砂泥巖互層儲層防砂優化設計試驗研究

南海WC疏松砂巖油藏具有出砂嚴重、儲層非均質性強和砂泥巖小層交錯分布的特點。傳統防砂設計方法適用性差，導致篩管堵塞嚴重，產能持續下降，嚴重影響了油田的正常開發。為研究砂泥巖互層對防砂篩管的堵塞機理，優選適合該類儲層的防砂方式，基于相似模擬原理研制了可旋轉式防砂物理模擬試驗裝置。利用該試驗裝置，結合現場實際工況重點考慮砂泥巖互層儲層的互層比與井筒井斜角兩大因素，評價分析了不同因素對防砂方式的影響。研究結果表明：互層比和井斜角對篩管防砂方式的選擇有顯著影響，當互層比小于0.4時，優先選用優質篩管防砂，反之則選用礫石充填防砂方式；井斜角小于45°時，互層比對礫石充填和防砂管堵塞程度影響較小；當井斜角超過45°時，井斜角對防砂管堵塞程度的影響不可忽略。研究成果對于指導砂泥巖互層儲層的防砂優化設計具有重要的指導意義。

防砂；砂泥巖互層；互層比；井斜角；篩管防砂；物理模擬

中圖分類號：TE358

文獻標識碼：A

DOI： 10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2024.12.016

基金項目：中國海洋石油集團有限公司重大科技專項“南海西部油田上產2000萬方關鍵技術研究”（CNOOC-KJ 135 ZDXM 38 ZJ 01 ZJ）。

Experimental Study on Optimized Sand Control in

Sandstone-Mudstone Interbedded Reservoirs

Liang Yukai1" Lou Yishan2" Liu Shanyong3" Peng Jianfeng1" Wang Lihua2" Gao Fei2

（1.Zhanjiang Branch of CNOOC （China） Co.，Ltd.；2.School of Petroleum Engineering，Yangtze University；3.Institute of Mud Logging Technology and Engineering，Yangtze University）

The unconsolidated sandstone reservoirs in the WC oilfield in the South China Sea is characterized by severe sand production，strong reservoir heterogeneity and staggered distribution of sandstone-mudstone interbeds.However，traditional sand control methods are less applicable to such reservoirs，resulting in severe screen blockage and continuous decline in productivity，which seriously affects its normal development.In order to understand the mechanism by which sandstone-mudstone interbed blocks the sand control screen and select the sand control method suitable for this type of reservoirs，a rotatable sand control physical simulation test device was developed according to the analogy simulation principle.Then，using the test device，and considering the interbed ratio of sandstone-mudstone interbedded reservoir and the wellbore inclination depending on field conditions，the influences of different factors on sand control methods were evaluated.The results show that the interbed ratio and wellbore inclination have significant impacts on the selection of sand control methods.When the interbed ratio is less than 0.4，high quality screen is preferred for sand control；otherwise，gravel pack sand control is applied.When the wellbore inclination is less than 45°，the interbed ratio has a relatively small impact on the gravel pack and blockage degree of sand control screen.When the wellbore inclination exceeds 45°，the impact of the wellbore inclination on the blockage degree of sand control screen cannot be ignored.The study results have important guiding significance for optimization of sand control in sandstone-mudstone interbedded reservoirs.

sand control；sandstone-mudstone interbed；interbed ratio；wellbore inclination；sand control of screen；physical simulation

0" 引" 言

在南海油氣田的開發過程中，大塊的優質儲層開發已趨于成熟，挖掘砂巖小層的開采潛力是未來增儲上產的重點［1-2］。南海WC油田疏松砂巖油藏儲量規模大、開發難度高。隨著油氣開發的不斷深入，該類儲層砂泥巖交錯，縱向上小砂體個數多達數百個，最薄的砂體不足0.1 m厚，造成防砂篩管非均勻堵塞情況增多。該類型儲層面臨如下挑戰：①砂泥巖互層、小夾層多且非均質性強，增加了防砂設計難度；②砂粒與泥質或黏土在篩管外表面環空及篩管內擋砂介質中的堵塞機理不相同，泥巖夾層在開采的過程中出現泥質層間運移，導致砂泥混合復合堵塞，影響防砂井產能，并且對該影響程度大小的判斷缺乏有效的評價手段［3-4］。因此，針對砂泥巖互層儲層開采特點確定合理的防砂方式及防砂參數是當前迫切需要解決的關鍵問題。

