疏松砂岩油藏水平井防砂筛管优选和防砂精度优化

张俊斌 张庆华 张译 魏裕森 楼一珊 高斐

1.中海油深圳分公司钻完井部；2.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室

位于南海东部珠江口盆地珠I坳陷惠州凹陷南的疏松砂岩油藏埋藏浅、产量高，生产过程中极易出砂，出砂临界生产压差仅为1.38～5.52 MPa，普遍采用水平井裸眼优质筛管先期防砂完井的方式。虽然油井初期产能高，但随着含水上升，产油量迅速降低，大量的井出现了不同类型的防砂失效问题。因此，选择合适类型的防砂筛管显得尤为重要［1］。目前优质筛管种类繁多［2］，但是应用比较广泛的是金属网布类筛管。筛管结构、防砂介质性能、地层砂特征直接影响着防砂的有效性、油井产能以及寿命［3-5］。针对珠江口盆地疏松砂岩油藏的储层特征，采用实尺寸筛管防砂物理模拟实验装置，对改进型星孔复合筛管、3种金属网布类复合筛管进行防砂性能、抗堵塞性能及综合性能评价实验，优选出适合珠江口盆地疏松砂岩油藏水平井的防砂筛管，以保障油田实现长效防砂和稳产。

1 储层基本特征

1.1 储层物性特征

南海东部珠江口盆地疏松砂岩油藏储层埋藏浅，压实程度不高，胶结强度低。主要含油层分布在上第三系中新统。储层上部油层为细粒石英砂岩，下部油层为中粒偏粗的长石石英砂岩，分选差～中等。储层中胶结物以泥质为主，各储层泥质含量差异较大，泥质含量分布范围为0.3%～22.0%。油层孔隙度为16.7%～28.1%，渗透率为 129.7～3 744.0 mD，属于中高孔、中高渗储层。

1.2 黏土矿物组分及含量

南海东部珠江口盆地疏松砂岩油藏油组黏土矿物含量为4.0%～20%，平均值为12%。从黏土矿物组分来看，以高岭石为主，次为伊利石-蒙脱石，含少量绿泥石。其中高岭石含量在50%以上，伊利石-蒙脱石含量为30%，绿泥石含量为10%左右。储层见水后岩石强度降低且极易出砂。

1.3 储层砂岩粒度分布特征

储层粒度分布特征是进行防砂方式选择设计的主要依据［6-7］，南海东部珠江口盆地疏松砂岩油藏A油组粒度分布情况见表1，粒度中值主要介于70～570 μm之间，主要集中在100～500 μm之间，平均值为250 μm，属于细～中粒砂岩储层，且细粉砂含量较少，基本在5%以内。粒度均匀系数不大于5，分选系数基本上都在10以内，地层较均匀［8］。

表1 珠江口盆地疏松砂岩油藏A油组地层砂粒度分布数据Table 1 Particle size distribution of sand in Oil Formation A of unconsolidated sandstone oil reservoirs in the Pearl River Mouth Basin

2 防砂实验原理及评价参数

2.1 实验装置与实验原理

该实验采用实尺寸筛管防砂物理模拟实验装置，主要部件由固液两相循环管线、数据测量及采集系统（流量计、压力传感器、伺服系统和电脑数据采集系统）、模拟井下筛管防砂系统（近井地带、环空、防砂筛管）以及其他辅助系统组成，如图1所示。

图1 实尺寸筛管防砂物理模拟实验装置Fig.1 Full-scale physical simulation experiment device of sand control screen

依据地层砂粒度分布范围和泥质组分及含量采用工业砂和黏土矿物配制地层砂，实验砂粒度中值约为250 μm，非均匀系数3.17，泥质含量12%，高岭石和蒙脱石各占50%。

4种筛管短节样品长度40 cm，一端开口一端封闭，有效过滤长度为20 cm。实验筛管短节类型为：改进型星孔复合筛管（SG1）、金属网布复合筛管Ⅰ型（SG2）、金属网布复合筛管Ⅱ型（SG3）、金属网布复合筛管Ⅲ型（SG4），防砂精度为150、200、250、300 μm，见图2。这4种筛管结构不同，改进型星孔复合筛管其防砂介质为镶嵌在基管上的金属纤维元件，金属网布优质筛管Ⅰ防砂介质为斜纹网+3层密纹网+斜纹网的复合结构，金属网布优质筛管Ⅱ防砂介质为斜纹网+双层密纹网+斜纹网的复合结构，金属网布优质筛管Ⅲ防砂介质为双层密纹网的复合结构。筛管防砂介质类型及层数不同决定着其防砂效果的差异性。

实验前将防砂筛管短节放置于装置釜体中央并进行端面的密封，然后用高压隔膜泵将按照储层粒度分布特征和组分配制好的实验砂与具有一定黏度的携砂液的混合物泵入防砂釜体装置中，经防砂筛管，大颗粒的砂粒被挡在筛管外形成环空堆积层，小颗粒砂穿过筛管防砂介质流出防砂系统，并在出口进行出砂监测。

