地热井滤水管筛网挡砂效果研究

任小庆 高小荣

中石化绿源地热能开发有限公司, 陕西 咸阳 712000

0 前言

我国地热资源量相对丰富[1],2017年1月,国家发展和改革委员会、国家能源局、国土资源部联合下发《地热能开发利用“十三五”规划》,为地热能的开发利用指明了方向。在砂岩热储层的开发过程中,热储层伴有不同程度的出砂现象,出砂量太大易造成生产管柱被埋、潜水泵叶轮砂卡等一系列生产、运行问题,但是如果过度强调防砂,滤网精度过高则又会影响地层出水量。

目前围绕筛网挡砂效果的评价研究主要集中在石油行业,许多专家学者从油气井机械防砂理论出发，对挡砂介质堵塞机制及堵塞规律、防砂挡砂材质、挡砂介质变形及挡砂精度变化规律、评价方法与标准等方面进行了一系列研究[2-18],但油气开发与地热能开发相比,两者储层性质、流体性质、生产状况差异明显,出砂、防砂、挡砂的规律、方法和评价标准也不一样。以往对地下水滤水管所用筛网仅对不同含水层不均匀系数条件下的非填砾过滤器包网网眼尺寸做了技术要求[19],对于深层地热开发仅对出水含砂量做了相关要求[20],对地热井筛管滤网挡砂效果影响因素未见有相关技术规范及研究成果。如何评价地热井筛管滤网挡砂效果,成为制定砂岩热储层地热井机械挡砂参数的一个重要技术问题。鉴于此,在模拟地层条件下,针对滤水管筛网不同孔径大小、层数、排列方式,分别在单层筛网、同精度筛网、不同精度筛网条件下进行实验,对随液体流出的砂样进行激光粒度分析,对挡砂精度和影响效果进行系统研究,给出地热开发条件下各主要因素对挡砂效果的影响结果。

1 实验系统与方法

1.1 实验材料

实验模拟地层砂采用标准目数石英砂,根据实际热储层粒度分布特性及粒度特征值,经过调整比例,配置后的石英砂与热储层粒度特征值相一致。实验用流体采用原井地热水。

1.2 实验装置

主要仪器和材料有:全自动岩心流动试验仪,音波振动式筛分粒度仪,马尔文激光粒度仪,压力传感器，流量计，数据采集器，石英砂，不同精度的滤水管筛网，高压循环泵，固液分离装置及其他附属工具。实验开始前,在岩心流动仪内装入滤水管筛网,在滤水管筛网外填入配置好的石英砂。实验开始后,将地热原水通过高压循环泵注入岩心流动仪中,模拟地热水携带地层砂进入筛管的过程,流入岩心流动试验仪后,将地热水及所含固体颗粒进行固液分离,将分离后的砂粒进行烘干、称重,并做粒度分析。分离后的地热水通过循环泵继续循环。岩心流动仪中设置有5个压力传感器,入口处1个,出口处1个,中间依次3个。整个实验过程记录筛管进出口及中点压力、出砂量及统计分析后的出砂粒径等数据。

2 实验结果与分析

从单层筛网、同精度筛网层数、同精度筛网排列方式和不同精度筛网放置顺序等方面对挡砂效果进行研究。

2.1 单层筛网

实验所用填砂管总长度60 cm(第1段10 cm、第2段20 cm、第3段20 cm、第4段10 cm),填砂管直径3.8 cm,滤水管筛网选用0.05 mm(120目×1 100目)、0.10 mm(80目×400目)、0.15 mm(50目×270目)、0.20 mm(40目×200目)、0.25 mm(30目×150目)5种不同规格的筛网,实验进行时,模拟流量为50 mL/min(相当于日产液量60 m3/d)。

图1 单层筛网精度与填砂管各点压力的关系

图2 单层筛网精度与填砂管各段渗透率的关系

图3 不同精度单层筛网实验渗透率和采出液中含砂量

图4 不同精度单层筛网实验流出激光粒度分析结果

2.2 同精度筛网层数

图5 同精度筛网层数对渗透率和含砂量的影响关系

选用0.10 mm(80目×400目)、0.15 mm(50目×270目)、0.20 mm(40目×200目)三种不同规格的筛网,以50 mL/min排量(相当于100 m裸眼滤水管、日产液量60 m3/d)进行多层(2层、3层、4层)筛网出砂驱替实验,收集随液体流出的砂样并进行激光粒度分析,实验条件:填砂管总长度60 cm(第1段10 cm、第2段20 cm、第3段20 cm、第4段10 cm);填砂管直径3.8 cm。多层筛网的放置角度为0°,也就是直接重叠放置。

表1同精度筛网层数对挡砂精度和含砂量影响程度

同精度筛网层数/层挡砂精度提高率/(%)含砂量减小率/(%)渗透率减小率/(%)1---24.227.030.4438.1913.41.72412.0123.54.67

