引用本文
王子毓. 疏松砂泥岩对防砂筛管堵塞影响试验研究[J]. 录井工程, 2020,31(S1): 42-47.
WANG Ziyu. Experimental study on the influence of loose sand shale on the blocking of sand control screen[J]. Mud Logging Engineering, 2020,31(S1): 42-47.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2020.S1.008  
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疏松砂泥岩对防砂筛管堵塞影响试验研究
王子毓
中国石油大港油田公司对外合作项目部(赵东作业分公司)

作者简介：王子毓 工程师,1990年生,2015年毕业于西南石油大学石油工程专业,现在大港油田公司对外合作项目部(赵东作业分公司)主要从事钻完井工程技术研究。通信地址: 300459 天津市滨海新区塘沽MSD-B1座30层。电话:(022)66683198。E-mail:ziyu.wang@ptrzhaodong.com.cn

摘要

为探索含砂泥岩地层与纯砂层对筛管堵塞影响,设计了模拟径向流筛管堵塞评价试验装置,在筛管试件长度约1 m的情况下,通过改变排量逐级建立驱替压差的试验方式分析了模拟纯砂岩和砂泥岩互层两种条件下筛管的堵塞过程。结果表明,所设计的试验装置可以建立超过4 MPa的驱替压差,砂泥岩互层对筛管的堵塞程度比纯砂岩层严重,砂泥岩对筛管堵塞影响明显。砂岩地层筛管堵塞主要为桥架堵塞,地层流体携带地层砂进入筛管挡砂介质内部,形成桥架堵塞;砂泥岩互层筛管堵塞主要因为地层中泥质具有一定粘附性和遇水膨胀性,使得地层泥砂在筛管表面形成一层坚固的泥饼,从而直接堵塞筛管外部的筛孔。筛管堵塞过程中,初期渗透率下降明显,达到平衡后,驱替压力随产液量变化趋平稳。

关键词: 疏松; 砂泥岩; 防砂; 筛管堵塞; 径向流; 渗透率
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Experimental study on the influence of loose sand shale on the blocking of sand control screen
WANG Ziyu
Foreign Cooperation Project Department of petroChina Dagang Oilfield Company(Zhaodong Operation Branch),Tianjin 300459,China
Abstract

In order to explore the influence of sand shale formation and clean sand formation on screen plugging,a simulation test device for the evaluation of the plugging of radial flow screen was designed. Under the circumstance of the length of the screen test piece being about 1 m,the plugging process of the screen under simulated clean sand formation and sand shale formation was analyzed by changing the displacement to establish the displacement pressure difference step by step. It showed that the designed test device can establish a displacement pressure difference of more than 4 MPa. The sand shale formation has more serious screen plugging than clean sand formation,and sand shale has a significant impact on screen plugging. The screen plugging of sandstone formation is mainly bridge plugging that is formed due to the fact that formation fluid carries the formation sand into the sand control medium of the screen. The screen plugging in sand shale formation is mainly because the mud in the formation has a certain degree of adhesion and water swellability,so that the mud and sand in the formation form a solid mud cake on the screen surface,which directly blocks the sieve pores outside the scree. During the screen plugging,the initial permeability drops sharply,and after reaching equilibrium,the displacement pressure becomes stable with the change of fluid production.

Keyword: loose; sand shale; sand control; screen plugging; radial flow; permeability
0 引言

筛管防砂是疏松砂泥岩地层的主要防砂工艺之一。防砂工艺的选取、完井筛管的选型与设计对取得良好的防砂完井效果至关重要, 开展模拟井筒条件下防砂筛管堵塞特性试验是重要手段[1, 2, 3, 4, 5], 主要利用机械筛管微观驱替堵塞模拟和全尺寸模拟试验装置, 研究生产时间、出砂速度、粉细砂含量、泥质含量、原油粘度等对机械筛管多层滤网挡砂层堵塞过程及堵塞程度的影响规律[6, 7, 8, 9, 10], 为堵塞防砂井的解堵施工参数优化设计提供了一定的理论依据。调研表明[11, 12], 目前试验装置为立式垂直固定装置, 防砂筛管有效防砂高度一般不超过400 mm, 难以模拟砂泥岩互层地层条件及其出砂特征, 以及实际工况中防砂筛管不同部位的非均匀堵塞特征。为此设计研制了一种疏松砂泥岩互层防砂筛管堵塞特性评价试验装置, 可对模拟地层条件下的出砂特征与防砂方式进行评价试验, 为防砂工艺设计、完井筛管的结构优选与参数设计等提供科学的基础和依据。

