錢欽, 王力智, 張雪梅, 車傳睿, 宋洋, 孫寶全, 董長銀*, 黃有藝

(1.中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院, 東營 257000； 2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院， 青島 266580)

聚合物驅(qū)是目前油藏提高采收率的主要開發(fā)方式之一，在大慶、勝利及渤海油區(qū)應(yīng)用廣泛[1]。注入聚合物的黏度保留率評價是注聚驅(qū)是否成功的關(guān)鍵指標之一[2-5]。對于疏松砂巖油藏的聚合物驅(qū)注聚井，在停注或作業(yè)時出現(xiàn)大量返吐地層砂，即注聚井出砂[6-8]。機械篩管是目前注聚井防砂的主要技術(shù)形式，篩管的選型和參數(shù)優(yōu)化不但要考慮其對地層砂的防砂效果，還需要考慮注聚期間篩管對聚合物溶液剪切降黏作用[9-10]。中外目前對聚合物剪切開展的研究主要為多孔介質(zhì)中的機械剪切[11-14]，為獲得高黏度保留率，多數(shù)研究聚焦于微觀尺度的聚合物性能分析[15-16]，對于聚合物在防砂篩管的機械剪切降黏開展研究較少，難以適應(yīng)工程尺度條件。針對注聚井過篩管聚合物溶液剪切降黏問題，王亭沂等[17]對聚合物剪切黏度保留率測試方法進行了探討；陳偉等[18]、田玉芹等[19]對海上注聚井低剪切防砂工藝開展研究，發(fā)現(xiàn)縫狀繞絲濾砂管對長鏈式高分子聚合物具有較低的機械剪切。目前研究均缺少直接針對機械篩管過聚合物溶液黏度保留性能的系統(tǒng)性評價方法。機械篩管防砂性能評價方面目前已有充分的研究[20-24]，但沒有考慮注聚井機械篩管對聚合物溶液的剪切降黏影響。綜上所述，注聚井防砂篩管需要面對注入聚合物和返吐防砂兩種工況，目前對注聚井防砂篩管的優(yōu)選仍處于對聚合物溶液黏度保留性能和防砂性能分開評價的階段，缺乏統(tǒng)一的優(yōu)選方法[25]。

為此，以渤海油區(qū)典型注聚油田埕北油田為目標油田，以繞絲篩管為例，針對注聚井繞絲篩管擋砂堵塞及對聚合物溶液的剪切降黏過程與規(guī)律，模擬注聚井井底流動條件開展聚合物注入和地層砂返吐堵塞模擬實驗，分析不同縫型繞絲篩管對聚合物溶液的黏度降低率變化規(guī)律和對地層砂的堵塞規(guī)律，建立了綜合性能對比方法，計算了不同精度不同縫型的繞絲篩管定量評價指標，完成縫型縫寬優(yōu)化，為目標油區(qū)繞絲篩管結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供指導(dǎo)與借鑒。

1 實驗原理與實驗材料

1.1 實驗裝置與實驗方法

為了模擬注聚井篩管對聚合物流體的剪切降黏過程，以及注聚井返吐砂過程，構(gòu)建了注聚井篩管綜合性能評價實驗裝置，主體裝置如圖1所示。實驗裝置由配液罐、加砂器、液泵、集砂器、徑向主體模擬井筒、壓差與流量傳感器、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)組成。徑向主體模擬井筒內(nèi)徑450 mm，篩管安裝于模擬容器中央，用于模擬實際注入與返吐過程。徑向流井筒前后管道分別設(shè)置取樣口，對通過篩管前后聚合物進行取樣。聚合物溶液取樣后采用安東帕流變儀MCR302進行流變性測試。

圖1 注聚井篩管性能評價實驗裝置示意圖

實驗時將篩管短節(jié)固定于徑向流主體模擬井筒中。篩管對聚合物溶液黏度保留性能評價實驗?zāi)M注聚井反注過程，采用聚合物由篩管內(nèi)部向外驅(qū)替，待注入壓力趨于穩(wěn)定后，分別在徑向流單元出入口取樣并立即進行流變性測試；擋砂堵塞實驗?zāi)M注聚后返吐地層砂過程，主要考慮地層砂顆粒的機械堵塞，采用清水?dāng)y帶砂粒由外向內(nèi)驅(qū)替篩管短節(jié)。

