鐘奕昕,董長銀,周玉剛,秦延長，邵現(xiàn)振,鄭英杰

(1.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院,山東 青島 266580; 2.中國石化勝利油田分公司 河口采油廠,山東 東營 257000)

多粒級礫石充填防砂方式作為一種重要的防砂工藝,主要適用于泥質(zhì)含量較高、地層砂粒度中值較低的細(xì)粉砂出砂地層,以及出砂時間較長、虧空嚴(yán)重的老井[1- 8]。其中,對于復(fù)合層礫石尺寸的選擇與匹配是影響防砂效果的重要因素。近年來,國內(nèi)外學(xué)者在礫石充填防砂方面進(jìn)行了一些研究。針對不同地區(qū)的單級礫石充填防砂工藝參數(shù)設(shè)計(jì),多是通過理論優(yōu)化、數(shù)值模擬、試驗(yàn)分析等方式來優(yōu)化礫石尺寸[9-21];針對多粒級礫石充填防砂的防砂性能及尺寸研究主要集中在模擬試驗(yàn)和模型預(yù)測兩方面,如陳宇、鄧金根等[22]對多粒級充填進(jìn)行了模擬研究,得出多粒級充填會導(dǎo)致初期出砂量增加,但能改善礫石層滲透率從而提高產(chǎn)量;趙修太、陳東明[23]利用巖石力學(xué)等影響因素得到了多粒級充填級數(shù)和各級長度預(yù)測模型;李鵬、周承師等[24]闡述了多粒級充填防砂的工藝原理,并提出在分級礫石充填層的中粒度粒徑礫石中加入短切纖維能大大提高防砂效果。上述研究中,針對單粒級礫石充填防砂的礫石尺寸研究較多,但將單粒級礫石充填與多粒級礫石充填進(jìn)行防砂效果對比較少,缺乏室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐,對于多粒級礫石充填層中不同礫石尺寸的匹配,并沒有形成對應(yīng)的優(yōu)化方法。筆者使用礫石層特性評價(jià)微觀驅(qū)替模擬試驗(yàn)裝置,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況,以石英砂作為充填材料,在相同地層砂驅(qū)替條件下,進(jìn)行3種單粒級充填層和3種多粒級充填層的性能評價(jià)試驗(yàn),根據(jù)動態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到礫石層的流通性能、擋砂性能等評價(jià)指標(biāo),對單粒級、多粒級充填的防砂效果進(jìn)行比較分析,并對多粒級充填層的礫石尺寸進(jìn)行匹配與優(yōu)化以及現(xiàn)場案例分析。

1 試驗(yàn)原理與方法

1.1 試驗(yàn)原理

所謂雙粒級礫石充填防砂方式,是將兩種不同粒徑礫石按不同比例分級充填到地層中不同位置,首先使用較細(xì)的礫石充填到地層遠(yuǎn)端;然后使用粗一級的礫石完成近井地帶和井筒內(nèi)充填,如圖1所示。在雙粒級礫石充填層中,較細(xì)的礫石具有較好的擋砂效果,同時可以獲得較低的礫石與地層砂中值比(GSR),降低地層細(xì)砂對礫石層的侵入,有利于維持較高的堵塞滲透率比;近井較粗的礫石有利于提高礫石充填層的總體滲透率,獲得高產(chǎn)量。

圖1 雙粒級礫石充填層

試驗(yàn)使用礫石層特性評價(jià)微觀驅(qū)替模擬裝置,然后使用地層砂驅(qū)替從而評價(jià)各項(xiàng)性能,進(jìn)而對各充填層的擋砂效果進(jìn)行對比評價(jià)。試驗(yàn)時,將礫石材料充填于單向驅(qū)替裝置的短節(jié)中,使用流體攜帶地層砂驅(qū)替礫石層,設(shè)置好試驗(yàn)參數(shù)后開始驅(qū)替試驗(yàn)。由于堵塞物的侵入和堵塞作用,礫石層滲透率隨著時間逐步降低,驅(qū)替流量降低、壓力升高。當(dāng)趨于穩(wěn)定后,表明堵塞達(dá)到平衡狀態(tài),即可結(jié)束試驗(yàn)。

試驗(yàn)測得的滲透率為礫石層的絕對滲透率,礫石層與試驗(yàn)流體之間不發(fā)生任何物理化學(xué)反應(yīng),在離心泵的作用下驅(qū)替液穩(wěn)定通過礫石層。計(jì)算實(shí)時礫石層滲透率為

(1)

式中,K為滲透率,μm2;Q為試驗(yàn)用液體的體積流量,m3/s;P1、P2分別為注入端與流出端的壓力,MPa;μ為試驗(yàn)所用流體的黏度mPa·s;A為礫石填充層的橫截面積,m2;L為礫石填充層的長度,m。