1 试验方案设计
1.1 试验装置

本次试验所用装置主要由模拟井筒系统、高压泵组、射流泵和数据采集分析系统4部分组成, 实验装置原理和实物分别如图1、图2所示。

图1 试验装置原理图

图2 试验装置实物图

(1)模拟井筒系统:罐体模拟井筒系统包括模拟地层、基管直径为73 mm的防砂管。本次试验模拟裸眼完井, 模拟地层外壁罐体内径242 mm, 防砂管长度925 mm, 有效滤砂管长度740 mm, 过滤精度150 μ m。地层砂采用平均直径为160 μ m 的磨料砂, 经过测试1/3的磨料砂能通过所用的筛网, 2/3的磨料砂很难通过所用的筛网。模拟砂泥岩是采用地表膨润土与砂按一定比例混配而成, 膨润土遇水后会软化膨胀。地层砂置于流动壁罩与模拟井壁间。流动壁罩由细网和粗网组合而成, 高度为筛管长度一半, 约460 mm, 放入罐体底部, 与罐体内壁间隙约1 mm, 驱替液进入罐体后可在罐体下半部分形成均匀径向流动。

(2)高压泵组:由高压水射流中心三缸柱塞泵提供动力, 最大排量约400 L/min。

(3)射流泵:连接至管路中, 通过调整射流泵排量调节模拟地层压力, 射流泵吸入口敞开, 可防止试验过程中发生防砂管堵塞造成管路系统压力过高带来的安全事故。

(4)数据采集分析系统:主要通过记录系统压力和排量随时间的变化, 在一定排量条件下, 通过系统不同位置处的压力变化判断筛管的堵塞情况, 试验结束后, 拆开系统观察筛管堵塞情况, 与试验过程进行对比分析。试验过程中, 共安装三个压力传感器, 分别安装在射流泵入口处、分流头处和试验罐体上并延伸至罐体内近井壁处。

1.2 试验步骤

试验共分两组进行, 第一组为模拟纯砂岩地层砂试验, 第二组为模拟砂泥岩互层试验。

两组试验的步骤基本相同, 只是在填砂方法上模拟砂泥岩互层试验与模拟纯砂岩地层砂试验不同。模拟砂泥岩互层试验填砂方法:试验罐体下部20%高度为纯地层砂段, 上部80%为砂泥混合段, 砂泥混合物按地层砂与黏土质量比2:1配置。

试验过程中, 采用流量计测量通过筛管的流量, 并且通过压力传感器测量射流泵入口压力、地层驱替压力和近井壁处压力。分别观察记录在不同流量条件下, 三处压力随时间的变化来探索分析筛管的堵塞程度。

每组试验的基本步骤如下:

(1)在试验罐体底部放入径向流动壁罩。

(2)放入筛管与模拟井壁后安装固定, 在模拟井壁和罐体环空中填入模拟地层砂。

(3)调节流量至设定值, 驱替一定时间后, 改变排量继续驱替。

(4)观察和记录试验过程中不同流量条件下压力随时间的变化。

2 试验结果与分析
2.1 模拟纯砂岩地层试验

试验过程中流量、模拟地层驱替压力和近井壁处的压力随时间的变化如图3、图4所示。试验过程发现, 在驱替初始阶段, 罐体入口压力和近井壁处的压力随时间增加逐渐上升, 在流量稳定后继续驱替, 模拟地层驱替压力和近井壁处压力会继续增加但是逐渐趋于平缓。罐体入口压力和近井壁处压力的变化主要和排量有关, 三处压力随排量的增加而增大。试验结束后, 如图5所示, 罐体模拟地层砂面高度下降约14 cm, 返出砂装置内有地层砂返出。打开筛管外罩(模拟井壁)后发现整个筛管与外罩环空被地层砂充填, 驱替压力及近井壁处的压力逐步升高, 应为筛管及筛管与井壁环空堵塞所致。清水冲洗后, 附着在筛管表面的地层砂基本脱落。初步分析认为流体携带模拟地层砂进入筛管外环空, 固相颗粒会以分选桥架的方式充填筛管外部, 形成分选桥架堵塞, 驱替压力以及近井壁处压力的升高应为筛管被地层砂堵塞所致。

