渤海某油田油井出砂及筛管冲蚀分析

袁伟伟，张启龙，陈 彬，徐 涛，贾立新

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，海洋石油高效开发国家重点实验室, 天津 300459）

油井出砂会导致地面设备磨损，严重的出砂会造成井筒沙埋无法供液[1-2]。特别针对投产时间较长的油井，随着注水开发以及边底水的推进，油井含水率逐渐升高，导致储层岩石强度降低，加大了油井的出砂风险[3-5]。渤海油田近年来由于出砂原因造成检泵甚至修井作业比例逐年提高，特别是由于筛管冲蚀穿孔导致的严重出砂问题日益突出。本文针对渤海某油田出砂较为严重的问题进行了系统分析，对实际出砂井的天然地质因素、生产控制因素和冲蚀穿孔等多个方面进行了分析，并开展了筛管冲蚀实验研究，进一步论证了该油田筛管冲蚀的影响因素，为后期调整井开发防砂方案提供了一定的理论依据。

1 渤海某油田出砂情况

渤海某油田目前包含A、B 两座平台，其中A 平台采油井34 口，B 平台采油井32 口，本油田2009 年投产，分别经历了产能建设阶段、综合调整阶段以及局部加密调整三个开发阶段，目前该油田整体含水率为85%，年稳产油88×104t 以上。该油田老井生产出砂情况较为频繁，且部分井由于出砂严重无法供液，后期采用井筒侧钻继续生产。经统计A 平台生产井中未发现出砂情况的仅有5 口，占A 平台总井数的14.7%，B 平台生产井中未发现出砂情况的有8口，占B 平台总井数的25%。根据出砂井含砂量进行划分，A 平台出砂井含砂量大于0.03%的共13 口，占比38.2%；B 平台出砂井含砂量大于0.03%的共1口，占比3.1%，两平台其余出砂井均为微量含砂。由出砂严重导致无法产液，后期开窗侧钻井的共6 口，通过井径成像测井技术发现，防砂筛管有一处有明显破损，导致防砂失效，见图1。

图1 成像测井筛管位置发生破损

2 储层出砂因素分析

通过对该油田取样岩心进行单轴抗压强度测试发现，该油田储层岩石强度较低，单轴抗压强度在1.3～10 MPa 之间，泡水实验表明岩心泡水48 h 后强度大幅下降，为0.1 Mpa，见表1。随着油田开发生产后期注入水以及地层水的连通，储层含水率升高，进一步降低储层的岩石强度，且该油田地饱压差较低，随着地层压力的下降，生产过程中在井筒周围出现脱气现象，导致原油脱气黏度提高，增加了岩石的拖曳力，从而加剧储层出砂。

表1 岩石抗压强度和泡水后强度

通过分析该油田不同开发油组的储层泥质含量发现，该油田开发的3 个油组泥质含量较高，平均泥质含量均高于10%，其中二油组最高泥质含量为28.8%。根据黏土矿物成分分析数据，储层蒙脱石含量平均占比70%，具有较强的吸水膨胀性，进一步降低储层岩石的强度，见图2 和图3。地层见水后，颗粒间原始毛细管力下降，黏土矿物遇水后膨胀分散，同时由于注水的反复冲刷，导致岩石发生拉伸破坏，加剧了地层出砂。

图2 不同油组泥质含量分布

图3 黏土矿物中伊蒙混层含量比例

3 筛管冲蚀破损分析

目前国内外对井下筛管的冲蚀破损研究较多，如微切削磨损理论、变形磨损理论、挤压-薄片剥落磨损理论、绝热剪切与变形局部化磨损理论和脆性材料的断裂理论，等等。由于筛管结构的复杂性以及影响材料冲蚀破坏因素多样，如环境因素、磨粒性质和靶材的性质，等等。其中环境因素又包括冲蚀速度、冲蚀角度和时间温度等，磨粒性质包括材料的硬度、形状和破损性等，靶材的硬度、力学性能和物理性能等。因此，单一的理论研究并不能对该油田筛管冲蚀破损进行判断，针对该油田的实际筛管破损情况，本文通过室内冲蚀模拟实验进行有针对性的研究，对今后该油田的防砂设计具有重要的指导作用。

