鄧金根，鄭勛，閆新江，劉書杰，賴向東，陳子劍，林海

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中海石油研究總院，北京 100027）

深水氣田防砂方案優(yōu)選試驗(yàn)研究

鄧金根1，鄭勛1，閆新江1，劉書杰2，賴向東1，陳子劍1，林海1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中海石油研究總院，北京 100027）

深水氣田巖石膠結(jié)疏松易出砂，氣體流速高,導(dǎo)致防砂難度大，防砂方案的制訂尤為重要。針對(duì)深水氣田滲流特性，設(shè)計(jì)制造了大型室內(nèi)氣井出砂模擬試驗(yàn)裝置。以S1小層物性參數(shù)為例，對(duì)不同類型防砂管進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)選合適的防砂方式，確定最優(yōu)的防砂參數(shù)。結(jié)果表明，深水氣田不能使用篩管獨(dú)立防砂，必須進(jìn)行礫石充填。對(duì)于礫石充填井，使用優(yōu)質(zhì)篩管可以進(jìn)一步降低出砂量，起到雙重防砂功效；對(duì)于深水氣田，礫石層充填50.8 mm厚度可以達(dá)到產(chǎn)能與出砂量的最優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)了深水氣田的高效開(kāi)發(fā)。

深水氣田；防砂方式；優(yōu)質(zhì)篩管；礫石充填；出砂試驗(yàn)

深水海域是中國(guó)未來(lái)海上油氣勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。深水氣田上覆巖層壓力低，巖石膠結(jié)疏松，生產(chǎn)過(guò)程中極易出砂。深水氣田儲(chǔ)層孔隙度、滲透率較高，單井產(chǎn)能高，較高的氣體流速導(dǎo)致防砂難度大。因此，防砂方案優(yōu)化成為深水氣田高效開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一［1-4］。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于防砂方案設(shè)計(jì)及效果評(píng)價(jià)的研究很多［5-8］，但針對(duì)工程方面的評(píng)價(jià)還沒(méi)有具體的方法和設(shè)備。為此，自主研制開(kāi)發(fā)了全尺寸氣井防砂模擬裝置，旨在通過(guò)室內(nèi)出砂模擬試驗(yàn)優(yōu)選適用于深水氣田的完井防砂方式，確定最優(yōu)的防砂參數(shù)，以指導(dǎo)深水氣田的高效安全開(kāi)發(fā)。

1 試驗(yàn)裝置及方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括模擬系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)3部分。

模擬系統(tǒng)高壓釜體由不銹鋼制成，容器中填入石英砂，通過(guò)頂部密封蓋加壓模擬地層應(yīng)力。容器內(nèi)壁有分流網(wǎng)，填砂容器內(nèi)部放置防砂管?？諝鈮嚎s泵提供穩(wěn)定的氣體進(jìn)入高壓釜體，由分流網(wǎng)將氣體均勻地分流成徑向流，高壓氣體先后流經(jīng)地層砂、環(huán)空（或礫石充填層）以及防砂管，最后經(jīng)排氣口排出。測(cè)量系統(tǒng)分別在注氣口、砂體內(nèi)部、環(huán)空及出口放置壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)各點(diǎn)的壓力波動(dòng)情況。使用過(guò)濾器分離產(chǎn)出砂，并測(cè)量氣體流量（見(jiàn)圖1）。

圖1 出砂模擬試驗(yàn)流程

1.2 試驗(yàn)方案及評(píng)價(jià)指標(biāo)

以S1小層為例，地層砂粒度中值150～300 μm，平均180 μm，地層砂非均質(zhì)系數(shù)（UC）為3～5，細(xì)粉砂體積分?jǐn)?shù)6%～12%，黏土礦物體積分?jǐn)?shù)9%。根據(jù)S1小層粒度分布及泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行配砂，可以模擬儲(chǔ)層真實(shí)物性條件。依據(jù)深水氣田生產(chǎn)壓差設(shè)定空氣壓縮泵的供氣壓力，真實(shí)模擬地下氣體滲流過(guò)程。

目前，防砂技術(shù)主要分為機(jī)械防砂、化學(xué)防砂和復(fù)合防砂3大類。機(jī)械防砂種類較多，在防砂技術(shù)領(lǐng)域處于主導(dǎo)地位，但不同類型防砂管的防砂效果差別很大［9］。為了優(yōu)選出適合深水氣田的防砂管，試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)考慮2種不同的完井方式，選擇3種防砂管進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2種完井方式：裸眼+篩管獨(dú)立防砂；裸眼+礫石充填防砂。

3種篩管：繞絲篩管、金屬棉優(yōu)質(zhì)篩管、金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管。