图3 模拟纯砂岩地层试验流量变化曲线

图4 模拟纯砂岩地层试验驱替压力和近井壁压力变化曲线

图5 模拟纯砂岩地层试验后罐体与筛管情况

2.2 模拟砂泥岩互层试验

试验过程中流量、模拟地层驱替压力和井壁处的压力随时间的变化如图6、图7所示。与模拟纯砂岩地层类似, 在驱替初始阶段, 罐体入口压力和近井壁处的压力随时间逐渐上升, 稳定后, 罐体入口压力和近井壁处压力的变化主要和排量有关, 三处压力均随排量的增加而增大。试验结束后打开罐体, 模拟地层砂面总体高度基本未发生变化, 部分区域有下落, 返出砂装置内有少许地层砂返出, 表明膨润土膨胀体积明显。取出筛管后发现, 筛管与外罩被泥砂粘附, 打开筛管外罩(模拟井壁)后筛管与外罩之间环空充填程度比模拟纯砂岩地层砂小, 清水冲洗后, 附着在筛管表面的地层砂及泥部分没有脱落, 筛孔被泥与砂混合物堵塞(图8)。驱替压力及近井壁处的压力逐步升高应为筛管及筛管与井壁环空堵塞所致, 其中筛管挡砂层堵塞为主要原因之一。初步分析认为砂泥岩堵塞为泥砂遇水后膨胀, 模拟地层孔隙度渗透率均有所降低, 驱替过程中细质固相颗粒进入筛管挡砂层内部, 挡砂层孔隙的不规则性及非均质性导致进入的固相颗粒难以排出, 造成机械筛管渗透率降低, 形成堵塞。与此同时, 发现筛网的多处出现局部挤压变形的情况。初步分析认为, 因为模拟砂泥岩互层驱替过程中, 压力上升快, 所以出现局部筛网堵塞憋压, 导致筛网挤压变形。

图6 模拟砂泥岩互层试验流量变化曲线

图7 模拟砂泥岩互层试验驱替压力和近井壁压力变化曲线

图8 模拟砂泥岩互层试验后地层砂和筛管情况

通过两组试验发现, 在相同排量条件下, 模拟砂泥岩互层罐体入口压力(地层驱替压力)和内部模拟井壁处压力均高于模拟纯砂岩地层, 表明在试验条件下, 模拟砂泥岩互层堵塞程度比模拟纯砂岩地层严重, 砂泥岩对筛管堵塞有明显影响。当排量从130 L/min 上升至180 L/min左右时, 模拟纯砂岩地层砂驱替压差从0.06 MPa 上升至2.1 MPa, 而模拟砂泥岩互层驱替压差从1.57 MPa 上升至最大4.35 MPa, 表明驱替过程中, 可以逐级建立压差。

2.3 两组模拟地层对筛管堵塞过程中渗透率的影响

在两种模拟地层试验的基础上, 分别计算不同流量条件下纯砂驱替和砂泥岩驱替筛管的渗透率, 计算公式如下:

K= qμ2πhΔpln rori

式中:K为筛管渗透率, m2; q为通过筛管的流量, m3/s; μ 为试验流体的粘度, Pa· s; h为试验筛管有效渗滤长度, m; Δ p为筛管内外两侧压差, Pa; ro、ri分别为试验筛管的外半径和内半径, m。

模拟纯砂岩地层与模拟砂泥岩互层试验过程中筛管渗透率随时间变化曲线如图9、图10、图11所示。从图中曲线可以看出, 两组试验筛管的渗透性均随时间的增加而减小, 随着驱替试验的持续, 两组试验筛管的渗透性减小慢慢趋于平稳, 驱替过程中, 模拟纯砂岩地层试验筛管渗透率要明显大于模拟砂泥岩互层试验筛管渗透率。

图9 试验流量130 L/min筛管渗透率曲线

图10 试验流量160 L/min筛管渗透率曲线

图11 试验流量180 L/min筛管渗透率曲线

根据本文试验结果, 纯砂岩地层中防砂筛管堵塞主要原因是油井产出液携带地层砂流入挡砂层内部, 由于地层砂在挡砂层内部形成桥架造成堵塞。对于砂泥岩互层地层, 因泥质的存在, 地层产出砂会在筛管表面直接堆积形成泥饼, 由于泥质遇水具有一定黏附性, 使得地层砂在筛管表面形成的泥饼非常坚固, 地层泥砂直接堵塞筛管表面筛孔, 造成筛管的堵塞比纯地层砂造成的堵塞更严重。在驱替过程中, 随着泥质颗粒进入筛管挡砂层内部, 地层出砂逐渐形成砂桥, 进入挡砂层内部的泥质颗粒吸水膨胀使得形成的砂桥更稳定、更致密, 使筛管堵塞更严重。

3 结论

(1)试验条件下, 当排量从130 L/min 上升至180 L/min左右时, 模拟纯砂岩地层驱替压差从0.06 MPa上升至2.1 MPa, 而模拟砂泥岩互层驱替压差从1.57 MPa 上升至最大4.35 MPa, 表明驱替过程中, 可以逐级建立压差。

(2)在相同排量条件下, 模拟砂泥岩互层罐体入口压力(地层驱替压力)和内部模拟井壁处压力均高于模拟纯砂岩地层, 表明砂泥岩互层对筛管的堵塞程度比模拟纯砂岩地层严重, 砂泥岩对筛管堵塞有明显影响。

(3)对于纯砂岩地层, 筛管堵塞主要为桥架堵塞, 地层流体携带地层砂进入筛管挡砂介质内部, 形成桥架堵塞; 对于砂泥岩互层, 筛管堵塞主要为地层中泥质具有一定粘附性, 使得地层泥砂在筛管表面形成一层坚固的泥饼, 从而直接堵塞筛管外部的筛孔。

(编辑 卜丽媛)

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