人工井壁防砂树脂涂覆颗粒耐冲刷性能评价实验装置研制与应用

张云飞，苏延辉，江 安，郑晓斌，黄毓祥，崔国亮，王康男

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.中国石油长庆油田分公司，陕西 西安 710000)

0 引 言

人工井壁防砂施工中向出砂井中充填颗粒，受地层温度压力等条件的作用，颗粒表面的树脂软化黏连并固结，在出砂层位形成高强度且具有良好渗透性的挡砂屏障[1-3]。颗粒物质一般为树脂涂敷的石英砂或陶粒[4]，其形成的挡砂屏障的性能是保证防砂效果的关键[5-8]，因此，在施工前需开展系统的性能评价[9-12]。目前对人工井壁防砂树脂涂覆颗粒(简称涂覆颗粒)的性能评价，一般采用抗压强度和渗透率2个参数作为评价指标[13-14]，但其不能有效反映人工井壁受高强度长时间流体冲刷后的实际情况[15-18]。王宝权等[19]的研究表明，在采用人工井壁防砂时，施工前需对涂覆颗粒进行耐冲刷实验评价，充分考虑流体对人工井壁的冲刷作用。为此，研制了涂覆颗粒耐冲刷实验评价装置，可通过改变冲刷排量、冲刷线速度、冲刷压差及冲刷时间，动态模拟流体长时间高强度冲刷人工井壁过程，评价涂覆颗粒的耐冲刷性能。

1 耐冲刷性能实验评价装置及实验方法

1.1 实验装置

耐冲刷性能评价实验装置包括动力系统、耐冲刷测试系统、过滤及储水系统、数据采集控制及处理系统(图1)。由动力系统产生带压流体(液体或气体)，通过管汇进入耐冲刷测试系统，高速流体对涂覆颗粒固结形成的岩心(模拟人工井壁)进行冲刷，流体通过固结岩心后进入过滤及储水系统，过滤后的液体重新进入动力系统，完成实验循环。

图1 耐冲刷评价实验装置示意图

(1) 动力系统。包括液体注入模块与气体压缩调压模块。液体注入模块包括高压柱塞泵、蓄能器、溢流阀和安全阀；气体压缩调压模块为自带减压阀的空压机，空压机通过管路与安全阀相连；液体注入模块与气体压缩调压模块为并联结构，可分别为油气水的流动提供动力。其中，蓄能器用于减小压力波动，可控制压力波动小于±0.05 MPa，保障高压柱塞泵稳定工作；溢流阀是一个安全装置，系统压力超过设定压力时，溢流阀自动打开，通过旁通管路使多余的流量回流到水箱单元中，保证系统压力不再升高；安全阀是另一硬件保障，在系统压力超过设备承压90%时，安全阀内的爆破片即刻破裂或脱落，并泄放流体介质，此时评价系统停止运行，需更换新的爆破片才可继续实验。

(2) 耐冲刷测试系统。包括填砂模型、岩心夹持器组和全自动上覆压力模拟系统。填砂模型中可填充地层砂，模拟疏松砂岩地层。岩心夹持器组由并联设置的多个不同内径的岩心夹持器组成，在每个岩心夹持器靠近出口的位置，在垂直于流体流动方向设置有多孔结构的金属片或者金属板，可防止实验过程中砂堵在出口处。全自动上覆压力模拟系统的主要作用是给岩心夹持器组提供围压，可实时监测和自动调节压力。

(3) 过滤及储水系统。包括水箱单元和过滤单元。水箱单元即储液罐，一方面接收流经过滤单元的流体，并向高压柱塞泵提供流体，以实现实验流体的循环使用；另一方面，溢流阀定压溢流时，接收溢流出来的流体，降低系统压力；同时安装有浮球液位计，可实时监测液位，超出设置的液位上下限时触发报警并及时关闭高压柱塞泵阀门(停止实验)，排除异常后可继续实验。过滤单元是Y形过滤器，可按照实验要求实时收集计算出砂量。

(4) 数据采集控制及处理系统。主要包括压力传感器、流量计、显示单元、数据采集控制硬件单元及数据处理用计算机，主要用于实现压力、流量等参数的实时显示、采集、监控及数据处理，还可以实现控制命令的传输，控制泵的启停、冲刷排量、冲刷线速度、冲刷压差、冲刷时间以及监测液位与压力异常，实现报警保护等。

