深水气井大型防砂物理模拟试验装置研制与应用

深水气井大型防砂物理模拟试验装置研制与应用

目前，国内外对油砂防砂法的讨论很多，但油砂防砂理论并不完全适用于气井的反砂。气井开采过程中，其特点是近井区压降能力高，速度快，运砂能力强。目前国外适合气井的防砂优化设计技术还处于起步阶段,没有形成成熟的方法。针对深水高产气井开采特点,利用自行研制的大型气井出砂物理模拟试验装置,在大量出砂模拟试验的基础上,提出了适合气田提高产能的最佳防砂措施为“金属网优质筛管+裸眼砾石充填+适度扩眼增大砾石层厚度”。该防砂措施目前已在国内第一个深水气田荔湾3-1气田进行了现场实施,并取得了较好的应用效果。1气井防砂物理模拟试验1.1试验方法和过程采用自行研制的大型气井出砂物理模拟试验装置,研究了防砂对深水浅层气田产能的影响规律。大型气井出砂物理模拟试验装置由模拟系统、循环系统、数据测量采集系统组成,可以进行一定围压条件下径向流动出砂规律的评价试验,也可以模拟全尺寸防砂管防砂和砾石充填防砂评价试验(见图1)。试验中,可对出砂量、产量、各关键点压力、产出砂粒径等参数进行监测和测量,分析不同类型筛管在不同挡砂精度或不同砾石充填条件下产能和出砂量的变化规律;根据分析结果平衡出砂量和产能之间的矛盾,实现在保证防砂效果的前提下尽可能提高产能的目的,并以此为依据对荔湾3-1气田的防砂方案进行了优化设计。1.2试验材料1砂层扫描镜选取目前海上普遍使用的金属棉、金属网筛管和绕丝筛管。2装饰它选取目前陆地和海上普遍使用的工业砾石。3储层粒度分布特征根据荔湾3-1气田实际储层粒度分布特征,采用不同标准粒径的石英砂按不同比例配制出试验用模拟地层砂,其粒度分布特征(d10=450μm,d40=250μm,d50=180μm,d90=70μm,非均质因数αuc=d40/d90=3.6)与实际储层粒度分布特征的比较如图2所示。2防砂厚度的优化防砂方案设计一般包括筛管挡砂精度选取、是否充填砾石、砾石粒径范围的确定和砾石层厚度的优化等。海上气田气井防砂的特殊性要求挡砂精度更高和防砂有效期更长。油井防砂实践证明砾石充填的防砂效果较好。但对于海上高产气井,采用何种类型防砂筛管,充填砾石的尺寸、砾石层的厚度等参数,仍需通过细致研究才能为实际的防砂设计提供可靠依据。2.1防砂参数选取在其他条件相同的情况下,对3种筛管分别进行了模拟试验,择优选取产能相对较好的2种防砂筛管进行下一步的砾石充填试验。根据荔湾3-1气田的地层砂粒度分布特征(αuc=3~5,d50=180μm),利用常规方法确定3种防砂管的防砂参数(见表1)。试验结果见图3。由图3可知:3种筛管独立防砂效果均不理想,难以平衡出砂与产能之间的关系,需要按照优选原则,选取产能相对较高的绕丝筛管与金属网筛管进行进一步的砾石尺寸优选试验。2.2挡砂精度影响利用筛选出的2种防砂筛管进行模拟试验,其他条件相同,仅改变筛管缝宽,在保证防砂效果的前提下,选择最有利于提高产能的筛管缝宽。根据荔湾3-1气田地层砂粒度特性(d50=180μm),利用Saucier砾石尺寸选择准则设计砾石尺寸为16~30目,再根据常规油井筛管挡砂精度为1/2~2/3最小砾石尺寸准则确定缝宽300~350μm。考虑到气井防砂的特殊性,挡砂精度适当缩小至1/3~1/2最小砾石尺寸,即200~300μm,以做对比。针对不同的挡砂精度,在砾石充填厚度为25.4mm的情况下,对2种筛管进行了4组砾石充填出砂模拟试验,试验结果见图4。从图4可以看出:挡砂精度为1/2~2/3最小砾石尺寸时,2种筛管都无法满足防砂要求;挡砂精度缩小至1/3~1/2最小砾石尺寸时,防砂效果都有明显改善,特别是金属网筛管的防砂效果显著。因此,根据荔湾3-1气田的特点,优化后的筛管挡砂精度应在200μm左右。2.3砾石层厚度对防砂效果的影响在确定砾石尺寸后,选取不同的砾石充填厚度,在其他条件相同的条件下进行出砂模拟试验,选取产能最大的砾石充填厚度。砾石充填厚度一般根据井眼大小与筛管外径来定,如需增加砾石层厚度,则需要对原井眼进行扩眼作业。由于砾石层的渗透率要远远高于储层,因此扩眼有利于改善近井地带的渗流能力,提高产能。然而对于高产气井,产能的提高又会导致气体流速增加,从而提高气体的携砂能力,使通过砾石层与防砂管的地层砂大大增加,因此不能盲目扩大井眼。为了平衡产能与防砂效果之间的矛盾,研究了产能、出砂量与砾石层厚度之间的关系。根据常规套管层次设计规则,初步选取了25.4,50.8和76.2mm3种砾石充填厚度。为了更好地反映挡砂规律,将前2种砾石层厚度分别增至38.1和63.5mm进行试验。筛管外径ϕ139.7mm,挡砂精度200μm,充填16~30目的工业砾石。试验结果见表2、图5和图6。由试验结果可知:1)气井产能随砾石充填厚度增加呈现线性递增,出砂量随砾石充填厚度增加呈指数递增,因此为了保证防砂效果,不能盲目扩眼以求增产。2)对于常规油井砾石充填,通常认为增加砾石层厚度有利于提高防砂效果;但对于高产气井,气体流速产生的携砂效应明显要大于增加砾石层厚度起到的挡砂效果。3)绕丝筛管尽管产能较高,但其管外流速也较大,导致出砂量增加,无法达到防砂要求(即出砂量小于10-9m3/m3)。4)当砾石层厚度不大于60.96mm时,金属网筛管能满足防砂要求。基于常规套管层次设计规则和尽量保产的考虑,荔湾3-1气田井眼建议扩至ϕ269.9mm。3培养了“清”、“重”和“调”石井专井根据荔湾3-1深水气田的储层特征和出砂情况,在室内模拟研究的基础上,结合现场实践,提出最佳的防砂技术组合是“金属网筛管+裸眼砾石充填+适度扩眼增大砾石层厚度”。荔湾3-1气田的井眼由ϕ215.9mm扩至ϕ269.9mm后,采用ϕ139.7mm、挡砂精度为200μm的金属网筛管,充填16~30目砾石进行防砂作业。该砾石充填防砂措施在现场应用后,气井出砂大大减轻,每年修井次数明显减少,由9.20次下降到1.85次,年节约作业费用290万元;气井生产时效显著提高,单井平均累计生产时间由原来的150d延长至581d。4适度扩眼充填砾石以提高产能1)油井砾石充填防砂筛管缝宽设计常用的1/2~2/3最小砾石尺寸准则并不适合深水高产气井,为了保证气井防砂效果,应降至1/3~1/2最小砾石尺寸。2)为了提高高产气井产量,可通过适度扩眼充填砾石来改变地层近井地带的渗透率。扩眼后,气井产能随砾石充填厚度增加呈线性递增;扩眼后