董長銀，崔明月，彭建峰，王 鵬，蔣衛(wèi)東，張東峰，張清華，付金杰

（1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007；3.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江524000；4.中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司，廣東湛江524000）

氣田水平井防砂篩管類型優(yōu)選與精度優(yōu)化試驗

董長銀1，崔明月2，彭建峰3，王 鵬2，蔣衛(wèi)東2，張東峰4，張清華1，付金杰1

（1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007；3.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江524000；4.中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司，廣東湛江524000）

機(jī)械防砂篩管是疏松砂巖氣藏防砂完井管柱的關(guān)鍵組成部分，其總體結(jié)構(gòu)和擋砂介質(zhì)性能決定了擋砂效果和氣井防砂后產(chǎn)能以及總體服務(wù)期限。南海X氣田為疏松砂巖易出砂氣藏，為選擇合適的水平井二次防砂機(jī)械篩管類型并優(yōu)化擋砂精度，使用自行研制開發(fā)的擋砂介質(zhì)性能評價徑向流驅(qū)替試驗裝置，模擬該氣田地層砂和生產(chǎn)條件，對單層網(wǎng)布復(fù)合篩管、雙層網(wǎng)布復(fù)合篩管、復(fù)合繞絲篩管、多層精密篩管、孔網(wǎng)復(fù)合篩管等5種類型的篩管樣品進(jìn)行了綜合性能評價試驗；根據(jù)動態(tài)試驗數(shù)據(jù)，提出篩管的流通性能、擋砂性能及其評價指標(biāo)的計算方法，系統(tǒng)地評價5種篩管的各單項性能和綜合性能，并得到具體的量化評價指標(biāo)。為優(yōu)化擋砂精度，使用從0.08～0.18 mm的5種不同精度的雙層網(wǎng)布復(fù)合篩管分別阻擋粒度中值0.08 mm的模擬地層，測試與評價各精度篩管的綜合防砂性能。結(jié)果表明，對于南海X氣田不產(chǎn)水粉細(xì)砂氣藏水平井，雙層網(wǎng)布繞絲篩管和精密篩管的流通性能、擋砂性能等綜合指標(biāo)較高，依次推薦為氣田二次防砂最佳篩管類型；最終推薦該氣田二次防砂擋砂精度為0.1～0.12 mm。

防砂篩管；性能評價；流通性能；擋砂性能；驅(qū)替試驗；擋砂精度；氣井防砂

南海西部X氣田是典型的疏松砂巖氣藏，水平井單井產(chǎn)量較高，正常生產(chǎn)過程中嚴(yán)重出砂。早期采用水平井裸眼篩管防砂完井，目前出現(xiàn)篩管腐蝕損壞導(dǎo)致的二次出砂問題，面臨二次防砂。無論對于獨立機(jī)械篩管二次防砂還是礫石充填類二次防砂工藝，機(jī)械防砂篩管都是水平井井下防砂管柱的關(guān)鍵組成部分，其主要作用是保證地層流體暢流入井［1］同時阻擋地層產(chǎn)出砂進(jìn)入井筒，這就要求機(jī)械篩管具有良好的擋砂效果和滲透性。目前的防砂篩管產(chǎn)品繁多，擋砂介質(zhì)結(jié)構(gòu)和材料各異；雖然潔凈的篩管的滲透率都比較高，但防砂后投產(chǎn)一段時間被地層砂堵塞后的滲透性表現(xiàn)取決于篩管的抗堵塞性能和流通性。機(jī)械篩管的類型和性能決定了擋砂效果和油井防砂后產(chǎn)能以及總體服務(wù)期限。針對X氣田的海上高產(chǎn)特點，要求防砂管柱防砂效果好、對產(chǎn)量影響小、有效期長，機(jī)械篩管類型的合理選擇和擋砂精度優(yōu)化是二次防砂決策的一個核心問題。利用試驗手段對篩管進(jìn)行性能檢測與評價對比是針對特定油氣藏選擇合適篩管類型的主要技術(shù)手段之一。目前的篩管性能評價試驗主要存在如下幾個問題，一是主要進(jìn)行篩管的擋砂性能測試，對于生產(chǎn)過程中的流通性能和抗堵塞性未作評價［2-7］；二是大多采用了預(yù)充填方式形成穩(wěn)定橋架后再用流體驅(qū)替，不能模擬實際油氣井出砂情況［5-8］；三是主要根據(jù)試驗流量和壓力動態(tài)定性評價篩管性能，在基于試驗數(shù)據(jù)的定量評價指標(biāo)及方法體系方面幾乎空白，未形成規(guī)范的性能評價方法體系［2-11］。X氣田目前可供使用的機(jī)械防砂篩管共有5種，分別為單層網(wǎng)布復(fù)合篩管、雙層網(wǎng)布復(fù)合篩管、復(fù)合繞絲篩管、多層精密篩管和孔網(wǎng)復(fù)合篩管。筆者針對上述問題，使用自行研制開發(fā)的擋砂介質(zhì)性能評價徑向流驅(qū)替試驗裝置，對上述5種類型的篩管樣品進(jìn)行性能評價試驗，為X氣田水平井二次防砂優(yōu)選合適的篩管類型；并對優(yōu)選的篩管類型進(jìn)行不同精度的防砂效果評價試驗，優(yōu)化擋砂精度。

