王利華 鄧金根 周建良 何保生 曾祥林

(1.中國石油大學(xué) (北京); 2.中海油研究總院)

我國近海油田有大量疏松砂巖油藏,開采過程中極易出砂,出砂量太大會造成砂埋井眼、磨蝕管柱、地面砂處理困難等問題,但防砂作業(yè)中如果嚴(yán)格控制出砂量又會造成防砂管堵塞從而影響產(chǎn)能,因此適度出砂開采技術(shù)被逐漸運用于海上油田開采[1-6]。該技術(shù)是通過可精確控制產(chǎn)出砂粒徑的優(yōu)質(zhì)篩管進行防砂,通過優(yōu)質(zhì)篩管嚴(yán)格的防砂精度設(shè)計允許一定范圍的小粒徑地層砂產(chǎn)出,以改善儲層物性和防止防砂層堵塞,提高產(chǎn)能。

目前適度出砂開采的防砂設(shè)計主要是通過現(xiàn)場試驗摸索,不僅周期長、代價大,而且由于現(xiàn)場條件的復(fù)雜多變性難以獲得規(guī)律性認(rèn)識。為了解決該問題,筆者利用自行研制的室內(nèi)全尺寸出砂模擬實驗裝置,針對標(biāo)準(zhǔn)金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管(以下簡稱篩管),進行了大量不同防砂精度篩管出砂模擬實驗,測定了不同防砂精度篩管防砂后的流量、壓降及油中含砂量(出砂量),首次建立了適合國內(nèi)海上油田疏松砂巖儲層適度出砂開采條件下篩管防砂參數(shù)設(shè)計圖版,并在NB35-2油田進行了應(yīng)用。本文研究結(jié)果可為疏松砂巖適度出砂開采篩管防砂參數(shù)設(shè)計提供參考。

1 實驗及評價方法

1.1 實驗材料

實驗?zāi)M地層砂采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)目數(shù)石英砂,根據(jù)實際儲層粒度分布特性計算其粒度特征值(d10,d40,d50,d90,UC等),調(diào)整不同工業(yè)目數(shù)石英砂比例,使配制的石英砂與儲層粒度特征值吻合。實驗流體采用不同粘度白油,按照其粘度計算每種粘度白油的添加比例,在容器罐充分混合,以此來模擬地下原油實際粘度。

1.2 實驗裝置

全尺寸出砂模擬實驗裝置包括3個部分:模擬系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、測量系統(tǒng),如圖1所示。實驗油經(jīng)高壓泵以設(shè)定的壓力從4個方向進入高壓釜體,通過釜體內(nèi)壁分流網(wǎng)形成均勻徑向流動經(jīng)過模擬地層砂,攜帶砂粒進入模擬井眼環(huán)空中,一部分細(xì)顆粒砂通過防砂管被流體攜帶出來,大部分砂粒在防砂管外表面堆積而形成砂橋。

全尺寸出砂模擬實驗裝置的優(yōu)點在于,可以進行有圍壓情況下的徑向流動出砂規(guī)律評價試驗,改變了以往通過流體介質(zhì)在小尺寸巖心中以軸向流動方式研究地層出砂規(guī)律的狀況,使地層出砂特征更符合實際條件。

圖1 全尺寸出砂模擬實驗裝置示意圖

1.3 實驗條件

根據(jù)目前國內(nèi)海上疏松砂巖油藏粒度分布特點確定出實驗?zāi)M石英砂粒度特征值見表1;模擬生產(chǎn)壓差為3 M Pa;模擬稠油粘度為200 m Pa·s;篩管防砂管參數(shù)為 50、100、150、230、300μm。

表1 篩管出砂模擬實驗?zāi)M石英砂粒度特征值

1.4 評價方法

本次實驗以油、氣藏工程常用參數(shù)比采油指數(shù)作為評價指標(biāo)。比采油指數(shù)計算表達(dá)式為

式(1)中:PI為比采油指數(shù),m3/(d·M Pa·m);Q為通過防砂管或礫石層的流量,m3/d;m為防砂管或礫石充填層有效過流長度,m;Δp為生產(chǎn)壓差,M Pa。

