筛管防砂性能对于防砂井产能的发挥至关重要^[1-3]，目前国内外筛管防砂性能评价手段仅限于挡砂机理方面的研究^[4-5]，对于防砂筛管过流能力、挡砂精度和抗堵塞性能的评价还没有有效的方法和配套的实验设备^[6-10]，针对上述问题研制了一套热采筛管防砂模拟实验装置，通过室内模拟实验评价待测防砂筛管的性能，结合实验结果形成一种筛管防砂性能的评价方法，为海洋油田稠油热采井的完井防砂设计提供依据。

1 防砂模拟实验 1.1 实验装置概述

本次研制的模拟实验装置在国内首次实现对热采条件下出砂状况的模拟，根据实验要求，可选择裸眼完井或套管射孔完井，井筒内部安装待测防砂筛管，环空内可以选择性的充填砾石，以此来模拟砾石充填完井或简易筛管完井。装置主体见图 1。

1.2 实验装置创新点 1.2.1 井壁支撑架

现有的实验装置只能模拟裸眼完井防砂方式。本装置设计了2种井壁支撑架：裸眼支撑架和套管射孔支撑架（图 2），裸眼支撑架的作用是支撑砂体，能够模拟裸眼井的完井方式；套管射孔支撑架是根据实际射孔的孔密、孔径等设计，能够模拟套管射孔井的完井方式。

1.2.2 砂体支撑架

现有的实验装置采用笼统注入流体的方式，没有模拟近井地带径向流动的过程。本装置设计了砂体支撑架（图 3），建立釜臂与砂体之间的环空，实验过程中环空之间充满流体，以此来模拟近井地带径向流动的过程。

1.2.3 可调节角度的支撑架

现有的实验装置只能模拟单一井型的完井防砂方式。本装置设计了可调节角度的支撑架（图 4），实现装置本体0~90°任意角度的转动，以此来模拟直井、定向井和水平井不同井型下的防砂筛管整体评价实验。

1.2.4 保温箱

现有的实验装置不能模拟温度对出砂的影响。本装置设计了保温箱，实现对装置主体进行加热、保温功能，温度范围为常温~150℃。

1.3 实验流程

装置主体内安装待测防砂筛管，按照实验要求选择性充填砾石，开泵循环实验。通过数据采集系统对实验压力、流量、温度和出砂量数据进行实时采集，实验流程见图 5。

1.4 实验材料

（1）防砂筛管，选取目前海上普遍使用的金属棉筛管和金属网筛管。

（2）砾石，根据索西埃（Saucier）方法：D50=（5~6）d50选取目前陆地和海上普遍使用的工业砾石。其中D50为工业砾石的粒度中值，d50为地层砂粒度中值。

（3）石英砂，根据渤海某稠油油田实际储层粒度分布特征，采用不同标准粒径的石英砂按不同比例配制出实验用模拟地层砂，其粒度分布特征与实际储层砂粒度分布特征的比较如图 6所示。

2 实验结果及分析

防砂方案设计一般包括筛管挡砂精度选取、是否充填砾石、砾石尺寸的选取和砾石充填层厚度的优化等。海上热采井防砂的特殊性要求挡砂精度更高和防砂有效期更长。对于海上热采井，采用何种类型的防砂筛管，充填砾石的尺寸和砾石充填层的厚度等参数，仍需要通过细致的实验研究才能为实际的防砂方案设计提供可靠的依据。

渤海某稠油油田热采井地层砂粒度和流体黏度等参数：地层砂粒度中值为150μm，均匀系数5~10，分选系数5~10，泥质质量分数10%~15%，原油黏度150mPa·s。通过保温箱对装置主体进行加热并保温，温度为120℃，模拟注热后实际生产的温度。

2.1 筛管简易防砂实验及结果分析

根据地层砂粒度参数，利用常规的方法确定了2种筛管的防砂参数，金属棉筛管的挡砂精度为140~160μm，金属网布筛管的挡砂精度为150 μm，其它条件相同的情况下，对2种筛管分别进行了模拟实验，实验结果如图 7所示。

由图 7可知，两种优质筛管简易防砂的情况下，金属网布筛管的产能好于金属棉筛管，但是两种筛管的出砂量均超过海上油井出砂量的标准（出砂量小于0.5‰），都不能满足现场的防砂要求，防砂效果均不理想，难以平衡出砂量和产能之间的关系。

2.2 砾石充填防砂实验及结果分析

根据索西埃（Saucier）方法：D50=（5~6）d50，选取工业砾石尺寸为16~30目，在其它条件相同的情况下，对2种筛管分别进行了砾石充填模拟实验，实验结果如图 8所示。

从图 8可知，2种优质筛管砾石充填防砂情况下，出砂量均能满足海上油井出砂量的标准（出砂量小于0.5‰），防砂效果均能满足现场要求。考虑到金属网布筛管产能明显高于金属棉筛管的产能，对于这口热采井推荐采用金属网布筛管+砾石充填完井防砂方式，挡砂精度为150μm，充填砾石尺寸为16~30目。

2.3 砾石充填厚度优化实验及结果分析

针对上述实验结果，选取不同的砾石充填厚度，在其它条件相同的情况下进行出砂模拟实验，选取产能最大并且能满足防砂效果的砾石充填层厚度。

为了平衡产能与防砂效果之间的矛盾，研究产能、出砂量与砾石层厚度之间的关系。根据常规套管层系设计规则，选取了25、50和75mm 3种砾石充填层厚度进行实验，实验结果如图 9所示。

从图 9可知，稳定后的流量和出砂量随着砾石充填层厚度的增加呈现先增后减的趋势，3种砾石层充填厚度的出砂量均能满足防砂效果，但是砾石充填层厚度为50mm时产能最大，因此推荐这口热采井采用砾石充填层厚度为50mm。

3 现场应用效果

根据渤海某稠油油田的储层特征和出砂情况，在室内模拟实验的基础上，结合现场实践，提出这口热采井的最佳防砂组合：金属网布筛管+砾石充填完井防砂方式，金属网布筛管的挡砂精度为150μm，充填砾石尺寸为16~30目，充填厚度为50mm。

由图 10可知，该砾石充填防砂措施在现场应用后，热采井生产时效显著提高，截止2014年底，防砂有效期为395d，比陆地平均的188d延长了207d，防砂有效期明显延长。

4 结论

（1）对国内外防砂实验装置广泛调研的基础上，研制与开发了一套热采筛管防砂模拟实验装置，本套装置可以模拟不同井型、不同完井方式、不同防砂参数下的筛管防砂效果综合评价实验。

（2）对于新研发的防砂筛管产品，在现场应用之前，通过本套实验装置对其防砂性能进行测试和分析研究，缩短了新型筛管的研发周期。

（3）结合渤海某稠油油田储层及流体等特性，利用本套实验装置进行室内模拟实验，根据实验结果，提出热采井完井防砂方式为金属网布筛管+砾石充填，其中金属网布筛管的挡砂精度为150 μm，充填砾石尺寸为16~30目，充填厚度为50 mm，防砂方式实施后取得了良好的效果。