基于灰色关联法的金属网布优质筛管冲蚀失效主控因素研究

(中石化华北石油工程有限公司河南钻井分公司，河南 南阳 473132)

目前针对疏松砂岩油藏最重要的防砂完井方式之一为优质筛管独立防砂，现场所采用的优质筛管具有代表性的主要为金属网布类筛管。然而这些筛管在生产过程中，先后出现了防砂筛管冲蚀失效的问题，导致油井大量出砂，经济损失严重。已有研究[1,2]表明，影响防砂筛管冲蚀损坏的因素众多，室内筛管冲蚀机理模拟试验也只是笼统考虑了流速、含砂浓度、颗粒尺寸等对防砂筛管冲蚀速率的影响，并没有弄清楚影响冲蚀失效的主控因素。因此，探究防砂筛管冲蚀失效主控因素，对于弄清楚防砂筛管的冲蚀机理及油田防砂设计优化具有重要指导意义。笔者以M油田金属网布防砂筛管冲蚀失效为例，采用灰色关联法，以油井流体含砂浓度作为参考序列，定量地分析防砂筛管冲蚀失效与各参数的关联度，得出防砂筛管冲蚀失效主控因素，从而指导M油田的防砂设计，同时为研究其他类型筛管失效提供借鉴。

1 筛管冲蚀失效影响因素的选取与分析

已有研究表明[3～7]，防砂筛管的冲蚀磨损速率主要与携砂流体流速、含砂浓度、砂粒粒径、冲击角度以及冲蚀材料性质有关，而以上5个因素直接与疏松砂岩油藏出砂相关。因此，疏松砂岩油藏造成防砂筛管冲蚀失效直接因素有地质因素、流量因素、生产因素和筛管因素[8～10]，防砂筛管冲蚀失效直接因素与各参数见表1。

地层砂粒度中值、非均质性和筛管的挡砂精度决定了流经筛管并与筛管发生冲蚀的含砂量；产液量、生产压差和原始地层压力决定了携砂流体的流速，流体流速过大既加剧了地层出砂程度又加剧了筛管的冲蚀；孔隙度、黏土体积分数、含水率和渗透率是地层出砂的主要地质因素，直接影响了地层出砂量的多少，决定了产出液中的含砂浓度；地层原油黏度决定了流体携砂能力，携砂能力越强，含砂浓度越大；生产时间越长，含水率升高，储层出砂风险增加，导致含砂浓度也增大；筛管材质决定了其耐冲蚀性，所研究区块筛管材质相同，因此该参数可忽略；井型和完井方式将对冲蚀角度产生影响，所研究区块井型和完井方式相同，因此这些参数在数据分析时不予考虑。

2 灰色关联法

表1 防砂筛管冲蚀失效直接因素与各参数

灰色关联法在油田开发、矿区储层评价领域应用广泛[11～14]，其原理是属于几何处理的范畴，其实质是对反映各因素变化特性的数据序列所进行的几何比较，而用于度量因素之间的关联程度就叫灰色关联度，它通过比较序列曲线几何形状的相似程度得到，关联度越大则说明因素间的联系越紧密，曲线就越接近，则相应序列变化的一致性也就越强；反之，则关联度小。采用灰色关联分析的主要步骤是先确定比较序列与参考序列，然后求得它们之间的关联系数，再通过关联系数计算出各指标间的关联度，进行关联度大小的排序，由此得出关键因素指标。

2.1 分析序列确定

反映系统行为特征的因素被称为主因素，其所组成的序列为参考序列或母序列，记为：

Y0=(y1,y2,…,yn)T

(1)

影响系统行为特征的各因素所组成的序列被称为比较序列或子序列，记为：

Xj=(x1j,x2j,…,xnj)T(j=1,2,…,m)

(2)

2.2 原始数据处理

参考序列和比较序列构成原始数据矩阵：

(3)

系统中各个因素代表的物理意义各不相同，量纲也不相同，因此需要对数据进行无量纲化处理，这里采用均值化处理，算法如下：

(4)

得到无量纲均值化矩阵为：

(5)

2.3 关联系数求取

对无量纲的均值化矩阵进行如下计算可得出各子因素与主因素之间的灰色关联系数：

(6)

由关联系数组成的矩阵为：

Y=(γij)n×m

(7)

2.4 关联度确定

对矩阵Y的列求平均值，可求得各子因素与主因素的关联度：

(8)

3 主控因素分析

选取M油田金属网布优质筛管防砂失效井作为研究对象，该油田为典型疏松砂岩油藏。选取资料比较全的5口金属网布优质筛管防砂失效井，通过调研现场的钻完井资料和修井资料，获得了这5口井的地质、流体和生产参数。由于筛管冲蚀失效程度越大，产出液中含砂浓度也越大，因此采用油井流体含砂浓度来表征筛管冲蚀失效程度，并将其作为参考序列Y0。将地层砂粒度中值、地层砂非均质性、黏土体积分数、孔隙度、渗透率、地层原油黏度、生产时间、地层压力、生产压差、筛管挡砂精度、产液量、含水率作为比较序列Xj，计算各参数与出砂量的灰色关联度。金属网布优质筛管的出砂量与各参数的原始数据见表2。

表2 金属网布优质筛管油井出砂量与各参数原始数据

由式(1)～(8)进行均值化处理，计算关联系数，最终求得各参数与出砂量的关联度排序，M油田3种类型筛管计算结果见表3。金属网布优质筛管冲蚀失效的主要影响参数是生产压差、生产时间和渗透率，也即是流速、含砂浓度对筛管的冲蚀影响最大，通过横向对比3种类型筛管，计算结果与已有的研究结论[15]以及现场得到情况基本一致。因此，金属网布优质筛管冲蚀失效的主控因素是流速、含砂浓度。同时筛管的结构以及挡砂机理也与筛管的冲蚀程度有关，金属网布优质筛管是由金属保护套加多层金属网布叠合焊接包裹在金属基管上[16]，过流面积较大，因此，这类筛管生产压差的增大和油井生产时间的延长，都会加剧储层出砂，流体携砂浓度增加，造成筛管冲蚀损坏。

表3 防砂筛管的冲蚀失效与各参数灰色关联度排序

4 结论

1)防砂筛管冲蚀失效影响因素复杂多样，是地质因素、流量因素、生产因素和筛管因素相互作用的结果，从而导致金属网布优质筛管挡砂介质形成冲孔，油井防砂失效。由于因素众多，无法定量描述各因素。

2)采用灰色关联分析法定量地分析了金属网布优质筛管冲蚀失效与各因素的关联度，系统而全面地考虑了各因素之间相互影响的变化规律，克服了人为主观因素的影响，分析结果认为金属网布优质筛管冲蚀失效的主控因素是流速和含砂浓度，这与现场一致，说明该方法具有较高的准确性和适用性。

3)依据金属网布优质筛管冲蚀失效主控因素的分析结果，可为M油田防砂设计提供相关的参考和有针对性的建议。