孫 金， 鄧金根， 王 堯， 王厚東， 劉凱銘

(1.油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 102249；2.中海油能源發(fā)展采油技術(shù)服務(wù)公司，天津 300452)

新型泡沫金屬篩管堵塞機(jī)理及影響因素試驗(yàn)研究

孫 金1， 鄧金根1， 王 堯2， 王厚東1， 劉凱銘1

(1.油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 102249；2.中海油能源發(fā)展采油技術(shù)服務(wù)公司，天津 300452)

為了解新型泡沫金屬篩管的堵塞機(jī)理和優(yōu)化篩管結(jié)構(gòu)，利用全尺寸防砂試驗(yàn)裝置模擬泡沫金屬篩管的堵塞過程，采用比采油指數(shù)評(píng)價(jià)篩管堵塞程度，分析不同泥質(zhì)含量、篩管精度和泡沫金屬層厚度下的堵塞程度及堵塞機(jī)理。結(jié)果表明，表層顆粒架橋是泡沫金屬篩管堵塞的主要原因，篩管的比采油指數(shù)隨泥質(zhì)含量增大呈指數(shù)函數(shù)衰減，最終約穩(wěn)定在0.075 m3/(d·MPa·m)，與不含泥質(zhì)時(shí)相比，下降了約78%；泡沫金屬層孔徑增大，比采油指數(shù)隨之增大；泡沫金屬層厚度增大，比采油指數(shù)的變化很小。新型泡沫金屬篩管堵塞機(jī)理及影響因素的研究結(jié)果，為進(jìn)一步優(yōu)化篩管結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

泡沫金屬篩管 堵塞機(jī)理 表層顆粒 架橋 泥質(zhì)含量 防砂

弱固結(jié)或未固結(jié)的疏松砂巖儲(chǔ)層出砂嚴(yán)重，針對(duì)這一問題研究發(fā)展了油氣井防砂完井技術(shù)，其中機(jī)械式防砂技術(shù)應(yīng)用最為廣泛[1-3]。目前機(jī)械式防砂常用的篩管主要包括割縫篩管、繞絲篩管、金屬棉篩管和金屬網(wǎng)布篩管[4-6]，但在生產(chǎn)過程中存在篩管堵塞問題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)篩管堵塞問題進(jìn)行了大量研究。O.S.Larsen等[7]研究了金屬網(wǎng)布篩管的砂粒滯留機(jī)理；施進(jìn)等[8]研究了篩網(wǎng)式防砂管結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)能的影響；董長銀等[9]研究了細(xì)粉砂、泥質(zhì)含量和流速等因素對(duì)篩網(wǎng)式防砂管堵塞程度的影響。但以上研究針對(duì)的都是常規(guī)防砂管，目前還沒有見到關(guān)于泡沫金屬篩管等新型防砂管堵塞機(jī)理及影響因素研究的公開報(bào)道。

泡沫金屬具有通透性高、耐磨、耐腐蝕和不易變形等性能，是一種理想的過濾材料[10-11]。筆者針對(duì)泡沫金屬的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)了一種雙層結(jié)構(gòu)防砂篩管，并利用自行研制的全尺寸防砂模擬試驗(yàn)裝置[12-13]進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究泥質(zhì)含量、篩管精度和泡沫金屬層厚度等因素對(duì)泡沫金屬篩管堵塞程度的影響，分析其堵塞機(jī)理，以加快該型篩管的推廣應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)油氣井防砂完井技術(shù)的突破。

1 泡沫金屬篩管

泡沫金屬篩管的過濾材料為泡沫鋁。泡沫鋁是在純鋁或鋁合金中加入添加劑后經(jīng)過發(fā)泡制成的，具有密度低、剛度高、耐高溫、抗腐蝕、易加工、連通性好等優(yōu)點(diǎn)，孔隙度可達(dá)到80%以上，孔徑可調(diào)范圍為0.05～10.00 mm[14]，孔徑均勻度較高。以上特點(diǎn)表明，泡沫鋁適合作為篩管的過濾材料。泡沫金屬篩管設(shè)計(jì)為多層結(jié)構(gòu)，包括帶孔基管、泡沫金屬層和保護(hù)管(見圖1)。其中，泡沫金屬層包括內(nèi)外2層，采用外密內(nèi)疏的孔徑結(jié)構(gòu)，內(nèi)層孔徑較大，可以保證固相顆粒進(jìn)入泡沫金屬層后能夠順利排出；外層篩管孔徑較小，可以提高篩管的擋砂性能。