1.2 實驗材料與實驗條件

埕北油田地層砂粒徑中值分布在0.125～0.134 mm范圍內(nèi)，根據(jù)典型地層砂樣品的篩析數(shù)據(jù)，采用不同粒徑石英砂顆粒復(fù)配實驗用砂，砂樣粒度對比如圖2所示。復(fù)配砂粒度中值d50為0.130 1 mm，泥質(zhì)含量8%，均勻系數(shù)為8。實驗采用梯形縫、弧形縫、倒梯形縫3種類型繞絲篩管如圖3所示，以縫型最窄處縫寬作為標稱精度，精度范圍為250、210、180、150 μm。篩管內(nèi)外徑相同分別為107、138 mm。基管孔數(shù)300孔/m，篩管短節(jié)長度為250 mm。

圖2 實驗所用地層砂與實際砂樣粒度對比

圖3 實驗所用篩管樣品

聚合物溶液采用聚丙烯酰胺干粉(生產(chǎn)廠家愛森絮凝劑公司)配制，根據(jù)油田地層水礦化度(表1)，室內(nèi)復(fù)配地層水溶解聚合物干粉，低速攪拌2 h后靜置1～2 h使用。聚合物在室溫條件、剪切速率7.34 s-1下測得表觀黏度為50 mPa·s，濃度為1 850 mg/L。實驗所用流體及參數(shù)如表2所示。實驗流速條件配置與典型注聚井井底基準表觀流速等效，典型井基準流速0.4 m3/h·m，折算實驗室對應(yīng)聚合物注入流量為0.1 m3/h；防砂性能測試階段為加快篩管堵塞過程，采用清水?dāng)y砂以1.2 m3/h驅(qū)替篩管。

2 注聚井繞絲篩管工況模擬實驗

2.1 不同縫型縫寬聚合物剪切降粘分析

相同實驗條件下對3種縫型對聚合物流通性能對比，記錄3種縫型繞絲篩管驅(qū)替內(nèi)外壓差計流量變化曲線如圖4所示。

圖4 精度150 μm下3種縫型篩管壓力變化曲線

相同流量下梯形縫流動壓差最高，平衡后約4.5 kPa，略高于弧形縫(4 kPa)。倒梯形縫流動壓差最低，出現(xiàn)一定波動后平衡在3 kPa。由于驅(qū)替流速相同，根據(jù)滲透率變化關(guān)系，流體在達到流動平衡后倒梯形縫篩管表現(xiàn)出最高的滲透率，而弧形縫滲透率略高于梯形縫。

聚丙烯酰胺溶液為高分子非牛頓流體，其表觀黏度與測量條件密切相關(guān)。采用旋轉(zhuǎn)流變儀進行流變性測試，在轉(zhuǎn)子標定轉(zhuǎn)速(7.34 s-1)下測得的表觀黏度為標定黏度μ。在聚合物流體通過繞絲篩管縫隙時發(fā)生剪切作用導(dǎo)致溶液黏度下降，黏度降低率計算公式為

(1)

式(1)中：ks為黏度降低率，無量綱；μb為通過篩管前的溶液黏度，mPa·s；μa為通過篩管后的溶液黏度, mPa·s。

不同縫寬縫型條件下聚合物標定黏度降低率變化規(guī)律如圖5所示?？梢钥闯觯Y管對聚合物標定黏度降低率均與縫寬/精度呈明顯反比，縫寬由150 μm升至250 μm時分別下降30%～75%?？p寬的提高增大了流動空間，從而降低了縫內(nèi)聚合物溶液的流動速度，使得篩管對聚合物高分子團盤曲折疊結(jié)構(gòu)的損傷程度降低，表現(xiàn)為聚合物標定黏度降低率的下降。

圖5 不同縫寬縫型條件下聚合物標定黏度降低率

縫型結(jié)構(gòu)對聚合物流動過程影響明顯，而非牛頓流體流態(tài)對表觀黏度的測量影響較大，相同縫寬/精度條件下，各縫型篩管對聚合物溶液黏度降低率差異明顯。在4種縫寬下梯形縫黏度降低率均處于最高值，標定降低率0.689%～1.301%，高于弧形縫(0.687%～0.985%)和倒梯形縫(0.23%～0.646%)。

2.2 堵塞實驗過程分析

分別對不同縫寬縫型篩管進行地層砂堵塞實驗，根據(jù)實驗記錄的壓力及流量變化，計算滲透率變化曲線如圖6所示。可以看出，雖然精度條件相同，但是不同縫型結(jié)構(gòu)滲透率變化存在較大差異。