由于本實驗中供油壓力并不能代表現(xiàn)場實際生產(chǎn)壓差,因此通過測試模擬儲層壓力梯度并利用平面徑向流壓力分布公式(2)來求取實際供給半徑200 m處的壓力(以此作為生產(chǎn)壓差),進而求得比采油指數(shù),使實驗結(jié)論更接近現(xiàn)場生產(chǎn)實際條件。

式(2)中:p為供給半徑內(nèi)任何一點的壓力,M Pa;p e為實驗供油進口壓力,M Pa;pwf為井底壓力,在本實驗中為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,M Pa;Re為實驗?zāi)M儲層砂半徑,在本實驗中為高壓釜內(nèi)徑0.430 m;Rw為井眼半徑,在本實驗中為模擬井眼半徑0.210 m;R為油藏實際供油半徑,在本試驗中取200 m。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 篩管防砂參數(shù)與出砂量、產(chǎn)能關(guān)系模擬實驗結(jié)果及分析

針對儲層粒度特性選擇篩管的防砂精度至關(guān)重要,防砂參數(shù)設(shè)計太大會造成防不住砂,而防砂參數(shù)設(shè)計太小又會嚴(yán)重影響產(chǎn)能。為了尋求防砂參數(shù)、產(chǎn)能和出砂量三者之間的最佳結(jié)合點,必須對不同防砂參數(shù)防砂管進行測試,建立出砂量、產(chǎn)能與防砂參數(shù)關(guān)系圖版。

在壓力釜中放置防砂參數(shù)為50μm的篩管,在壓力容器中填充模擬石英砂,設(shè)定供液泵工作壓力為3 M Pa,開始加壓循環(huán)流體,測試各點壓力、流量與油中含砂量,大致實驗時間1.5h。當(dāng)流量穩(wěn)定后結(jié)束該組實驗,拆卸裝置,改變防砂管參數(shù)分別為100、150、230、300μm,重復(fù)實驗。流量及油中含砂量測試結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 篩管出砂模擬實驗不同防砂參數(shù)流量隨時間變化曲線

圖3 篩管出砂模擬實驗不同防砂參數(shù)油中含砂量隨時間變化曲線

從圖2、3可以看出,不同防砂參數(shù)條件下,隨著實驗的進行,不管是流量還是油中含砂量,二者均較快地降低到一個穩(wěn)定階段,說明在油井出砂的過程中,產(chǎn)出砂會逐漸在防砂管表面堆積,對防砂管過流面積有一定的堵塞,形成一個相對穩(wěn)定的環(huán)空砂堆積層,使流量與出砂量逐漸穩(wěn)定。另外,隨著防砂參數(shù)的放大,流量與油中含砂量均會隨之增加,三者之間的增加幅度與內(nèi)在關(guān)系將在下面重點討論。

2.2 繪制篩管產(chǎn)量、油中含砂量與防砂參數(shù)關(guān)系圖版

本文的主要目的是建立不同出砂量情況下篩管防砂參數(shù)的設(shè)計方法,并分析防砂后產(chǎn)能變化規(guī)律,因此需要針對實驗數(shù)據(jù)點進行擬合,回歸三者之間的關(guān)系式,以此作為設(shè)計依據(jù)。對各組實驗穩(wěn)定后的流量、壓降、油中含砂量進行統(tǒng)計,并計算比采油指數(shù),其與篩管防砂參數(shù)的關(guān)系見表2。

表2 篩管出砂模擬實驗數(shù)據(jù)(實驗穩(wěn)定后測量;實驗砂 d50=170.1μm)

