深水氣田防砂模擬實驗裝置的設計與應用

深水氣田防砂模擬實驗裝置的設計與應用

深水是中國未來海上勘探和開發(fā)的重點。深水氣田上覆巖層壓力低,巖石膠結疏松,生產過程中極易出砂。深水氣田儲層孔隙度、滲透率較高,單井產能高,較高的氣體流速導致防砂難度大。因此,防砂方案優(yōu)化成為深水氣田高效開發(fā)的關鍵技術之一。目前,國內外對于防砂方案設計及效果評價的研究很多,但針對工程方面的評價還沒有具體的方法和設備。為此,自主研制開發(fā)了全尺寸氣井防砂模擬裝置,旨在通過室內出砂模擬試驗優(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),以指導深水氣田的高效安全開發(fā)。1試驗安裝和方案1.1地層壓力檢測系統(tǒng)試驗裝置包括模擬系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)及測量系統(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,通過頂部密封蓋加壓模擬地層應力。容器內壁有分流網(wǎng),填砂容器內部放置防砂管?？諝鈮嚎s泵提供穩(wěn)定的氣體進入高壓釜體,由分流網(wǎng)將氣體均勻地分流成徑向流,高壓氣體先后流經地層砂、環(huán)空(或礫石充填層)以及防砂管,最后經排氣口排出。測量系統(tǒng)分別在注氣口、砂體內部、環(huán)空及出口放置壓力傳感器,用于監(jiān)測各點的壓力波動情況。使用過濾器分離產出砂,并測量氣體流量(見圖1)。1.2防砂試驗設計及結果以S1小層為例,地層砂粒度中值150~300μm,平均180μm,地層砂非均質系數(shù)(UC)為3~5,細粉砂體積分數(shù)6%~12%,黏土礦物體積分數(shù)9%。根據(jù)S1小層粒度分布及泥質體積分數(shù)進行配砂,可以模擬儲層真實物性條件。依據(jù)深水氣田生產壓差設定空氣壓縮泵的供氣壓力,真實模擬地下氣體滲流過程。目前,防砂技術主要分為機械防砂、化學防砂和復合防砂3大類。機械防砂種類較多,在防砂技術領域處于主導地位,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,試驗方案的設計考慮2種不同的完井方式,選擇3種防砂管進行評價。2種完井方式:裸眼+篩管獨立防砂;裸眼+礫石充填防砂。3種篩管:繞絲篩管、金屬棉優(yōu)質篩管、金屬網(wǎng)布優(yōu)質篩管。防砂參數(shù):篩管擋砂精度、礫石層厚度。通過出砂模擬試驗,測定出砂量、流量隨時間的變化關系,以及地層砂和防砂管內外的壓降差。試驗評價指標為產能及出砂量:出砂量根據(jù)試驗收集到的產出砂計算氣中含砂比,產能使用米采氣指數(shù)進行對比評價,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為防砂管有效過流長度,m;pe為儲層壓力,MPa;pwf為井底氣體壓力,MPa。2試驗分析2.1砂量及米采氣指數(shù)曲線根據(jù)S1儲層粒度特性確定3種篩管的擋砂精度(見表1)。通過出砂模擬試驗,可以得到米采氣指數(shù)隨時間變化關系曲線(見圖2)。模擬試驗表明,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:試驗初期3種防砂管的產能下降很快并趨于穩(wěn)定,說明與油井相比,氣體流速高,導致氣井防砂管堵塞速率更快;試驗穩(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種篩管的內部結構有關。金屬棉優(yōu)質篩管是用金屬纖維立體擋砂,擋砂范圍廣,試驗穩(wěn)定后出砂量小。但砂粒進入金屬棉篩管后不易排出,造成堵塞,對產能影響較大;金屬網(wǎng)布篩管作為深度過濾介質,傾向于在多層編織網(wǎng)之間截留細粉砂,這樣的設計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,縫隙端面是外窄內寬的梯形結構,這種結構允許小粒徑砂通過,篩管對流體的阻擋作用弱,輕度的堵塞可被流體疏通,所以繞絲篩管產能最高。深水氣田單井配產高達200×104m3/d,金屬棉篩管產能過低無法達到配產要求。金屬網(wǎng)布優(yōu)質篩管和繞絲篩管產能高,但深水氣田對出砂量控制嚴格,2種篩管獨立防砂無法滿足海上安全生產要求,因此,選取金屬網(wǎng)布優(yōu)質篩管和繞絲篩管進行礫石充填防砂試驗。2.2礫石充填防砂效果使用Saucier礫石尺寸設計方法,根據(jù)S1儲層粒度特性,選取16~30目工業(yè)陶粒進行礫石充填出砂模擬試驗。使用200,300μm金屬網(wǎng)布優(yōu)質篩管及200,350μm繞絲篩管共進行4組礫石充填防砂試驗,試驗穩(wěn)定后的米采氣指數(shù)及出砂量見表2。從表2可以看出,繞絲篩管350μm產能最高,繞絲篩管200μm及金屬網(wǎng)布篩管300μm次之,金屬網(wǎng)布篩管200μm產能最低。從出砂量上看,與篩管獨立防砂相比,4組礫石充填防砂試驗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,使用金屬網(wǎng)布優(yōu)質篩管可以進一步降低出砂量,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)質篩管。2.3出砂模擬試驗確定對于裸眼礫石充填,常規(guī)油氣田通常下入擴眼鉆頭將套管鞋0.5~1.0m以下井眼擴大1倍,但深水氣田擴眼費用大,而且擴眼后氣體產能增加,提高了氣體介質的攜砂能力,引起出砂量增加;為了平衡產能與防砂效果之間的矛盾,必須利用出砂模擬試驗來確定產能、出砂量與礫石層充填厚度之間的關系。共進行了5組不同礫石層厚度下的出砂模擬試驗,測量5組試驗穩(wěn)定后的米采氣指數(shù)、出砂量,結果見圖3。由圖3可以看出,隨著礫石層厚度增加,氣井產能呈線性遞增關系,出砂量呈指數(shù)遞增關系。流速過高會影響防砂的可靠性,對于深水高產氣井,氣體流速增加產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)試驗結果及配產要求,推薦深水氣田礫石層厚度為50.8mm。3下入砂防砂作業(yè)南海某深水氣田儲層段井眼直徑為215.9mm,根據(jù)室內出砂模擬試驗結果,完井時下入擴眼鉆頭進行擴眼,井眼擴大到φ269.9mm。下入擋砂精度為200μm的φ139.7mm金屬網(wǎng)布優(yōu)質篩管,使用16~30目(0.595~1.190mm)工業(yè)陶粒進行礫石充填防砂作業(yè)。氣井生產時效顯著提高,取得了良好的防砂效果,成功指導了深水氣田的高效安全開發(fā)。4對于充填井