圖6 不同縫型結(jié)構(gòu)篩管滲透率變化曲線

初始階段3種篩管滲透率近似并基本保持穩(wěn)定。150 μm精度下，清水?dāng)y砂驅(qū)替階段弧形縫篩管最先發(fā)生堵塞，滲透率由7.044 μm2迅速降低至0.046 μm2，滲透率損害99.3%；梯形與倒梯形縫篩管分別在1 000 s和1 300 s開始堵塞，產(chǎn)生滲透率損害99.4%和99.2%。篩管堵塞后形貌如圖7所示，地層砂嵌入篩管介質(zhì)孔隙中并在表面形成一層致密砂橋。

圖7 篩管堵塞形貌

篩管縫型結(jié)構(gòu)是造成上述堵塞規(guī)律差異的重要因素，如圖8所示。150 μm精度條件下，弧形寬-窄-寬的縫隙結(jié)構(gòu)相最易堵塞，相比于梯形縫隙結(jié)構(gòu)缺少“自潔”作用，同時橋架擋砂層比倒梯形縫結(jié)構(gòu)更薄，形成所需時間短；梯形外窄、內(nèi)寬的縫隙結(jié)構(gòu)使得篩管本身具有“自潔”作用，即地層砂一旦通過縫隙很容易進入井筒不發(fā)生堵塞縫隙，但一旦被較大顆粒堵塞縫隙，就會迅速形成橋架擋砂層，相比倒梯形縫堵塞要快。

圖8 不同縫型結(jié)構(gòu)篩管擋砂示意圖

180 μm精度的倒梯形與弧形縫篩管在1 330 s和1 660 s分別發(fā)生堵塞，最終滲透率為0.065、0.081 μm2，而梯形縫篩管在整個驅(qū)替過程中滲透率沒有明顯變化。這是由于弧形、倒梯形縫隙結(jié)構(gòu)均有利于地層砂顆粒在縫隙橋架沉積形成新的擋砂層，易被較小粒徑地層砂堵塞，二者堵塞規(guī)律相似，但倒梯形縫形成橋架結(jié)構(gòu)更厚，篩管堵塞程度更嚴重；梯形縫結(jié)構(gòu)受較大地層顆粒影響明顯，在篩管精度180 μm、地層砂粒度中值130 μm條件下，地層砂難以形成有效擋砂橋架層，因此篩管未發(fā)生明顯堵塞。在210 μm以及大于210 μm的高精度條件下，3種縫型均難以有效阻擋粒徑中值130 μm地層砂。

2.3 堵塞后注入實驗過程分析

實際注聚井在生產(chǎn)過程中存在3個過程：篩管注聚合物→關(guān)井?dāng)y砂流體返吐→篩管堵塞后重新注聚，對應(yīng)室內(nèi)模擬實驗如圖9(a)～圖9(c)過程所示。在堵塞實驗結(jié)束后由篩管內(nèi)部重新注入聚合物，驅(qū)替平穩(wěn)后測試聚合物溶液流變物性。為充分體現(xiàn)堵塞及反向注入解堵過程，選用150 μm精度篩管進行堵塞后注入實驗。實驗后篩管與井筒內(nèi)照片如圖10所示。

圖9 注聚井工況模擬實驗示意圖

倒梯形縫篩管在堵塞平穩(wěn)后，表面均勻堵塞地層砂顆粒。由篩管內(nèi)向管外注入聚合物溶液，堵塞砂團迅速脫落，流動平穩(wěn)后觀察到篩管表面光滑，幾乎無地層砂顆粒堵塞情況[圖10(a)]，井筒內(nèi)可見大量從篩管表面脫落的砂團沉積至底部，如圖10(b)所示。對于梯形縫和弧形縫繞絲篩管[圖10(c)和圖10(d)]，在聚合物溶液流動穩(wěn)定后提出篩管，表面仍可見較多的地層砂顆粒堵塞物。說明倒梯形縫的內(nèi)窄外寬結(jié)構(gòu)，有利于篩管堵塞后的反向注入解堵，而縫隙的內(nèi)寬外窄結(jié)構(gòu)會對解堵造成負面影響。

