地層砂侵入碎石層特性及碎石尺寸的評價方法

地層砂侵入碎石層特性及碎石尺寸的評價方法

在設計防砂時，應選擇合適的礫石尺寸，這是防砂成功的關鍵之一。較大的礫石尺寸有利于獲得較高的產能,但會導致地層砂侵入礫石層;相反,較小的礫石尺寸擋砂效果好,但對油井產能的影響較大。因此,需要從砂侵和產能兩個方面綜合考慮,優(yōu)選出既能避免嚴重砂侵,又能獲得較高產能的最佳礫石尺寸。1評估碎屑大小的方法1.1地層砂擊穿礫石層的工藝研究礫石充填井中,礫石層是擋砂的主要屏障。由于地層砂較細,一般隨著生產的繼續(xù),地層砂會不同程度地侵入礫石層,嚴重降低礫石層滲透率或直接穿透礫石層導致防砂失效。人們對地層砂侵入礫石層進行了大量的試驗研究,結果表明,地層砂侵入礫石層的程度與礫砂比GSR(礫石與地層砂的中值之比)有關:GSR<5,無地層砂侵入;5<GSR<6,基本無地層砂侵入;6<GSR<8,地層砂輕微侵入礫石層,侵入厚度較小;10<GSR<15,地層砂隨油井生產的進行逐漸侵入礫石孔隙,并在其中運移;15<GSR,地層砂可以自由侵入并通過礫石層,不起擋砂作用。僅從擋砂效果的角度考慮,GSR越小擋砂效果越好。要使礫石層起到擋砂效果,GSR至少要小于8。1.2礫石充填影響為引領的壓降問題對于礫石充填井,射孔炮眼及篩管與套管的環(huán)空中填滿了礫石。由于近井地帶流體流速較高,炮眼和篩套環(huán)空中的礫石層是主要壓降區(qū)域,因此礫石充填對油井產能有一定的影響,這種影響可用礫石層壓降或壓力梯度來表示,壓降越大,表示對產能的負面影響越大,反之越小。由于流速較高,壓降計算需要考慮非達西流影響。對于炮眼礫石層,壓降計算公式為:套管與篩管環(huán)空中充滿礫石形成環(huán)空礫石層,計算其流動壓降和表皮系數(shù)時可簡化為錐形擴散流動,其流動壓降為:若射孔相位角等于0°或180°,則:若射孔相位角不等于0°或180°,則:2選擇石膏大小的方法2.1充填礫石尺寸確定1)Saucier方法。該方法建立在完全擋砂機理之上,它選用礫石的粒度中值為地層砂粒度中值的5～6倍,即:2)Depriester方法。該方法可以有效地防止地層砂侵入礫石充填層。如圖1所示,首先在地層砂半對數(shù)篩析曲線分別找到d50、d90的點A、B,然后分別從A、B兩點向左側作水平線,找到點C、D,分別對應礫石篩析曲線中的D50和D90,條件是D50≤8d50,D90≤12d90。最后通過C、D繪制礫石的篩析曲線,滿足D10/D90≥3,延長礫石分布曲線到累積質量分數(shù)為0和100%,覆蓋的范圍便為礫石的尺寸范圍。3)Schwartz方法。該方法用地層砂的均勻程度和流體流速來確定充填礫石的尺寸。它將設計點的礫石直徑與地層砂粒徑的比值設為6,并作為臨界比值,根據(jù)均勻系數(shù)和流體流速確定設計點。采用Schwartz方法選擇礫石尺寸的步驟為:a.根據(jù)地層砂均勻系數(shù)C和通過篩管的流速V,由表1選擇設計點和設計準則。b.根據(jù)設計準則,找到地層砂半對數(shù)篩析曲線上(d10或d70)對應的設計點A,如圖2所示。c.平移A點得到6倍于設計點粒徑的點B,點B即為礫石的D40(D10或D70),過點B做一條直線,即礫石篩析曲線,使?jié)M足其均勻系數(shù)即D40/D90≤1.5。d.外推直線至D0和D100,得到的直線對應的粒度范圍即設計的礫石尺寸范圍,如圖2所示。2.2地層砂侵入特性分析對于給定的地層砂篩析曲線,首先使用3種常用的礫石尺寸選擇方法計算得到3種礫石尺寸,然后分別分析地層砂的侵入特性,并計算油井采用這些礫石后的礫石層壓降,滿足擋砂效果同時壓降較低的礫石尺寸即為最優(yōu)結果。礫石尺寸優(yōu)選程序如圖3所示。3礫石尺寸優(yōu)選孤島油田某出砂油井采用繞絲篩管礫石充填防砂,首先對地層砂進行篩析分析,得到其d10為0.263mm,d40為0.096mm,d50為0.08mm,d70為0.057mm,d90為0.027mm,分選系數(shù)1.634,均勻系數(shù)3.591。該井射孔密度16孔/m,孔徑14mm,正常生產時液量約30t/d。采用上述方法進行礫石尺寸優(yōu)選,結果見表2。由表2可見,Saucier方法得到的礫石最小與最大尺寸非常接近,對礫石尺寸的要求比較苛刻,雖然地層砂難以侵入,擋砂效果較好,但礫石層壓降最高,對產能的影響較大。Schwartz方法得到的礫石尺寸壓降最小,但地層砂有輕微侵入,擋砂效果不理想。Deprister方法得到的礫石尺寸范圍比較合理,既無地層砂的侵入,礫石層壓降又適中。該井最終選擇了0.30～0.64mm礫石進行繞絲篩管礫石充填防砂作業(yè)。作業(yè)后液量保持在27t/d左右,井口含砂量長期保持低于0.3%,防砂效果較好。4地層砂材料特性分析1)礫石尺寸的選擇必須同時兼顧擋砂效果與油井產能,前者可以通過分析地層砂對礫石層的侵入特性來考慮,礫石尺寸對油井產能的影響則可以用礫石層的壓降來表示?？紤]上述相互矛盾的兩個方面,建立了礫石尺寸的綜合評價方法。2)對于給定的地層砂篩析曲線,首先使用3種常用的礫石尺寸選擇方法計算得到3種礫石尺寸,然后分別分析其地層砂的侵入特性,并計算油井采用這些礫石后的礫石層壓降。綜合考慮兩個方面進行礫石尺寸的評價與優(yōu)選。3)實例計算表明,文中的礫石尺寸優(yōu)選方法是可行的。符號說明△p1為炮眼礫石層壓降,Pa;△p2為篩套環(huán)空礫石層壓降,Pa;qp為單個射孔炮眼中的流量,m3/s;Qp為油井產量,m3/s;μ為原油粘度,Pa·s;ρ為原油密度,kg/m3;hp為油層射孔段長度,m;kg為礫石層滲透率,m2;Lp為射孔孔眼長度,m;L為篩套環(huán)空礫石層徑向厚度,m;rp為射孔孔眼半徑,m;DS為射孔密度,孔/m;βg為炮眼礫石層紊流速度系數(shù),m-1;R為篩管上錐形擴散底面圓等效半徑,m;rci為套管內半徑,m;rs為篩管半徑,m;d10、d40、d50、d70、d90分別為地層砂篩析曲線上累積