1 試驗原理與條件

1.1 試驗裝置與試驗原理

本次試驗使用擋砂介質(zhì)性能評價徑向流驅(qū)替試驗裝置，由主體裝置、混砂器、濾砂器、空氣壓縮機(jī)、流量與壓差傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其他附件組成，如圖1所示。

圖1 擋砂介質(zhì)性能評價試驗裝置Fig.1 Experiment installation for screen test and evaluation

圖2 篩管測試主體裝置示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of screen test apparatus

徑向流驅(qū)替主體裝置示意圖如圖2所示。將篩管短節(jié)放置于主體容器中，上下端面密封，流體攜帶地層砂從模擬套管射孔孔眼的入流口徑向流入并沖擊驅(qū)替篩管，流體攜帶的地層砂直接使用目標(biāo)儲層的地層砂，以穩(wěn)定的含砂率長時間驅(qū)替，同時測量擋砂篩管短節(jié)管壁內(nèi)外兩側(cè)的驅(qū)替流量和壓差（通過如圖2所示的對稱4對差壓傳感器實現(xiàn)）以及過砂量和最大過砂粒徑；驅(qū)替過程中篩管短節(jié)會阻擋地層砂通過，起到擋砂作用；同時流體攜帶的地層砂會逐步堵塞篩管，阻力增大，壓差和流量會發(fā)生變化。

通過測量篩管壁內(nèi)外兩側(cè)壓差，可計算篩管整體滲透性的變化：

式中，μ為試驗用流體的黏度，Pa·s；h為試驗篩管短節(jié)的有效滲濾長度，m；ro為試驗篩管短節(jié)外半徑，m；ri為試驗篩管短節(jié)內(nèi)半徑，m；qi為第i時刻通過篩管的流量，m3/s；Δpi為第i時刻篩管內(nèi)外兩側(cè)壓差，為4個差壓傳感器測量值的平均值，Pa；ksi為第i時刻篩管短節(jié)的滲透率，μm2。

1.2 試驗方法與試驗材料

對于同一氣藏進(jìn)行不同類型篩管性能對比評價試驗，為了使試驗結(jié)果有可對比性，試驗時使用的流體黏度、初始流量、含砂體積分?jǐn)?shù)和地層砂應(yīng)保持一致，各種篩管標(biāo)稱擋砂精度也必須相同。實時觀察流量、壓力隨時間的變化，當(dāng)流量、壓力長時間（一般為10 min）內(nèi)幾乎保持不變時，說明篩管的堵塞已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時可結(jié)束試驗。

本次試驗在室溫條件下實施，溫度大約25℃。裝置出口壓力為大氣壓（0.101 MPa），入口壓力及壓差取決于試驗排量和篩管堵塞程度以及流動阻力。

X氣田不產(chǎn)水，試驗驅(qū)替流體采用空氣；儲層巖性為粉細(xì)砂巖，粒度中值約為0.08 mm，根據(jù)地層砂篩析曲線粒度分布特征復(fù)配模擬地層砂，最大粒徑0.18 mm，最小粒徑為粉狀，均勻系數(shù)3.56；提供的篩管樣品共5種，樣品短節(jié)長度245 mm，有效滲濾長度212 mm。篩管樣品信息見表1。

