新型泡沫金属筛管堵塞机理及影响因素试验研究
孙金1, 邓金根1, 王尧2, 王厚东1, 刘凯铭1    
1. 油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京)), 北京 102249;
2. 中海油能源发展采油技术服务公司, 天津 300452
摘要: 为了解新型泡沫金属筛管的堵塞机理和优化筛管结构,利用全尺寸防砂试验装置模拟泡沫金属筛管的堵塞过程,采用比采油指数评价筛管堵塞程度,分析不同泥质含量、筛管精度和泡沫金属层厚度下的堵塞程度及堵塞机理。结果表明,表层颗粒架桥是泡沫金属筛管堵塞的主要原因,筛管的比采油指数随泥质含量增大呈指数函数衰减,最终约稳定在0.075 m3/(d·MPa·m),与不含泥质时相比,下降了约78%;泡沫金属层孔径增大,比采油指数随之增大;泡沫金属层厚度增大,比采油指数的变化很小。新型泡沫金属筛管堵塞机理及影响因素的研究结果,为进一步优化筛管结构提供了理论依据。
关键词: 泡沫金属筛管    堵塞机理    表层颗粒    架桥    泥质含量    防砂    
Experimental Study on Plugging Mechanisms and Influencing Factors of a New Foam Metal Screen
Sun Jin1, Deng Jingen1, Wang Yao2, Wang Houdong1, Liu Kaiming1    
1. State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting (China University of Petroleum (Beijing)), Beijing 102249, China;
2. CNOOC Energy Development & Oil Production Services Corporation, Tianjin 300452, China
Abstract: In order to study the plugging mechanisms and optimize the structure of foam metal screen,the plugging process for foam metal screens was simulated by a large-scale sand control simulation device. With the screen plugging degree evaluating the specific productivity index, the plugging degree and mechanism under the different shale content, the screen precision and the thickness of the foam metal were analyzed. The experimental results showed that surface particle bridging was the main cause of foam metal screen plugging. The specific productivity index exponentially decreases with the increase of shale content where it finally stabilized at 0.075 m3/(d·MPa·m), which decreased by 78% compared with the index where there was no shale content. When the pore size of foam metal is increased, the specific productivity index increases. The increase of foam metal thickness had slight impact on the specific productivity index. The experimental study of plugging mechanism and influencing factors of foam metal screen provided theoretical basis for the optimization of screen structure.
Key words: metal screen with foam    plugging mechanism    surface particle    bridging    shale content    sand control    

弱固结或未固结的疏松砂岩储层出砂严重,针对这一问题研究发展了油气井防砂完井技术,其中机械式防砂技术应用最为广泛[1, 2, 3]。目前机械式防砂常用的筛管主要包括割缝筛管、绕丝筛管、金属棉筛管和金属网布筛管[4, 5, 6],但在生产过程中存在筛管堵塞问题。

目前,国内外学者对筛管堵塞问题进行了大量研究。O.S.Larsen等[7]研究了金属网布筛管的砂粒滞留机理;施进等[8]研究了筛网式防砂管结构对产能的影响;董长银等[9]研究了细粉砂、泥质含量和流速等因素对筛网式防砂管堵塞程度的影响。但以上研究针对的都是常规防砂管,目前还没有见到关于泡沫金属筛管等新型防砂管堵塞机理及影响因素研究的公开报道。

泡沫金属具有通透性高、耐磨、耐腐蚀和不易变形等性能,是一种理想的过滤材料[10, 11]。笔者针对泡沫金属的结构特性,设计了一种双层结构防砂筛管,并利用自行研制的全尺寸防砂模拟试验装置[12, 13]进行了室内模拟试验,研究泥质含量、筛管精度和泡沫金属层厚度等因素对泡沫金属筛管堵塞程度的影响,分析其堵塞机理,以加快该型筛管的推广应用、实现油气井防砂完井技术的突破。