1.2 試驗(yàn)材料與條件

試驗(yàn)所使用的驅(qū)替地層砂為粒度中值d50=0.085 mm的細(xì)粉砂,編號為FB,含泥質(zhì)含量12%,泥質(zhì)含量使用伊利石粉、蒙脫石粉、高嶺石粉的混合物進(jìn)行模擬,配置比例為3∶1∶1。使用的充填材料為現(xiàn)場常用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸石英砂,礫石層充填方式分為單粒級充填和雙粒級充填,礫石尺寸及其編號如表1所示。試驗(yàn)所使用的流體是黏度約為1 mPa·s的清水。在進(jìn)行雙粒級充填試驗(yàn)時,尺寸較細(xì)的礫石充填在流體入口端,尺寸較粗的礫石充填在流體出口端。

表1 試驗(yàn)使用固相充填材料及其編號

試驗(yàn)在室溫條件下實(shí)施,溫度大約15～20 ℃。試驗(yàn)壓力條件為低壓系統(tǒng),對于單向流驅(qū)替,管線出口壓力均為大氣壓0.101 325 MPa,流體排量均為1.2 m3/h,實(shí)際壓力取決于排量和礫石層堵塞程度與流動阻力。

1.3 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)采用中國石油大學(xué)(華東)油氣井防砂完井實(shí)驗(yàn)室的防砂篩網(wǎng)與礫石層特性評價(jià)微觀驅(qū)替模擬裝置。該裝置專門用于觀察和檢測各種擋砂介質(zhì)的擋砂性能和堵塞規(guī)律。裝置主體部分采用有機(jī)玻璃制成,根據(jù)不同要求可選擇不同管道進(jìn)行試驗(yàn),所選管道外徑約為115 mm;模擬礫石層充填段長度約為145 mm;整個驅(qū)替過程可直觀觀察,流量壓力壓差等數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)自動采集。裝置實(shí)物如圖2所示。

圖2 礫石層特性評價(jià)微觀驅(qū)替模擬試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)時,設(shè)置好要求的流量與攜砂濃度等條件后,人為將礫石層壓實(shí)充填到管內(nèi),先使用清水?dāng)y帶模擬地層砂長時間驅(qū)替礫石層,測量礫石層兩側(cè)的壓力差及試驗(yàn)壓力和流量;然后改變礫石層尺寸或充填方式,其他條件不變,重復(fù)試驗(yàn),測量礫石層兩側(cè)的壓力差及試驗(yàn)壓力和流量;最后應(yīng)用礫石層擋砂性能評價(jià)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、礫石層的性能評價(jià)指標(biāo)計(jì)算,并且收集最終通過礫石層的地層砂量,以過砂率表示不同礫石層的擋砂能力。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在對油氣井采取防砂措施時,不僅要考慮是否有良好的防砂效果,還要使地層具有一定的流通性,保證產(chǎn)量。使用實(shí)時監(jiān)測到的數(shù)據(jù),評價(jià)不同礫石尺寸下礫石充填層的擋砂性能指標(biāo)、流通性能指標(biāo)、抗堵塞性能指標(biāo)以及綜合性能指標(biāo),以此來評價(jià)不同礫石充填層的性能優(yōu)劣,具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)[25-26]。

2.1 不同級數(shù)礫石充填層防砂效果對比分析

使用編號A(0.30～0.58 mm單粒級充填)、B(0.42～0.84 mm單粒級充填)、C(0.58～1.19 mm單粒級充填)、AB(0.30～0.58 mm/0.42～0.84 mm雙粒級充填)、AC(0.30～0.58 mm/0.58～1.19 mm雙粒級充填)5種礫石層進(jìn)行對比評價(jià)試驗(yàn)。當(dāng)?shù)[石層滲透率不再發(fā)生變化時停止驅(qū)替,各個試驗(yàn)排量基本保持一致,得到礫石層滲透率隨時間的變化如圖3所示。

圖3 不同充填層滲透率變化曲線

由圖3可知,各個礫石層滲透率隨著驅(qū)替逐漸下降,這是由于地層砂的侵入堵塞作用,滲透率最終趨于穩(wěn)定,說明堵塞達(dá)到了平衡。針對0.085 mm的粉細(xì)砂,單粒級充填層B、C的初始滲透率最高,約為280 μm2。這是因?yàn)樵谠汲涮顮顟B(tài)下,礫石層的粒徑越大,顆粒與顆粒之間充滿均勻的孔隙,流體流動更容易;反而單粒級充填層A的尺寸最小,初始滲透率最小。以單粒級充填層A、B和雙粒級充填層AB為例,AB雙粒級充填層的初始滲透率介于單級礫石層A和B之間,約為180 μm2,穩(wěn)定后最終滲透率比B充填層>AB充填層>A充填層。可以得出,B單層礫石層流通性能最優(yōu),AB雙粒級充填層其次;分析其他充填層可以得出相似的規(guī)律,即雙粒級充填層的流通性介于兩個單粒級充填層之間。具體各個礫石層的滲透率變化及過砂率比較如表2所示。

