深水氣田防砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

深水氣田防砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

深水是中國(guó)未來(lái)海上勘探和開發(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發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。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,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發(fā)。1試驗(yàn)安裝和方案1.1地層壓力檢測(cè)系統(tǒng)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)。1.2防砂試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果以S1小層為例,地層砂粒度中值150~300μm,平均180μm,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。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砂量及米采氣指數(shù)曲線根據(jù)S1儲(chǔ)層粒度特性確定3種篩管的擋砂精度(見(jiàn)表1)。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)。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1533.3×10-3m3/106m3。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礫石充填防砂效果使用Saucier礫石尺寸設(shè)計(jì)方法,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200,300μm金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管及200,350μm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。從表2可以看出,繞絲篩管350μm產(chǎn)能最高,繞絲篩管200μm及金屬網(wǎng)布篩管300μm次之,金屬網(wǎng)布篩管200μm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350μm出砂量最大,金屬網(wǎng)布篩管200μm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200μm金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管。2.3出砂模擬試驗(yàn)確定對(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0.5~1.0m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。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50.8mm。3下入砂防砂作業(yè)南海某深水氣田儲(chǔ)層段井眼直徑為215.9mm,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φ269.9mm。下入擋砂精度為200μm的φ139.7mm金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管,使用16~30目(0.595~1.190mm)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發(fā)。4對(duì)于充填井