大型径向流井眼出砂及防砂模拟试验装置研究

大型径向流井眼出砂及防砂模拟试验装置研究

0防砂防砂模拟试验研究目前，油松砂岩储层主要用于国内外的勘探和开发。这些储层通常具有较高的间隙和渗透性。在生产区中很容易产生沙子，这使得作业频繁，采收成本显著增加。因此，采用适合的防砂策略成为油井有效生产的关键技术问题。国内外出砂和防砂产能的评价手段较少，以小型的填砂模型为主，尺寸较大的填砂模型也主要为线性流模拟，防砂试验也局限于挡砂机理方面的研究，出砂与防砂情况下的产能评价手段还没有具体的设备。针对以上情况，研制开发了全尺寸井眼出/防砂模拟试验装置。本文采用全井眼尺寸出砂模拟实验装置模拟了YS油田地层真实条件下出砂生产情况，并模拟了不同防砂方式和防砂程度情况下的产量、出砂量的生产规律，最终提出了适合于YS油田的防砂方式，即盐上防砂的技术原则是“有限防砂、有效排砂、防粗排细”，防砂的关键是防而不堵死，要求产量达到临界排砂产液量以上实现有效排砂；最佳的防、排砂技术组合是“筛管砾石充填防砂+加深尾管+大排量高效螺杆（柱塞）泵”。1井井出砂及生产情况哈萨克斯坦肯基亚克YS油田是一个胶结疏松的砂岩浅层稠油油藏，储层埋深为300～350m，孔隙度为36.9%，渗透率为2480md，地层砂粒粒度中值为0.1～0.22mm。油藏原始地层温度18.8～20℃，原始地层压力2.8MPa，地层压力目前已下降至1.8MPa，使出砂加剧。原油具有“四高三低”的特征，粘度高（144～690.7mPa·s,20OC）、密度高、胶质含量高、含硫高；三低为：凝固点低、沥青含量低、石蜡含量低；原油粘温反应敏感。油井普遍出砂严重，井口含砂0.1%～1.2%，大部分井含砂在0.4%～0.9%，出砂的粒径较细，其中小于0.2mm的细砂及粉细砂占73.8%。检泵周期短，平均2.45个月，造成作业频繁，成本大大增加。地层砂粒径多在0.1～0.5mm之间，以中砂和细砂为主，含量62.8%。泥质含量较低（1%-3%），粒度中值（D50）为0.33～0.17mm，平均0.25mmㄢ分析出砂原因主要在于：(1）油层为胶结疏松的中细砂岩与粉砂岩、泥岩组合，原油粘度高，生产过程极易出砂。(2）单井生产压差过大是出砂严重的直接原因。生产压差平均1.2MPa,53%的油井生产压差大于1MPaㄢ(3）油井高含水也是导致油层出砂严重。平均含水达72.4%。(4）油井产量低，井筒排砂困难，砂堵油管/砂埋油层、作业频繁。2模拟地层砂压力全井眼尺寸出砂模拟实验装置包括三个部分：模拟系统，循环系统，测量系统。模拟系统填砂容器高340mm，内径480mm，外径550mm，如图1、2。由不锈钢制成，耐高压耐腐蚀，最高承压可达到40MPa。模型中填满模拟地层砂，通过顶部加盖压实模拟地层压力，有效模拟真实地层。在容器内壁设有分流滤网，能够充分模拟井下径向流动。模拟实验装置的循环系统包括油泵，压力控制系统，高压管线，分流阀门等。油泵以恒压向填砂容器供油，模拟地层生产压差。压力测量系统，分别在注入口、流出口、砂体中间以及环空中间放置了压力测量装置，用于监测压力的变化情况。为更好模拟井下的径向流动，在填砂容器的侧壁面上均匀分布四个进油通道，作为径向注油口。3砂分离和砂分离的模拟试验3.1储层防砂剂防砂参数测定为了评价出适合盐上油田的完井方式、防砂管类型及挡砂参数，实验方案的设计考虑到两种不同的完井方式下，对于不同类型的防砂管进行评价：二种完井方式：裸眼+筛管和裸眼+砾石充填+筛管三种防砂管：割缝管、金属纤维、金属网布三种防砂管的挡砂参数：A型金属编织网防砂参数150～175um;B型金属绵（金属纤维）防砂参数148-178um;F型割缝管防砂参数160～180um通过实验对以下数据进行测定：出砂量、产量及出砂粒径随时间的变化规律；储层砂、环空及防砂管内外的压降规律。通过对防砂管挡砂实验所携带出的砂粒进行粒度分析，分析各种防砂管的挡砂精度及设计方法。3.2实验结果分析通过大型出砂模拟实验，得出不同防砂方式（金属编织网、金属棉、割缝管、割缝筛管砾石充填）产能、出砂量及产出砂粒径随时间变化曲线。图3为三种防砂管（金属编织网、金属棉、割缝管）的产量对比图。结果表明，三种防砂管初期流量相差很大，其中割缝管最高，金属编织网其次，金属棉最低。从整体来看，割缝管的流量呈下降趋势，金属棉的流量比较平稳，而金属网布的流量有所波动，这与三种防砂管的内部结构有关。