折皱式防砂筛管过流性能测试及评价方法*

陈阳 齐志刚 闫怡飞 刘东林 陈宗毅 宋翰林

(1.中国石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院 2.中国石油和化学工业联合会非常规油气钻完井技术重点实验室3.中国石油大学(华东)机电工程学院 4.淄博东森石油技术发展有限公司 5.胜利油田分公司石油工程技术研究院)

0 引 言

目前，胜利油田常规防砂方法包括独立筛管和砾石充填两大类[1]，在高产液量、稠油、致密砂岩及砂岩粒度不均等复杂生产条件下，储层砂极易堵塞挡砂过滤介质[2]，从而显著降低其过流性能，导致近井地带产液过流压降较大，严重影响了单井产能[3-5]。上述现象在孤东、单家寺、盐家及孤岛等油田区块较为明显，生产跟踪数据和诊断分析结果显示，在生产制度不变的条件下，由于过滤介质堵塞，在井位投产后20 d内，油套环空动液面通常有较大下降幅度，其中独立筛管(金属毡筛管)液面下降幅度为50～120 m，砾石充填(绕丝筛管配合管内砾石充填)液面下降幅度为30～90 m。

为有效提高独立筛管过流性能，自2014年起，中国石化胜利石油工程有限公司与中国石油大学(华东)联合进行攻关，研制出折皱式(ZZS)防砂筛管。该新型筛管首次使用折皱式筛网，其过滤面积相比常规筛管大幅增加，且具有亲水疏油特性，可在一定程度上降低筛网堵塞对过流性能的不利影响，从而有效提高单井产液量和产油量。

过流性能是ZZS筛管创新性的直接体现，也是衡量工具研制成功与否的重要标准，因此本文特别设计了物模评价试验，并结合现场典型应用井位生产数据与常规筛管进行对比，论证了ZZS筛管在不同复杂生产条件下的过流性能，从而为该技术后续推广应用提供重要指导。

1 技术分析

1.1 结构

防砂筛管样件如图1所示。ZZS筛管由内到外分别由基管、内骨架、ZZS筛网及双侧流道外保护管组成，其结构如图1a所示。其中ZZS筛网为关键部件[6]，由两层高强度不锈钢金属网夹一层高精度过滤介质组成，采用折波式工艺形成8～10 mm厚度的褶皱样式的筛网，其局部结构如图2所示。

1.2 技术参数及特点

ZZS筛管过滤精度85～185 μm，工作温度范围20～380 ℃，耐酸碱度的pH值范围是3～13，过滤介质孔隙度大于70%。

ZZS筛网的特点是过滤面积大，以ø88.9 mm规格ZZS筛管(外径112.9 mm)为例，其筛网展平幅宽达1 400 mm以上，而相同规格金属毡筛管(外径103.3 mm)的筛网展平幅宽只有300 mm左右，ZZS筛网材料用量为相同规格常规优质筛管的4倍以上。

1—基管；2—内骨架；3—折皱式筛网；4—侧流道外保护管；5—密封环；6—顶压环；7—支撑网；8—金属毡挡砂材料；9—支撑筋条；10—绕丝。

图2 ZZS筛网局部结构Fig.2 Partial structure of ZZS screen

在储层入流流量不变的条件下，若增大ZZS筛管筛网过滤面积，则单位面积筛网的过流流量减小，因此，当筛网被储层砂堵塞后，其过流压降仍能保持在较低水平。ZZS筛网的过滤介质表面涂覆有化学涂层，具备亲水疏油特性，增强了高黏度油相通过筛网的能力。

2 试验研究

2.1 物模试验装置

物模试验装置模拟近井地带至管内的流动过程[7]，其结构如图3所示。测试样件(部件2)安装于装置主体(部件10)中心位置，打孔管(部件12)用于模拟射孔套管，套装于样件外部；部件2与12之间的环空称为筛套模拟环空，用于模拟射孔套管和防砂筛管之间的流动过程；部件12与10之间的环空称为近井模拟环空，用于模拟射孔套管外近井地带的流动过程。