实验过程中对防砂系统流量、压降进行测量和数据采集，并对产出砂进行收集称重、粒度分析和含砂浓度计算。按照达西定律和平面径向流的特征计算整个实验过程中筛管允许流体经过的能力以及抗堵塞性。

图2 4种实尺寸筛管实验短节Fig.2 4 full-scale experimental screen subs

式中，k为筛管渗透率，D；Q为泵排量，m3/h；µ为携砂液流体黏度，Pa·s；h为筛管短节有效过滤长度，m；pe为防砂系统入口端压力，MPa；pw为防砂系统出口端压力，MPa；Re为防砂系统主体内筒半径，m；Rw为筛管内半径，m。

为了评价不同筛管对储层的适应性，进行了实际工况模拟，实时测量并采集流量、压降数据。由于该疏松砂岩油藏含水上升快，长时间处于高含水（90%以上）生产阶段，因此本次实验采用加入增黏剂的水进行携砂实验。实验温度为25 ℃，最大驱替压差为10 MPa，防砂系统出口压力为大气压，入口压力及系统压降主要由泵的排量、筛管的堵塞情况以及流动阻力来确定。

2.2 筛管性能评价指标

优质筛管结构和防砂介质决定着筛管的防砂性能和过流能力［9］。本研究采用筛管的防砂性能指标和抗堵塞性能指标来评价筛管的综合性能。

2.2.1 防砂性能指标 防砂性能指标［10］反映筛管的防砂效果，实验过程中通过筛管的出砂量来表示。根据1/2～2/3架桥原理［11］，能够通过筛管的颗粒粒径为筛管标称精度的2/3。为了便于不同类型筛管的横向比较，筛管防砂性能指标为

式中，ms为通过筛管的总砂量，g；mt为总加砂量，g；w为过砂率，粒径小于筛管标称精度2/3的砂量所占总砂量的比例，%；Is为筛管防砂性能指标，无量纲。

2.2.2 抗堵塞性能指标 抗堵塞性能指标［12］反映筛管的过流能力，用筛管的综合渗透率ks来表示。即筛管堵塞前的渗透率k1、堵塞过程中的平均渗透率k2以及堵塞稳定后的平均渗透率k3的加权平均值。X为加权系数，取值按照实验过程中堵塞的不同阶段所占的时间比例

为了便于不同类型筛管的比较，对综合渗透率ks进行归一化处理

式中，Ik为筛管抗堵塞性能指标，无量纲；ks为筛管综合渗透率，D；ksmax为4种筛管中综合渗透率最大值，D。

2.2.3 综合性能评价指标 综合性能评价指标［13］反映筛管综合防砂能力和过流能力。采用防砂性能指标Is和抗堵塞性能指标Ik进行加权平均得到。由于筛管Is和Ik是油井进行长效防砂的两个重要指标，故加权系数Y1和Y2都取0.5

式中，I为综合性能指标，无量纲；Y1、Y2为加权系数。

3 筛管防砂性能评价及防砂精度优化

3.1 防砂筛管优选

根据南海东部珠江口盆地疏松砂岩油藏水平井平均产液量、筛管有效过流长度以及筛管短节长度，计算得到泵的排量为0.30～0.35 m3/h。按照上述实验方法使用隔膜泵携带实验砂模拟筛管的防砂过程和堵塞过程，4种筛管类型、4种防砂精度，共进行了16次实验。

防砂精度为150 μm的4种筛管的流量和压差见图3，实验初期（5 min内）4种筛管的流量基本相同，都为设定流量范围，筛管压降也较低（0.02 MPa），随着加砂量逐渐增加，SG2、SG3、SG4筛管流量略微降低后趋于稳定，SG1筛管流量却大幅度降低，同时4种筛管的压降都逐步上升，说明4种筛管出现了不同程度的堵塞，最后达到稳定状态。从实验后筛管外观形貌可以看出，筛管的过流罩缝隙中都充满了砂，大部分砂被阻挡在筛网外。

图3 防砂精度150 μm的4种筛管驱替流量和压降随驱替时间的变化Fig.3 Change of displacement rate and pressure drop over the time of 4 screens with sand control precision of 150 μm