梁玉凱，等：砂泥巖互層儲層防砂優化設計試驗研究

目前國內外關于防砂設計和評價的研究較多，R.J.SAUCIER［5］通過大量試驗及現場應用后發現，當礫石尺寸為地層砂粒度中值的5～6倍時，對礫石層滲透率影響最小，礫石層滲透率損失降至最低，對產量提升最大。而對防砂井筒堵塞機制的研究主要集中在對礫石充填層的堵塞過程。K.FURUI等［6］、劉東等［7］通過試驗手段研究地層砂在礫石充填層多孔介質中的侵入和運移機制，分析了地層砂粒徑、侵入量及侵入厚度等因素對礫石充填層滲透率的影響。G.GILLESPIE等［8］考慮整個儲層非均質系數（UC）及地層砂粒度中值D50的分布范圍，采用室內試驗手段，評價了不同篩管對產能的影響，提出了不同地層條件下4種完井方式優選方法。目前，對防砂工藝的選取、完井篩管的選型與設計是取得良好防砂完井效果的關鍵，開展模擬井筒條件下防砂篩管堵塞特性試驗是重要手段［9-11］。國內鄧金根教授團隊［12-16］研究了儲層泥質含量、黏土吸水膨脹性對防砂方式選擇的影響，建立了適用于渤海灣地區適度防砂技術的防砂方式選擇圖版。李彥超等［17］采用多功能油藏驅替試驗裝置和數值分析方法，模擬了不同礫石與地層砂粒徑比情況下砂粒運移對礫石充填層滲透率的損害規律及礫石充填層堵塞機理。鄧福成等［18］針對金屬網布篩管被地層砂中微顆粒堵塞而造成低產或者停產的情況，開展了微顆粒對金屬網布篩管微顆粒堵塞機理研究。楊帥［19］通過試驗得出結論，砂泥巖互層篩管堵塞機理與純砂巖篩管堵塞機理有所不同，且互層比作為砂泥巖互層最重要的特征對篩管堵塞具有明顯的影響。

上述研究未考慮砂泥巖互層分布和井型特點，然而目標區塊具有砂巖小層多、互層比低、連通性差、膠結疏松等特點，采用傳統防砂設計方法適用性不強，可能會導致篩管堵塞加劇，產能下降。為此，結合其儲層特點，本文研制了一套針對多層系的室內防砂物理模擬試驗裝置。該裝置可模擬復雜砂泥巖互層、夾層等儲層，還能對不同井斜角進行模擬；通過大量防砂模擬試驗研究，建立了一套適合泥巖互層的防砂優化設計方法。研究結果可為防砂工藝設計、完井篩管的結構優選與參數設計等提供科學依據。

1" 儲層基本特征

WC油田疏松低滲儲層泥質含量較高，物性相對較差，巖心平均孔隙度25.6%～29.5%，平均滲透率19.3～57.9 mD，屬高孔、中低滲儲層。儲層粒度的分布是選擇防砂方式的主要依據，WC油田某井巖心粒度資料表明，不同層位粒度也會有差異。圖1顯示A組的粒度中值D50為150～250 μm和B組粒度中值D50為150～220 μm。

