人工井壁涂覆砂材料抗冲刷性能研究

张云飞，苏延辉，史斌，江安，夏环宇，崔国亮

人工井壁涂覆砂材料抗冲刷性能研究

张云飞，苏延辉，史斌，江安，夏环宇，崔国亮

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司， 天津 300452）

为研究人工井壁涂覆砂材料抗冲刷性能，研制了由冲刷泵、耐冲刷测试系统、过滤及水箱模块、上覆压力自动加载模块及数据采集控制模块构成的冲刷试验装置，利用该试验装置对人工井壁涂覆砂材料固结岩心开展了不同冲刷排量、冲刷压差及冲刷时间的冲刷破坏试验，分析了固结岩心冲刷后的表观形貌、冲刷率以及单轴抗压强度的变化情况，结果表明：固结岩心受冲刷作用后，入口端的冲蚀破坏程度要高于出口端，抗压强度保留率仅为原来的67.96%，冲刷排量为25 L·min-1时，冲刷过程仅维持了4 h。冲刷破坏试验表明，即使是人工井壁涂覆砂材料的抗压强度能够满足行业标准的技术要求，但仍尚宜检测其抗冲刷性。

涂覆砂材料； 抗冲刷； 人工井壁； 试验装置

涂覆砂人工井壁防砂是目前较好的化学防砂方法[1-2]，但对于涂覆砂的性能评价指标，现行石油行业标准[3-4]仅对其抗折强度、抗压强度及渗透率三个静态指标进行了规范要求，而现实中人工井壁是要受带压流体长时间、高强度的动态冲刷作用的[5-6]。王宝权[7]等学者研究指出：在采用人工井壁防砂时，施工前需对涂覆砂材料进行冲刷试验评价，充分考虑流体对人工井壁的冲刷破坏作用很有必要。

涂覆砂形成的人工井壁在流速较高的流体冲刷下，容易发生表面砂粒剥离脱落，导致涂覆砂回流，引起油水井出砂，造成油层砂埋、油管砂堵、砂卡，致使原油产量、注水量下降甚至停产、停注[8-10]。尽管有些涂覆砂材料的抗压强度可满足技术要求，但若是其抗冲刷性不足，现场一旦采用其作人工井壁防砂，势必会引起严重的大修或关停事故。

为此，本文利用研制的人工井壁涂覆颗粒耐冲刷试验评价装置（专利号：202010644035.4）对人工井壁涂覆砂材料固结岩心开展了不同冲刷排量、冲刷压差及冲刷时间的冲刷破坏试验，分析了固结岩心冲刷后的表观形貌、冲刷率以及单轴抗压强度的变化情况，试验结果为研究制定涂覆砂的抗冲刷性能控制指标的提出提供了支持。

1 总体思路与试验原理

1.1 总体方法与思路

依据行业标准[11]，利用涂覆砂材料体系配方（粒径为20～40目）制得大量的涂覆砂固结岩心，用于本次的人工井壁抗冲刷模拟。为了便于冲刷试验前后结果的比较，首先需在冲刷试验前对固结岩心进行单轴抗压强度及渗透性试验。取3组试验结果的平均值作为耐冲刷前的单轴抗压强度及渗透率（见表1）。其次利用耐冲刷试验评价装置对固结岩心开展不同冲刷排量、冲刷压差及冲刷时间的冲刷破坏试验。根据测试结果，分析固结岩心冲刷后的表观形貌、冲刷率以及单轴抗压强度的变化情况。

表1中，抗压强度及渗透率指标满足行业标准涂覆砂的技术指标要求，属于二级品。

表1 固结岩心耐冲刷前的抗压强度

1.2 试验原理

耐冲刷试验评价装置的冲刷排量可达50 L·min-1，可满足冲刷线速度0～12.6 m·s-1，冲刷压差0～15 MPa，冲刷时间理论上是无限长的耐冲刷试验，能够模拟现场工况下化学防砂施工后人工井壁受冲刷的实际情况。试验中耐冲刷测试系统两端的压差随时间的变化可以反映出受高强度的冲刷作用后人工井壁的内部颗粒运移情况；收集产出砂进行烘干处理并称重，用于计算冲刷率；试验结束后取出固结岩心进行单轴抗压强度测试，计算岩心试样冲刷前后抗压强度保持率，可反映出受冲刷后人工井壁的破坏程度。