根據(jù)泡沫金屬層的厚度和精度，選用4種規(guī)格的篩管進(jìn)行試驗(yàn)，篩管長度均為0.45 m，外徑分別為170和180 mm，泡沫金屬層均包含內(nèi)外2層，對(duì)應(yīng)的泡沫金屬層總厚度分別為10和15 mm，篩管編號(hào)及相應(yīng)的厚度和精度見表1(泡沫金屬的精度用孔密表示，即單位面積上的孔數(shù)，其值越小，孔徑越大)。

2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

2.1 堵塞程度評(píng)價(jià)

試驗(yàn)時(shí)，使用含砂的試驗(yàn)油以基本恒定的壓差(高壓釜進(jìn)出口兩端的壓差)長時(shí)間驅(qū)替，同時(shí)測(cè)量通過篩管的流量，驅(qū)替過程中流體攜帶的砂粒和泥質(zhì)會(huì)逐步堵塞篩網(wǎng)，流量將逐漸降低，流量隨驅(qū)替時(shí)間發(fā)生變化，這種變化反映了篩管堵塞過程，可采用比采油指數(shù)表征泡沫金屬篩管的抗堵塞能力[15]。比采油指數(shù)越小，篩管的堵塞程度越嚴(yán)重,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中：Jo為比采油指數(shù)，m3/(d·MPa·m)；Q為流量，m3/d；Δp為壓差，MPa；h為篩管長度，m。

2.2 試驗(yàn)裝置及流程

全尺寸防砂模擬試驗(yàn)裝置包括攪拌罐、泵、井下防砂模擬裝置(高壓釜、篩管) 和壓力計(jì)、流量計(jì)等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(見圖2)。

向攪拌罐中加入一定量的模擬砂，含砂試驗(yàn)油經(jīng)隔膜泵以設(shè)定的壓力從4個(gè)方向進(jìn)入高壓釜，通過高壓釜體內(nèi)壁的分流網(wǎng)形成均勻徑向流,一部分細(xì)顆粒砂通過防砂管被流體攜帶出來,在出油口進(jìn)行油砂分離即可得到出砂量，大部分砂粒在防砂管外表面堆積形成濾餅和砂橋，堵塞篩管。

選用的4種泡沫金屬篩管的擋砂精度為170～210 μm，根據(jù)1/3～2/3顆粒架橋理論，試驗(yàn)用模擬砂的粒徑中值為105 μm，最大粒徑為250 μm。試驗(yàn)用油為220#齒輪油，其密度為0.893 g/cm3，黏度為196 mPa·s，含砂比為3%(砂與試驗(yàn)油的質(zhì)量比)。試驗(yàn)所用的泥質(zhì)為膨潤土，其主要成分為蒙脫石。試驗(yàn)?zāi)M的是獨(dú)立篩管完井方式，即篩管與套管之間存在非礫石填充帶。試驗(yàn)流程如下：

1) 連接好試驗(yàn)裝置，將切割好的泡沫金屬篩管放在高壓釜中并固定密封好，然后蓋上高壓釜蓋；

2) 攪拌罐中加入約300 kg試驗(yàn)用油，啟動(dòng)高壓泵，循環(huán)試壓，確保試壓過程中無滲漏情況；

3) 開泵循環(huán)一段時(shí)間后，打開高壓釜蓋上的排氣閥進(jìn)行排氣；

4) 配置泥質(zhì)含量分別為0，5%，10%，15%，20%和25%(泥質(zhì)含量為膨潤土占模擬砂質(zhì)量的比例)的模擬砂；

5) 先利用不含砂的試驗(yàn)油循環(huán)5 min，測(cè)量此時(shí)的流量，然后向攪拌罐中加入3%的模擬地層砂，加砂過程中開啟攪拌系統(tǒng)，攪拌均勻后，先在低壓差下循環(huán)20 min，然后逐漸加壓至試驗(yàn)壓差；

6) 砂液攪拌均勻后，啟動(dòng)高壓泵，將試驗(yàn)壓差(即高壓釜進(jìn)出口兩端的壓差)固定為7 MPa，開始試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量流量，待流量基本穩(wěn)定后，結(jié)束試驗(yàn)。

