濾層性能評價試驗

利用試驗裝置進行了抗沖蝕過濾層性能試驗，利用一定含砂濃度的高速流體，沖擊過濾層試件表面，根據過濾層隨時間變化的破壞程度來模擬在生產情況下過濾層的抗沖蝕能力。

根據試驗結果，在采液強度0.4 ～0.7 m3/（d.m），生產壓差小于10MPa的情況下，抗沖蝕過濾層均未發生破壞，能滿足現場生產要求。實現了采液強度小于0.8m3/（d.m）、生產壓差10MPa以內不被破壞的目標。

6 結論

（1）形成了一套完井篩管擋砂性能評價方法，通過流體介質攜帶砂，模擬地層出砂，觀察砂通過篩管對壓力和流量的影響規律來評價篩管的性能，對產出砂進行粒度分析，結合實際地層砂的粒度分析和生產要求，來評價篩管的擋砂效果。

（2）研制了一套完井篩管性能評價裝置，包括模擬系統、循環系統和測量系統三大部分，可進行51/2in和7in兩種規格不同過濾粒徑的篩管擋砂性能評價。

（3）針對區塊砂樣，進行了7in篩管擋砂能力評價試驗。試驗過程中的流量和壓力變化趨勢大致相同，試驗中120μm篩管堵塞，150μm、200μm和220μm篩管流量趨于穩定，提高壓力后，四種篩管流量略有提高，穩定后的米采油指數隨著過濾粒徑的增大而增大；

（4）利用完井篩管性能評價裝置對抗沖蝕過濾層進行性能評價試驗，篩管的抗沖蝕強度能夠滿足采液強度小于0.8m3/（d.m）、生產壓差10MPa以內的現場生產要求。