匡韶华

(辽河油田 钻采工艺研究院，辽宁 盘锦 124010)

油井防砂筛管适应性试验评价方法研究

匡韶华

(辽河油田 钻采工艺研究院，辽宁 盘锦 124010)

防砂筛管的种类繁多，选择合适的筛管类型、确定合理的筛管参数是机械防砂工艺设计的关键。提出了针对特定区块或油井进行筛管适应性评价的试验方法和筛管性能评价方法，并给出了试验结果的数学计算方法，建立了一套油井防砂筛管适应性试验评价方法。该方法能够定量反映筛管在特定储层条件下的过流性能、挡砂性能、挡砂粒径、抗堵塞性能和综合性能，为筛管优选和参数优化设计提供了更加准确、直观的指导。实际应用表明，该方法合理可行。

筛管；评价方法；参数优化；试验

随着防砂技术的发展，形成了种类繁多的防砂筛管，包括绕丝筛管、割缝筛管、金属网布筛管、金属棉筛管及金属烧结毡筛管等[1]。这些筛管的挡砂介质、机械结构各不相同，其防砂效果主要取决于筛管本身的特性、地层砂的特性及流体的性质。选择合适的筛管类型、确定合理的筛管参数是机械防砂工艺设计的关键[2]。近些年来，通过室内试验评价，指导筛管优选和参数优化已经成为了研究的热点，并且研制出了多种筛管试验评价装置。但是，这些研究还没有形成规范的试验方法，也没有能够定量反映筛管在特定储层条件下的过流性能、挡砂性能、挡砂粒径、抗堵塞性能和综合性能的评价方法[3-12]。本文利用已研制的防砂筛管适应性评价试验装置，研究出了一种能够定量对比不同筛管在特定储层砂样条件下的单项性能和综合性能，可为机械防砂工艺设计提供指导。

1 试验装置

试验装置主要由高压试验筒、高压泵、配液罐、压力传感器、流量计、数据采集系统和固液分离器等组成。如图1。高压试验筒中安装筛管样件，并在筛管外围填满模拟地层砂；高压试验筒内壁设有导流管和渗流筒，以促使流体均匀进入填砂层中，并实现径向流动状态。

1—配液罐；2—高压泵；3—压力传感器；4—高压试验筒；5—导流管；6—渗流筒；7—筛管样件；8—模拟地层砂；9—固液分离器；10—流量计；11—储液罐；12—数据采集系统。图1 防砂筛管适应性评价试验装置示意

试验过程中，在配液罐中配制的一定黏度的模拟液，利用高压泵将其注入高压试验筒中，通过模拟地层砂进入筛管样件，再流出高压试验筒进入固液分离器分理出通过筛管样件的砂粒；分离后的模拟液通过流量计计量后进入储液罐。高压试验筒中至少设置2个压力传感器，分别采集筛管内外侧压力。由于流体的驱动作用，模拟地层砂发生运移，部分砂粒通过筛管过滤层进入固液分离器中，另一部分砂粒在筛管的阻挡作用下堆积架桥，导致筛管内外压差增大。

2 试验方法

针对特定区块或油井进行防砂筛管适应性评价的试验方法如下：

1) 根据评价区块或油井的储层岩石粒径分布和粘土矿物含量，按照不同质量比，采用不同粒径的石英砂、膨润土(代替蒙脱石)和伊利石，混合均匀配制模拟地层砂。要求模拟地层砂的组成及粒度参数与储层岩石的组成及粒度参数相近。

2) 将筛管样件安装于高压试验筒中，在筛管样件外围填满模拟地层砂，盖上高压试验筒端盖。小排量注入清水将模拟地层砂润湿。

3) 采用聚合物增粘剂与清水在配液罐中配制一定黏度的模拟液。模拟液的黏度应与油层中流体的黏度相近。

4) 按照油井设计产液量与筛管防砂段长度的比值，再乘以筛管样件长度折算得到试验排量。利用高压泵以恒定的试验排量将模拟液注入高压试验筒中，对填充砂层进行驱替。

5) 连续注入模拟液一定时间后，停止试验，收集液固分离器中的砂粒，将其烘干后，称重，并做粒度分析。

6) 记录模拟液黏度、模拟液排量、筛管内外压差、出砂量和出砂粒径等数据，以供分析评价。

为了确保不同筛管的可比性，应尽量采取相同的模拟液黏度、驱替排量和驱替时间的试验参数进行试验。

3 防砂筛管适应性评价方法

将试验过程中记录的相关数据进行处理，计算筛管的单项性能(过流性能、挡砂性能、挡砂粒径和抗堵塞性能)评价参数；然后利用单项性能评价参数计算筛管的综合性能评价参数，根据综合性能评价参数值对比评价不同筛管在目标区块或油井的适应性，指导筛管选择和参数优化设计。