7) 試驗(yàn)結(jié)束后，將模擬原油、模擬砂分別置入到指定的容器內(nèi)，待環(huán)保部門進(jìn)行回收處理。

3 泡沫金屬篩管堵塞的影響因素分析

3.1 泥質(zhì)含量

采用編號(hào)為180-70-80(參數(shù)見表1)的泡沫金屬篩管進(jìn)行泥質(zhì)含量分別為0,5%，10%，15%，20%和25%的篩管堵塞試驗(yàn)，其流量與驅(qū)替時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，未向試驗(yàn)油加砂前(0～5 min)，篩管未發(fā)生堵塞，流經(jīng)篩管的流量很大，而加砂后(5～10 min)篩管的流量快速降低，說明流體中攜帶的砂和泥質(zhì)導(dǎo)致篩管堵塞，流量降低的過程反映了篩管的堵塞過程，10～20 min時(shí)的流量波動(dòng)是由于試驗(yàn)過程中的加壓操作導(dǎo)致的。由于加砂前后流量相差較大，難以從圖3看出穩(wěn)定后各泥質(zhì)含量下的流量，將壓差穩(wěn)定在7 MPa后的流量轉(zhuǎn)化為比采油指數(shù)，分析其堵塞程度，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，當(dāng)壓差穩(wěn)定在7 MPa后，流量逐漸降低并最終趨于穩(wěn)定，且泥質(zhì)含量越小，對(duì)應(yīng)的比采油指數(shù)越大，說明泥質(zhì)含量增大，加劇了篩管的堵塞程度。

不同泥質(zhì)含量下流量穩(wěn)定后對(duì)應(yīng)的比采油指數(shù)測(cè)量結(jié)果見圖5。對(duì)圖5中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得到比采油指數(shù)與泥質(zhì)含量之間的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系為：

Jo=0.075+0.269e-0.168Vsh

(2)

式中：Vsh為泥質(zhì)含量，%。

可見，比采油指數(shù)隨泥質(zhì)含量增加呈指數(shù)函數(shù)遞減，最終比采油指數(shù)約穩(wěn)定在0.075 m3/(d·MPa·m)，比不含泥質(zhì)含量時(shí)下降了約78%，說明泡沫金屬篩管適用于泥質(zhì)含量較低的儲(chǔ)層。

對(duì)式(2)求導(dǎo)，可以得到比采油指數(shù)的衰減速度，即：

(3)

由式(3)可看出，隨著泥質(zhì)含量增大，比采油指數(shù)的衰減速度將逐漸變緩，即比采油指數(shù)的下降速度先快后慢，當(dāng)泥質(zhì)含量較低時(shí)，泡沫金屬篩管對(duì)泥質(zhì)較敏感，然而隨著泥質(zhì)含量增大，其敏感性越來越小。

3.2 泡沫金屬的精度

對(duì)采用不同泡沫金屬精度的外徑170 mm篩管進(jìn)行泥質(zhì)含量分別為0，5%和10%的堵塞試驗(yàn)，壓差穩(wěn)定在7 MPa時(shí)的比采油指數(shù)見圖6。

由圖6可看出，當(dāng)壓差穩(wěn)定在7 MPa時(shí)，2種泡沫金屬精度的篩管，其比采油指數(shù)均逐漸降低并趨于穩(wěn)定，但降低幅度不同，當(dāng)外層泡沫金屬的孔徑較大時(shí)(精度為992孔/cm2)，穩(wěn)定后的比采油指數(shù)相對(duì)更高，為方便對(duì)比分析，將不同泥質(zhì)含量下不同泡沫金屬精度的篩管穩(wěn)定后的比采油指數(shù)列入表2。

表2 不同泥質(zhì)含量下不同精度篩管流量穩(wěn)定后的比采油指數(shù)

Table 2 The specific productivity index of different precision of screen at different shale contents

由表2可見:外層泡沫金屬精度降低有利于提高篩管的比采油指數(shù)，在一定程度上可以改善篩管的抗堵塞能力；但隨著泥質(zhì)含量增大，篩管抗堵塞能力逐漸減弱。

3.3 泡沫金屬層厚度

對(duì)表1中的4種篩管進(jìn)行了泥質(zhì)含量分別為0，5%和10%的堵塞模擬試驗(yàn)，穩(wěn)定后的比采油指數(shù)如圖7所示。

由圖7可看出，對(duì)于4種類型的泡沫金屬篩管，不同泡沫金屬層厚度下的比采油指數(shù)差別很小，說明泡沫金屬層的厚度對(duì)篩管的堵塞程度沒有明顯的影響，增加篩管層的厚度并不能使砂子在泡沫金屬層中產(chǎn)生明顯滯留，減小泡沫金屬層的厚度也不能減弱篩管的堵塞程度，因此，單純依靠減小泡沫金屬層的厚度對(duì)于改善泡沫金屬篩管的抗堵塞能力比較有限。

