黃勇 董長(zhǎng)銀 周玉剛,3 游紅娟 劉亞賓 王卓飛

1.中國(guó)石油新疆油田公司工程技術(shù)研究院；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院；3.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司

稠油油藏具有儲(chǔ)量豐富、開發(fā)潛力大、出砂風(fēng)險(xiǎn)較高的特點(diǎn)［1-2］。新疆油田某油區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育稠油油藏，開采方式以熱采為主，儲(chǔ)層埋深淺、膠結(jié)差，油井普遍存在出砂問題、井筒砂埋嚴(yán)重，防砂方式以獨(dú)立割縫篩管為主，防砂后篩管堵塞嚴(yán)重，油井產(chǎn)能驟減嚴(yán)重，對(duì)于割縫篩管滲透率損失機(jī)理與規(guī)律認(rèn)識(shí)不夠，對(duì)割縫篩管縫寬優(yōu)化缺少理論依據(jù)，防砂效果缺乏有效保障。

目前針對(duì)割縫篩管滲透率損失機(jī)理與規(guī)律以及縫寬等設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的研究主要集中在常規(guī)油氣藏領(lǐng)域。董長(zhǎng)銀等通過分析篩管擋砂后滲透率變化預(yù)測(cè)其堵塞程度，揭示介質(zhì)滲透率損失與生產(chǎn)時(shí)間、地層砂特征信息等因素的定性和定量關(guān)系，擬合得到擋砂介質(zhì)堵塞程度預(yù)測(cè)模型［3-5］，但擋砂實(shí)驗(yàn)驅(qū)替流體主要以清水和增黏水為主；陳慧娟、龐偉等基于稠油熱采井傳熱與傳質(zhì)分析以及混合遺傳多目標(biāo)優(yōu)化等方法，建立了水平井蒸汽吞吐過程中井筒內(nèi)壓力分布和流體入流剖面預(yù)測(cè)模型［6-7］，分析割縫寬度等參數(shù)對(duì)油井產(chǎn)能的影響規(guī)律并進(jìn)行優(yōu)化分析［8-9］。有學(xué)者結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬進(jìn)行割縫內(nèi)流場(chǎng)模擬，探究縫寬、縫型等參數(shù)對(duì)地層砂運(yùn)移的影響［10-12］，以適度出砂為原則建立縫寬設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?3-14］，對(duì)割縫寬度設(shè)計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化、修正［15-16］。綜上所述，目前針對(duì)割縫篩管滲透率損失機(jī)理與設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的研究主要針對(duì)常規(guī)油氣藏生產(chǎn)與地質(zhì)條件，一方面在割縫篩管滲透率損失機(jī)理與規(guī)律方面沒有考慮稠油與地層砂的復(fù)合堵塞效應(yīng)，另一方面對(duì)于割縫篩管參數(shù)優(yōu)化缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化過程忽略了割縫篩管綜合防砂性能評(píng)價(jià)。

筆者針對(duì)稠油熱采井割縫篩管滲透率損害以及縫寬優(yōu)化，模擬稠油熱采井地質(zhì)與生產(chǎn)條件開展割縫篩管擋砂堵塞模擬實(shí)驗(yàn)，分析稠油、地層砂堵塞作用下割縫篩管滲透率損失規(guī)律，探究割縫寬度對(duì)割縫篩管滲透率損失速度和損失幅度的影響，并通過割縫篩管防砂性能定量評(píng)價(jià)，完成縫寬優(yōu)化，為目標(biāo)油區(qū)割縫篩管參數(shù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)與借鑒。

1 割縫篩管擋砂實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)于稠油熱采井，投產(chǎn)初期未出砂階段，井下流動(dòng)主要為油水兩相混合流動(dòng)，如圖1(a)所示；油井出砂后井下涉及地層水、稠油、地層砂混合流動(dòng)，儲(chǔ)層產(chǎn)出砂、稠油被攜帶入流至井筒，在割縫篩管過濾、阻擋作用下，部分稠油和粒徑較大的地層砂沉積于割縫篩管內(nèi)部及表面，并形成具有一定孔喉結(jié)構(gòu)的橋架結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。地層砂和稠油的沉積導(dǎo)致割縫篩管發(fā)生一定程度的堵塞并造成滲透率損失。研究表明，地層砂與稠油的沉積與割縫篩管縫寬關(guān)系密切。