1 泡沫金属筛管

泡沫金属筛管的过滤材料为泡沫铝。泡沫铝是在纯铝或铝合金中加入添加剂后经过发泡制成的,具有密度低、刚度高、耐高温、抗腐蚀、易加工、连通性好等优点,孔隙度可达到80%以上,孔径可调范围为0.05~10.00 mm[14],孔径均匀度较高。以上特点表明,泡沫铝适合作为筛管的过滤材料。泡沫金属筛管设计为多层结构,包括带孔基管、泡沫金属层和保护管(见图1)。其中,泡沫金属层包括内外2层,采用外密内疏的孔径结构,内层孔径较大,可以保证固相颗粒进入泡沫金属层后能够顺利排出;外层筛管孔径较小,可以提高筛管的挡砂性能。

图 1 泡沫金属筛管结构示意 Fig. 1 Structure of the foam metal screen

根据泡沫金属层的厚度和精度,选用4种规格的筛管进行试验,筛管长度均为0.45 m,外径分别为170和180 mm,泡沫金属层均包含内外2层,对应的泡沫金属层总厚度分别为10和15 mm,筛管编号及相应的厚度和精度见表1(泡沫金属的精度用孔密表示,即单位面积上的孔数,其值越小,孔径越大)。

表 1 泡沫金属筛管的基本参数 Table 1 Basic parameters of foam metal screen
筛管编号内层厚度/mm内层精度/(孔·cm-2)外层厚度/mm外层精度/(孔·cm-2)
170-70-90576051256
170-70-8057605992
180-70-905760101256
180-70-80576010992
2 试验评价方法 2.1 堵塞程度评价

试验时,使用含砂的试验油以基本恒定的压差(高压釜进出口两端的压差)长时间驱替,同时测量通过筛管的流量,驱替过程中流体携带的砂粒和泥质会逐步堵塞筛网,流量将逐渐降低,流量随驱替时间发生变化,这种变化反映了筛管堵塞过程,可采用比采油指数表征泡沫金属筛管的抗堵塞能力[15]。比采油指数越小,筛管的堵塞程度越严重,其数学表达式为:

式中:Jo为比采油指数,m3/(d·MPa·m);Q为流量,m3/d;Δp为压差,MPa;h为筛管长度,m。

2.2 试验装置及流程

全尺寸防砂模拟试验装置包括搅拌罐、泵、井下防砂模拟装置(高压釜、筛管) 和压力计、流量计等数据采集系统(见图2)。

图 2 全尺寸防砂模拟试验装置 Fig. 2 Full-size sand control simulation device

向搅拌罐中加入一定量的模拟砂,含砂试验油经隔膜泵以设定的压力从4个方向进入高压釜,通过高压釜体内壁的分流网形成均匀径向流,一部分细颗粒砂通过防砂管被流体携带出来,在出油口进行油砂分离即可得到出砂量,大部分砂粒在防砂管外表面堆积形成滤饼和砂桥,堵塞筛管。

选用的4种泡沫金属筛管的挡砂精度为170~210 μm,根据1/3~2/3颗粒架桥理论,试验用模拟砂的粒径中值为105 μm,最大粒径为250 μm。试验用油为220#齿轮油,其密度为0.893 g/cm3,黏度为196 mPa·s,含砂比为3%(砂与试验油的质量比)。试验所用的泥质为膨润土,其主要成分为蒙脱石。试验模拟的是独立筛管完井方式,即筛管与套管之间存在非砾石填充带。试验流程如下:

1) 连接好试验装置,将切割好的泡沫金属筛管放在高压釜中并固定密封好,然后盖上高压釜盖;

2) 搅拌罐中加入约300 kg试验用油,启动高压泵,循环试压,确保试压过程中无渗漏情况;

3) 开泵循环一段时间后,打开高压釜盖上的排气阀进行排气;

4) 配置泥质含量分别为0,5%,10%,15%,20%和25%(泥质含量为膨润土占模拟砂质量的比例)的模拟砂;

5) 先利用不含砂的试验油循环5 min,测量此时的流量,然后向搅拌罐中加入3%的模拟地层砂,加砂过程中开启搅拌系统,搅拌均匀后,先在低压差下循环20 min,然后逐渐加压至试验压差;

6) 砂液搅拌均匀后,启动高压泵,将试验压差(即高压釜进出口两端的压差)固定为7 MPa,开始试验,同时测量流量,待流量基本稳定后,结束试验。

7) 试验结束后,将模拟原油、模拟砂分别置入到指定的容器内,待环保部门进行回收处理。

3 泡沫金属筛管堵塞的影响因素分析 3.1 泥质含量

采用编号为180-70-80(参数见表1)的泡沫金属筛管进行泥质含量分别为0,5%,10%,15%,20%和25%的筛管堵塞试验,其流量与驱替时间的关系如图3所示。