2" 砂泥巖互層防砂物理模擬試驗方法

2.1" 試驗原理及裝置

互層比是指砂巖儲層泥巖夾層厚度占儲層總厚度的比值，該值可反映砂、泥巖互層中泥巖的分布特點。當前防砂試驗裝置大都僅僅模擬砂體出砂特點，鮮有考慮層間相互干擾以及互竄對篩管防砂堵塞的影響，而該因素在砂泥巖互層分布的儲層開采中往往無法忽略。因此，為了真實模擬該類儲層，在有圍壓條件下進行防砂篩管模擬試驗，設計物模裝置時需考慮如何實現分層（從左至右互層比為0.75、0.50、0.25和0）模擬，基于該考慮模擬了互層比概況如圖2所示。

另外，目前眾多試驗裝置僅僅以垂直井筒作為研究對象，未考慮由于井型變化（斜井、水平井等）導致的井壁坍塌對流動性和堵塞規律的影響。為了克服該缺陷，在建立物模裝置時，應設計能夠動態調整井筒傾斜角度的操作條件，以便模擬不同井斜角的出砂規律。綜合前述要求與考慮，設計了防砂模擬試驗裝置，如圖3所示。

為了評價油氣開采過程中砂泥巖互層分布引起的泥質運移或儲層坍塌等對井筒內防砂管堵塞規律的影響，論證適度出砂開采中防砂管獨立防砂的適用范圍，將防砂管在試驗中的過流能力（即防砂管整體滲透率k）作為評價指標。攜砂流體在通過防砂篩管時，其所攜帶的砂和泥會逐漸堵塞篩管，致使篩管的過流面積逐漸減小，阻力隨之增大，導致篩管內、外壓差和流量發生變化。通過壓力傳感器和流量儀實時記錄篩管內外的壓力和流量，可計算篩管整體滲透率k的變化：

k=qμ2πhΔplnDidi（1）

式中：k為防砂管整體滲透率，mD；

q為流量，L/h；

μ為流體黏度，mPa·s；

h為測試篩管長度，cm；

Δp為壓差，MPa；

Di為篩管內半徑，mm；

di為篩管外半徑，mm。

2.2" 試驗材料及條件

試驗材料主要包括全尺寸防砂管、原油和礫石層等。試驗采用的防砂篩管選取符合美國API目數標準的金屬網布復合優質篩管，其基管尺寸76 mm，擋砂層網布精度150 μm，長度1 000 mm，篩管外徑約為94 mm，如圖4所示。另外，由于地下原油獲取困難，以工業白油來模擬地下溫度時原油黏度，采用工業陶粒（0.60～1.40、0.40～1.00、0.25～0.40 mm）。

儲層條件：模擬砂泥巖交錯分布儲層，通過改變砂體厚度來改變互層比參數；為定量分析地層互層比對防砂方式選擇的影響，以WC油田某井為參照對象，模擬粒度、泥質含量及黏土礦物組分等參數。基于真實儲層粒度分布（D10、D40、D50、D90，非均質系數等）特點，模擬參數與儲層參數符合程度90％以上；對于泥巖層段，模擬真實儲層礦物組分，其中蒙脫石含量符合程度90％以上；采用工業標準目數的石英砂作為試驗用地層砂，調整不同目數石英砂的比例，使配制的石英砂與儲層粒度特征值相符，如圖5所示。

2.3" 試驗方案

砂泥巖互層特點防砂物理模擬試驗方案如圖6所示。由圖6可以看出，試驗方案分為2部分，第一部分是模擬儲層特點，改變互層比含量，以建立直井井筒開采過程中隨互層比變化的防砂管堵塞曲線，分析影響規律及敏感期間；第二部分是根據模擬儲層特點，針對砂泥巖等厚交錯儲層，改變井斜角，以建立定向井開采過程中隨井斜角變化的防砂管堵塞曲線，分析井筒坍塌對防砂管的影響規律。圖6中凈毛比表示凈砂層有效厚度與毛砂層巖有效厚度的比值。