高溫高壓擋砂介質(zhì)堵塞、評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，包括流體供給系統(tǒng)、旁注系統(tǒng)、徑向流驅(qū)替模擬井筒、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。液體供給系統(tǒng)主要由儲(chǔ)液罐和液泵組成，旁注系統(tǒng)可將稠油、聚合物等以恒定速度注入徑向流模擬井筒，徑向流驅(qū)替模擬井筒側(cè)壁開設(shè)可視化窗口，觀察模擬井筒內(nèi)流體流動(dòng)和篩管短節(jié)堵塞情況，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、流量計(jì)和差壓傳感器等，用于采集壓力、流量等數(shù)據(jù)，自動(dòng)加砂系統(tǒng)向驅(qū)替液體中以指定速度加入地層砂。

圖1 稠油熱采井擋砂介質(zhì)擋砂示意圖Fig.1 Sand retention sketch of sand retention medium in heavy oil thermal well

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.2 Process of experiment device

為了模擬稠油井未出砂階段和出砂階段井下?lián)跎敖橘|(zhì)堵塞情況，采用分階段驅(qū)替的實(shí)驗(yàn)方法，將篩管短節(jié)固定、安裝于徑向流模擬井筒，通過液體供給系統(tǒng)向模擬井筒內(nèi)以指定排量泵送清水驅(qū)替篩管短節(jié)，時(shí)長(zhǎng)約300 s，計(jì)算篩管短節(jié)初始滲透率，300 s后通過旁注系統(tǒng)將預(yù)先灌裝于中間容器中的稠油以指定速度注入驅(qū)替液體中，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至1 800 s，保持清水和稠油的持續(xù)注入，同時(shí)向驅(qū)替液中加入地層砂，觀察割縫篩管兩側(cè)壓差變化，當(dāng)壓差達(dá)到平衡后結(jié)束實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始加砂后，在集砂罐內(nèi)定時(shí)收集通過篩管短節(jié)的地層砂，結(jié)束后行洗油、烘干、稱重及粒度分析等操作，分析割縫篩管過砂情況。實(shí)驗(yàn)全程使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行流量、壓差等數(shù)據(jù)采集，結(jié)合篩管尺寸等參數(shù)利用徑向流達(dá)西定律計(jì)算實(shí)驗(yàn)過程中割縫篩管滲透率，分析滲透率損失。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)驅(qū)替流體為清水，黏度約1 mPa · s，稠油取自新疆油田目標(biāo)區(qū)塊，地面脫氣原油黏度約為7 500 mPa · s，模擬地層砂根據(jù)目標(biāo)工區(qū)出砂井產(chǎn)出砂粒度分布曲線復(fù)配得到，中值粒徑約為250μm，均值系數(shù)為8，泥質(zhì)含量為15%，其粒度分布曲線如圖3所示。割縫篩管設(shè)計(jì)參數(shù)中流通面積比與割縫寬度對(duì)篩管防砂性能影響明顯，實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑楦羁p寬度優(yōu)化，在使用不同縫寬割縫篩管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)節(jié)割縫密度保持篩管流通面積比一致。

圖3 實(shí)驗(yàn)所用模擬地層砂粒徑分布圖Fig.3 Particle size distribution of the simulated formation sand used in the experiment

根據(jù)目標(biāo)工區(qū)油井日產(chǎn)液量、油井油管尺寸以及實(shí)驗(yàn)徑向流驅(qū)替模擬井筒基本參數(shù)計(jì)算實(shí)驗(yàn)所用清水排量和稠油排量，目標(biāo)工區(qū)某稠油井平均產(chǎn)液量200 m3/d，水平井生產(chǎn)段長(zhǎng)度428 m，含水率95%左右，折合得到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)液泵排量1.125 m3/h，實(shí)驗(yàn)過程中，將液泵排量設(shè)置為1.2 m3/h，稠油排量為0.06 m3/h，實(shí)驗(yàn)室驅(qū)替液體中實(shí)際含水率95.2%，實(shí)驗(yàn)室液體流量與含水率和實(shí)際生產(chǎn)條件分別相差6.67%和0.2%。實(shí)驗(yàn)過程中使用自動(dòng)加砂器向驅(qū)替流體中混入模擬地層砂，加砂速度約為50 g/min。徑向流驅(qū)替模擬井筒外側(cè)包裹電加熱套，實(shí)驗(yàn)時(shí)將電加熱套加熱溫度設(shè)置為70℃。