4 堵塞機(jī)理分析

篩管堵塞物主要為一些固相顆粒，包括地層砂、地層中的泥質(zhì)、鉆完井過程中的固相污染物、生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的無機(jī)垢和有機(jī)垢等，篩管被這些固相堵塞物堵塞后，就會(huì)使篩管滲透率降低，形成新的表皮系數(shù)，從而造成油井產(chǎn)量降低。一般來說，篩管的堵塞機(jī)制主要包括表層架橋堵塞和內(nèi)部截留2種形式[16-17]。

表層架橋堵塞的機(jī)理是：獨(dú)立篩管完井的開發(fā)井，篩管和套管之間無礫石充填，出砂時(shí)，地層的游離固相顆粒以分選架橋的形式直接聚集在篩管的外部，使固相顆粒無法進(jìn)入擋砂介質(zhì)內(nèi)部而被阻擋在篩管外部，而更細(xì)的固相顆粒則繼續(xù)在表面架橋形成新的砂層，但其孔喉尺寸更小，形成的多孔介質(zhì)會(huì)阻擋更細(xì)的地層砂粒，從而形成濾餅引起篩管堵塞。

內(nèi)部截留包含架橋和吸附2種機(jī)理：一方面，擋砂介質(zhì)孔隙的不規(guī)則性及非均質(zhì)性導(dǎo)致進(jìn)入的固相顆粒難以排出，在擋砂介質(zhì)的孔隙內(nèi)部形成砂橋，造成篩管滲透率降低；另一方面，當(dāng)過濾介質(zhì)孔道彎曲細(xì)長、孔道形狀不規(guī)則時(shí)，足夠細(xì)的顆粒進(jìn)入過濾介質(zhì)內(nèi)部后將產(chǎn)生吸附作用，同樣會(huì)降低篩管的滲透率，引起篩管堵塞。

以上為常規(guī)機(jī)械篩管的堵塞機(jī)理，為研究泡沫金屬篩管的堵塞機(jī)制，對(duì)試驗(yàn)后的篩管進(jìn)行切割，觀察其內(nèi)部固相顆粒的分布。觀察發(fā)現(xiàn)，獨(dú)立篩管完井時(shí)，油中的模擬砂和泥質(zhì)直接在篩管表面架橋，導(dǎo)致篩管外層被濾餅覆蓋，極大地降低了篩管的滲透率，說明表層架橋堵塞在泡沫金屬篩管的堵塞過程中起到了重要作用；篩管外層的內(nèi)表面以及篩管內(nèi)層的內(nèi)外2個(gè)表面均未見明顯砂橋，偶爾可見少數(shù)顆粒。試驗(yàn)后利用篩管的內(nèi)層泡沫金屬進(jìn)行了過油測(cè)試，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)油可自由通過篩管內(nèi)層，說明篩管的內(nèi)部基本沒有發(fā)生堵塞，進(jìn)一步說明表層架橋堵塞是泡沫金屬篩管的主要堵塞原因。

由以上分析可知，主要是由于地層砂和泥質(zhì)在表層的架橋作用引起泡沫金屬篩管堵塞，而內(nèi)部的截留作用很弱，說明單純減小篩管內(nèi)外泡沫金屬層的厚度并不能提高抗堵塞能力，不同泡沫金屬層厚度下的堵塞程度分析結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

5 結(jié)論及建議

1) 泥質(zhì)含量對(duì)篩管的堵塞程度影響較大，隨著泥質(zhì)含量增大，比采油指數(shù)呈指數(shù)函數(shù)衰減，說明泡沫金屬篩管對(duì)儲(chǔ)層泥質(zhì)較為敏感，適用于泥質(zhì)含量較低的儲(chǔ)層；增加外層泡沫金屬的孔徑，在一定程度上有利于提高篩管的抗堵塞能力；泡沫金屬層的厚度對(duì)篩管的堵塞影響很小，基于抗堵塞和經(jīng)濟(jì)性的考慮，可適當(dāng)降低外層泡沫金屬層的精度、減小其厚度。

2) 試驗(yàn)表明，泡沫金屬篩管的內(nèi)部截留作用很弱，表層架橋堵塞是泡沫金屬篩管發(fā)生堵塞的主要原因。

3) 影響篩管堵塞的因素很多，包括泥質(zhì)含量、篩管結(jié)構(gòu)、擋砂精度、細(xì)粉砂含量、流體流速和防砂完井方式等，研究時(shí)僅考慮了獨(dú)立篩管完井方式下泥質(zhì)含量和篩管結(jié)構(gòu)對(duì)堵塞程度的影響，而且篩管結(jié)構(gòu)比較單一，后續(xù)研究泡沫金屬篩管的堵塞時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化篩管的結(jié)構(gòu)和考慮更多的影響因素。