1.3 试验装置流程

试验装置包括冲刷泵、耐冲刷测试系统、过滤及水箱模块、上覆压力自动加载模块及数据采集控制模块（包括流量计、压力计等），流程如图1。由冲刷泵产生带压流体（液体或气体），通过管汇进入耐冲刷测试系统，高速的流体对涂覆砂形成的固结岩心进行冲刷，流体通过固结岩心后进入过滤及储水模块，过滤后的液体重新进入冲刷泵，完成循环。

1—冲刷泵；2—流量计；3—压力计；4—耐冲刷测试系统；5—压力计；6—过滤单元Ⅰ；7—过滤单元Ⅱ；8—水箱单元；9—上覆压力自动加载模块；10—压力计

2 耐冲刷性能评价方法

2.1 试验准备

将模拟人工井壁的固结岩心装到耐冲刷测试系统后，旋紧左右堵头，围压加载到2 MPa左右（设置成自动跟压，保持围压始终＞岩心夹持器入口压力2 MPa），之后将连接耐冲刷测试系统到冲刷流程中。

2.2 试验过程

打开其中一路过滤单元所在管路，调节好冲刷流量或冲刷压差，冲刷泵启动后进行岩心试样冲刷试验。试验中可实时收集出砂，开启另一路过滤单元，关闭正在工作的过滤单元并拆卸下过滤器，收集砂子、烘干用于计算冲刷率。中间的操作过程不会引起太大的压力波动，保证试验的精准性。

试验结束后，取出岩心试样，进行抗压强度测试，计算岩心试样冲刷前后抗压强度保留率。

2.3 数据处理

1）冲刷率

=×

式中：—中冲刷率（单位面积上每min砂样的剥落量），g/(cm2·m(剥落；

m(砂量的剥落量，g；

量的岩心试样的截面积，cm2；

m试岩心试样抗冲刷的时间，min。

2）抗压强度保留率

Ƞ=0s0×100%

式中：中：抗压强度保持率；

0ss强耐冲刷前的抗压强度，MPa；

0Pa耐冲刷后的抗压强度，MPa。

3 抗冲刷性试验结果分析

3.1 同一时间段不同排量下的耐冲刷实验

按照5、10、15、20、25、30、35、40、45 L·min-1的流量，一定的冲刷时间（1h）依次进行试验，观察岩心受流体冲刷前后的状态及抗压强度变化，结果如表2、图2所示。

图2 固结岩心受冲刷作用后岩心状态

图2可知，固结岩心入口端由于直接受带压流体的高速冲刷作用，被冲蚀成“蒙古包”，出口端剥离脱落的砂粒则被高速流体带走，冲蚀成“孔洞”，但明显弱于直接受流体冲刷的正面。

由表2可知，抗冲刷破坏后固结岩心的抗压强度保留率仅为原来的67.9%。

表2 固结岩心耐冲刷前后的抗压强度的变化

3.2 同一排量不同时间下的耐冲刷实验

按照同一冲刷排量25 L·min-1不同冲刷时间依次进行冲刷试验，实时收集5、15、30、60、90、120、150、180、240 min的出砂量，计算冲刷率。结果如图3-5所示。

图3可知，冲刷排量为25 L·min-1时，冲刷过程仅维持了4 h。固结岩心内部颗粒一直在运移（与岩心的出砂结果相吻合，图4），并不断堵塞有效孔道，冲刷压差随冲刷时间压力一直上升，到最后压力激增导致岩心被冲散，全部进入过滤单元中（图5），此时压力也很快得到释放。

