廖華林, 董 林, 牛繼磊, 周 歡, 張 磊, 曹硯峰

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580; 2.海洋石油高效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100028;3.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300450)

防砂井筒擋砂介質(zhì)堵塞和防砂篩管失效已經(jīng)成為困擾防砂井正常生產(chǎn)的重要問(wèn)題。生產(chǎn)過(guò)程中,地層流體攜帶的固相顆粒堵塞擋砂介質(zhì),造成滲透率降低[[1-4],攜砂流體對(duì)篩管的沖蝕磨損容易造成篩管防砂失效[5-7]。關(guān)于防砂井筒堵塞機(jī)制的研究集中在礫石充填層和機(jī)械篩管堵塞,主要通過(guò)試驗(yàn)手段研究地層砂在礫石充填層多孔介質(zhì)中的侵入和運(yùn)移機(jī)制,分析地層砂粒徑、侵入量及侵入厚度等因素對(duì)礫石充填層滲透率的影響[8-11],探討不同因素對(duì)堵塞程度的影響。通過(guò)室內(nèi)堵塞試驗(yàn)分析驅(qū)替時(shí)間、流量、顆粒特性以及流體黏度等因素對(duì)堵塞程度的影響及其相關(guān)堵塞機(jī)制[12-13]。地層攜砂流體對(duì)防砂篩管的沖蝕磨損是導(dǎo)致防砂篩管失效的主要原因[14-16],篩管的沖蝕速率主要受攜砂流體流速、含砂體積分?jǐn)?shù)、砂粒粒徑、沖蝕角度以及環(huán)境條件等因素的影響[17-23]。在試驗(yàn)和理論分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)建立篩管破壞時(shí)間預(yù)測(cè)模型[19-23]和數(shù)值模擬進(jìn)行篩管破壞失效的判斷及篩管沖蝕危險(xiǎn)區(qū)域的定位[24-26],提出了提高防砂篩管使用壽命的方法[27-29]。然而,對(duì)于礫石充填條件下水源井篩管抗沖蝕性能、篩管破壞的原因與防砂周期短的內(nèi)在機(jī)制的相關(guān)研究較少。筆者通過(guò)礫石充填完井出砂模擬裝置,分析篩管類型、礫石種類與粒徑、生產(chǎn)壓差等因素對(duì)擋砂介質(zhì)的堵塞程度和篩管的沖蝕破壞程度的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)方法

礫石充填篩管防砂擋砂介質(zhì)堵塞及沖蝕試驗(yàn)的目的是通過(guò)室內(nèi)堵塞及沖蝕模擬試驗(yàn)研究篩管類型、礫石種類與粒徑、生產(chǎn)壓差以及產(chǎn)量等對(duì)擋砂介質(zhì)堵塞和篩管沖蝕破壞程度的影響規(guī)律,分析堵塞和沖蝕破壞程度與影響因素的關(guān)系,進(jìn)一步探究篩管失效的原因和井下?lián)跎敖橘|(zhì)堵塞的內(nèi)在機(jī)制,為防砂方式的選擇、生產(chǎn)制度的建議、篩管材質(zhì)的選擇、篩管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等提供依據(jù)。

利用礫石充填篩管堵塞及沖蝕模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行擋砂介質(zhì)堵塞及篩管沖蝕模擬試驗(yàn)。使用含固體顆粒的流體(磨料射流)長(zhǎng)時(shí)間驅(qū)替有礫石充填層的防砂篩管,同時(shí)測(cè)量分流頭(2號(hào)傳感器)、模擬套管內(nèi)壁處(3、4號(hào)傳感器)的壓力,驅(qū)替結(jié)束后取出篩管觀察其沖蝕情況。在保持流量基本不變的條件下,流體攜帶的堵塞物會(huì)逐漸堵塞擋砂介質(zhì)(礫石充填層和篩管),造成擋砂介質(zhì)的滲透率降低,則正常情況下分流頭處和套管內(nèi)壁處壓力會(huì)上升。因此分流頭和模擬套管內(nèi)壁處的壓力變化可以反映擋砂介質(zhì)堵塞情況的變化,壓力上升,擋砂介質(zhì)總體堵塞程度變大。防砂篩管沖蝕破壞情況則可通過(guò)觀察測(cè)量試驗(yàn)后取出的篩管的破壞情況確定,沖蝕造成的穿孔或磨蝕區(qū)域的面積越大,深度越大,則沖蝕破壞程度越高。這樣可以確定擋砂介質(zhì)的堵塞程度和篩管的沖蝕破壞程度,進(jìn)一步可分析其影響因素及規(guī)律。