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[編輯 滕春鳴]

歡迎訂閱2016年《斷塊油氣田》

《斷塊油氣田》是中國石油化工集團(tuán)公司主管、中原石油勘探局主辦、專門研究斷塊油氣田的綜合性刊物，國內(nèi)外公開發(fā)行，國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號(hào)CN 41-1219/TE，國際標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)出版物號(hào) ISSN 1005-8907。

《斷塊油氣田》為河南省二十佳科技期刊，現(xiàn)為中文核心期刊。被美國《劍橋科學(xué)文摘(自然科學(xué))》、美國《劍橋科學(xué)文摘(工程技術(shù))》、美國《石油文摘》(PA)、美國《化學(xué)文摘》(CA)、美國《烏利希期刊指南》等數(shù)據(jù)庫收錄。開設(shè)欄目有專論綜述、地質(zhì)勘探、開發(fā)工程、鉆采工藝、測(cè)井測(cè)試、信息簡訊等，報(bào)道內(nèi)容涉及斷塊油氣田研究的各個(gè)領(lǐng)域。

《斷塊油氣田》為大16開本，雙月刊，逢單月25日出版，每期定價(jià)60元，全年6期共360元(含郵費(fèi))。每年還有一定數(shù)量的合訂本供訂閱，每冊(cè)400元。

《斷塊油氣田》承辦廣告業(yè)務(wù)(廣告經(jīng)營許可證：4109004000001)，在推廣新技術(shù)、新產(chǎn)品，開拓市場(chǎng)，溝通產(chǎn)銷渠道，宣傳企業(yè)形象方面，竭誠為廣大客戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

1.銀行匯款。開戶銀行:中國建設(shè)銀行濮陽分行中原油田支行；銀行賬號(hào):41001501810050203500；戶名:中國石油化工股份有限公司中原油田分公司勘探開發(fā)科學(xué)研究院；銀行代碼:105502000025；并注明“訂刊”字樣。

2.郵局匯款。單位：河南省濮陽市中原東路360號(hào)《斷塊油氣田》期刊社；郵編：457001；聯(lián)系人：簡本君；聯(lián)系電話：(0393)4820093，4783601；郵發(fā)代號(hào)：36-351；E-mail:dkyqt@vip.163.com；網(wǎng)址：www.dkyqt.com。

Experimental Study on Plugging Mechanisms and Influencing Factors of a New Foam Metal Screen

Sun Jin1, Deng Jingen1, Wang Yao2, Wang Houdong1, Liu Kaiming1

(1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting(ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)),Beijing102249,China; 2.CNOOCEnergyDevelopment&OilProductionServicesCorporation,Tianjin300452,China)

In order to study the plugging mechanisms and optimize the structure of foam metal screen,the plugging process for foam metal screens was simulated by a large-scale sand control simulation device. With the screen plugging degree evaluating the specific productivity index, the plugging degree and mechanism under the different shale content, the screen precision and the thickness of the foam metal were analyzed. The experimental results showed that surface particle bridging was the main cause of foam metal screen plugging. The specific productivity index exponentially decreases with the increase of shale content where it finally stabilized at 0.075 m3/(d·MPa·m), which decreased by 78% compared with the index where there was no shale content. When the pore size of foam metal is increased, the specific productivity index increases. The increase of foam metal thickness had slight impact on the specific productivity index. The experimental study of plugging mechanism and influencing factors of foam metal screen provided theoretical basis for the optimization of screen structure.

metal screen with foam； plugging mechanism； surface particle； bridging； shale content； sand control

2014-11-07；改回日期：2015-06-14。

孫金(1987—)，男，山東棗莊人，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)石油工程專業(yè)，2012年獲中國石油大學(xué)(華東)油氣井工程專業(yè)碩士學(xué)位，在讀博士研究生，主要從事石油工程巖石力學(xué)及油氣井防砂等方面的研究。

國家科技重大專項(xiàng)“復(fù)雜結(jié)構(gòu)井優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制關(guān)鍵技術(shù)”(編號(hào)：2011ZX05009-005)資助。

?鉆采機(jī)械?

10.11911/syztjs.201505021

TE925+.3

A

1001-0890(2015)05-0123-06

聯(lián)系方式：(010)89733911，sunjin19870216@126.com