圖10 實驗后篩管表面及井筒內(nèi)照片

取實驗后聚合物溶液進行流變性測試，測試結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?，堵塞后的梯形縫與弧形縫篩管對聚合物標定黏度降低率為8.837%和7.51%，遠高于未堵塞時。倒梯形縫篩管對聚合物黏度降低率相較于未堵塞時雖有所上升，但仍處于較低水平，標定黏度降低率僅為2.312%。探析其原因，倒梯形縫與弧形縫篩管結(jié)構(gòu)使其反注時解堵程度差，地層砂顆粒形成砂橋緊密充填縫隙，導(dǎo)致了縫隙處流通面積遠小于縫隙面積，聚合物溶液在致密砂橋中的流動產(chǎn)生了較高的黏度損害。因此篩管較好的解堵能力能夠保證注入后期對聚合物不產(chǎn)生高黏度損害。

圖11 不同縫型篩管對聚合物黏度降低率的影響

3 繞絲篩管結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化

3.1 保黏性能評價結(jié)果

由于篩管對聚合物溶液具有剪切降黏效果，3次采油需要聚合物流體注入地層時的黏度保持在較高程度，因此需要優(yōu)選對聚合物黏度傷害最小的篩管結(jié)構(gòu)參數(shù)。篩管對通過其空隙的聚合物溶液黏度保留程度即為篩管保黏性能，定義Sr為篩管保黏性能指標，采用標定黏度降低率為主要評價依據(jù)，使用完全堵塞后過篩管聚合物溶液黏度保留率進行修正，Sr越高說明篩管對聚合物黏度損害越小。定義篩管保黏性能指標計算公式為

Sr=(1-ks)Xf

(2)

式(2)中：Sr為篩管過聚合物黏度保留性能指標，無量綱；Xf為堵塞后保黏修正系數(shù)，無量綱，倒梯形縫、弧形縫、梯形縫篩管Xf分別取0.977、0.925、0.912。

根據(jù)計算結(jié)果，不同精度及縫型篩管保黏性能如圖12所示。各篩管保黏性能指標均高于0.9，說明三類繞絲篩管整體對聚合物溶液黏度損害較小。根據(jù)評價結(jié)果，250 μm精度倒梯形縫篩管保黏性能指標最高為0.975，最低指標出現(xiàn)在150 μm精度梯形縫，為0.900。在堵塞后保黏修正系數(shù)的校正下，相同精度條件，倒梯形縫篩管保黏性能指標明顯高于其他兩種縫型，其次為弧形縫，梯形縫篩管最低；隨篩管精度增大，保黏性能指標出現(xiàn)不同程度上升，但上升速度逐漸變緩，提高篩管精度對聚合物溶液黏度保留率只能得到有限的提升。

圖12 保黏性能評價指標

3.2 防砂性能評價結(jié)果

使用機械篩管防砂性能評價軟件對3種繞絲篩管在不同精度條件下的流通性能、抗堵塞性能、擋砂性能指標，根據(jù)堵塞規(guī)律實驗的3種單項指標計算防砂性能指標。防砂性能指標Sz為滲透性能、擋砂性能和抗堵性能的綜合體現(xiàn)，根據(jù)擋砂性能指標Sd、滲透性能指標Sl和抗堵性能指標Sk通過加權(quán)平均計算得到，計算公式為

綜上所述，平片無張力疝修補術(shù)治療效果明顯優(yōu)于疝環(huán)充填式修補術(shù)，且具有較快的恢復(fù)速度，較低的并發(fā)癥發(fā)生率等特點，值得在臨床中推廣和應(yīng)用。

Sz=WkSk+WlSl+WdSd

(3)

Wk+Wl+Wd=1

(4)

式中：Wd為擋砂性能權(quán)重系數(shù)，無量綱；Wl為滲透性能權(quán)重系數(shù)，無量綱；Wk為抗堵性能權(quán)重系數(shù)，無量綱；Sz為防砂性能指標，無量綱。

上述權(quán)重系數(shù)為經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)人為主觀經(jīng)驗確定，用于調(diào)整特定的防砂儲層或區(qū)塊對于防砂工藝在擋砂性能、抗堵性能和滲透性能不同方面的要求。對于一般情況，機械篩管的首要功能是擋砂和防砂，同時兼顧流通性和抗堵塞性，因此上述權(quán)重系數(shù)設(shè)置時擋砂性能占絕對主要地位，一般推薦取Wd=0.6，Wk=0.2和Wl=0.2。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)具體防砂需求和評價目的靈活調(diào)整。各參數(shù)計算結(jié)果如圖13所示。