1.2 試驗(yàn)裝置

為了分析不同工況條件下攜砂流體對(duì)防砂篩管的沖蝕特性,建立一套模擬井下?lián)跎敖橘|(zhì)堵塞和防砂篩管失效試驗(yàn)?zāi)M裝置。該裝置主要包括高壓罐、高壓加砂裝置、調(diào)砂器、礫石層厚度調(diào)節(jié)筒、收集箱、試驗(yàn)架、壓力測(cè)試采集系統(tǒng)、噴嘴及試件等,如圖1所示。

圖1 篩管堵塞沖蝕試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test apparatus

高壓泵輸送出的高壓水經(jīng)調(diào)壓閥門,一部分流到水池,一部分流經(jīng)高壓加砂裝置,在驅(qū)動(dòng)壓力作用下,水介質(zhì)通過(guò)噴嘴形成高速水射流,并在混合腔內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度,將磨料(磨料含量控制是通過(guò)多次調(diào)節(jié)調(diào)砂器的漏砂口孔徑改變漏砂量,并經(jīng)電子計(jì)量器稱重標(biāo)定來(lái)實(shí)現(xiàn))吸入喉管、擴(kuò)散管,而形成含有磨料高壓流體,流體再通過(guò)分流頭、高壓管線、調(diào)節(jié)噴嘴均勻地噴向篩管。噴射速度由流量和噴嘴直徑?jīng)Q定。流體經(jīng)篩管過(guò)濾后,流經(jīng)彎頭、回水管線等進(jìn)入收集箱。

試驗(yàn)采用清水作為工作液,模擬水源井采出水。試驗(yàn)所用篩管試件分為兩類,包括星孔篩管與金屬網(wǎng)布篩管,如圖2(a)和(b)所示。其中,星孔篩管主要由基管和濾砂件兩部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示。流體中混入的模擬地層砂由石英砂和細(xì)粉砂組成。模擬地層砂的粒徑為100～250 μm,粒度中值為150 μm,粒度分布曲線如圖3所示。攜砂流體的含砂體積分?jǐn)?shù)為2.0%,攜砂流體流速由噴嘴直徑確定。礫石充填層填充礫石為兩種粒徑的顆粒,分別為600～1 250 μm陶粒和450～900 μm陶粒。陶粒分6層裝入礫石充填層,每層陶粒用擊錘擊實(shí)50次,使每層充分壓實(shí)。礫石充填層的厚度可以通過(guò)調(diào)節(jié)筒控制。

圖2 試驗(yàn)用防砂篩管Fig.2 Sand screen used in experiment

圖3 模擬地層砂粒徑分布曲線Fig.3 Distribution of grain size

為了分析攜砂流體流速、篩管類型、礫石層特性以及射孔孔眼數(shù)目對(duì)擋砂介質(zhì)堵塞及篩管沖蝕特性的影響,通過(guò)上述試驗(yàn)裝置模擬地層流體攜帶地層砂顆粒堵塞擋砂介質(zhì),進(jìn)而使防砂篩管發(fā)生沖蝕破壞的過(guò)程。分析影響防砂篩管沖蝕破壞程度的因素,探究礫石充填條件下水源井防砂篩管失效原因與防砂周期短的內(nèi)在機(jī)制。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 孔眼數(shù)目對(duì)堵塞及沖蝕特性的影響

圖4 射孔孔眼數(shù)目對(duì)壓力的影響Fig.4 Influence of perforation number on pressure

射孔孔眼是井下流體進(jìn)入井筒的流通通道。通常,井眼數(shù)目能夠影響篩管的堵塞程度和沖蝕程度。圖4為試驗(yàn)過(guò)程中孔眼數(shù)目對(duì)壓力的影響。在加砂的最初階段,篩管篩網(wǎng)和礫石充填層流通性均較好,分流頭處壓力一直較低,后隨著細(xì)砂粒的不斷增多,篩管和礫石層逐漸被堵塞,截流增加,分流頭處壓力一直上升,直至試驗(yàn)結(jié)束。同時(shí),高壓罐內(nèi)砂粒堵塞礫石充填層,使?jié)B流壓力無(wú)法傳遞,罐內(nèi)滲流壓力分布極度不均勻。試驗(yàn)過(guò)程中,罐內(nèi)所測(cè)壓力(3、4號(hào)傳感器)較低。在試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn),隨著進(jìn)砂管數(shù)量增加,進(jìn)砂量增加,前期壓力上升迅速,進(jìn)一步驗(yàn)證了罐內(nèi)篩管濾砂元件和礫石充填層的堵塞存在局部特征。試驗(yàn)結(jié)束后取出篩管試件發(fā)現(xiàn),陶粒和砂粒的混合物將篩管篩網(wǎng)全部堵死,篩管本體上有一處沖蝕凹痕,并且該凹痕位置正對(duì)加砂前清水循環(huán)時(shí)模擬射孔入口位置。由此可見,攜砂流體經(jīng)過(guò)礫石層進(jìn)入篩管時(shí),固體顆粒會(huì)堵塞篩管的過(guò)濾介質(zhì);高速流體經(jīng)過(guò)礫石充填層后,由于礫石充填層滲透性好,入罐流體可擾動(dòng)礫石充填層內(nèi)的陶粒,形成磨料射流,對(duì)篩管造成損壞。