图4为三种防砂管（金属编织网、金属棉、割缝管）的压降对比图。可以看出，实验初期，金属棉的压降有所上升，砂子进入金属棉，造成一定的堵塞，随着实验进行，金属棉压降维持不变；由于金属编织网因压差增大发生孔眼变形，容易使砂粒在一定的压差下穿过，或由于筛管介质内砂拱突然坍塌，造成固体颗粒“突发”性通过筛管，所以压力波动明显。割缝管的压降有降低趋势，这是割缝管外窄内宽的结构所致，这种结构能通过精确设计缝宽把该挡的砂粒挡在筛管外面，允许通过的砂粒畅通无阻地进入内宽外窄的缝隙，减少了金属纤维和网布的曲径结构，有效地在缝隙周围形成砂拱，所以不容易堵塞，压降最低。从三种管型的防砂管出砂量（图5）来看，实验初期，三种防砂管出砂量较高，但是金属网和金属棉的出砂量随着时间都急剧下降，很快趋近于零，而隔缝管随着时间持续出砂，比较适合适度出砂；三种管型的油中含砂量都远远低于0.02%,说明挡砂参数为150～180um的这几种防砂管都能够挡住砂子，满足油井正常生产要求。有放大挡砂管参数的空间。对实验收集的砂样进行激光粒度分析。金属编织网出砂粒径中值在77～260um之间，防砂精度较低；随时间增加，产出砂粒径逐渐降低。金属纤维防砂管出砂粒径中值在55～162um之间，防砂精度较高；随时间增加，产出砂粒径逐渐降低。割缝管出砂粒径中值在140～350um之间，实验初期产出砂粒径较大，当稳定后产出砂的粒度中值不超过200um；随时间增加，产出砂粒径逐渐降低。根据YS油田储层地层特点与泥质含量，结合不同管型防砂管评价实验，取得以下结论：割逢筛管产能最高，容易控制防砂精度，通过割缝管的流体压降小，流量大，能够满足油田对单井产量的要求。同时割缝管结构简洁，利于控制防砂的程度。3.3砾石充填完井效果尽管割缝管防砂后产量较高，但是出砂量也相对较高。为了在满足产量的前提下，进一步减少出砂量，考虑了割缝管和砾石充填的复合防砂方式。对于割缝管砾石充填完井防砂试验，主要考虑两个方面的影响因素：砾石粒径与砾石充填层的厚度。实验采用了300um割缝管。具体参数如下：割缝管缝宽：300um实验配砂粒度中值：220um砾石尺寸：600～700um、900～1200um、1400～1600um砾石层厚度：7寸割缝管、5寸半割缝管。不同的砾石充填完井防砂实验产量（图6）结果表明：初期裸眼+割缝管完井时的流量要比充填600-700um陶粒完井高出30%左右，但是随着40分钟以后，裸眼完井的流量急剧降低，仅为充填陶粒时的30%。其原因主要因为裸眼完井时环空中很快堆满地层砂，压降增大，渗透率急剧降低，导致流量很快下降。由此看出，砾石充填完井可以更有效的持续提高油井产量。增加砾石尺寸从3倍到7倍，产量提高了160%，增大砾石尺寸有利于提高产量。改变砾石充填层的厚度时，实验初期两种情况流量一致，都呈下降趋势，但是随着充填层厚度的增加，下降趋势比较小，最后可以稳定在某一流量不变，总的来说，增加砾石层厚度有利于保持稳产，并且产量提高了10%左右。4防、排砂技术组合根据YS油田储层特征和出砂情况，在室内大型出砂产能评价试验结果的基础上，提出了盐上防砂的技术原则是“有限防砂、有效排砂、防粗排细”，防砂的关键是防而不堵死，实现有效排砂必须要求产量达到临界排砂产液量以上。结合现场实践，提出最佳的防、排砂技术组合是“筛管砾石充填防砂+加深尾管+大排量高效螺杆（柱塞）泵”。根据室内试验结果，针对盐上7in（或65/8in）油层套管，推荐采用4in或41/2in割缝筛管、16-20目（0.84～1.19mm）砾石填充方式进行防砂作业。现场应用效果显著，6口井统计数据对比发现：砾石充填防砂远远优于无砾石充填（仅悬挂筛管）防砂，主要表现为：出砂大大减轻，每天沉砂高度由原来的0.5m下降到0.08m；检泵周期由39天延至194天，提高近5倍；修井次数明显减少，由9.2次/年下降到1.85次/年，年节约作业费用42.9万美元；油井生产时效显著提高，砾石充填防砂后，单井平均累计生产时间由原来的150天增至581天，可使井组总产量增加约5100tㄢ5ys油田防砂技术组合(1）研发了大型径向流井眼出砂及防砂模拟试验装置，该装置可模拟疏松砂岩在地层真实条件下的生产和出砂情况，对于疏松砂岩油藏的生产具有很好的指导意义。(2）模拟了哈萨克斯坦YS油田出砂及防砂生产情况，得到了不同方式下（金属编织网、金属棉、割缝管、割缝筛管砾石充填）