国内外防砂试验研究现状及其发展方向

1、国内外防砂试验研究现状及其发展方向摘要：本文通过对国内外防砂试验研究现状的广泛调研，提出了防砂试验研究未来的发展方向，确定了未来的防砂试验室应具备的功能，阐述了达到这些功能实现的方法和试验系统应具有的特点，以便有效地指导油田防砂设计、施工和油井生产。主题词：防砂 试验室 机械 化学 模拟装置 试验系统 防砂模型1 国内外防砂试验研究现状 油井防砂是制约油井生产的一项关键因素。为了较好地开展油井防砂工作，国内外许多单位和研究机构纷纷进行了油井防砂室内试验研究工作，为现场的防砂设计和施工提供了有力的保障。1.1 国内防砂试验研究现状 国内在室内防砂试验研究方面，主要有北京石油勘探开发科学研究院、北

2、京石油勘探开发科学研究院廊坊分院、中国石油大学（华东）、胜利油田采油院、胜利油田地质科学院等单位进行了相关的工作。但研究内容、研究方向差异较大。1.1.1 北京石油勘探开发科学研究院该院为了研究和分析冷采过程及其机理，自行研制设计了一套稠油出砂冷采物模装置。其直径为102 mm，装填岩心长度为600 mm。前端有一活塞，模型中间填充饱和油。通过向活塞施加压力来驱替饱和油沿管柱向前移动。该装置可以监测入口压力、中间压力和出口压力，以便确定冷采时蚯蚓洞的形成过程，油井生产时的产量等参数。模型具体的研究方向为蚯蚓洞在油藏中的形成条件，油气水和砂从油层向蚯蚓洞和从蚯蚓洞向井筒的流动过程的模拟以及泡沫油

3、在蚯蚓洞中形成的条件和流动机理研究。通过这些研究可以提高对稠油出砂冷采的认识，并为现场冷采作业提供一些主要参数依据。该套模型还可以针对其它提高采收率的冷采方法进行模拟研究，包括稠油水平井冷采实验研究，以超临界流体萃取实验研究等。1.1.2 北京石油勘探开发研究院廊坊分院该院1992年12月引进了一套由美国Terra Tek公司制造、时价为60万美元的岩石力学试验装置。该装置由岩石力学三轴试验系统、围压系统、孔隙压力系统、控制系统和数据采集系统等四部分组成。实验时，将地层岩心样品分别在不同应力条件下进行三轴试验，根据不同实验条件下的破坏强度做Mohr-Coulomb破坏包络线。从而可以求得地层的

4、粘聚力、内摩擦角，确定地层首先破坏导致出砂的方式，还可以根据分析确定不至于产生地层出砂的最大生产压差。此外，利用该试验系统可以进行： 岩石渗透率和岩心变化的测定； 模拟采油过程；进行物性变化、孔隙度变化、井筒附近的应力场分析； 进行地应力方向、最大最小主应力方向的判定； 加速波和剪切波速度的测定等。1.1.3 中国石油大学（华东）中国石油大学（华东）油气田开发工程研究所曾做过防砂机理实验。其实验过程是将0.5 m长的岩心筒，装入岩心夹持器中，通过一端施加一定的压力，测量岩石的挡砂粒径。1.1.4 胜利油田采油院该院分别建立了一套机械和化学防砂试验室。其机械防砂试验室包括“八五”期间所建立的适宜

5、于水平井砾石充填的物理模拟试验装置和小型模拟出砂试验装置。适宜于水平井砾石充填的物理模拟试验装置，属于大型实际尺寸防砂模拟实验装置。由透明模拟井筒、井筒升降系统、机泵组、数据采集系统、监测系统和数据图象处理系统六大部分组成。模拟井筒具有良好的透明度，井筒外径200 mm，内径160 mm，全长30 m。井筒内配装87 mm的绕丝筛管、冲管和砾石充填工具组合管柱，井筒外部装有数只压力传感器，井筒一侧配装射像监测装置，井筒的斜度可根据试验需要由升降系统在0°90°范围内任意调整。机泵组主要包括供水离心泵、砂浆搅拌罐和混砂泵，充填流程上安装有超声波流量计和密度计。小型模拟出砂试验