表1 試驗篩管短節(jié)樣品Table 1 Samples of screen joint for test

1.3 篩管性能及其評價對比方法

性能優(yōu)良的防砂篩管除了具有良好的擋砂性能，而且在整個生產(chǎn)過程中需要不易被堵塞，保持良好的總體滲透性以保持氣井產(chǎn)量。為了對比不同篩管的綜合性能，提出使用擋砂性能和流通性能評價篩管的綜合性能，相應(yīng)的性能評價指標(biāo)通過試驗測試數(shù)據(jù)計算得到。

（1）擋砂性能指標(biāo)計算方法。篩管擋砂性能表征篩管阻擋地層砂的能力，使用試驗過程中測量到的通過篩管的地層砂量表示。為了便于不同試驗條件下的橫向?qū)Ρ?，首先提出“極限過砂率”的概念，即驅(qū)替試驗使用的地層砂中粒徑小于試驗篩管標(biāo)稱精度的砂質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。在此基礎(chǔ)上，提出無量綱篩管擋砂性能評價指標(biāo)為

式中，Vt為試驗中所使用地層砂的總質(zhì)量，g；Vs為試驗中通過篩管的地層砂總質(zhì)量，g；R為極限過砂率；Sd為篩管擋砂性能評價指標(biāo)。

（2）流通性能指標(biāo)計算。篩管流通性能表征是整個生產(chǎn)過程中篩管允許流體通過的能力，使用綜合滲透率ks表征，使用篩管初始滲透率ks0與試驗全過程平均滲透率ksa按照系數(shù)Xs（推薦取0.25）的加權(quán)平均計算得到：

在進(jìn)行多個篩管對比評價時，為了便于橫向?qū)Ρ炔⑴c其他無量綱指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)計算，須將單個篩管的綜合滲透率轉(zhuǎn)換為無量綱流通性能指標(biāo)Sl，其計算公式為

式中，ks（j）為第j個篩管的綜合滲透率μm2；ksmax為全部篩管的綜合滲透率最大值，μm2；Sl（j）為第j個篩管的流通性能評價指標(biāo)。

（3）綜合性能指標(biāo)計算方法。根據(jù)流通性能指標(biāo)Sl、擋砂性能指標(biāo)Sd和抗堵塞性能指標(biāo)Sk的加權(quán)平均計算綜合指標(biāo)為

式中，Wl為篩管流通性能評價權(quán)重系數(shù)，推薦取0.5；Wd為篩管擋砂性能評價權(quán)重系數(shù)，推薦取0.5；S為篩管防砂綜合性能指標(biāo)。

式中，Ymax和Ymin分別為人工限定的單項性能指標(biāo)的最大值和最小值，推薦分別取值0.95和0.65；Smax和Smin分別為多個篩管中某單項性能指標(biāo)的最大值和最小值；S（i）為原始計算得到的第i種篩管的單項性能指標(biāo)；S′（i）為勻整后的第i種篩管的單項性能指標(biāo)。

2 篩管評價與精度優(yōu)化試驗結(jié)果分析

2.1 試驗擋砂與堵塞過程

根據(jù)南海西部X氣田水平井單井產(chǎn)量和水平段長度和試驗篩管短節(jié)長度，按照篩管外的氣體流速等效原則，測算得到對應(yīng)的試驗驅(qū)替排量約為11～12 m3/h。按照上述試驗方法分別使用壓縮空氣攜帶X氣田模擬地層砂驅(qū)替0.10、0.12和0.15 mm的5種篩管短節(jié)樣品，合計15次試驗。驅(qū)替過程即為篩管擋砂和不斷被堵塞的過程。圖3為精度0.1 mm的孔網(wǎng)復(fù)合篩管和復(fù)合繞絲篩管試驗完畢后的堵塞照片圖像，大量的的地層砂被阻擋在篩管外部。精度0.1 mm的5種篩管驅(qū)替試驗測量得到的驅(qū)替流量和壓差隨時間的變化對比如圖4所示。試驗開始加砂后在流量基本保持穩(wěn)定的情況下，驅(qū)替壓差逐步升高，表明篩管開始堵塞；到試驗后期，驅(qū)替壓差基本不再變化，表示堵塞達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖3 編號C和E的篩管試驗后堵塞照片F(xiàn)ig.3 Photographs of plugged C and D screen after test

圖4 精度0.1 mm的5種試驗篩管驅(qū)替流量和壓差對比Fig.4 Tested flowing rate and pressure differential varying with time of five screens with precision of 0.1 mm