2.2 篩管類型對(duì)堵塞及沖蝕特性的影響

篩管類型的選擇對(duì)防砂方式的確定及擋砂效果有重要的影響。通常情況下,隨著含砂流體驅(qū)替時(shí)間的增加,篩管的堵塞程度和受沖蝕破壞程度都會(huì)增加。但不同類型的篩管在同一工況下的變化情況有所差異。圖5為相同測(cè)試條件下分流頭處壓力變化。開始加砂后,兩類篩管對(duì)應(yīng)的分流頭處的壓力均隨時(shí)間增加而升高,但是星孔篩管分流頭處壓力上升速度明顯高于金屬網(wǎng)篩管,且加砂時(shí)間及加砂量均小于金屬網(wǎng)篩管。由于星孔篩管采用了護(hù)板、護(hù)網(wǎng)、金屬棉、護(hù)網(wǎng)以及護(hù)板的特殊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其過(guò)流斷面小,截流能力較強(qiáng),加砂后壓力迅速上升,堵塞較快。金屬網(wǎng)篩管整體流通性較好,加砂后壓力上升至堵塞的時(shí)間及加砂量遠(yuǎn)超過(guò)星孔篩管。

圖5 不同類型篩管堵塞情況Fig.5 Variation of pressure with time for different screens

2.3 礫石充填層陶粒粒徑對(duì)堵塞及沖蝕特性的影響

礫石充填層所用陶粒粒徑對(duì)防砂效果、出砂井壽命以及產(chǎn)量等具有重要影響。礫石層陶粒粒徑增大,礫石層的擋砂能力降低,加砂時(shí)間和加砂量增大。圖6為不同礫石充填層金屬網(wǎng)篩管防砂條件下各處壓力變化情況。可以看出,600～1 250 μm陶粒條件下隨著驅(qū)替時(shí)間增加,分流頭和罐內(nèi)壓力先緩慢增大,后快速增大;罐內(nèi)所測(cè)壓力(4號(hào)傳感器)隨著時(shí)間的增加緩慢提升,最高升至約1.3 MPa。而450～900 μm陶粒條件下壓力迅速上升,然后保持相對(duì)穩(wěn)定。礫石層陶粒粒徑增大,進(jìn)砂口處滲流壓力更易在罐內(nèi)傳遞。陶粒粒徑增大,礫石充填層滲流能力增加,篩管擋砂層和礫石充填層堵塞的非均勻程度降低,進(jìn)入高壓罐內(nèi)的流體可經(jīng)更大范圍的濾砂層通過(guò)。

圖6 充填層陶粒粒徑對(duì)壓力的影響Fig.6 Effect of gravel size on pressure

2.4 流體速度對(duì)對(duì)堵塞及沖蝕特性的影響

圖7 金屬網(wǎng)篩管試樣試壓力變化Fig.7 Variation of pressure with time for metal mesh screen

流速與產(chǎn)量、篩管沖蝕情況緊密相關(guān),通常隨著流速增大,篩管破壞程度增大,沖蝕孔徑、孔深都增加。為了加快堵塞和沖蝕的進(jìn)程,提高試驗(yàn)速度,試驗(yàn)中控制噴嘴流速要遠(yuǎn)大于實(shí)際工況的速度。流速通過(guò)換用5、4和2.9 mm噴嘴,對(duì)應(yīng)的流速分別為30、40及50 m/s,可以分析不同流速下星孔篩管和金屬網(wǎng)篩管的沖蝕破壞情況。圖7為單孔沖蝕試驗(yàn)中不同流速下不同位置的壓力變化情況。不同速度條件下,壓力因排量的波動(dòng)存在小范圍波動(dòng);分流頭壓力(2號(hào)傳感器)隨時(shí)間逐漸上升,分流頭壓力(2號(hào)傳感器)和罐內(nèi)壓力(3、4號(hào)傳感器)的壓差隨著速度的增大而增加。篩管試驗(yàn)中的返出液中含有細(xì)砂,拆卸裝置后,發(fā)現(xiàn)篩管金屬網(wǎng)篩管護(hù)罩沖壞,金屬網(wǎng)沖蝕損壞,基體出現(xiàn)沖孔,旁邊篩縫沖大,鐵皮孔與底孔相聯(lián),沖蝕點(diǎn)的最大護(hù)罩沖蝕孔徑為18 mm,最大基體沖蝕深度為3.5 mm,最大基體沖蝕深度為13 mm,如圖8所示。篩管的破壞說(shuō)明通過(guò)噴嘴后的高速流體可與礫石充填層摻混形成磨料射流,對(duì)篩管產(chǎn)生較強(qiáng)的沖蝕破壞,隨著噴嘴流體流速的增大,對(duì)篩管的沖蝕破壞能力增強(qiáng)。并且入罐噴射流體達(dá)到一定速度時(shí),可擾動(dòng)礫石充填層,篩管堵塞越嚴(yán)重,擾動(dòng)摻混形成的磨料射流沖蝕破壞能力越強(qiáng)。