為了分析篩管防砂參數(shù)對產(chǎn)能與油中含砂量的影響,以ω/d50為橫坐標(biāo),以比采油指數(shù)與油中含砂量為縱坐標(biāo),建立三者之間的關(guān)系,如圖4所示。由圖4可知,隨著篩管防砂參數(shù)的放大,油中含砂量與產(chǎn)能增加:油中含砂量的增加基本成線性關(guān)系,說明篩管防砂參數(shù)是影響油中含砂量的關(guān)鍵因素;產(chǎn)能呈對數(shù)關(guān)系遞增,慢慢趨于穩(wěn)定,說明一旦微顆粒在防砂管外表面架橋,會形成一個相對穩(wěn)定的環(huán)空堆積帶,在沒有壓力波動的情況下,產(chǎn)能逐漸穩(wěn)定。因此可以認(rèn)為,放大防砂參數(shù),會導(dǎo)致出砂量、產(chǎn)能增加,但放大到一定程度,出砂量仍在增加,而產(chǎn)能增大的幅度會逐漸變小,因此必須尋找三者之間的最優(yōu)平衡點,既滿足防砂的要求,又能實現(xiàn)產(chǎn)能最大化。

圖4 篩管出砂模擬實驗產(chǎn)能、油中含砂量與篩管防砂參數(shù)(ω/d50)關(guān)系曲線

對測試數(shù)據(jù)點進行回歸,可建立三者之間的回歸關(guān)系

對于海上油田,傳統(tǒng)防砂設(shè)計中對出砂量的要求基本控制在0.3‰以內(nèi)。將此出砂量要求代入公式(3)可得出篩管防砂參數(shù)與儲層砂粒度中值的關(guān)系式

由于適度出砂開采可以提高油井的單井產(chǎn)能,因此可以在傳統(tǒng)防砂設(shè)計的基礎(chǔ)上適當(dāng)放大篩管的防砂參數(shù)。根據(jù)實驗建立的關(guān)系,當(dāng)油中含砂量控制在0.5‰以內(nèi)時,根據(jù)公式(3)可得到篩管的防砂參數(shù)可以放大到

根據(jù)該結(jié)論,將公式(5)、(6)代入到公式(4)中,可以計算出適度出砂開采時比采油指數(shù)相對傳統(tǒng)防砂設(shè)計的變化率

3 油田應(yīng)用

NB35-2油田主要為明化鎮(zhèn)組疏松砂巖油藏,儲層單軸抗壓強度在3 M Pa以內(nèi),開采即會出砂;粒度中值分布在170～180μm之間。目前該油田主要采取礫石充填及篩管方式防砂,而采用篩管進行適度出砂開采是目前該區(qū)塊增產(chǎn)的重要手段之一。利用公式(5)、(6)分別計算該油田篩管的防砂參數(shù)(圖5)。

圖5 NB35-2油田明化鎮(zhèn)組油藏篩管防砂參數(shù)設(shè)計

為了對現(xiàn)場實際產(chǎn)能效果進行分析,對NB35-2油田A平臺開采同一層位的5口定向井開采初期平均采油強度和4年平均采油強度進行了統(tǒng)計對比(圖6)。由圖6可知,采用230μm篩管比采用175 μm篩管平均日產(chǎn)油提高了32%。目前 A 12、A 13和A 16井均能正常生產(chǎn),沒有發(fā)現(xiàn)大量出砂情況。

圖6 NB35-2油田不同防砂參數(shù)篩管產(chǎn)能對比

4 結(jié)論

利用自行研制的實驗裝置,分析了標(biāo)準(zhǔn)金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管防砂參數(shù)與油井產(chǎn)能、出砂量的關(guān)系,建立了適度出砂條件下篩管防砂參數(shù)設(shè)計圖版,結(jié)果表明:當(dāng)出砂量控制在0.3‰以內(nèi)時,要求篩管防砂參數(shù)ω≤0.88 d50;適度出砂開采可放大防砂參數(shù)到ω≤1.27 d50,此時出砂量控制在0.5‰以內(nèi),相對于傳統(tǒng)防砂設(shè)計可提高油井產(chǎn)能30%以上。目前,該研究成果已成功應(yīng)用于NB35-2油田,取得了良好的生產(chǎn)效果和防砂效果。

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