圖5 為根據(jù)試驗測試數(shù)據(jù)計算得到的5種篩管滲透率隨時間的變化關(guān)系，能夠直觀反映各篩管在試驗過程中的堵塞情況，用于定量評價篩管總體流通性。在試驗初期各篩管的初始滲透率不同，隨著地層砂驅(qū)替開始，由于堵塞作用，篩管滲透率開始下降，直到趨于穩(wěn)定。各種篩管滲透率下降的速度以及最終保持程度不同，體現(xiàn)其流通性能和抗堵塞性能差異。5種篩管由于構(gòu)造和介質(zhì)類型不同，其被堵塞動態(tài)差異明顯。編號B的雙層網(wǎng)布復(fù)合篩管在驅(qū)替初期滲透率下降相對較平緩，并且最終保持較高的滲透率，說明其流通性和抗堵塞性較好；其余總體流通性從好到差排序依次為編號為A、D、C、E的單層網(wǎng)布復(fù)合篩管、多層精密篩管、復(fù)合繞絲篩管和孔網(wǎng)復(fù)合篩管。

圖5 精度0.1 mm的5種篩管滲透率隨時間變化對比Fig.5 Tested permeability varying with time of five screens with precision of 0.1 mm

2.2 不同篩管性能評價對比

圖6為試驗測量得到精度0.1 mm的5種篩管的過砂率和最大過砂粒徑對比結(jié)果。過砂率越低、最大過砂粒徑越小表示篩管的擋砂性能越好。相同的標(biāo)稱精度下，編號A、B、C、D、E的5種篩管樣品的過砂率分別為0.73%、0.11%、0.44%、0.2%和0.4%；編號B、D的雙層網(wǎng)布復(fù)合篩管和多層精密篩管由于為多層金屬濾網(wǎng)復(fù)合結(jié)構(gòu)，擋砂性能較好；5種篩管的實際最大過砂粒徑均小于標(biāo)稱精度，全部合格。

圖6 5種試驗篩管過砂率和最大過砂粒徑對比Fig.6 Sand-passed ratio and maximum sand size of tested five screens

使用試驗數(shù)據(jù)和上述方法計算得到5種篩管的流通性能、擋砂性能指標(biāo)以及綜合性能指標(biāo)（3種精度試驗結(jié)果的平均值）對比如圖7所示。

圖7 試驗篩管單項及綜合評價指標(biāo)對比Fig.7 Individual performance index of tested screens

為了更直觀地評價每種篩管的單項性能指標(biāo)以及其均衡程度，將5種篩管的兩種單項指標(biāo)數(shù)據(jù)對比，如圖8所示，圖中數(shù)據(jù)點越靠近中心斜線以及右上角的篩管，表示單項性能指標(biāo)越高并且均衡性越好。根據(jù)圖8可知，編號為B和D的雙層網(wǎng)布復(fù)合篩管和多層精密篩管的擋砂性能和流通性能相對均衡并均比較高，推薦作為X氣田水平井二次防砂首選的機(jī)械防砂篩管類型。

圖8 試驗篩管單項性能指標(biāo)均衡性對比Fig.8 Comparison of performance equilibrium of tested screens

2.3 篩管精度優(yōu)化試驗結(jié)果

X氣田地層砂粒度中值約為0.08 mm，按照傳統(tǒng)的擋砂精度設(shè)計方法（篩管精度選擇為地層砂粒度中值）可選擇精度0.08 mm左右，此種精度的篩管由于擋砂層孔喉結(jié)構(gòu)致密，滲透性低，對氣井產(chǎn)量影響較大。根據(jù)篩管性能評價優(yōu)選試驗推薦結(jié)果，對不同擋砂精度的雙層網(wǎng)布復(fù)合篩管和多層精密篩管分別使用粒度中值0.08 mm的模擬地層砂進(jìn)行氣體擋砂驅(qū)替試驗。試驗測量兩種篩管5種精度對地層砂的擋砂效果并計算評價指標(biāo)，對比結(jié)果見圖9。

圖9 兩種篩管不同精度下的過砂率試驗結(jié)果和防砂性能評價指標(biāo)Fig.9 Sand-passed ratio and comprehensive performance index of two screens with different precision