该实验装置具有以下特点。

(1) 实验装置的冲刷排量最高可达50 L/min，冲刷线速度为0.0～12.6 m/s，冲刷压差为0.00～15.00 MPa；冲刷时间理论上可支持无限长时间耐冲刷实验，能够有效模拟现场工况下防砂施工后人工井壁长时间受冲刷的实际情况。

(2) 可实现实验过程中压力、流量等参数的实时采集、监控、报警，通过硬件和软件双重保障，实现全自动无人值守，是集自动化、智能化于一体的多功能实验评价系统。

(3) 实验评价系统采用循环管路，设计了2个过滤单元，实验时一般只有一个过滤单元是通路，当需要按照实验设计时间收集出砂量时，另一个过滤单元开通，关闭原开通的过滤单元，收集出砂，满足实时观察出砂量的要求；2个过滤单元的设置同时也可避免收集出砂过程中压力的大幅波动，规避因压力大幅波动造成岩心振动破坏，导致涂覆颗粒剥落的可能性，可保证实验结果的准确性。

1.2 技术参数

(1) 高压柱塞泵：工作流量为0～50 L/min，精度为0.5%；工作压力为0.00～15.00 MPa，压力波动小于0.05 MPa。

(2) 填砂模型：尺寸为Φ50 mm×300 mm，耐压为20.00MPa。

(3) 岩心夹持器组：尺寸分别为Φ50 mm×500 mm、Φ38 mm×500 mm、Φ25 mm×500 mm，耐压为20.00 MPa。

(4) 全自动上覆压力模拟系统：压力控制范围为0.00～20.00 MPa，精度为0.10 MPa。

(5) 压力传感器：4套，其中3套压力传感器(图1中1、2、4)量程为20.00 MPa，精度为0.1%；另1套压力传感器(图1中3)量程为5.00 MPa，精度为0.1%。

(6) 泄压安全阀：工作压力为5.00～15.00 MPa，反应时间不大于0.1 s。

(7) 水箱单元：容积为1 000 L。

2 评价方法

2.1 实验步骤

(1) 制取2组涂覆颗粒固结岩心，其中第1组用于耐冲刷评价实验前的抗压强度测试。

(2) 第2组固结岩心装入岩心夹持器后，旋紧岩心夹持器左右堵头，围压加载至2.00 MPa左右(系统设置为压力自动调节模式，保持围压始终比岩心夹持器入口压力高2.00 MPa)。

(3) 将岩心夹持器连接到冲刷实验流程中。若只进行冲刷实验，则将填砂模型短接，高压柱塞泵将实验流体直接泵入岩心夹持器；若进行人工井壁挡砂精度测试，则将填砂模型充填满模拟地层砂后接入流程中。

(4) 打开其中一个过滤单元(例如过滤单元Ⅰ)所在管路，计算机控制软件设置好冲刷程序，高压柱塞泵启动进行岩心试样耐冲刷实验，采集实验过程中的冲刷压差及冲刷排量。

(5) 开启另一路过滤单元(例如过滤单元Ⅱ)，关闭过滤单元Ⅰ，并拆卸过滤器，收集砂子，烘干、称重。

(6) 耐冲刷实验结束后，取出岩心试样，进行抗压强度测试。

2.2 数据处理

岩心夹持器两端的压差随时间的变化可反映高强度的冲刷作用后人工井壁内部颗粒的运移情况；冲刷过程中收集出砂量，计算冲刷率，可反映涂覆颗粒的剥落情况；实验结束后取出固结岩心进行抗压强度测试，计算岩心冲刷前后抗压强度保持率，可反映冲刷后人工井壁的破坏程度。

冲刷率为：

(1)

式中：w为冲刷率(单位面积上每分钟涂覆颗粒的剥落量)，g/(cm2·min)；m为冲刷过程中涂覆颗的剥落量，g；A为岩心的截面积，cm2；t为岩心冲刷时间，min。

抗压强度保持率为：

(2)

式中：ηs为抗压强度保持率，%；R0s为岩心冲刷前的抗压强度，MPa；R0为岩心冲刷后的抗压强度，MPa。

3 实例应用

3.1 现场问题描述

2019年，海上某油田先后采用了2种涂覆颗粒FQ-1与HY(20～40目)进行了人工井壁防砂[20-23]，现场防砂施工参数基本一致，防砂措施后生产情况见表1。

由表1可知：2种涂覆颗粒在防砂初期均有效，但防砂有效期数据显示，涂覆颗粒HY防砂效果更好，能够较长时间耐受地层流体的冲刷破坏作用。为了更好地指导后续防砂作业，使用耐冲刷性能评价实验装置对2种涂覆颗粒进行耐冲刷模拟实验。