2 割縫篩管堵塞過程中滲透率變化規(guī)律分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法，使用縫寬0.25~0.50 mm割縫篩管進(jìn)行擋砂堵塞模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，割縫篩管滲透率及其變化如圖4所示。T1階段對(duì)應(yīng)驅(qū)替時(shí)間0~300 s，為清水驅(qū)替階段；T2階段對(duì)應(yīng)驅(qū)替時(shí)間300~1 800 s，為清水+稠油驅(qū)替階段；T3階段對(duì)應(yīng)驅(qū)替時(shí)間1 800~3 300 s，為清水+稠油+地層砂驅(qū)替階段。

圖4 割縫篩管滲透率隨時(shí)間變化Fig.4 Variation of slotted screen permeability over the time

由圖4可知，清水驅(qū)替階段，驅(qū)替流體中只有清水，割縫篩管滲透率均為初始滲透率，不同縫寬篩管的流通面積比均保持一致，其初始滲透率相差不大，均在4.5~6μm2范圍內(nèi)；清水?dāng)y帶稠油驅(qū)替階段，稠油黏度較高，在篩管割縫內(nèi)沉積導(dǎo)致篩管過流面積減小并發(fā)生滲透率損失，當(dāng)高黏度稠油在割縫內(nèi)持續(xù)沉積以及流動(dòng)壓差升高至較高值時(shí)，沉積在割縫內(nèi)的稠油在較高壓差作用下突破篩管割縫的阻擋、通過篩管，篩管過流面積和滲透率又得到一定程度的恢復(fù)，因此在清水+稠油驅(qū)替階段，割縫篩管滲透率發(fā)生一定幅度的損失并在一定范圍內(nèi)持續(xù)波動(dòng)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，定義該階段為稠油堵塞階段；清水?dāng)y帶稠油與地層砂混合復(fù)合驅(qū)替階段，地層砂由于稠油的黏附以及篩管割縫的阻擋作用沉積在篩管割縫內(nèi)，稠油黏附地層砂形成油砂混合物和橋架結(jié)構(gòu)沉積在篩管割縫內(nèi)不易突破，導(dǎo)致篩管過流面積急劇減小，割縫篩管滲透率損失超過95%，隨油砂混合物持續(xù)沉積，割縫篩管滲透率下降至極低值后滲透率損失速度逐漸減小并最終穩(wěn)定在0.3μm2左右，定義該階段為復(fù)合堵塞階段。

2.1 滲透率損失幅度隨縫寬變化規(guī)律分析

定義割縫篩管在稠油堵塞階段和復(fù)合堵塞階段穩(wěn)定后的滲透率為稠油堵塞滲透率和復(fù)合堵塞滲透率，不同縫寬割縫篩管擋砂堵塞過程中各項(xiàng)滲透率如表1所示。計(jì)算篩管稠油堵塞滲透率以及復(fù)合堵塞滲透率與初始滲透率的比值，即稠油堵塞滲透率比與復(fù)合堵塞滲透率比，如圖5所示。

表1 不同縫寬割縫篩管滲透率Table 1 Permeability of slotted screens with different slot widths

圖5 不同縫寬割縫篩管滲透率比對(duì)比Fig.5 Comparison of permeability ratio between slotted screens with different slot widths

由表1、圖5可知，不同縫寬割縫篩管初始滲透率差距不大，但稠油堵塞滲透率和復(fù)合堵塞滲透率受縫寬影響明顯，除縫寬0.35 mm稠油堵塞滲透率略低外，均隨縫寬增加而呈現(xiàn)提高的趨勢(shì)，尤其是當(dāng)割縫寬度增加至0.45 mm時(shí)，篩管復(fù)合堵塞滲透率有明顯提升，提高至0.209μm2。圖5中，篩管稠油堵塞階段和復(fù)合堵塞階段滲透率比總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在縫寬0.35 mm和0.40 mm處滲透率比較低?？p寬小于0.35 mm或縫寬大于0.40 mm時(shí)，稠油堵塞滲透率比與復(fù)合堵塞滲透率比均隨縫寬增大而增大。在稠油堵塞和復(fù)合堵塞階段，篩管堵塞后滲透率比總體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在縫寬0.35 mm和0.40 mm處滲透率比較低。