图 3 不同泥质含量下的流量曲线 Fig. 3 Flow rate curves at different shale content

图3可知,未向试验油加砂前(0~5 min),筛管未发生堵塞,流经筛管的流量很大,而加砂后(5~10 min)筛管的流量快速降低,说明流体中携带的砂和泥质导致筛管堵塞,流量降低的过程反映了筛管的堵塞过程,10~20 min时的流量波动是由于试验过程中的加压操作导致的。由于加砂前后流量相差较大,难以从图3看出稳定后各泥质含量下的流量,将压差稳定在7 MPa后的流量转化为比采油指数,分析其堵塞程度,结果见图4

图 4 不同泥质含量下的比采油指数曲线 Fig. 4 Specific productivity index curves at different shale content

图4可知,当压差稳定在7 MPa后,流量逐渐降低并最终趋于稳定,且泥质含量越小,对应的比采油指数越大,说明泥质含量增大,加剧了筛管的堵塞程度。

不同泥质含量下流量稳定后对应的比采油指数测量结果见图5。对图5中的实测数据进行拟合,可以得到比采油指数与泥质含量之间的经验函数关系为:

图 5 流量稳定后不同泥质含量下的比采油指数 Fig. 5 Specific productivity index after the flow rate remains stable at different shale content

式中:Vsh为泥质含量,%。

可见,比采油指数随泥质含量增加呈指数函数递减,最终比采油指数约稳定在0.075 m3/(d·MPa·m),比不含泥质含量时下降了约78%,说明泡沫金属筛管适用于泥质含量较低的储层。

对式(2)求导,可以得到比采油指数的衰减速度,即:

由式(3)可看出,随着泥质含量增大,比采油指数的衰减速度将逐渐变缓,即比采油指数的下降速度先快后慢,当泥质含量较低时,泡沫金属筛管对泥质较敏感,然而随着泥质含量增大,其敏感性越来越小。

3.2 泡沫金属的精度

对采用不同泡沫金属精度的外径170 mm筛管进行泥质含量分别为0,5%和10%的堵塞试验,压差稳定在7 MPa时的比采油指数见图6

图 6 不同泡沫金属精度的筛管比采油指数曲线 Fig. 6 The specific productivity index of screens with different precision

图6可看出,当压差稳定在7 MPa时,2种泡沫金属精度的筛管,其比采油指数均逐渐降低并趋于稳定,但降低幅度不同,当外层泡沫金属的孔径较大时(精度为992孔/cm2),稳定后的比采油指数相对更高,为方便对比分析,将不同泥质含量下不同泡沫金属精度的筛管稳定后的比采油指数列入表2

表 2 不同泥质含量下不同精度筛管流量稳定后的比采油指数 Table 2 The specific productivity index of different precision of screen at different shale contents
泡沫金属精度/(孔·cm-2) 比采油指数/(m3·d-1·MPa-1·m-1)
泥质含量0泥质含量5%泥质含量10%
1 2560.2550.1550.107
9920.3560.2070.120

表2可见:外层泡沫金属精度降低有利于提高筛管的比采油指数,在一定程度上可以改善筛管的抗堵塞能力;但随着泥质含量增大,筛管抗堵塞能力逐渐减弱。

3.3 泡沫金属层厚度

表1中的4种筛管进行了泥质含量分别为0,5%和10%的堵塞模拟试验,稳定后的比采油指数如图7所示。

图 7 不同泥质含量下不同泡沫金属层厚度筛管的比采油指数 Fig. 7 Comparison of the specific productivity index under different thickness of foam metal and shale contents

图7可看出,对于4种类型的泡沫金属筛管,不同泡沫金属层厚度下的比采油指数差别很小,说明泡沫金属层的厚度对筛管的堵塞程度没有明显的影响,增加筛管层的厚度并不能使砂子在泡沫金属层中产生明显滞留,减小泡沫金属层的厚度也不能减弱筛管的堵塞程度,因此,单纯依靠减小泡沫金属层的厚度对于改善泡沫金属筛管的抗堵塞能力比较有限。