6、装置是在模拟井下温度、压力、产液量、生产压差下，用小岩心进行模拟出砂试验。该方法未考虑射孔的影响，预测结果不够准确。胜利油田防砂中心为塔北某油田编制完井工程方案用此方法做过试验。其化学防砂试验室，主要进行一些化学防砂试验。主要实验内容包括：（1）利用岩心高渗透率测定仪进行岩心渗透率的测定；（2）利用JHST渗透率梯度仪进行岩心渗透率梯度的测定；（3）利用氦孔隙度自动测定仪进行氦孔隙度的自动测定；（4）进行岩心胶结实验；（5）在高温高压状态下，利用岩心流动实验仪进行岩心渗透率的测定，所用材质为不锈钢材料；（6）利用振筛机进行地层砂的筛选分析；（7）利用岩心驱替实验装置（SCJ型驱替装置）进行岩心

7、驱替实验；（8）利用YI型稳砂固砂试验装置进行化学的岩心稳砂固砂实验。1.1.5 胜利油田地质科学院胜利油田地质科学院建立了一套预测油层出砂的室内模拟试验装置。该装置可以模拟油井含水、生产压差、地质压降及生产历史等因素对油井出砂的影响，并已在胜利油区埕岛油田馆上段油层取得了良好的应用效果。a. 实验模型室内出砂模拟实验的模拟对象是采油井井壁炮眼处的地层小单元。试验样品用制作成型的圆柱型油层实际小样，直径为2.5 cm，长度为58 cm左右。设计了、两种实验模型。模型适用于低压试验，便于直观地反映出砂状况；模型适用于高压试验，可以模拟各种工艺参数的改变对出砂状况的影响（见图1-1）。1 图1-1

8、 实验模型示意图模型：1.不锈钢堵头；2.岩心；3.高强度热缩套模型：1.不锈钢堵头；2.岩心；3.胶皮套筒；4.出口多孔堵头；5.密封液。b. 模拟实验程序出砂模拟设计中考虑了含水率、过液量、过液强度和环压改变等因素对样品出砂状况的影响。岩石力学分析则是为了从受力理论分析角度与模拟试验成果相印证。出口分析砂子的质量判定样品的出砂程度和出砂类型，分析砂子的粒度组成，则可以判定出砂是自由砂还是骨架砂。具体的模拟试验程序见图1-2所示。油 样 岩石力学分析制作模型出砂模拟试验 环压改变过液强度过液量含水率出口分析砂子质量砂子粒度综合分析提出建议图1-2 油井出砂状况模拟实验程序c. 实验流程实验流

9、程主要由四部分组成，进口注入动力部分、模型、压力计量部分和出口分离与计量部分（图1-3）。进口注入动力部分由两台高压计量泵组成，压差计量由差压传感器和相应二次仪表组成，出口分离与计量部分相应为分离器、收集器与电子天平。压力定值 器模型油容器平流泵平流泵滤器空气压缩机水溶器天 平三通阀图1-3 模拟出砂预测实验装置示意图d. 实验条件a） 岩样模拟实验所用岩样其孔隙度、渗透率等物性参数必须与油层的平均值接近。并同时兼顾高、低孔隙度和渗透率样品。b） 实验流体实验用水由地层水资料室内配置，实验用油选择与地层原油粘度相近的精制油（实验温度下）。c） 温度选用室温20 。d） 注入速度为便于实验流速的