图3 固结岩心连续冲刷4 h的压力曲线图

图4 岩心单位面积上每min的出砂量

图5 固结岩心受冲刷作用后被冲散的状态

4 结 论

1）利用研制的人工井壁涂覆颗粒耐冲刷试验评价装置对人工井壁涂覆砂材料固结岩心开展了不同冲刷排量、冲刷压差及冲刷时间的冲刷破坏试验。

2）固结岩心受冲刷作用后，入口端的冲蚀破坏程度要高于出口端，抗压强度保留率仅为原来的67.96%。

3）冲刷破坏试验表明，人工井壁涂覆砂材料的抗压强度即使是满足行业标准的技术要求，仍尚宜检测其抗冲刷性。

[1]李怀文，孙涛，王超，等．超低温新型树脂涂敷砂及人工井壁防砂技术[J]．石油学报，2016，37 (S2)：112-116．

[2]范明福．低温油井覆膜砂人工井壁防砂技术与应用[J]．科学技术与工程，2017，17 (12)：168-171．

[3]采油采气专业标准化委员．防砂用树脂性能评价方法：SY/T 6572—2003[S]．北京：石油工业出版社，2003．

[4]采油采气专业标准化委员．加固井壁和人工井壁防砂工艺作法：SY/T 5338—2011[S]．北京：石油工业出版社，2011．

[5]胡祎．分散型树脂人工井壁防砂技术的研究与应用[J]．石化技术，2019(4)：44．

[6]张宪游，刘丽．防砂进展及新工艺展望[J]．西部探矿工程，2011 (6)：38-39．

[7]王宝权，匡韶华，佟姗姗，等．树脂砂人工井壁防砂模拟试验研究[J]．新疆石油科技，2014，24 (3)：23-26．

[8]李常友．覆膜砂防砂快速固化技术优化研究与应用[J]．复杂油气藏，2018，11 (4)：74-77．

[9]黄文民．人工井壁防治细粉砂技术研究[J]．特种油气藏，2003，10 (6)：65-66．

[10]薛锋，刘承美，佘跃惠．中浅层细粉砂岩注水井化学防砂试验研究[J]．钻采工艺，2000，23 (4)：47-49．

[11]采油采气专业标准化委员．树脂涂敷砂技术要求：SY/T 5274—2016[S]．北京：石油工业出版社，2017．

Study on Anti-scour Performance of Artificial Shaft Wall Coated Sand Material

（CNOOC Ener Tech-Drilling and Production Company, Tianjin 300452, China）

In order to study the anti-scour performance of sand coating material for artificial shaft wall, a scour test device was developed, including scour pump, erosion resistance test system, filter and water tank module, automatic loading module of overburden pressure and data acquisition and control module. The test device was used to test the consolidated core with sand coated material on the artificial shaft lining with different flushing displacement, scouring pressure difference and scouring time. The changes of apparent morphology, erosion rate and uniaxial compressive strength of consolidated core after scouring were analyzed. The results showed that the erosion damage at the inlet was higher than that at the outlet, and the compressive strength retention rate was only 67.96% of the original level. When the displacement was 25 L·min-1, the erosion process only lasted for 4 h. Even though the compressive strength of the sand coated material for artificial shaft lining can meet the technical requirements of the industry standard, its anti-scouring property still needs to be tested.

Coated sand material; Anti-scour performance; Artificial shaft wall; Test device

TQ016

A

1004-0935（2022）02-0167-04

中海油能源发展重大科技专项，疏松砂岩过筛管压裂工艺技术优化研究（项目编号：HFZXKT-GJ2020-01-03）；中海油工程技术分公司项目，注水井人工井壁涂覆砂材料研究（项目编号：GCJSXMHT-E1906）。

2021-11-02

张云飞（1988-），男，工程师，硕士研究生，山西省忻州市人，2015年毕业于中国石油大学（华东）石油与天然气工程专业，研究方向：油田化学技术研究与应用。