圖8 金屬網(wǎng)篩管清水沖蝕情況Fig.8 Water erosion characteristics of metal mesh screen

相同條件下,星孔篩管的沖蝕結(jié)果與金屬網(wǎng)篩管不同。由于星孔篩管過(guò)濾件的分布與金屬網(wǎng)篩管相比,具有不均勻及不規(guī)則的特性,因此沖蝕效果也因沖蝕部位是否正對(duì)過(guò)濾件而不同。沖蝕點(diǎn)為篩管的基管部分時(shí),分流頭壓力(2號(hào)傳感器)和罐內(nèi)壓力(3、4號(hào)傳感器)都比較平穩(wěn),且兩個(gè)壓力之差比較大,速度越大,壓差越大,拆卸裝置后發(fā)現(xiàn)沖蝕點(diǎn)出現(xiàn)錐形坑眼;當(dāng)速度為50 m/s時(shí),星孔篩管被攜砂流體沖破,分流頭壓力(2號(hào)傳感器)與罐內(nèi)壓力(3、4號(hào)傳感器)之差較小,如圖9所示。當(dāng)沖蝕點(diǎn)為篩管過(guò)濾件時(shí),分流頭壓力(2號(hào)傳感器)波動(dòng)幅度比較大,罐內(nèi)壓力(3號(hào)傳感器)與入口壓力差距很小;沖蝕過(guò)程中存在漏氣聲,返出液中含有大量陶粒及砂粒,部分陶粒破碎呈粉末狀;拆卸裝置后發(fā)現(xiàn),星孔篩管護(hù)板、2層護(hù)網(wǎng)及金屬棉全部射穿,形成錐形孔,最大孔徑約20 mm,如圖10所示?；w的最大沖蝕孔徑為25 mm,最大沖蝕深度為6.5 mm,沖蝕過(guò)濾件處最大沖蝕孔徑達(dá)到20 mm。

圖9 金屬網(wǎng)篩管試樣單孔清水試驗(yàn)壓力變化Fig.9 Variation of pressure with time in single hole water test of mental mesh screen

圖10 星孔篩管沖蝕情況Fig.10 Erosion characteristics of stars screen

3 防砂井沖蝕機(jī)制

防砂井生產(chǎn)過(guò)程中,如果固相顆粒不能順利通過(guò)擋砂層,會(huì)附著或侵入擋砂層內(nèi)部,如無(wú)法排出則會(huì)造成擋砂層局部滲透率降低,形成堵塞或造成防砂管刺穿失效,進(jìn)而嚴(yán)重影響油水井生產(chǎn),如11圖所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取出的防砂篩管和堵塞過(guò)程模擬試驗(yàn)研究,防砂井筒堵塞過(guò)程中存在流體非均勻流動(dòng)機(jī)制和篩管沖蝕機(jī)制。

對(duì)于試驗(yàn)?zāi)M的礫石充填機(jī)械篩管防砂,固相顆粒(磨料)進(jìn)入擋砂介質(zhì)內(nèi)部,由于擋砂介質(zhì)的非均質(zhì)性和不規(guī)則性造成擋砂介質(zhì)孔隙的不規(guī)則,導(dǎo)致進(jìn)入其內(nèi)部的固相顆粒難以排出,并且固相顆粒在擋砂介質(zhì)內(nèi)部的分布也具有不均勻性,不同位置的擋砂介質(zhì)堵塞程度差別非常大,形成不均勻堵塞。固相顆粒堵塞擋砂介質(zhì)造成擋砂介質(zhì)的滲透率改變,堵塞的不均勻性會(huì)使?jié)B透率存在差異,導(dǎo)致流體的非均勻流動(dòng)。堵塞部位滲透率極低,流體無(wú)法通過(guò),未堵塞部分過(guò)流流速增大,造成流體流動(dòng)出現(xiàn)極大的不均勻性,如圖12所示。在試驗(yàn)過(guò)程中防砂管與套管壁環(huán)空有礫石充填情況下,不同射孔孔眼部位的礫石充填層內(nèi)的滲流壓力分布不均勻,即使星孔篩管同一濾砂元件相鄰單元孔也存在堵塞和未堵塞現(xiàn)象,篩管過(guò)濾介質(zhì)堵塞存在不均勻特點(diǎn),如圖13所示。