4 堵塞机理分析

筛管堵塞物主要为一些固相颗粒,包括地层砂、地层中的泥质、钻完井过程中的固相污染物、生产过程中产生的无机垢和有机垢等,筛管被这些固相堵塞物堵塞后,就会使筛管渗透率降低,形成新的表皮系数,从而造成油井产量降低。一般来说,筛管的堵塞机制主要包括表层架桥堵塞和内部截留2种形式[16, 17]

表层架桥堵塞的机理是:独立筛管完井的开发井,筛管和套管之间无砾石充填,出砂时,地层的游离固相颗粒以分选架桥的形式直接聚集在筛管的外部,使固相颗粒无法进入挡砂介质内部而被阻挡在筛管外部,而更细的固相颗粒则继续在表面架桥形成新的砂层,但其孔喉尺寸更小,形成的多孔介质会阻挡更细的地层砂粒,从而形成滤饼引起筛管堵塞。

内部截留包含架桥和吸附2种机理:一方面,挡砂介质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,在挡砂介质的孔隙内部形成砂桥,造成筛管渗透率降低;另一方面,当过滤介质孔道弯曲细长、孔道形状不规则时,足够细的颗粒进入过滤介质内部后将产生吸附作用,同样会降低筛管的渗透率,引起筛管堵塞。

以上为常规机械筛管的堵塞机理,为研究泡沫金属筛管的堵塞机制,对试验后的筛管进行切割,观察其内部固相颗粒的分布。观察发现,独立筛管完井时,油中的模拟砂和泥质直接在筛管表面架桥,导致筛管外层被滤饼覆盖,极大地降低了筛管的渗透率,说明表层架桥堵塞在泡沫金属筛管的堵塞过程中起到了重要作用;筛管外层的内表面以及筛管内层的内外2个表面均未见明显砂桥,偶尔可见少数颗粒。试验后利用筛管的内层泡沫金属进行了过油测试,发现试验油可自由通过筛管内层,说明筛管的内部基本没有发生堵塞,进一步说明表层架桥堵塞是泡沫金属筛管的主要堵塞原因。

由以上分析可知,主要是由于地层砂和泥质在表层的架桥作用引起泡沫金属筛管堵塞,而内部的截留作用很弱,说明单纯减小筛管内外泡沫金属层的厚度并不能提高抗堵塞能力,不同泡沫金属层厚度下的堵塞程度分析结果也验证了这一点。

5 结论及建议

1) 泥质含量对筛管的堵塞程度影响较大,随着泥质含量增大,比采油指数呈指数函数衰减,说明泡沫金属筛管对储层泥质较为敏感,适用于泥质含量较低的储层;增加外层泡沫金属的孔径,在一定程度上有利于提高筛管的抗堵塞能力;泡沫金属层的厚度对筛管的堵塞影响很小,基于抗堵塞和经济性的考虑,可适当降低外层泡沫金属层的精度、减小其厚度。

2) 试验表明,泡沫金属筛管的内部截留作用很弱,表层架桥堵塞是泡沫金属筛管发生堵塞的主要原因。

3) 影响筛管堵塞的因素很多,包括泥质含量、筛管结构、挡砂精度、细粉砂含量、流体流速和防砂完井方式等,研究时仅考虑了独立筛管完井方式下泥质含量和筛管结构对堵塞程度的影响,而且筛管结构比较单一,后续研究泡沫金属筛管的堵塞时,应进一步优化筛管的结构和考虑更多的影响因素。

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文章信息

孙金, 邓金根, 王尧, 王厚东, 刘凯铭
Sun Jin, Deng Jingen, Wang Yao, Wang Houdong, Liu Kaiming
新型泡沫金属筛管堵塞机理及影响因素试验研究
Experimental Study on Plugging Mechanisms and Influencing Factors of a New Foam Metal Screen
石油钻探技术, 2015, 43(05): 123-128
Petroleum Drilling Techniques, 2015, 43(05): 123-128.
http://dx.doi.org/10.11911/syztjs.201505021

文章历史

收稿日期: 2014-11-07
改回日期: 2015-06-14

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