3" 試驗結果與分析

3.1" 直井中互層比對篩管防砂完井堵塞的影響規律

由于存在環空區間，泥巖層在流體攜帶下向整個防砂管外表面流動，導致防砂管整體堵塞。而礫石充填防砂中，礫石層限制了泥質的縱向流動，會降低該因素的影響。為定量分析地層互層比對防砂方式選擇的影響，以南海WC油田珠江組儲層為研究對象，考慮砂泥巖互層小層多，儲層分布不均等特點，進行不同互層比（0.75、0.50、0.25和0）條件下的出砂模擬對比試驗。試驗介質采用黏度為80 mPa·s的工業白油模擬地下原油，篩管選用225 μm金屬網布復合優質篩管，泥巖層由石英等固相顆粒及黏土""" 礦物組成，其中泥質含量占50%，砂巖層含15%蒙脫石。試驗初始流量根據油田單井產量測算為2 000 L/h，循環介質采用黏度為80 mPa·s的工業白油模擬地下原油，分別進行10組不同互層比條件下的模擬試驗。圖7為2種不同防砂方式下擋砂介質滲透率隨互層比變化的關系圖，整個試驗測試數據見表1。

如圖7所示：當互層比為0.6時，裸眼優質篩管防砂與礫石充填防砂堵塞程度相同，當互層比小于0.6時，砂泥巖儲層層間互竄導致的篩管堵塞要低于同樣條件下礫石充填防砂中礫石層堵塞。因此在現場防砂方式優選中，當互層比小于0.6時可優先選用裸眼+礫石充填防砂。

3.2" 井斜角對篩管防砂完井堵塞的影響規律

隨著井斜角的增加，在開發階段儲層的坍塌風險增高，為分析定向井在開采階段中的井壁垮塌和砂泥巖互竄導致的防砂管堵塞規律，進行了不同井斜角下的對比試驗研究。控制基礎試驗條件一致，互層比為0.5，即采用1∶1砂泥混合（從上至下分別為泥-砂-泥-砂，共計4層）配比，循環用的流體介質采用黏度為80 mPa·s的工業白油模擬地下原油，分別開展井斜角在0°、30°、45°、60°、75°和90°的模擬試驗共計12組，試驗測試數據見表2。

圖8所示為同一防砂方式下不同井斜角的防砂試驗對比圖。從圖8可以發現，隨著井斜角的增加堵塞越明顯，表明此時滲透率也越小。

圖9為試驗所得不同井斜角對篩管最終滲透率的影響曲線圖。由圖9可知，對于礫石充填防砂，由于環空中充填滿礫石層，開采過程中基本不存在井壁坍塌風險。當互層比一定時，井斜角變化對防砂管或礫石層堵塞影響較小，可以忽略。對于優質篩管防砂，井斜角30°～60°為坍塌加劇區間，當井斜角超過45°時，防砂管堵塞程度超過礫石充填防砂。因此，在現場防砂設計中必須考慮井斜角的因素來進行防砂方式優選。

4" 實例應用

以南海WC油田明化鎮組儲層為例，其儲層特性見表3。

利用所建立的砂泥巖互層設計方法，分別對該區塊進行防砂方式優化設計，預計通過該設計方法應用，該區塊可采用優質篩管防砂，不會產生嚴重的篩管堵塞問題，且能極大的釋放產能。應用結果與適度出砂開采設計目標一致，并且得到了現場產能統計數據的驗證。

結合前人研究成果，基于室內防砂物理模擬試驗，結合我國南海海域砂泥巖互層儲層不同完井方式下的產能評價結果，提出了考慮砂泥巖互層和井型特點的防砂方式優選方法，并建立了相關設計圖版，如圖10所示。

（1）當D50lt;50 μm，采用礫石充填防砂方式。

（2）當50 μmlt;D50lt;250 μm：①互層比lt;0.4，采用礫石充填防砂方式；②互層比gt;0.4，井斜角lt;45°，采用優質篩管防砂方式；③互層比gt;0.4，井斜角gt;45°，采用礫石充填防砂方式。