1—安全压力计；2—测试样件；3—进液管；4—径向流导向器；5—压力计；6—压差计；7—旋转轴；8—支撑架；9—液样采集球阀；10—装置主体；11—流量计；12—打孔管(模拟射孔套管)；13—锁止装置；14—出液管；15—密封盖。

径向流导向器引导试验流体径向流向测试样件。流体流量由流量计自动测量，并可通过改变柱塞泵的频率(0～50 Hz)调整其为规定值。压差计使用压力探头分别测量部件12内表面处及部件2内部的压力，压差计读数即为筛管样件的综合过流压降(筛网/绕丝层与管外储层砂堆积层/砾石充填层的过流压降之和)。压差计有多种型号可选，以便为评价试验提供合适的测量精度和量程。

本试验所涉及的测试样件分为3种，分别是：ZZS筛管样件，如图1a所示；金属毡筛管样件，如图1b所示；绕丝筛管样件，如图1c所示。测试样件的基管外径统一为88.9 mm，样件过滤段长度统一为0.5 m，打孔管(模拟射孔套管)的外径统一为177.8 mm。

2.2 应用区块基础数据

ZZS筛管计划在胜利油田4个不同区块中应用，其开发油层近期含水饱和度平面分布如图4所示。区块1井区内无断层，构造简单平缓，西南部高，东北部低，倾角10°～2°，目的层Ng54～61单元，具有统一的油水界面；区块2为受基岩隆起控制的鼻状构造，向南偏西方向急剧倾没，顶部平缓，倾角小于2°，目的层Ng1～2单元；区块3构造整体简单，为顶面构造呈穹窿形的砂岩体，具有明显的背斜形态，上覆厚层泥岩，目的层Yj1单元；区块4为向东倾斜的单斜构造断块，西南部为断块高部位，目的层Ng43～44单元。

各区块物性参数和生产情况如表1所示。区块1的主要特点是储层砂粒度较粗，综合含水率高，油层产液量大；区块2的主要特点是原油黏度高；区块3的主要特点是储层砂粒度较细；区块4的主要特点是储层砂分选性差。

表1 应用区块岩石和流体物性参数Table 1 Rock and fluid physical parameters of applied block

2.3 试验参数设定

根据2.2节基础数据，分别针对4个目标区块的井下工况进行模拟试验，充分评价ZZS筛管在各种复杂井下工况中的过流性能。根据表1中储层砂粒度中值和分选系数，配置出人工砂，人工砂配比如表2所示。

试验变量取值如表3所示。从表3可以看出：试验流体流量取值等级根据表1中单位厚度油层产液量范围制定，并要求涵盖该范围；试验流体黏度取地层油水两相流体的平均黏度，即根据表1中地层原油换算黏度[8-9]和地层水黏度，基于综合含水体积分数进行加权平均；试验样件配置如表3所示，样件挡砂精度根据表1中粒度中值和分选系数设定[10-11]。

图4 应用区块开发油层近期含水饱和度平面分布Fig.4 The horizontal distribution of recent water saturation in the applied block

表2 人工砂配比Table 2 Proportion of artificial sand

2.4 试验步骤

按照表2配制足量的1～4号人工砂；按照表3备好足量的5、20和40 mPa·s黏度的羧甲基纤维素钠(CMC)黏液，备好足量的1～4号砾石，所需筛管样件就位。连接好试验装置，矫正仪表归零。首先进行区块1的评价试验。

(1)装置主体放入ZZS筛管样件，将筛套模拟环空和近井模拟环空填充1号人工砂，密封装置主体，使用清水，以1 200 L/h大流量循环，令人工砂侵入筛网并在筛网表面架桥，在最短时间内运移至稳定状态，要求压差计(图3中的部件6)读数稳定5 min以上。

表3 试验变量取值Table 3 Values of test variables

(2)使用黏度5 mPa·s的CMC黏液，以最小试验流量等级120 L/h循环，待压差计读数稳定5 min，试验控制台自动读出压差计读数并记录。增加流量至下一等级，直至完成所有流量等级测试。