筛管渗透率是筛管结构特征、防砂介质孔隙形状、尺寸以及孔网有效过流面积的综合反映，因此为了更直观地了解筛管的堵塞情况以及定量评价筛管的流通性，根据动态实验数据分别计算了SG1、SG2、SG3、SG4等4种筛管渗透率随时间的变化，如图4所示。由于SG1改进型星孔复合筛管属于在基管上镶嵌一定数量致密金属纤维丝过滤元件的整体式筛管，其过流面积仅为筛管表面积的9%。而SG2、SG3、SG4金属网布型优质筛管是在基管上包裹金属网布来进行防砂，其过流面积为筛管表面积的20%，且过滤筛网层数、目数以及编织方式的不同造成其防砂性能也不同，因此，4种筛管结构的差异使其初期渗透率以及对细粉砂和黏土矿物的敏感性也不同。随着加砂实验的进行，由于防砂介质的类型及精度不同，一方面进入防砂介质内部的部分细颗粒滞留并堵塞筛管；另一方面被阻挡在防砂介质外部的大颗粒会形成孔喉尺寸更小的多孔介质防砂层，会造成后泵入的与其孔喉尺寸相匹配的砂粒堵塞，加之黏土的水化膨胀影响，造成整个防砂系统渗透率和驱替压差呈现不同程度地下降和上升，平衡后趋于稳定。从防砂介质结构和性质来看，SG1改进型星孔复合筛管采用的防砂介质由镶嵌式的方孔网紧密夹持的金属纤维丝组成，其致密程度较高，因此其防砂范围大、效果较好，容易被细粉砂和泥质堵塞；SG2、SG3、SG4金属网布类筛管都为多层网布包裹式筛管，采用密纹网和方孔网组合，由于筛网层数及组合不同，对细粉砂及黏土的敏感性不同［14］，最终堵塞程度也不同。从实验结果可以看出，SG1筛管由于金属纤维丝防砂介质较致密，最早发生堵塞，渗透率下降程度大；采用密纹网［15］作为防砂介质的SG4复合筛管堵塞较快，渗透率下降程度较大；SG2、SG3筛管防砂介质采用斜纹网和密纹网组合，不易被堵塞，而SG3筛管比SG2筛管少一层密纹网，堵塞也最晚，并且稳定后保持了较高的渗透率，适应性较强。

图4 防砂精度150 μm的4种筛管渗透率随驱替时间的变化Fig.4 Change of permeability over the time of 4 screens with sand control precision of 150 μm

实验过程中通过筛管的砂越少、砂粒径越小则表示筛管的防砂效果越好［16-19］。将精度150 μm的4种筛管的过砂率和产出砂最大粒径进行对比分析，见图5。在相同的标称精度下，SG1、SG2、SG3、SG4等4种筛管的过砂率分别为0.11%、0.25%、0.28%、0.46%。改进型星孔复合筛管、金属网布复合筛管Ⅰ和金属网布复合筛管Ⅱ过砂率都相对较小，防砂性能较好。从产出砂最大粒径来看，4种筛管实际产出砂最大粒径都小于其标称的防砂精度，符合防砂要求。但是防砂完井的目的不仅仅是防砂效果，更重要的是油井的产能，因此需要进行综合比较优选防砂筛管类型。

图5 4种筛管过砂率和最大过砂粒径对比Fig.5 Comparison of the four sand screens and the maximum sand particle size

为了比较4种筛管的防砂性能指标、抗堵塞性能指标以及综合性能指标，进行了单向性能指标和综合性能指标的计算（4种实验结果的平均值），从图6可以看出：不管是从单向性能指标还是综合性能指标以及均衡性分析，金属网布复合筛管Ⅱ都表现出良好的防砂性能和抗堵塞性能，其次金属网布复合筛管Ⅰ的防砂性能和抗堵塞性能相对均衡比较高。故推荐金属网布复合筛管Ⅱ和金属网布复合筛管Ⅰ作为南海东部珠江口盆地疏松砂岩油藏水平井机械防砂筛管类型。

图6 4种筛管单项及综合指标对比Fig.6 Comparison of single and overall indexes between 4 screens

3.2 防砂精度优化

根据4种筛管防砂性能评价实验推荐结果，针对南海东部珠江口盆地疏松砂岩储层的粒度特征及组分，进行4种防砂精度下的金属网布复合筛管Ⅰ和金属网布复合筛管Ⅱ防砂模拟实验，评价两种筛管的防砂效果和综合性能，见图7。

实验结果表明，200～250 μm筛管精度防砂综合指标最高，综合考虑筛管防砂性能和抗堵塞性［20-21］对防砂效果的影响，推荐在该油田采用防砂精度为200～250 μm金属网布复合筛管Ⅱ和金属网布复合筛管Ⅰ。

图7 推荐筛管不同精度下的过砂率和防砂性能评价指标Fig.7 Sand passing experiment result and sand-control performance evaluation index of two recommended screens with different precisions

4 结论

（1）防砂筛管结构及防砂介质是影响筛管防砂效果和油井产能的主要因素，采用筛管防砂物理模拟实验装置模拟油井出砂过程的平面径向流，提出用防砂性能、抗堵塞性能及综合性能指标评价筛管防砂效果和过流能力，具有较好的实用性。

（2）针对南海东部珠江口盆地疏松细～中粒砂岩油藏长期处于高含水生产阶段，并且黏土矿物含量（4%～20%，平均值为12%）差异性较大的特点，筛选出金属网布复合筛管Ⅱ和金属网布复合筛管Ⅰ，研究认为，2种筛管具有较强的适应性，防砂性能、抗堵塞性能和综合性能指标均较高，推荐在该油田使用该防砂筛管。

（3）对于南海东部珠江口盆地疏松砂岩油藏地层砂粒度中值为250 μm、非均匀性系数为3.17、泥质含量12%的地层，推荐金属网布复合筛管Ⅱ和金属网布复合筛管Ⅰ的防砂精度为200～250 μm。