（3）當D50gt;250 μm：①非均質系數gt;5.0，采用金屬纖維優質篩管防砂；②非均質系數lt;5.0，采用金屬網布優質篩管防砂方式。

5" 結論與認識

（1）建立了南海泥砂巖夾層油藏防砂篩管堵塞試驗評價裝置與方法，模擬定向井砂泥巖互層優質篩管、礫石充填完井等防砂完井方式。通過模擬對比分析地層出砂過程中井筒滲透率，進行防砂井筒堵塞特性的地面模擬試驗。在前人研究基礎上增加了互層比與井斜角的因素，擴大了適度出砂開采的應用范圍。

（2）在保證泥質含量和黏土"""" 礦物成分等條件不變的情況下，通過試驗發現不同互層比對篩管防砂方式的選擇有顯著影響。當互層比小于0.6時，優先選用礫石充填防砂，大于0.6時選用優質篩管防砂方式。

（3）相較于傳統防砂設計方法，創造性地運用了相似模擬原理，開發了可旋轉式防砂物理模擬試驗裝置，并通過結合實際工況重點與考慮砂泥巖互層儲層的互層比與井筒井斜角兩大因素，評價分析不同因素對防砂方式的影響，使得防砂方式具有普適性和高效性。

（4）根據考慮井型特點的模擬試驗結果發現，井斜角對不同防砂方式的影響不同，井斜角變化對礫石充填防砂影響較小，可以忽略。然而，當井斜角超過45°時，其對優質篩管防砂的影響不可忽略，井斜角增加使得篩管滲透率明顯降低。

［1］" 范白濤，鄧金根，林海，等．壓裂充填方式對疏松砂巖儲層油水運移的影響［J］．中國海上油氣，2019，31（6）：111-117．

FAN B T，DENG J G，LIN H，et al.Influence of frac-packing methods on oil-water migration in unconsolidated sandstone reservoirs［J］.China Offshore Oil and Gas，2019，31（6）：111-117.

［2］" 李進，許杰，龔寧，等．渤海油田疏松砂巖儲層動態出砂預測［J］．西南石油大學學報（自然科學版），2019，41（1）：119-128．

LI J，XU J，GONG N，et al.Prediction of dynamic sanding in unconsolidated sandstone reservoirs of Bohai Oilfield［J］.Journal of Southwest Petroleum University（Science amp; Technology Edition），2019，41（1）：119-128.

［3］" 張俊斌，張慶華，張譯，等．疏松砂巖油藏水平井防砂篩管優選和防砂精度優化［J］．石油鉆采工藝，2018，40（6）：811-817．

ZHANG J B，ZHANG Q H，ZHANG Y，et al.Selection and sand control precision optimization of sand control screen for horizontal wells in unconsolidated sandstone oil reservoirs［J］.Oil Drilling amp; Production Technology，2018，40（6）：811-817.

［4］" 劉新鋒，高斐，趙軒康，等．渤海灣中部疏松砂巖油藏礫石充填 適度防砂適應性評價［J］．科學技術與工程，2019，19（22）：129-135．

LIU X F，GAO F，ZHAO X K，et al.Moderate sand control adaptability evaluation of gravel packing in loose sandstone reservoirs in central Bohai Bay［J］.Science Technology and Engineering，2019，19（22）：129-135.

［5］" SAUCIER R J.Considerations in gravel pack design［J］.Journal of Petroleum Technology，1974，26（2）：205-212.

［6］" FURUI K，FUH G F F，MORITA N.Casing-and screen-failure analysis in highly compacting sandstone fields［J］.SPE Drilling amp; Completion，2012，27（2）：241-252.

［7］" 劉東，李麗，周承詩，等．注聚區油井防砂層堵塞原因與解堵措施［J］．中國石油大學學報（自然科學版），2010，34（2）：78-82．

LIU D，LI L，ZHOU C S，et al.Plugging mechanism and plug removing of sand control area in polymer injection well［J］.Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2010，34（2）：78-82.