圖11 井下取出的失效篩管Fig.11 Plugging and erosion of downhole screens

圖12 星孔篩管不均勻堵塞機(jī)制Fig.12 Mechanism of non-uniform blockages of stars screen

油氣井防砂使用的機(jī)械篩管多種多樣,但是其擋砂介質(zhì)主要分為多層濾網(wǎng)類、割縫縫隙類、金屬棉類和顆粒類等。擋砂介質(zhì)的實(shí)質(zhì)為固相多孔介質(zhì),具有一定的孔隙度和滲透率的多孔介質(zhì),多孔介質(zhì)的性質(zhì)決定了其允許流體通過(guò)的能力和擋砂性能。防砂井擋砂介質(zhì)的堵塞物主要為固相顆粒,主要來(lái)源包括地層細(xì)粉砂、黏土泥質(zhì)、鉆完井過(guò)程中的固相污染物、原油中的膠質(zhì)瀝青質(zhì)以及生產(chǎn)過(guò)程中形成的有機(jī)垢和無(wú)機(jī)垢等。固相堵塞物組成更加復(fù)雜,擋砂介質(zhì)的不均勻性由于各種因素影響更大,堵塞過(guò)程中受到堵塞物成分、油井產(chǎn)量、出砂速度、原油黏度等因素的影響,防砂井的堵塞不均勻性和復(fù)雜性更加顯著。

由于堵塞的非均性,堵塞部位流體無(wú)法通過(guò),鄰近的未堵塞部位篩管過(guò)流流速增大,攜砂流體流動(dòng)時(shí)的磨蝕作用會(huì)造成篩管過(guò)濾介質(zhì)穿孔。此外,射孔孔眼流體流速較高時(shí),清水可與充填層的砂粒摻混,形成磨料射流沖擊正對(duì)射孔孔眼處的防砂管,造成防砂管本體或過(guò)濾介質(zhì)沖蝕破壞,甚至穿孔。隨著流體流速的增大,對(duì)篩管的沖蝕破壞能力增強(qiáng),如圖14所示。

圖14 篩管沖蝕現(xiàn)象Fig.14 Sand screen erosion during test

4 結(jié) 論

(1)不同射孔孔眼部位的礫石充填層內(nèi)的滲流壓力分布不均勻,即使星孔篩管同一濾砂元件相鄰單元孔也存在堵塞和未堵塞現(xiàn)象,篩管過(guò)濾介質(zhì)堵塞存在不均勻特點(diǎn)。

(2)篩管堵塞具有非均性,堵塞部位流體無(wú)法通過(guò),鄰近的未堵塞部位篩管過(guò)流流速增大,攜砂流體流動(dòng)時(shí)的磨蝕作用會(huì)造成篩管過(guò)濾介質(zhì)穿孔。此外,射孔孔眼流體流速較高時(shí),清水可與充填層的砂粒摻混,形成磨料射流沖擊正對(duì)射孔孔眼處的防砂管,造成防砂管本體或過(guò)濾介質(zhì)沖蝕破壞,甚至穿孔。隨著流體流速的增大,對(duì)篩管的沖蝕破壞能力增強(qiáng)。地面模擬試驗(yàn)結(jié)果與井下取出失效防砂管特征吻合。

(3)礫石充填層陶粒粒徑和攜砂流體的流速對(duì)防砂篩管的沖蝕破壞程度有較大影響,礫石充填層陶粒的粒徑增大,篩管擋砂層和礫石充填層堵塞的非均勻程度降低,攜砂流體可經(jīng)更大范圍的濾砂層通過(guò),攜砂流體流速較低,篩管沖蝕破壞時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)?shù)[石充填層堵塞嚴(yán)重時(shí),清水與礫石充填層砂粒摻混形成的磨粒射流沖蝕能力增加,篩管損壞時(shí)間縮短。在相同試驗(yàn)條件下,金屬網(wǎng)篩管比星孔篩管具有更好的抗堵塞能力。