表2 不同礫石層性能指標(biāo)匯總

將試驗(yàn)時得到的滲透率和壓差數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到擋砂性能指標(biāo)、流通性能指標(biāo)、抗堵塞性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)對比如圖4所示。

結(jié)合表2和圖4可得出,針對0.085 mm粉細(xì)砂,單粒級充填層B的擋砂性能、流通性能和抗堵塞性能三者數(shù)值差異明顯,其中擋砂性能最低為0.55,但流通性能和抗堵塞性能最高,為0.9左右;同樣可以根據(jù)性能指標(biāo)分析得出單粒級充填層A不能同時兼顧擋砂性能和流通性能。對于AB雙粒級充填層,其擋砂性能優(yōu)于單級B充填層,流通性能又優(yōu)于A充填層,使其具有一定的擋砂效果同時也能使流體易于通過。對于礫石層AC可以得出相似的結(jié)論,雙粒級充填層AC的擋砂性能優(yōu)于單粒級C充填層,而流通性能又優(yōu)于單粒級A充填層,兼顧擋砂性和整體流通性,是三者中最好的選擇。

圖5為試驗(yàn)后單粒級充填層A和雙粒級充填層AB得到的截面現(xiàn)象圖。由圖5可以看出，A層的單粒級礫石與地層砂接觸界面出現(xiàn)明顯的混砂帶,說明地層砂侵入堵塞嚴(yán)重。而雙粒級AB充填層并未發(fā)現(xiàn)明顯的混砂現(xiàn)象,說明AB層有一定的抗堵塞性和流通性能。進(jìn)一步分析,對于較常規(guī)的石油天然氣藏開采,單粒級礫石充填防砂工藝有工藝簡單、施工方便的優(yōu)點(diǎn),但對于泥質(zhì)含量高的地層砂或粉細(xì)砂,容易在礫石和地層砂交界處形成泥餅,使得整個礫石層的滲透率大大下降,最終堵塞降產(chǎn)。

圖4 不同充填層性能指標(biāo)對比

在高清顯微鏡下,將試驗(yàn)后的0.3～0.6 mm石英砂以及0.4～0.8 mm石英砂礫石層切面取出小段放大觀察,如圖6所示。0.3～0.6 mm細(xì)礫石層礫石之間所產(chǎn)生的流通通道較小,使得礫石層滲透率較低。0.4～0.8 mm礫石層礫石之間所產(chǎn)生的流通較大,不利于阻擋地層砂的通過。使用單粒級礫石層作為擋砂介質(zhì)時,無法兼顧擋砂性能和流通性能。因此對于虧空嚴(yán)重老井、粉細(xì)砂地層或泥質(zhì)含量高的地層砂進(jìn)行防砂方式選擇時,建議優(yōu)先考慮雙粒級礫石充填防砂方式。

2.2 不同粒徑礫石匹配充填防砂效果對比分析

在相同條件下,使用AB(0.30～0.58 mm/0.42～0.84 mm)、AC(0.30～0.58 mm/0.58～1.19 mm)和BC(0.42～0.84 mm/0.58～1.19 mm)3種雙粒級充填礫石層進(jìn)行對比評價(jià)試驗(yàn)。得到礫石層滲透率隨時間的變化以及性能指標(biāo)對比如圖7所示。

從圖7可知,3種礫石層的初始滲透率相差不大,均為180 μm2左右,隨著驅(qū)替過程的進(jìn)行及地層砂的堵塞作用,AB雙級礫石層滲透率下降速率最慢,其滲透率下降程度也最小,穩(wěn)定后最終滲透率比AB充填層>AC充填層>BC充填層。表明在這三組雙粒級充填層中,AB層的抗堵塞性能最好,堵塞后礫石層滲透率最高,能維持較好的流通性。

針對0.085 mm粉細(xì)砂,AB、AC和BC三個雙粒級充填層的擋砂性能指標(biāo)都很高,但AC層和BC層的抗堵塞性能指標(biāo)和流通性能指標(biāo)都很低,因而可以得出這兩個礫石層的高擋砂性能是由于其地層砂堵塞嚴(yán)重而來,并不能兼顧擋砂性和流通性。而AB雙粒級充填層,擋砂性能指標(biāo)為0.89,流通性能指標(biāo)為0.75,抗堵塞性能指標(biāo)為0.77,綜合性能指標(biāo)為0.85,效果最佳。如圖8所示,在雙粒級充填層中,細(xì)尺寸礫石在入流端起到擋砂的作用,粗尺寸礫石則起到流通的作用,二者協(xié)同產(chǎn)生粗擋砂細(xì)導(dǎo)流的作用,不同粒級礫石間存在合理尺寸匹配模式,在尺寸選擇時也不可忽視這一點(diǎn)。