10、确定，必须首先估算井壁炮眼处的实际表观流速。实验表观流速V为单位时间的总产液量与总有效渗流面积的比值。 1.2 国外防砂实验研究现状1.2.1 出砂预测试验装置在油气水井出砂预测方面，国外自90年代初开始，先后有多家公司进行过这方面的研究，并取得了大量的有价值的研究成果。1.2.1.1 斯伦贝谢公司出砂实验系统该公司采用一个简单的、易监测的出砂实验系统，可分别改变单个变量，考察其对出砂的影响。斯伦贝谢公司选用带有炮眼的人造岩心，其实验装置如下，见图1-4、图1-52。 在实验中分别考虑应力、流量、流体粘度和岩石强度等因素。该实验得出的结论是，在同类型岩心条件下，流速是出砂最主要的影响因素。对油

11、或水，当射孔炮眼中流速超过0.2 m/s时就有可能出砂。而流动又分为轴向和径向两部分。轴向流动（沿炮眼轴线）对出砂影响较大，这是因为轴向流动更易于清除岩石表面已被破坏的岩石颗粒。因此该公司建议使用大孔径、高孔密射孔以提高不出砂的临界生产压差。1.2.1.2 壳牌石油公司出砂试验装置1992年壳牌石油公司发表了大型出砂实验室试验研究结果。他们采用代表某油田某地层的露头岩石作为试验岩样，同时考虑套管、水泥环、射孔的影响。该实验的目的是研究应力和流速对出砂的影响，其试验装置如图1-6所示。采用的岩样尺寸为0.7 m×0.7 m×0.81 m，实验装置可模拟三维地应力、孔隙压力等。

12、图1-6 真三轴应力实验和流程实验结果表明，当增加压差时，都短时间地大量出砂；当压差维持不变时，出砂速度降低到较低水平，这说明压力波动对出砂影响较大。另外，当将孔隙流体油切换成盐水后出砂速度增加，随之不久出砂速度又降低到原有水平。这说明纯盐水对出砂影响并不大，而两相流动对出砂速度影响较大。1.2.1.3 厚壁圆柱筒（TWC）简化模型用内径为2.5 cm、外径8.5 cm、长50 cm的岩心进行破坏实验，测得岩心破坏应力T，若近井筒垂直有效应力>0.86T，则地层出砂，否则地层不出砂。该方法可评价砂岩的初始破坏，而无法说明孔眼的扩大及破坏后的稳定性，此外，它是基于完整理想岩石的试验结果，而

13、未考虑射孔产生的破碎带、损伤带等完井伤害，故结果偏于保守。1.2.1.4 大型模拟出砂试验3利用大型出砂试验系统在模拟井下生产条件下，进行出砂模拟实验。如Tera Tek公司的出砂模拟试验系统简图见图1-7。其性能参数如下：岩心直径：102254 mm；流体流量：200 mL/s；岩心长度：204506 mm；流体：油/盐水流速比：0100%；岩心上覆压力：70 MPa；岩心温度：室温；总泵压：31.5 MPa；液体混合：静态冲击混合器；液体流经岩心：轴向或径向；液体温度：室温。 油/盐水供给系统 岩 心 控制系统 试验系 统 维 压供 给系 统 油/盐水/砂 分离系统图1-7 大型模拟出砂试

14、验系统1.2.2 防砂模拟实验装置为了提高油井防砂效果，国外各大公司和大学建立了多套防砂模拟实验装置。以水平井砾石充填防砂研究工作为例，从80年代初开始，美国道韦尔斯伦贝杰（Dowell Schlumberger）、哈里巴顿（Hallibbrton）、雪夫龙（Chevron）、贝克-休斯（BakerHughes）、莫尔桑（Marathon）等公司和英国黑瑞特-瓦特尔（Heriatwatl）大学利用大型实尺寸水平井砾石充填模拟试验装置，开展水平井砾石充填机理试验研究，并建立水平井砾石充填数学模型，进行水平井砾石充填数值模拟、参数优选和防砂效果预测等研究，取得了理想的成果。2 防砂试验研究发展方向