3.1 筛管冲蚀模拟实验

筛管冲蚀模拟实验装置为中海油自主研发的实验设备，可模拟不同结构全尺寸筛管短节以及筛管样片等不同规格的冲蚀实验，冲蚀流速控制范围为0～120 m/s，并配备高清多角度摄像机对实验过程进行监测。可实现不同冲蚀距离、不同冲蚀角度、不同冲蚀速度以及不同含砂浓度下的筛管试件的冲蚀实验分析以及冲蚀寿命预测。本次实验采用对射流冲蚀和过流冲蚀2 种冲蚀方案，其中射流冲蚀实验主要针对不同冲蚀距离、流速以及不同含砂浓度对筛管的寿命进行分析，过流冲蚀为要进一步认识筛管堵塞造成的局部热点冲蚀，采用200 μm 金属网布筛管短节，实验测试排量为60 L/min。

3.2 冲蚀结果分析

不同冲蚀距离、不同冲蚀流速以及不同含砂浓度下筛管试件的冲蚀实验数据见图4 至6 图。通过射流实验得到以下结论。

图4 冲蚀距离与破坏时间影响

（1）冲蚀寿命：距离为15～60 mm 时，筛管破坏的时间基本一致，约为18 min。当距离大于55 mm时，筛管的冲蚀破坏时间逐渐延长，整体平均破坏时间为19.2 min。

（2）150/200 μm 筛管试件金属网，冲蚀破坏时间随速度的变化规律基本一致。

（3）筛管冲蚀寿命与出砂浓度，成-1.107 次方关系。

（4）外护罩出现明显且较规则的冲蚀孔。外护罩下部的金属网布出现不规则的破坏，且破坏面积普遍大于外护罩的破坏面积。

图5 冲蚀速度与破坏时间影响

图6 含砂浓度与破坏时间影响

图7 为过流冲蚀实验的实验曲线。过流冲蚀实验充分展示了筛管的冲蚀破坏阶段，主要包括以下4个阶段。

图7 筛管过流冲蚀实验数据

（1）堵塞阶段：发生在测试开始时，表现为泵压逐渐升高，说明此阶段筛管逐渐发生堵塞，导致筛管过流面积逐渐减小。

（2）冲蚀磨损阶段：随着泵压的逐渐稳定，频繁出现小范围的波动，此阶段说明筛管的挡砂介质出现了轻微的冲蚀磨损，并伴有一定的断丝，此时筛管仍然具有挡砂能力。

（3）冲蚀破坏阶段：伴随泵压的逐渐降低，说明筛管冲蚀孔逐渐增大，并逐渐失去挡砂能力。

（4）冲蚀穿孔阶段：此阶段泵压较低，说明筛管目前已经出现了较为明显的冲蚀穿孔，完全不具备挡砂能力，通过拆解实验筛管发现，筛管表面出现了5～10 mm 的穿透冲蚀孔。

4 结论

（1）该油田储层岩石强度低，随着生产后期含水率的升高，地层极易出砂，建议后期调整井开展具有针对性的防砂措施。

（2） 该油田生产过程中主要以微量含砂为主，通过对生产情况进行分析发现，生产压差的变化和压力激动是导致出砂的重要因素，建议生产过程中严格控制生产压差，并减小压力激动变化，通过逐渐调频改善压力激动过大的影响。

（3）从筛管破损实验发现，该油田部分井由于出现筛管冲蚀破损导致防砂失效，并针对筛管冲蚀进行了系统的分类分析，以及筛管冲蚀的影响因素分析，为今后筛管防砂失效研究提供了一定的实验理论基础。