綜合考慮擋砂性能、流通性能和抗堵塞性能,充填方式為0.3～0.6 mm/0.4～0.8 mm雙粒級充填的礫石層最適合0.085 mm的粉細(xì)砂。分析其原因,由于流體沖刷攜帶作用,充填層中粒徑較小的充填材料顆粒會運(yùn)移到較大顆粒之間,形成一段兩種充填材料的混合帶,其滲透率遠(yuǎn)低于兩種材料本身的滲透率,造成一定程度的自身堵塞(圖8)。自身堵塞現(xiàn)象與兩種材料的粒徑差別有關(guān),差別越大,自身堵塞越嚴(yán)重。AB復(fù)合層所用的兩種充填材料粒徑差距最小,自身堵塞現(xiàn)象最輕微,因此其流通性能和抗堵塞性能最好,且具有一定的擋砂效果;AC復(fù)合層的粒徑差距較大,內(nèi)部充填材料顆粒的運(yùn)移更嚴(yán)重,加劇自身堵塞,使得復(fù)合充填層內(nèi)部流動空間最小,其流通性能和抗堵塞性能最差;BC復(fù)合層的粒徑差距雖不如AB層,但其流通性能仍低于AB層,抗堵塞能力更弱。

圖7 不同粒徑充填層性能對比

圖8 多級充填層實(shí)物與顯微界面分析

3 現(xiàn)場應(yīng)用案例

勝利油田河口油區(qū)儲層為疏松砂巖地層,其中某層某井采用套管射孔完井。該層孔隙度為34%,原始地層砂粒度中值為0.09 mm,生產(chǎn)過程中出砂嚴(yán)重。根據(jù)傳統(tǒng)的單粒級充填礫石尺寸設(shè)計(jì)方法,該油井采用0.3～0.6 mm以及0.4～0.8 mm單粒級礫石充填防砂時,由于存在泥質(zhì)含量越高、粉細(xì)砂等問題,地層發(fā)生堵塞,使得防砂效果較差,有效周期短,產(chǎn)量低。根據(jù)本文研究得到的結(jié)論,采用雙粒級礫石充填防砂工藝,現(xiàn)場加0.3～0.6 mm石英砂20 t和0.4～0.8 mm石英砂10 t,排量1.5 m3/min,施工壓力14～17 MPa,施工砂比5%～30%,采用胍膠攜砂液100 m3。此次防砂后產(chǎn)液量由原來的28.8 m3/d提高到了81.6 m3/d,產(chǎn)油量由原來的0.7 m3/d提高到了3.9 m3/d,穩(wěn)產(chǎn)后產(chǎn)液66.9 m3/d,產(chǎn)油量為2.4 m3/d,防砂效果較好,提液效果明顯,如圖9所示。截止至2018年1月,累增油377.2 t。目前該技術(shù)正在進(jìn)一步推廣中。

圖9 現(xiàn)場產(chǎn)量變化

4 結(jié) 論

(1)對粒度中值為0.085 mm的粉細(xì)砂,0.3～0.6 mm與0.4～0.8 mm的雙粒級礫石充填層可以實(shí)現(xiàn)外層擋砂、內(nèi)層疏導(dǎo),因而具有良好的防砂效果。其流通性和抗堵塞性優(yōu)于0.3～0.6 mm單粒級充填層,擋砂性能高于0.4～0.8 mm單粒級充填層。

(2)對于雙粒級復(fù)合充填,整個充填層由兩種不同尺寸礫石組成,在流體沖刷攜帶作用下,兩種材料接觸界面發(fā)生結(jié)構(gòu)再平衡,形成一段兩種充填材料的混合段,造成一定程度的自身堵塞。兩種材料的粒徑差別越大自身堵塞越嚴(yán)重。因此對粒度中值0.085 mm的粉細(xì)砂,0.3～0.6 mm與0.4～0.8 mm的復(fù)合充填,綜合性能優(yōu)于0.3～0.6 mm與0.6～1.2 mm的復(fù)合充填及0.4～0.8 mm與0.6～1.2 mm的復(fù)合充填。

(3)當(dāng)對虧空嚴(yán)重老井、粉細(xì)砂地層或泥質(zhì)含量高的地層進(jìn)行防砂方式選擇時,建議優(yōu)先考慮雙粒級礫石充填防砂方式,具體防砂方式的選擇因?qū)嶋H情況而異。