防砂參數(shù)：篩管擋砂精度、礫石層厚度。

通過(guò)出砂模擬試驗(yàn)，測(cè)定出砂量、流量隨時(shí)間的變化關(guān)系，以及地層砂和防砂管內(nèi)外的壓降差。試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)為產(chǎn)能及出砂量：出砂量根據(jù)試驗(yàn)收集到的產(chǎn)出砂計(jì)算氣中含砂比，產(chǎn)能使用米采氣指數(shù)進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，其公式為

式中：J為米采氣指數(shù)，104m3/（m·d·MPa2）；q為流量，104m3/d；h為防砂管有效過(guò)流長(zhǎng)度，m；pe為儲(chǔ)層壓力，MPa；pwf為井底氣體壓力，MPa。

2 試驗(yàn)分析

2.1 篩管獨(dú)立防砂對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)S1儲(chǔ)層粒度特性確定3種篩管的擋砂精度（見(jiàn)表1）。

表1 試驗(yàn)條件對(duì)比

通過(guò)出砂模擬試驗(yàn)，可以得到米采氣指數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系曲線（見(jiàn)圖2）。

圖2 不同篩管產(chǎn)能隨時(shí)間變化曲線

模擬試驗(yàn)表明，使用3種篩管的出砂量分別為：金屬棉篩管13.1×10-3m3/106m3；金屬網(wǎng)布篩管18.5×10-3m3/106m3；繞絲篩管1 533.3×10-3m3/106m3。

綜合分析出砂量及米采氣指數(shù)曲線可以看出：試驗(yàn)初期3種防砂管的產(chǎn)能下降很快并趨于穩(wěn)定，說(shuō)明與油井相比，氣體流速高，導(dǎo)致氣井防砂管堵塞速率更快；試驗(yàn)穩(wěn)定后，3種篩管米采氣指數(shù)差別很大，繞絲篩管最高，金屬網(wǎng)布篩管次之，金屬棉篩管最低，這與3種篩管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。

金屬棉優(yōu)質(zhì)篩管是用金屬纖維立體擋砂，擋砂范圍廣，試驗(yàn)穩(wěn)定后出砂量小。但砂粒進(jìn)入金屬棉篩管后不易排出，造成堵塞，對(duì)產(chǎn)能影響較大；金屬網(wǎng)布篩管作為深度過(guò)濾介質(zhì)，傾向于在多層編織網(wǎng)之間截留細(xì)粉砂，這樣的設(shè)計(jì)可以有效降低篩管網(wǎng)孔的開(kāi)口，但編織網(wǎng)在壓差作用下發(fā)生變形使得部分砂粒通過(guò)篩管；繞絲篩管［10］是由不銹鋼絲纏繞而成一種連續(xù)縫隙，縫隙端面是外窄內(nèi)寬的梯形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)允許小粒徑砂通過(guò)，篩管對(duì)流體的阻擋作用弱，輕度的堵塞可被流體疏通，所以繞絲篩管產(chǎn)能最高。

深水氣田單井配產(chǎn)高達(dá)200×104m3/d，金屬棉篩管產(chǎn)能過(guò)低無(wú)法達(dá)到配產(chǎn)要求。金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管和繞絲篩管產(chǎn)能高，但深水氣田對(duì)出砂量控制嚴(yán)格，2種篩管獨(dú)立防砂無(wú)法滿足海上安全生產(chǎn)要求，因此，選取金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管和繞絲篩管進(jìn)行礫石充填防砂試驗(yàn)。

2.2 礫石充填對(duì)比試驗(yàn)

使用Saucier礫石尺寸設(shè)計(jì)方法［11］，根據(jù)S1儲(chǔ)層粒度特性，選取16～30目工業(yè)陶粒進(jìn)行礫石充填出砂模擬試驗(yàn)。使用200，300 μm金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管及200，350 μm繞絲篩管共進(jìn)行4組礫石充填防砂試驗(yàn)，試驗(yàn)穩(wěn)定后的米采氣指數(shù)及出砂量見(jiàn)表2。

表2 礫石充填試驗(yàn)產(chǎn)能及岀砂量對(duì)比

從表2可以看出，繞絲篩管350 μm產(chǎn)能最高，繞絲篩管200 μm及金屬網(wǎng)布篩管300 μm次之，金屬網(wǎng)布篩管200 μm產(chǎn)能最低。從出砂量上看，與篩管獨(dú)立防砂相比，4組礫石充填防砂試驗(yàn)的出砂量都明顯降低。其中，繞絲篩管350 μm出砂量最大，金屬網(wǎng)布篩管200 μm出砂量最少，防砂效果好。礫石充填完井時(shí)，使用金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管可以進(jìn)一步降低出砂量，起到雙重防砂效果。綜合考慮2種完井方式下的產(chǎn)能及出砂量，推薦深水氣田使用礫石充填完井，完井篩管為200 μm金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管。