圖13 篩管防砂參數(shù)評價結(jié)果

各縫型篩管的單項指標整體變化規(guī)律一致，隨篩管精度增大，流通性能與抗堵塞性能上升但擋砂性能下降：同一縫型條件下，當(dāng)篩管精度大于180 μm，地層砂難以堵塞篩管，篩管抗堵塞性能指標均較高，處于0.97～0.99，流通性能指標為1。其中梯形縫篩管以其自潔作用效果在180 μm精度下就表現(xiàn)出較高的流通能力和抗堵塞能力。低精度篩管總體上能保持更有擋砂性能。同一精度條件下，梯形縫由于外窄內(nèi)寬縫隙結(jié)構(gòu)，篩管抗堵塞及流通性能最優(yōu)。在精度為150 μm時弧形縫寬-窄-寬縫隙結(jié)構(gòu)使得篩管擋砂性能最優(yōu)；中高精度(>150 μm)條件，倒梯形縫總能保持最優(yōu)擋砂性能。

對比相同精度條件下篩管防砂性能指標，在低精度(150 μm)條件下弧形縫性能最優(yōu)，為0.797 3，高于梯形縫(0.785 8)和倒梯形縫(0.676 2)；中高精度下(>150 μm)，倒梯形縫總能保持最優(yōu)的防砂性能。而同一縫型、不同精度之間對比顯示，弧形、梯形縫精度由150 μm升至250 μm，防砂性能指標分別下降23.2%和19.0%；倒梯形縫則在180 μm精度下表現(xiàn)出最優(yōu)防砂性能(0.731 9)，此時的擋砂、抗堵塞與流通能力處于均衡最高值。

3.3 綜合評價參數(shù)及評價結(jié)果

基于篩管保黏性能和防砂性能優(yōu)化結(jié)果，定義綜合對比指標S，其計算公式為

S=WrSr+(1-Wr)Sz

(5)

式(5)中：S為綜合對比指標,無量綱；Wr為保黏性能偏重系數(shù)，無量綱，Wr為小于1的正數(shù)，根據(jù)對篩管保黏性能側(cè)重程度確定，推薦取值0.6。

注聚井篩管參數(shù)優(yōu)化依據(jù)及性能指標如表3所示。

表3 注聚井篩管參數(shù)綜合優(yōu)化依據(jù)

3種篩管不同精度下的綜合對比指標如圖14所示。根據(jù)優(yōu)選結(jié)果，在低精度(150 μm)條件下弧形縫表現(xiàn)出最高的綜合性能，綜合對比指標為0.869；中高精度下(>150 μm)，倒梯形縫總能保持最優(yōu)的綜合性能。不同精度之間對比顯示，弧形、梯形縫精度由150 μm升至250 μm，綜合對比指標分別下降8.3%和6.6%；倒梯形縫則在180 μm精度下表現(xiàn)出最優(yōu)綜合性能。由于篩管精度過大時不具備擋砂能力，因此不推薦180 μm以上精度。

圖14 綜合對比指標結(jié)果

4 結(jié)論

(1)干凈篩管對聚合物黏度損害較低，而篩管堵塞后對聚合物黏度損害程度大大增強，重新注聚時篩管的自解堵能力對保黏性能指標起決定性影響。相同精度條件下，倒梯形縫篩管保黏性能指標為(0.971～0.975)，高于弧形縫(0.916～0.919)和梯形縫(0.900～0.906)；不同縫型繞絲篩管對聚合物黏度損害程度均與精度呈明顯負相關(guān)。

(2)縫型結(jié)構(gòu)對擋砂堵塞影響明顯。在地層流體攜砂返吐條件下，弧形、倒梯形縫隙結(jié)構(gòu)均利于砂粒在縫隙中橋架沉積形成新的擋砂層而堵塞；梯形縫隙結(jié)構(gòu)使得篩管本身具有“自潔”作用，不容易被小尺寸地層砂堵塞縫隙。綜合考慮擋砂、流通及抗堵塞性能，低精度(150)條件下弧形縫防砂性能最優(yōu)，為0.797 3，高于梯形縫(0.785 8)和倒梯形縫(0.676 2)；中高精度下(>150 μm)，倒梯形縫總能保持最優(yōu)的防砂性能。

(3)考慮注聚井防砂篩管的保黏性能和防砂性能需求，建立了綜合性能對比方法。根據(jù)綜合對比結(jié)果，針對粒度中值0.13 μm地層砂，150～180 μm精度的篩管存在擋砂能力，在150 μm精度下弧形縫篩管綜合性能最優(yōu)，而180 μm精度條件下倒梯形縫最優(yōu)。