2.3 同精度筛网排列方式对挡砂效果的影响

选用0.15 mm(50目×270目)筛网,以50 mL/min排量(相当于100 m裸眼滤水管、日产液量60 m3/d)进行多层筛网(2层、3层)最佳排列方式出砂驱替实验,收集随液体流出的砂样并进行激光粒度分析,实验条件:填砂管总长度60 cm(第1段10 cm、第2段20 cm、第3段20 cm);填砂管直径3.8 cm。多层筛网排列方式:2层筛网的放置角度为0°+0°、0°+45°、0°+90°。3层筛网的放置角度为0°+0°+0°、0°+45°+90°、0°+60°+120°。

从表2同精度筛网排列方式对挡砂效果和渗透率的影响程度可见,当筛网层数固定时,排列方式不同,对渗透率和含砂量影响不同,处于最佳排列方式时,相对0°的排列方式含砂量和渗透率都减小,但含砂量减小幅度大,渗透率减小幅度小。

2.4 不同精度筛网放置顺序

2.4.1 不同精度2层筛网放置顺序

选用0.10 mm(80目×400目)、0.15 mm(50目×270目)、0.20 mm(40目×200目)三种不同精度筛网,以20 mL/min排量(相当于100 m裸眼滤水管、日产液量200 m3/d)进行2层筛网放置顺序出砂实验,收集随液体流出的砂样并进行激光粒度分析。

表2同精度筛网排列方式对挡砂效果和渗透率的影响程度

筛网精度及层数筛网精度层数/层排列方式渗透率/μm2含砂量/()粒径/μm最大粒径dmax粒度中值d500.15 mm(50×270)理论精度:69 μm123-1.4290.58159.149.620°+0°1.4250.52157.348.880°+45°1.3870.34146.444.620°+90°1.3450.25137.240.840°+0°+0°1.4110.33155.946.250°+45°+90°1.3770.27140.442.160°+60°+120°1.3410.18136.939.78

表3不同精度2层筛网放置顺序对挡砂效果的影响程度

筛网层数和精度层数/层组合方式/mm压力/MPa渗透率/μm2含砂量/()粒径/μmdmaxd5020.10(内)+0.15(外)0.126 31.1100.19106.519.250.15(内)+0.10(外)0.119 51.1670.22105.918.460.15(内)+0.20(外)0.112 01.2060.24156.847.670.20(内)+0.15(外)0.106 81.3920.29152.346.29

从表3不同精度2层筛网放置顺序对挡砂效果的影响程度可见,通过不同精度2层筛网在基管外放置顺序实验发现:对于内层选用低精度而外层选用高精度筛网,内层筛网及支撑网内几乎没有砂粒滞留,外层高精度筛网上有砂粒滞留;对于外层选用低精度筛网而内层选用高精度筛网,内层和外层筛网上均有微量砂粒滞留。当滤水管应用于实际生产时使用时间要比本实验进行时间长得多,微量的砂粒经过长时间积累会导致滤水管堵塞,因此,对不同精度的2层网筛网,内层(紧贴基管1层)选用低精度、外层选用高精度网布挡砂效果较好。

2.4.2 不同精度3层筛网放置顺序

选用0.10 mm(80目×400目)、0.15 mm(50目×270目)、0.20 mm(40目×200目)三种不同精度筛网,以50 mL/min排量(相当于100 m裸眼滤水管、日产液量60 m3/d)进行2层筛网放置顺序出砂实验,收集随液体流出的砂样并进行激光粒度分析。

从表4不同精度3层筛网放置顺序对挡砂效果影响程度可见,对于从基管往外采用由大尺寸(低精度)到小尺寸(高精度)排列的网布组合,内层、中间层网布及支撑网内几乎没有砂粒滞留,外层小尺寸(高精度)网布上有砂粒滞留。而对于外层选用大尺寸(低精度)网布,内层选用小尺寸(高精度)网布的网片组合实验,内层网布和外层网布上均有微量砂粒滞留,当滤水管应用于实际生产时,其使用时间要比本实验进行时间长得多,微量的砂粒经过长时间积累会导致滤水管堵塞。因此,对不同精度的3层筛网,内层(紧贴基管一层)选用低精度网布、中间层选用中等精度网布,外层采用高精度网布挡砂效果较好。

表4不同精度3层筛网放置顺序对挡砂效果的影响程度

筛网层数和精度层数/层组合方式/mm压力/MPa渗透率/μm2含砂量/()粒径/μmdmaxd5030.10(内)+0.15(中)+0.20(外)0.1281.170.22103.916.60.20(内)+0.15(中)+0.10(外)0.1121.330.28104.217.3

3 结论

1)对于单层筛网挡砂效果进行研究显示,筛网的精度不是影响压力和渗透率的主要因素,而是影响含砂量的主要因素。

2)当筛网精度一定时,筛网层数的增加对渗透率和含砂量影响较小,对挡砂精度影响较大,对流出砂最大粒径基本没有影响。当筛网精度和层数固定时,0°的排列方式下含砂量和渗透率都减小,但含砂量减小幅度大,渗透率减小幅度小。

3)不同精度2层筛网,内层选用低精度、外层选用高精度网布挡砂效果较好。对不同精度的3层筛网,内层选用低精度网布、中间层选用中等精度网布,外层采用高精度网布挡砂效果较好。