3.1 单项性能评价参数计算

3.1.1 过流性能

采用试验过程中筛管的平均渗透率k作为筛管过流性能评价参数，来表征筛管的过流性能。过流性能评价参数k越大，表示筛管的过流能力越好。

(1)

(2)

式中：k为筛管过流性能评价参数，μm2；ki为第i时刻筛管的渗透率，μm2；Qi为第i时刻通过筛管的流量，mL/s；μ为模拟液黏度，mPa·s；L为筛管样件有效过滤段长度，cm；p1i为第i时刻筛管外侧压力，10-1MPa；p2i为第i时刻筛管内侧压力，10-1MPa；d1为筛管样件过滤段外径，cm；d2为筛管样件过滤段内径，cm；N为试验过程中的压力测试点数。

3.1.2 挡砂性能

采用通过筛管的模拟液平均含砂量η作为筛管挡砂性能评价参数，来表征筛管的挡砂性能。

(3)

(4)

式中：η为筛管挡砂性能评价参数，%；m为通过筛管的总出砂量，L；V为通过筛管的总流体体积，L；Qi+1为第i+1时刻通过筛管的流量，L/min；ti+1为第i+1时刻的试验时间，min；ti为第i时刻的试验时间，min。

3.1.3 挡砂粒径

按照出砂粒径从小到大的顺序绘制砂粒的累积粒度分布曲线。从累计粒度分布曲线中确定d90值，以该值作为筛管挡砂粒径评价参数。确定油井设计要求的挡砂粒径d值。

3.1.4 抗堵塞性能

计算试验前一段时间内筛管两侧的平均压差p0，以及试验后一段时间内筛管两侧的平均压差p。采用p0与p的比值s作为筛管抗堵塞性能评价参数，来表征筛管的抗堵塞性能。

(5)

3.2 综合性能评价参数计算

利用筛管的单项性能参数，进行加权平均法，计算得到筛管的综合性能参数R。在进行加权平均计算之前，需要对过流性能参数、挡砂性能参数、挡砂粒径参数和抗堵塞性能参数进行归一化处理。

对筛管过流性能评价参数进行归一化处理：

(6)

式中：K为筛管过流性能评价参数归一化值，无量纲；k为筛管过流性能评价参数，μm2；kmax为全部筛管中最大的过流性能评价参数，μm2。

对筛管挡砂性能评价参数进行归一化处理：

(7)

式中：H为筛管挡砂性能评价参数归一化值，无量纲；η筛管挡砂性能评价参数，%；ηmax为全部筛管中最大的挡砂性能评价参数，%。

对筛管挡砂粒径评价参数进行归一化处理：

(8)

式中：D为筛管挡砂粒径评价参数归一化值，无量纲；d90为筛管挡砂粒径评价参数，mm；d为油井设计要求挡砂粒径，mm。

对筛管抗堵塞性能评价参数进行归一化处理：

(9)

式中：S为筛管抗堵塞性能评价参数归一化值，无量纲；s为筛管抗堵塞性能评价参数，无量纲；smax为全部筛管中最大的抗堵塞性能评价参数，无量纲。

筛管综合性能评价参数R为

R=W1K+W2H+W3D+W4S

(10)

式中：W1为筛管过流性能评价权重系数；W2为筛管挡砂性能评价权重系数；W3为筛管挡砂粒径评价权重系数；W4为筛管抗堵塞性能评价权重系数。推荐 W1=0.2，W2=0.2，W3=0.2，W4=0.4。

权重系数可以根据实际需要进行调节，如进行适度防砂设计时，可适当提高过流性能评价权重系数，降低其它权重系数。

在相同的试验条件下，筛管的综合性能评价参数R值越大，表示筛管在评价区块或油井中的适应性越好。

4 室内试验

采用本文方法对金属棉筛管、金属网布筛管、镶嵌式滤网筛管和整体烧结滤网筛管在渤海某稠油油田的防砂适应性进行室内试验评价。将这4种筛管加工成6根不同试验样件，不同筛管试验样件如图2所示。筛管试验样件的主要参数如表1。