2.2 滲透率損失速度隨縫寬變化規(guī)律分析

為了對(duì)比不同縫寬割縫篩管在稠油堵塞階段和復(fù)合堵塞階段滲透率損失速度，定義滲透率絕對(duì)損害速度與滲透率相對(duì)損害速度，滲透率絕對(duì)損害速度為篩管在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的滲透率損失值，滲透率相對(duì)損害速度為單位時(shí)間內(nèi)篩管滲透率損失值與初始滲透率的比值，滲透率絕對(duì)損害速度與相對(duì)損害速度隨篩管縫寬變化如圖6所示。稠油堵塞階段，割縫篩管滲透率絕對(duì)損害速度和滲透率相對(duì)損害速度隨縫寬增加呈現(xiàn)高度一致的變化規(guī)律，除縫寬0.35 mm滲透率損害速度偏高以外，其他縫寬處滲透率損害速度均隨縫寬增加而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。復(fù)合堵塞階段，滲透率相對(duì)損害速度和絕對(duì)損害速度隨縫寬增加而降低。對(duì)比圖6(a)和圖6(b)可知，復(fù)合堵塞階段割縫篩管滲透率絕對(duì)損害速度和相對(duì)損害速度均要高于稠油堵塞階段。

圖6 不同縫寬割縫篩管滲透率損失速度對(duì)比Fig.6 Comparison of permeability loss velocity between slotted screens with different slot widths

3 割縫篩管防砂性能定量評(píng)價(jià)與縫寬優(yōu)化

進(jìn)行割縫篩管防砂性能評(píng)價(jià)時(shí)，需要考慮篩管流通性能、抗堵塞性能、擋砂性能以及綜合防砂性能，流通性能主要取決于篩管復(fù)合堵塞階段以及稠油堵塞階段滲透率大小，抗堵塞性能主要取決于篩管堵塞后滲透率比以及滲透率相對(duì)損害速度和絕對(duì)損害速度，擋砂性能主要受篩管擋砂率影響，不同縫寬篩管擋砂率與過砂中值粒徑見表2。割縫篩管擋砂率隨縫寬增大而降低，當(dāng)縫寬低于0.35 mm時(shí)，擋砂率均高于90%，而篩管過砂中值粒徑隨縫寬增大而增大，當(dāng)縫寬低于0.35 mm時(shí)，篩管過砂中值粒徑基本保持在140μm以內(nèi)。

表 2不同縫寬篩管擋砂率和過砂粒徑Table 2 Sand retention ratio and passed-sand particle size of screens with different slot widths

針對(duì)不同縫寬篩管在稠油堵塞階段和復(fù)合堵塞階段，使用機(jī)械篩管防砂性能評(píng)價(jià)軟件進(jìn)行割縫篩管在不同堵塞階段流通性能、抗堵塞性能、擋砂性能以及綜合防砂性能指標(biāo)計(jì)算，如表3所示。篩管的流通性能指標(biāo)、抗堵塞性能指標(biāo)以及擋砂性能指標(biāo)分別是依據(jù)篩管擋砂堵塞過程中的滲透率、滲透率損害速度以及擋砂情況計(jì)算得到的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，而綜合性能指標(biāo)為兼顧擋砂性能、流通性能以及抗堵塞性能得到的綜合指標(biāo)，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)防砂需求對(duì)流通性能指標(biāo)、抗堵塞性能指標(biāo)以及擋砂性能指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到［17］。由于稠油堵塞階段驅(qū)替液中不含地層砂，因此將篩管擋砂性能指標(biāo)全部指定為1。由表可知，在稠油堵塞以及復(fù)合堵塞階段，篩管流通性能指標(biāo)以及抗堵塞性能指標(biāo)均隨縫寬增大而提高，而擋砂性能指標(biāo)隨篩管縫寬增大而降低，即提高割縫寬度，會(huì)提高篩管流通性能和抗堵塞性能，但會(huì)導(dǎo)致?lián)跎靶阅茏儾睢?/p>