根據(jù)圖9的試驗結(jié)果，隨著篩管擋砂精度的增大，過砂量越來越大。篩管精度越小，擋砂效果越好，但篩管滲透性也越低，對氣井產(chǎn)能影響越大。對于雙層網(wǎng)布復(fù)合篩管，當(dāng)篩管精度超過0.12 mm后，過砂量開始明顯增大；對于多層精密篩管，篩管精度超過0.10 mm后，過砂量急劇增加。低于0.10 mm和高于0.12 mm的篩管精度的擋砂綜合指標(biāo)都降低，反映擋砂和流通性對綜合防砂效果的影響。對于X氣田粒度中值為0.08 mm的地層砂，推薦雙層網(wǎng)布復(fù)合篩管的擋砂精度為0.10～0.12 mm，推薦多層精密篩管的擋砂精度為0.10 mm。

3 結(jié) 論

（1）使用壓縮空氣驅(qū)替篩管樣品測試流量、壓差以及滲透率變化動態(tài)反映篩管防砂投產(chǎn)后的擋砂與堵塞特征，使用流通性能、擋砂性能和抗堵塞性評價篩管綜合性能，并給出了計算方法。

（2）對于南海X氣田不產(chǎn)水粉細(xì)砂巖氣藏，雙層網(wǎng)布復(fù)合篩管和多層精密篩管的流通性能和擋砂性能等綜合指標(biāo)較高，依次推薦為X氣田二次防砂最佳篩管類型。

（3）對于南海X氣田粒度中值為0.08 mm的地層砂，推薦雙層網(wǎng)布復(fù)合篩管的擋砂精度為0.1～0.12 mm，推薦多層精密篩管的擋砂精度為0.1 mm。

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（編輯 李志芬）

Experimental study on selection of mechanical screens and sand retention precision design for horizontal wells in a gas field

DONG Changyin1，CUI Mingyue2，PENG Jianfeng3，WANG Peng2，JIANG Weidong2，ZHANG Dongfeng4，ZHANG Qinghua1，F(xiàn)U Jinjie1
（1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Langfang Branch of Exploration and Development Research Institute，PetroChina，Langfang 065007，China；3.CNOOC Zhanjiang Branch，Zhanjiang 524000，China；4.China France Bohai Geoservices Company Limited，Zhanjiang 524000，China）

Mechanical screen is a key component for downhole sand control in unconsolidated sandstone reservoirs，and its type and comprehensive characteristics have a great impact on sand retention capability，well productivity and service life.In order to select a proper screen type and optimize sand retention for X gas filed in South Sea with typical sandstone formation and severe sanding problem during production，various parameters，such as screen conductivity，sand retention capability and a corresponding evaluation index，can be used to characterize the screen's comprehensive sand control capability.A series of sand control experiments were conducted using an in-house experimental set up with sand samples from the field and under the production conditions.Six types of screens were tested，including a single-layer mesh compound screen，a two-lay-er mesh compound screen，a slotted linear screen，a wire-wrapped compound screen，a multi-layer mesh screen and a starhole metal cotton screen.The performance index of each screen tested was calculated based on the experimental results.It indicates that，to control the fine sands from the gas reservoir with no water production，the two-layer mesh compound screen and the multi-layer mesh screen are the bests for use，which exhibited a good performance for sand retention，flow deliverability and anti-plugging.To optimize the sand retention precision，the two-layer mesh compound screens with six different sand retention accuracy from 0.1 to 0.15 mm were tested using simulated formation sands with median size of 0.08 mm.The experimental results show that the optimum sand retention accuracy is 0.1-0.115 mm for X gas field.

sand control screens；characteristics evaluation；throughput capacity；sand retention ability；displacement experiment；sand retention accuracy；sand control in gas wells

TE 357.3

A

董長銀，崔明月，彭建峰，等.氣田水平井防砂篩管類型優(yōu)選與精度優(yōu)化試驗［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，39（6）：104-109.

DONG Changyin，CUI Mingyue，PENG Jianfeng，et al.Experimental study on selection of mechanical screens and sand retention precision design for horizontal wells in a gas field［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（6）：104-109.

1673-5005（2015）06-0104-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.06.014

2015-04-29

國家自然科學(xué)基金項目（51374226）

董長銀（1976-），男，教授，博士，研究方向為采油工程、油氣井防砂完井理論與技術(shù)。E-mail：dongcy@upc.edu.cn。