图2 4种筛管的试验样件

试验样件编号筛管类型挡砂精度/mm规格尺寸/mm过滤段长度/mm1#金属棉筛管0.15139.7(5英寸)5002#金属网布筛管0.12139.7(5英寸)5003#金属网布筛管0.15139.7(5英寸)5004#金属网布筛管0.20139.7(5英寸)5005#镶嵌式滤网筛管0.20139.7(5英寸)5006#整体烧结滤网筛管0.16139.7(5英寸)350

根据渤海某稠油油田主力油组储层物性参数，采用不同粒径的石英砂和粘土矿物，按照一定的比例混合(如表2)，配制成模拟地层砂。模拟地层砂的组成和粒度参数与储层岩石的组成和粒度参数相近。采用聚阴离子纤维素HV与清水配制80～120mPa·s的模拟液。

表2 模拟地层砂配比

利用防砂筛管适应性评价试验装置，在相同的模拟地层砂、模拟液和试验排量条件下，按上述试验方法分别对6种不同筛管试验样件进行试验。试验排量设定为2L/min。通过室内试验，得到6种不同筛管试验样件压差随驱替时间的变化曲线如图4。出砂量及出砂粒径d90值如表3。

图3 不同筛管试验样件压差随驱替时间的变化曲线

按照防砂筛管适应性评价方法对试验获得的数据进行处理，得到计算结果如表4。其中，油井设计要求的挡砂粒径d值为200μm；筛管抗堵塞性能评价参数S值按照试验后半期的平均压差与试验前半期的平均压差的比值计算；综合性能评价参数R值计算式中的权重系数取值为W1=0.2，W2=0.2，W3=0.2和W4=0.4。

表3 不同筛管试验样件的出砂量及出砂粒径d90值

表4 不同筛管试验样件评价参数计算数据

从表4中可以看出，综合性能评价参数R值最高的是4#金属网布筛管(200μm)，其次是6#整体烧结滤网筛管(160 μm)，因此，这2种筛管在目标油层条件下的适应性好。R值最低的是5#镶嵌式滤网筛管(200 μm)，由于该筛管的过流面积小，导致其过流性能和抗堵塞性能变差，综合性能评分值低，故这种筛管在目标油层条件下的适应性较差。根据试验评价的结果，推荐渤海某稠油油田采用4#金属网布筛管(200 μm)或6#整体烧结滤网筛管(160 μm)进行防砂作业。

5 现场应用

2012—2015年，利用本文研究的油井防砂筛管适应性试验评价方法对辽河油田的洼59、冷37、欢127、海外河、杜48、冷41等区块及渤海油田的2个区块进行了30多组筛管适应性评价试验。应用该方法评价优选的区块和油井均未出现明显的筛管出砂和堵塞现象，防砂有限期和防砂井的产能得到明显提高。

6 结论

1) 建立了一种油井防砂筛管适应性试验评价方法，可以定量对比评价不同类型和挡砂精度的筛管在特定储层砂样条件下的过流性能、挡砂性能、挡砂粒径、抗堵塞性能和综合性能，用于指导不同区块或油井评价，优选合适的防砂筛管、优化防砂参数。

2) 本文提出的试验评价方法在油井防砂现场得到了数十次的应用，取得了良好的应用效果，可为油井防砂工艺设计提供指导。

3) 建议进一步开展筛管适应性试验评价标准化研究，制定相应的试验评价方法标准，提高筛管试验评价方法的应用范围和应用效果。

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Research on Method for Test and Evaluation of Adaptability ofSand Control Screen in Oil Well

KUANG Shaohua

(Drilling and Producing Technology Research Institute，Liaohe Oilfield，Panjin 124010，China)

There are many types of sand control screen.Choosing the appropriate screen type and determining reasonable screen parameters are the key in the design of the mechanical sand control.Using of experiment evaluation to guide the screen optimization and parameter optimization has become a kind of important method.The test and screen performance evaluation method，involving screen adaptability evaluation for a specific block or the well，were put forward in this paper.The mathematical calculation method for analyzing the test results was also given.A new method for test and evaluation of the adaptability of sand control screen in oil well was set up.The method can quantitatively reflect the flow performance，sand-retaining performance，grit size，anti-clogging performance and comprehensive performance of sand control screen in a specific reservoir conditions.It provides a more accurate and more intuitive guidance for choose and optimization design of screen.Practical application shows that the method is feasible and reasonable.

screen liner；evaluation method；parameter optimization；test

1001-3482(2017)04-0043-05

2017-02-14

匡韶华(1985-)，男，工程师，硕士，现从事油井防砂工艺技术的研究，E-mail：kuangshaohua@163.com。

TE931.2

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.04.011