表3 稠油堵塞與復(fù)合堵塞階段篩管防砂性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of screen’s sand control performance indexes in heavy oil plugging stage and combined plugging stage

一般出砂稠油井生產(chǎn)包括前期不出砂以及后期出砂2個(gè)階段，分別計(jì)算稠油井未出砂和出砂階段篩管防砂性能指標(biāo)，通過加權(quán)平均處理后得到適應(yīng)于出砂稠油井整個(gè)生產(chǎn)過程的機(jī)械篩管防砂性能指標(biāo)，計(jì)算方法為

式中，Xt為整個(gè)生產(chǎn)階段防砂性能指標(biāo)；Xc為稠油堵塞階段防砂性能指標(biāo)；Xf為復(fù)合堵塞階段防砂性能指標(biāo)；Wc為稠油堵塞階段防砂性能指標(biāo)加權(quán)系數(shù)；Wf為復(fù)合堵塞階段防砂性能指標(biāo)加權(quán)系數(shù)。其中Wc和Wf需要根據(jù)稠油井出砂嚴(yán)重程度和出砂時(shí)間由定性經(jīng)驗(yàn)確定，二者關(guān)系為

新疆油田某稠油熱采區(qū)塊內(nèi)油井一般投產(chǎn)2~3個(gè)月內(nèi)開始出砂，生產(chǎn)周期在10個(gè)月左右，以該部分油井為例，確定稠油堵塞和復(fù)合堵塞階段防砂性能指標(biāo)加權(quán)系數(shù)分別為0.3和0.7，并據(jù)此得到該油區(qū)內(nèi)稠油井整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程機(jī)械篩管防砂性能指標(biāo)，如表4所示。0.25 mm割縫篩管流通性能指標(biāo)和抗堵塞性能指標(biāo)最低，而擋砂性能指標(biāo)最高；0.50 mm割縫篩管流通性能指標(biāo)和抗堵塞性能指標(biāo)最高，而擋砂性能指標(biāo)最低；綜合性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果表明，在新疆油田某油區(qū)地質(zhì)和生產(chǎn)條件下，對(duì)于目標(biāo)工區(qū)d50為0.25 mm的地層砂，優(yōu)化割縫篩管縫寬為0.30 mm。

表 4全過程篩管防砂性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of screen’s sand control performance indexes in the whole process

4 結(jié)論

(1)不同縫寬割縫篩管初始滲透率基本一致，在發(fā)生稠油堵塞時(shí)，割縫篩管滲透率均發(fā)生較為明顯的損失并最終達(dá)到平衡，損失幅度均超過20%，繼續(xù)發(fā)生復(fù)合堵塞后，篩管滲透率損失進(jìn)一步增大，實(shí)驗(yàn)條件下，割縫篩管發(fā)生復(fù)合堵塞后滲透率均降至0.3μm2以內(nèi)。

(2)割縫篩管擋砂堵塞過程中，稠油堵塞滲透率和復(fù)合堵塞滲透率和滲透率比整體上隨縫寬增加而呈現(xiàn)提高的趨勢(shì)，滲透率損失幅度逐漸增大，增大縫寬，有利于降低割縫篩管在稠油堵塞階段和復(fù)合堵塞階段的滲透率損害速度，當(dāng)割縫寬度增加至0.45 mm時(shí)，篩管復(fù)合堵塞滲透率有明顯提升，提高至0.209μm2。

(3)針對(duì)割縫篩管分別進(jìn)行稠油堵塞階段和復(fù)合堵塞階段防砂性能指標(biāo)定量計(jì)算，隨縫寬增加，篩管流通性能和抗堵塞性能提高，但擋砂性能變差，通過加權(quán)計(jì)算的方法對(duì)比整個(gè)驅(qū)替過程割縫篩管防砂性能指標(biāo)，結(jié)果表明，對(duì)于新疆油田某油區(qū)中值粒徑0.25 mm的地層砂，縫寬0.30 mm割縫篩管綜合防砂性能最好。