2.3 礫石層厚度優(yōu)選

對(duì)于裸眼礫石充填，常規(guī)油氣田通常下入擴(kuò)眼鉆頭將套管鞋0.5～1.0 m以下井眼擴(kuò)大1倍，但深水氣田擴(kuò)眼費(fèi)用大，而且擴(kuò)眼后氣體產(chǎn)能增加，提高了氣體介質(zhì)的攜砂能力，引起出砂量增加；為了平衡產(chǎn)能與防砂效果之間的矛盾，必須利用出砂模擬試驗(yàn)來(lái)確定產(chǎn)能、出砂量與礫石層充填厚度之間的關(guān)系。共進(jìn)行了5組不同礫石層厚度下的出砂模擬試驗(yàn)，測(cè)量5組試驗(yàn)穩(wěn)定后的米采氣指數(shù)、出砂量，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 產(chǎn)能及出砂量隨礫石層充填厚度變化關(guān)系

由圖3可以看出，隨著礫石層厚度增加，氣井產(chǎn)能呈線性遞增關(guān)系，出砂量呈指數(shù)遞增關(guān)系。流速過(guò)高會(huì)影響防砂的可靠性，對(duì)于深水高產(chǎn)氣井，氣體流速增加產(chǎn)生的攜砂能力明顯大于增加礫石層厚度起到的擋砂效果，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及配產(chǎn)要求，推薦深水氣田礫石層厚度為50.8 mm。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

南海某深水氣田儲(chǔ)層段井眼直徑為215.9 mm，根據(jù)室內(nèi)出砂模擬試驗(yàn)結(jié)果，完井時(shí)下入擴(kuò)眼鉆頭進(jìn)行擴(kuò)眼，井眼擴(kuò)大到φ269.9 mm。下入擋砂精度為200 μm的φ139.7 mm金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管，使用16～30目（0.595～1.190 mm）工業(yè)陶粒進(jìn)行礫石充填防砂作業(yè)。氣井生產(chǎn)時(shí)效顯著提高，取得了良好的防砂效果，成功指導(dǎo)了深水氣田的高效安全開(kāi)發(fā)。

4 結(jié)論

1）為了保證深水氣田的防砂效果，應(yīng)采用礫石充填防砂，但因此也會(huì)犧牲部分產(chǎn)能。

2）對(duì)于礫石充填井，推薦使用優(yōu)質(zhì)篩管，這樣可雙重防砂；而應(yīng)盡量避免采用繞絲篩管。

3）增加礫石充填厚度，有利于提高深水氣田產(chǎn)能；但為了保證防砂效果，不能一味擴(kuò)眼以求增產(chǎn)，必須找到二者的平衡點(diǎn)。

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（編輯 李宗華）

Experimental study on optimization of sand control scheme in deep-water gas field

Deng Jingen1,Zheng Xun1,Yan Xinjiang1,Liu Shujie2,Lai Xiangdong1,Chen Zijian1,Lin Hai1
(1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 2.Research Institute of CNOOC,Beijing 100027,China)

The rock is unconsolidated in deep-water gas field,so the high gas flow rate leads to sand production and it is difficult to control it.Thus,the sand control scheme is particularly important.Aiming at the seepage characteristics of deep-water gas field,an experiment device for indoor sand production simulation is designed and manufactured.Taking the reservoir property of a small layer S1 as an example,the different types of sand screens are evaluated and the suitable way of sand control is optimized,then the optimal parameters are determined.The results show that the stand-alone screen can not be used for sand control in deep-water gas field and it must be packed with gravel.If the wells with gravel packing use premium screens,they can play dual effects in sand control and the amount of sand produced can be further reduced.For the deep-water gas field,the thickness of gravel packing reaches 50.8 mm to obtain the optimal productivity and sand production rate.The experiment results can guide the high efficiency development of deep-water gas field.

deep-water gas field;sand control way;premium screen;gravel packing;sand production experiment

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”（2008ZX05056-02）

TE257+.3

：A

1055-8907（2012）03-0382-04

2011-08-29；改回日期：2012-02-15。

鄧金根，男，1963年生，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，主要從事石油工程巖石力學(xué)方面的研究。電話：（010）89733155，E-mail：dengjingen@126.com。

鄧金根，鄭勛，閆新江，等.深水氣田防砂方案優(yōu)選試驗(yàn)研究［J］.斷塊油氣田，2012，19（3）：382-385. Deng Jingen，Zheng Xun，Yan Xinjiang，et al.Experimental study on optimization of sand control scheme in deep-water gas field［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（3）：382-385.