表1 防砂措施后生产情况对比

3.2 室内实验评价

利用涂覆颗粒FQ-1与HY，依据行业标准[24]制得固结岩心各3块，进行耐冲刷模拟实验。参照现场生产数据，确定人工井壁耐冲刷模拟实验参数。冲刷排量分别为5、10、15、20、25、30、35、40、45 L/min，每个冲刷排量对应的冲刷时间均为1 h。实验结果见图2、3和表2(冲刷排量为40 L/min时，涂覆颗粒FQ-1的冲刷压差为12.40MPa，为防止冲刷压力超过实验工作压力上限，未进行冲刷排量为45 L/min的实验)。

图2为冲刷排量与冲刷压差关系曲线。由图2可知：涂覆颗粒FQ-1的冲刷压差与冲刷排量呈非线性关系，斜率逐渐增大，表明岩心的物性在高排量、高压差条件下发生变化，物性逐渐变差，可能内部发生颗粒运移；涂覆颗粒HY的冲刷压差与冲刷排量有很好的线性关系，即冲刷排量与冲刷压差之比始终为一个定值，表明岩心物性一直没有变化，内部未发生颗粒剥落和运移。

图2 冲刷排量与冲刷压差关系

图3为冲刷率与冲刷排量关系曲线。由图3可知：涂覆颗粒FQ-1的剥落量随冲刷排量的增加整体呈平缓增加、减少、急剧增加的趋势，说明其耐冲刷性能随冲刷排量增大会急剧降低；当冲刷排量大于20 L/min后，剥落量急剧增加，说明20 L/min是涂覆颗粒FQ-1的“临界剥落排量”，现场可根据实验结果，适时调整作业生产制度，延长防砂有效期。涂覆颗粒HY并未出现剥落现象，且抗压强度保持率接近100%(表2)。

图3 冲刷率与冲刷排量关系

表2 冲刷前后抗压强度保持率

上述实验结果表明，涂覆颗粒HY的耐冲刷性能优于涂覆颗粒FQ-1，可提高防砂有效期。实验结果与现场生产数据保持一致，也说明该评价实验装置的设计是实用和有效的。

3.3 涂覆颗粒HY现场应用情况

根据耐冲刷评价实验结果，在后期的3口防砂井中均改用了涂覆颗粒HY，措施后均取得了较好的防砂效果，没有出砂迹象，截至目前防砂有效期均超过6个月，累计增油量为8 734 m3。

W22井属于边水层状构造、底水块状油藏，为含砾砂岩、中砂岩、细砂岩及粉砂岩的岩性组合，储集层结构疏松，胶结模式以孔隙型为主，储层平均孔隙度为31%，平均渗透率为2 000 mD，受钻完井液严重污染，产液强度低于邻井，该井经多次酸化压裂解堵后出砂严重。2021年3月实施了人工井壁防砂，涂覆颗粒HY用量为25.0 m3，平均砂比为26.3%～36.9%，加砂强度为1.9～3.5 m3/m，排量为2.5～3.8 m3/min。防砂作业后，目前日产液为65.0 m3/d，日产油为21.4 m3/d，防砂前后对比，日增油量为15.6 m3/d，采出液不含砂，截至目前已累计增油3 218 m3，且防砂仍有效。

4 结 论

(1) 研制了人工井壁防砂树脂涂覆颗粒耐冲刷性能评价实验装置，冲刷排量可达50 L/min，冲刷线速度为0.0～12.6 m/s，冲刷压差为0～15 MPa，理论上可进行无限长时间的耐冲刷实验。

(2) 实验装置可通过冲刷压差反映高强度冲刷作用后人工井壁内部颗粒运移情况，通过实时收集出砂量计算冲刷率反映涂覆颗粒的剥落情况。

(3) 海上油田常用的FQ-1和HY 2种涂覆颗粒的耐冲刷实验结果与现场真实出砂现象基本一致，为涂覆颗粒的优选提供了技术支持，验证了实验装置具有实用价值，可为人工井壁防砂技术的优化提供技术支持。

(4) 冲刷实验中，冲刷排量存在小幅波动，无法精确控制，可能导致实验精准性存在问题，该问题将是下步研究攻关方向。