(3)停泵降压，打开装置主体，清除人工砂，取出样件，清洗装置主体，排净试验流体。

(4)重复步骤(1)～(3)，完成针对金属毡筛管样件的评价试验。

(5)将装置主体放入绕丝筛管样件，在筛套模拟环空中填充1号砾石，在近井模拟环空中填充1号人工砂，重复步骤(1)～(3)，完成针对绕丝筛管样件配合管内砾石充填的评价试验。

参照表3试验变量取值，重复步骤(1)～(5)，完成针对区块2、3和4的评价试验。

2.5 试验测试结果

针对4个区块的评价试验测试结果如图5所示。压差计每隔1 min记录1个数据，每个数据点代表当前1 min内样件综合过流压降(图3中的部件6读数)的平均值。测试结果为：

(1)由于试验流体流量逐次加大，所以过流压降曲线呈阶梯上升状态，压降与流量基本上成正比关系[12]。

(2)在增大流体流量之后较短时间内，过流压降有时会出现瞬降现象(曲线上向下的尖头)，其原因是流量突然增大导致样件局部筛网/绕丝层发生形变，使得原先侵入的试验砂穿透了过滤介质而产出，即发生了局部解堵[13-14]。ZZS筛网的力学稳定性稍逊于其余两种样件，使得其压降瞬降次数总体上略多于其余两种样件，但由于试验砂很快会再次堵塞过滤介质，所以该现象持续时间非常短暂，不会影响试验结果。

图5 试验测试结果Fig.5 Test results

(3)在相同工况下，ZZS筛管的过流压降最低，相比金属毡筛管低30%～40%，相比绕丝筛管配合砾石充填低10%～20%。

3 现场应用

ZZS筛管在4个目标区块的典型应用井位如表4所示。应用井位前期下入的防砂筛管在生产过程中失效，实施拔筛管措施[15]后，统一换用ø88.9 mm ZZS筛管生产。为评价ZZS筛管的应用效果，跟踪了采取措施前后应用井位的日生产数据，如图6所示。图6中日产量曲线的断点即为井位停产采取措施时间，再次开井后，抽排井筒内及近井地带的残留工作液，井位日产液量和日产油量很快恢复正常，且相比前期完井方法有明显提高。

表4 典型应用井位基本信息Table 4 Basic information of typical applied wells

图6 典型应用井位日生产跟踪数据Fig.6 Daily production data of typical application wells

为便于定量表征4口应用井位生产水平变化情况，统一选取图6中采取措施前后3个月内的生产数据进行对比，如表5所示。从表5可知：相比前期完井方法，ZZS筛管凭借其优良的过流性能改善了近井地带流体的入流状态，降低了产液入流附加压降，井筒供液能力有所提高，日产液量提高幅度20%～70%，动液面提升100～300 m；应用井位日产油量显著提高，平均提高1.2 m3/d，提高幅度25%～130%；产液含水体积分数基本保持稳定，变化幅度小于3个百分点。

表5 典型井位应用效果Table 5 Application effects of typical applied wells

4 结论及建议

(1)研制的新型折皱式防砂筛管(ZZS筛管)不仅过滤面积大，而且筛网材料用量为相同规格常规优质筛管的4倍以上，可在一定程度上降低筛网堵塞对过流性能的不利影响，从而有效提高井筒供液能力。

(2)物模试验和现场应用结果表明，在高产液量、稠油、致密砂岩和砂岩粒度不均等复杂工况下，ZZS筛管的过流性能优于金属毡筛管，更优于配合砾石充填绕丝筛管。因为在储层入流流量不变的条件下，若增大筛网过滤面积，则单位面积筛网的过流流量减小，所以当筛网被储层砂堵塞之后，其过流压降仍能保持在较低水平。

(3)物模试验使用单相CMC黏液作为试验流体，无法体现ZZS筛管过滤介质亲水疏油特性对提高过流性能的促进作用，建议后续使用油水两相试验流体，以便更加准确地模拟井筒流动特征。