［8］" GILLESPIE G，DEEM C K，MALBREL C.Screen selection for sand control based on laboratory tests［C］∥Presented at the SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition.Brisbane，Australia：SPE，2000：SPE 64398-MS.

［9］" 王鳳清，秦積舜．疏松砂巖油層出砂機理室內研究［J］．石油鉆采工藝，1999（4）：66-68，116．

WANG F Q，QIN J S.Lab research on sand production mechanism in unconsolidated reservoir［J］.Oil Drilling amp; Production Technology，1999（4）：66-68，116.

［10］" UNDERDOWN D R，DICKERSON R C，VAUGHAN W.The nominal sand-control screen：a critical evaluation of screen performance［J］.SPE Drilling amp; Completion，2001，16（4）：252-260.

［11］" MONDAL S，WU C H，SHARMA M M，et al.Characterizing，designing，and selecting metal mesh screens for standalone-screen applications［J］.SPE Drilling amp; Completion，2016，31（2）：085-094.

［12］" MA C Y，DENG J G，DONG X L，et al.A new laboratory protocol to study the plugging and sand control performance of sand control screens［J］.Journal of Petroleum Science and Engineering，2020，184：106548.

［13］" LI P，DENG J G，ZHAO W L，et al.The optimization of sand control completion in Bohai Bay［J］.Petroleum Science and Technology，2012，30（16）：1704-1714.

［14］" 鄧金根，李萍，周建良，等．中國海上疏松砂巖適度出砂井防砂方式優選［J］．石油學報，2012，33（4）：676-680．

DENG J G，LI P，ZHOU J L，et al.Sand control optimization applied to moderately sanding wells in offshore loose sandstone reservoirs［J］.Acta Petrolei Sinica，2012，33（4）：676-680.

［15］" 王利華，樓一珊，鄧金根，等．深水淺層氣田防砂方式優選及防砂參數優化［J］．石油鉆探技術，2013，41（1）：98-102．

WANG L H，LOU Y S，DENG J G，et al.Optimization of sand control methods and parameters selection for shallow-gas fields in deep-water［J］.Petroleum Drilling Techniques，2013，41（1）：98-102.

［16］" 孫金，鄧金根，王堯，等．新型泡沫金屬篩管堵塞機理及影響因素試驗研究［J］．石油鉆探技術，2015，43（5）：123-128．

SUN J，DENG J G，WANG Y，et al.Experimental study on plugging mechanisms and influencing factors of a new foam metal screen［J］.Petroleum Drilling Techniques，2015，43（5）：123-128.

［17］" 李彥超，李明忠，王衛陽，等．砂粒運移對礫石充填層損害試驗與數值模擬［J］．排灌機械工程學報，2014，32（1）：56-59，79．

LI Y C，LI M Z，WANG W Y，et al.Experiments and numerical simulations of gravel packed layer damage due to sand migration［J］.Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering，2014，32（1）：56-59，59.

［18］" 鄧福成，林海，曹硯鋒，等．微顆粒成分對金屬網布篩管的堵塞機理試驗研究［J］．石油科學通報，2017，2（4）：500-506．

DENG F C，LIN H，CAO Y F，et al.Experimental study of plugging mechanisms of metal mesh screens with different particle compositions［J］.Petroleum Science Bulletin，2017，2（4）：500-506.

［19］" 楊帥．疏松砂泥巖互層防砂篩管堵塞機理試驗研究［D］．青島：中國石油大學（華東），2018．

YANG S.Experimental study on blocking mechanism of sand control screen in sand-shale interbed［D］.Qingdao：China University of Petroleum（East China），2018.

第一梁玉凱，高級工程師，生于1981年，2009年畢業于中國石油大學（華東）油氣田開發專業，現從事采油工藝技術研究與應用工作。地址：（570311）海南省海口市。電話：（0898）69090469。email：liangyk1@cnooc.com.cn。2024-06-28宋治國