15、对比国内外防砂试验研究现状，不难发现：国外各机构研制的试验装置多为出砂预测试验装置，而防砂模拟试验装置主要是针对水平井砾石充填防砂进行的研究，功能单一；国内的各机构只能在常温常压或常温高压状态下进行单一的机械防砂、化学防砂的模拟试验；均不能实现高温、高压状态下油井的机械防砂模拟和化学防砂模拟，对现场的指导性不是很强。因此，未来防砂试验研究的发展方向应是建立一个功能完备的防砂试验室。该防砂试验室的建立，不仅能使防砂科研工作少走弯路，避免人、财、物的大量浪费，提高科研开发能力和水平；为防砂设计提供大量的参数，提高设计水平；而且还能为防砂技术的评价，产品的检测、监督和提高防砂质量，评价防砂效果提供技

16、术支持。而防砂模拟试验系统是多功能防砂试验室建立的关键。在防砂试验室内要进行防砂模拟，对防砂效果进行评价，必须通过防砂试验系统来完成；同时，利用防砂模拟试验系统不仅可以检测出各种防砂筛管的挡砂性能，出砂粒径，粒径分布等，还能进行机械和化学防砂填充质量和填充效果的检测和性能评价等，从而有效的指导现场的防砂设计和防砂施工作业。 为了满足工程设计和现场应用的需求，确保油气水井各种防砂措施才成功率和有效率，所建立的多功能防砂模拟系统应具有出砂预测装置、防砂模拟功能、防砂性能检测功能、防砂后生产效果评价等四大功能。2.1 防砂模拟试验装置可实现的功能2.1.1 出砂预测功能主要实现：确定油层出砂层位、预

17、测油井出砂程度、提出控制出砂的方法等。2.1.2 防砂模拟功能防砂工艺技术效果模拟部份是防砂试验室的关键（核心），未来的试验室要实现防砂技术的模拟，对防砂技术的评价。防砂施工模拟装置实现对油井的防砂施工和生产过程的模拟。一般应具有进行机械和化学防砂模拟试验的功能，且要求结构合理，操作。机械防砂模拟试验功能主要实现对防砂筛管整个机具和检测样件进行防砂性能综合的测试,从而可以检测出筛管的挡砂性能、抗堵性能、出砂粒径、粒度分布等。化学试验功能主要是利用该装置来模拟携砂液携带填充砂在出砂地层的亏空部位堆积、压实、形成人工井壁。它可以考察挡砂屏蔽的填充质量，对渗透率、抗压强度、填充砂分布、填充程度等参数

18、取得与现场实验十分接近的效果；并通过生产过程的模拟可以直接获取挡砂屏蔽有效期、临界值等指标。为防砂参数设计提供可靠的依据，对科研、生产意义重大。2.1.3 防砂效果检测功能 可实现在高低温的条件下，对防砂材料、工具的性能、防砂机具等能做比较常规的检测，如渗透率、孔隙度、岩石的强度、工具的各种力学实验等参数录取。2.1.4 防砂后生产效果评价功能 主要实现对防砂后生产效果的检测和评价。（1）采用模拟现场生产情况，对防砂效果的好坏进行检测，同时对防砂方法进行评价；（2）实现高、低压状况模拟地层的情况，对防砂后的效果进行评价；（3）应用软件对防砂效果进行综合经济效益评价、分析。2.2 防砂模拟系统功能实现的方法防砂模拟试验系统能够模拟各种防砂工艺，包括机械防砂、化学防砂等在不同工艺参数下对油井产能的影响，因此整套系统应能够模拟近井地层流动情况，要求井筒与实际井筒直径尺寸一样，射孔炮眼形状和尺寸一样，可以模拟油井产出的防砂过程以及机械防砂与化学防砂施工过程。近井地层是通过套管与渗流筒之间的地层砂来模拟的，地层砂可以