适度出砂开采标准金属网布优质筛管防砂参数设计实验研究＊

王利华 邓金根 周建良 何保生 曾祥林

(1.中国石油大学 (北京); 2.中海油研究总院)

我国近海油田有大量疏松砂岩油藏,开采过程中极易出砂,出砂量太大会造成砂埋井眼、磨蚀管柱、地面砂处理困难等问题,但防砂作业中如果严格控制出砂量又会造成防砂管堵塞从而影响产能,因此适度出砂开采技术被逐渐运用于海上油田开采[1-6]。该技术是通过可精确控制产出砂粒径的优质筛管进行防砂,通过优质筛管严格的防砂精度设计允许一定范围的小粒径地层砂产出,以改善储层物性和防止防砂层堵塞,提高产能。

目前适度出砂开采的防砂设计主要是通过现场试验摸索,不仅周期长、代价大,而且由于现场条件的复杂多变性难以获得规律性认识。为了解决该问题,笔者利用自行研制的室内全尺寸出砂模拟实验装置,针对标准金属网布优质筛管(以下简称筛管),进行了大量不同防砂精度筛管出砂模拟实验,测定了不同防砂精度筛管防砂后的流量、压降及油中含砂量(出砂量),首次建立了适合国内海上油田疏松砂岩储层适度出砂开采条件下筛管防砂参数设计图版,并在NB35-2油田进行了应用。本文研究结果可为疏松砂岩适度出砂开采筛管防砂参数设计提供参考。

1 实验及评价方法

1.1 实验材料

实验模拟地层砂采用工业标准目数石英砂,根据实际储层粒度分布特性计算其粒度特征值(d10,d40,d50,d90,UC等),调整不同工业目数石英砂比例,使配制的石英砂与储层粒度特征值吻合。实验流体采用不同粘度白油,按照其粘度计算每种粘度白油的添加比例,在容器罐充分混合,以此来模拟地下原油实际粘度。

1.2 实验装置

全尺寸出砂模拟实验装置包括3个部分:模拟系统、循环系统、测量系统,如图1所示。实验油经高压泵以设定的压力从4个方向进入高压釜体,通过釜体内壁分流网形成均匀径向流动经过模拟地层砂,携带砂粒进入模拟井眼环空中,一部分细颗粒砂通过防砂管被流体携带出来,大部分砂粒在防砂管外表面堆积而形成砂桥。

全尺寸出砂模拟实验装置的优点在于,可以进行有围压情况下的径向流动出砂规律评价试验,改变了以往通过流体介质在小尺寸岩心中以轴向流动方式研究地层出砂规律的状况,使地层出砂特征更符合实际条件。

图1 全尺寸出砂模拟实验装置示意图

1.3 实验条件

根据目前国内海上疏松砂岩油藏粒度分布特点确定出实验模拟石英砂粒度特征值见表1;模拟生产压差为3 M Pa;模拟稠油粘度为200 m Pa·s;筛管防砂管参数为 50、100、150、230、300μm。

表1 筛管出砂模拟实验模拟石英砂粒度特征值

1.4 评价方法

本次实验以油、气藏工程常用参数比采油指数作为评价指标。比采油指数计算表达式为

式(1)中:PI为比采油指数,m3/(d·M Pa·m);Q为通过防砂管或砾石层的流量,m3/d;m为防砂管或砾石充填层有效过流长度,m;Δp为生产压差,M Pa。

由于本实验中供油压力并不能代表现场实际生产压差,因此通过测试模拟储层压力梯度并利用平面径向流压力分布公式(2)来求取实际供给半径200 m处的压力(以此作为生产压差),进而求得比采油指数,使实验结论更接近现场生产实际条件。

式(2)中:p为供给半径内任何一点的压力,M Pa;p e为实验供油进口压力,M Pa;pwf为井底压力,在本实验中为一个标准大气压,M Pa;Re为实验模拟储层砂半径,在本实验中为高压釜内径0.430 m;Rw为井眼半径,在本实验中为模拟井眼半径0.210 m;R为油藏实际供油半径,在本试验中取200 m。

2 实验结果及分析

2.1 筛管防砂参数与出砂量、产能关系模拟实验结果及分析

针对储层粒度特性选择筛管的防砂精度至关重要,防砂参数设计太大会造成防不住砂,而防砂参数设计太小又会严重影响产能。为了寻求防砂参数、产能和出砂量三者之间的最佳结合点,必须对不同防砂参数防砂管进行测试,建立出砂量、产能与防砂参数关系图版。

在压力釜中放置防砂参数为50μm的筛管,在压力容器中填充模拟石英砂,设定供液泵工作压力为3 M Pa,开始加压循环流体,测试各点压力、流量与油中含砂量,大致实验时间1.5h。当流量稳定后结束该组实验,拆卸装置,改变防砂管参数分别为100、150、230、300μm,重复实验。流量及油中含砂量测试结果如图2、3所示。

图2 筛管出砂模拟实验不同防砂参数流量随时间变化曲线

图3 筛管出砂模拟实验不同防砂参数油中含砂量随时间变化曲线

从图2、3可以看出,不同防砂参数条件下,随着实验的进行,不管是流量还是油中含砂量,二者均较快地降低到一个稳定阶段,说明在油井出砂的过程中,产出砂会逐渐在防砂管表面堆积,对防砂管过流面积有一定的堵塞,形成一个相对稳定的环空砂堆积层,使流量与出砂量逐渐稳定。另外,随着防砂参数的放大,流量与油中含砂量均会随之增加,三者之间的增加幅度与内在关系将在下面重点讨论。

2.2 绘制筛管产量、油中含砂量与防砂参数关系图版

本文的主要目的是建立不同出砂量情况下筛管防砂参数的设计方法,并分析防砂后产能变化规律,因此需要针对实验数据点进行拟合,回归三者之间的关系式,以此作为设计依据。对各组实验稳定后的流量、压降、油中含砂量进行统计,并计算比采油指数,其与筛管防砂参数的关系见表2。

表2 筛管出砂模拟实验数据(实验稳定后测量;实验砂 d50=170.1μm)

为了分析筛管防砂参数对产能与油中含砂量的影响,以ω/d50为横坐标,以比采油指数与油中含砂量为纵坐标,建立三者之间的关系,如图4所示。由图4可知,随着筛管防砂参数的放大,油中含砂量与产能增加:油中含砂量的增加基本成线性关系,说明筛管防砂参数是影响油中含砂量的关键因素;产能呈对数关系递增,慢慢趋于稳定,说明一旦微颗粒在防砂管外表面架桥,会形成一个相对稳定的环空堆积带,在没有压力波动的情况下,产能逐渐稳定。因此可以认为,放大防砂参数,会导致出砂量、产能增加,但放大到一定程度,出砂量仍在增加,而产能增大的幅度会逐渐变小,因此必须寻找三者之间的最优平衡点,既满足防砂的要求,又能实现产能最大化。

图4 筛管出砂模拟实验产能、油中含砂量与筛管防砂参数(ω/d50)关系曲线

对测试数据点进行回归,可建立三者之间的回归关系

对于海上油田,传统防砂设计中对出砂量的要求基本控制在0.3‰以内。将此出砂量要求代入公式(3)可得出筛管防砂参数与储层砂粒度中值的关系式

由于适度出砂开采可以提高油井的单井产能,因此可以在传统防砂设计的基础上适当放大筛管的防砂参数。根据实验建立的关系,当油中含砂量控制在0.5‰以内时,根据公式(3)可得到筛管的防砂参数可以放大到

根据该结论,将公式(5)、(6)代入到公式(4)中,可以计算出适度出砂开采时比采油指数相对传统防砂设计的变化率

3 油田应用

NB35-2油田主要为明化镇组疏松砂岩油藏,储层单轴抗压强度在3 M Pa以内,开采即会出砂;粒度中值分布在170～180μm之间。目前该油田主要采取砾石充填及筛管方式防砂,而采用筛管进行适度出砂开采是目前该区块增产的重要手段之一。利用公式(5)、(6)分别计算该油田筛管的防砂参数(图5)。

图5 NB35-2油田明化镇组油藏筛管防砂参数设计

为了对现场实际产能效果进行分析,对NB35-2油田A平台开采同一层位的5口定向井开采初期平均采油强度和4年平均采油强度进行了统计对比(图6)。由图6可知,采用230μm筛管比采用175 μm筛管平均日产油提高了32%。目前 A 12、A 13和A 16井均能正常生产,没有发现大量出砂情况。

图6 NB35-2油田不同防砂参数筛管产能对比

4 结论

利用自行研制的实验装置,分析了标准金属网布优质筛管防砂参数与油井产能、出砂量的关系,建立了适度出砂条件下筛管防砂参数设计图版,结果表明:当出砂量控制在0.3‰以内时,要求筛管防砂参数ω≤0.88 d50;适度出砂开采可放大防砂参数到ω≤1.27 d50,此时出砂量控制在0.5‰以内,相对于传统防砂设计可提高油井产能30%以上。目前,该研究成果已成功应用于NB35-2油田,取得了良好的生产效果和防砂效果。

[1] BALLARD T,BEARE S P.Sand retention testing:the more you do,the worse it gets[C].SPE 98308,2006.

[2] GILLESPIE G,DEEM C K,MALBREL C.Screen selection for sand control based on laboratory tests[C].SPE 64398,2000.

[3] MAHMOUD A,GLENN S P.Sand control screen plugging and cleanup[C].SPE 64413,2000.

[4] DAV ID R,SAM H.Design and implementation of retention/filtration media for sand control[C].SPE 103782,2006.

[5] RICHARD M H,ROBERT CB.An evaluation method for screenonly and gravel-pack completions[C].SPE 73772,2002.

[6] MARKESTAD P,CHRISTIE O,ESPEDAL A,et al.Selection of screen slot width to prevent plugging and sand production[C].SPE 31087,1996.