深水气田防砂模拟实验装置的设计与应用

深水气田防砂模拟实验装置的设计与应用

深水是中国未来海上勘探和开发的重点。深水气田上覆岩层压力低,岩石胶结疏松,生产过程中极易出砂。深水气田储层孔隙度、渗透率较高,单井产能高,较高的气体流速导致防砂难度大。因此,防砂方案优化成为深水气田高效开发的关键技术之一。目前,国内外对于防砂方案设计及效果评价的研究很多,但针对工程方面的评价还没有具体的方法和设备。为此,自主研制开发了全尺寸气井防砂模拟装置,旨在通过室内出砂模拟试验优选适用于深水气田的完井防砂方式,确定最优的防砂参数,以指导深水气田的高效安全开发。1试验安装和方案1.1地层压力检测系统试验装置包括模拟系统、循环系统及测量系统3部分。模拟系统高压釜体由不锈钢制成,容器中填入石英砂,通过顶部密封盖加压模拟地层应力。容器内壁有分流网,填砂容器内部放置防砂管。空气压缩泵提供稳定的气体进入高压釜体,由分流网将气体均匀地分流成径向流,高压气体先后流经地层砂、环空(或砾石充填层)以及防砂管,最后经排气口排出。测量系统分别在注气口、砂体内部、环空及出口放置压力传感器,用于监测各点的压力波动情况。使用过滤器分离产出砂,并测量气体流量(见图1)。1.2防砂试验设计及结果以S1小层为例,地层砂粒度中值150~300μm,平均180μm,地层砂非均质系数(UC)为3~5,细粉砂体积分数6%~12%,黏土矿物体积分数9%。根据S1小层粒度分布及泥质体积分数进行配砂,可以模拟储层真实物性条件。依据深水气田生产压差设定空气压缩泵的供气压力,真实模拟地下气体渗流过程。目前,防砂技术主要分为机械防砂、化学防砂和复合防砂3大类。机械防砂种类较多,在防砂技术领域处于主导地位,但不同类型防砂管的防砂效果差别很大。为了优选出适合深水气田的防砂管,试验方案的设计考虑2种不同的完井方式,选择3种防砂管进行评价。2种完井方式:裸眼+筛管独立防砂;裸眼+砾石充填防砂。3种筛管:绕丝筛管、金属棉优质筛管、金属网布优质筛管。防砂参数:筛管挡砂精度、砾石层厚度。通过出砂模拟试验,测定出砂量、流量随时间的变化关系,以及地层砂和防砂管内外的压降差。试验评价指标为产能及出砂量:出砂量根据试验收集到的产出砂计算气中含砂比,产能使用米采气指数进行对比评价,其公式为式中:J为米采气指数,104m3/(m·d·MPa2);q为流量,104m3/d;h为防砂管有效过流长度,m;pe为储层压力,MPa;pwf为井底气体压力,MPa。2试验分析2.1砂量及米采气指数曲线根据S1储层粒度特性确定3种筛管的挡砂精度(见表1)。通过出砂模拟试验,可以得到米采气指数随时间变化关系曲线(见图2)。模拟试验表明,使用3种筛管的出砂量分别为:金属棉筛管13.1×10-3m3/106m3;金属网布筛管18.5×10-3m3/106m3;绕丝筛管1533.3×10-3m3/106m3。综合分析出砂量及米采气指数曲线可以看出:试验初期3种防砂管的产能下降很快并趋于稳定,说明与油井相比,气体流速高,导致气井防砂管堵塞速率更快;试验稳定后,3种筛管米采气指数差别很大,绕丝筛管最高,金属网布筛管次之,金属棉筛管最低,这与3种筛管的内部结构有关。金属棉优质筛管是用金属纤维立体挡砂,挡砂范围广,试验稳定后出砂量小。但砂粒进入金属棉筛管后不易排出,造成堵塞,对产能影响较大;金属网布筛管作为深度过滤介质,倾向于在多层编织网之间截留细粉砂,这样的设计可以有效降低筛管网孔的开口,但编织网在压差作用下发生变形使得部分砂粒通过筛管;绕丝筛管是由不锈钢丝缠绕而成一种连续缝隙,缝隙端面是外窄内宽的梯形结构,这种结构允许小粒径砂通过,筛管对流体的阻挡作用弱,轻度的堵塞可被流体疏通,所以绕丝筛管产能最高。深水气田单井配产高达200×104m3/d,金属棉筛管产能过低无法达到配产要求。金属网布优质筛管和绕丝筛管产能高,但深水气田对出砂量控制严格,2种筛管独立防砂无法满足海上安全生产要求,因此,选取金属网布优质筛管和绕丝筛管进行砾石充填防砂试验。2.2砾石充填防砂效果使用Saucier砾石尺寸设计方法,根据S1储层粒度特性,选取16~30目工业陶粒进行砾石充填出砂模拟试验。使用200,300μm金属网布优质筛管及200,350μm绕丝筛管共进行4组砾石充填防砂试验,试验稳定后的米采气指数及出砂量见表2。从表2可以看出,绕丝筛管350μm产能最高,绕丝筛管200μm及金属网布筛管300μm次之,金属网布筛管200μm产能最低。从出砂量上看,与筛管独立防砂相比,4组砾石充填防砂试验的出砂量都明显降低。其中,绕丝筛管350μm出砂量最大,金属网布筛管200μm出砂量最少,防砂效果好。砾石充填完井时,使用金属网布优质筛管可以进一步降低出砂量,起到双重防砂效果。综合考虑2种完井方式下的产能及出砂量,推荐深水气田使用砾石充填完井,完井筛管为200μm金属网布优质筛管。2.3出砂模拟试验确定对于裸眼砾石充填,常规油气田通常下入扩眼钻头将套管鞋0.5~1.0m以下井眼扩大1倍,但深水气田扩眼费用大,而且扩眼后气体产能增加,提高了气体介质的携砂能力,引起出砂量增加;为了平衡产能与防砂效果之间的矛盾,必须利用出砂模拟试验来确定产能、出砂量与砾石层充填厚度之间的关系。共进行了5组不同砾石层厚度下的出砂模拟试验,测量5组试验稳定后的米采气指数、出砂量,结果见图3。由图3可以看出,随着砾石层厚度增加,气井产能呈线性递增关系,出砂量呈指数递增关系。流速过高会影响防砂的可靠性,对于深水高产气井,气体流速增加产生的携砂能力明显大于增加砾石层厚度起到的挡砂效果,根据试验结果及配产要求,推荐深水气田砾石层厚度为50.8mm。3下入砂防砂作业南海某深水气田储层段井眼直径为215.9mm,根据室内出砂模拟试验结果,完井时下入扩眼钻头进行扩眼,井眼扩大到φ269.9mm。下入挡砂精度为200μm的φ139.7mm金属网布优质筛管,使用16~30目(0.595~1.190mm)工业陶粒进行砾石充填防砂作业。气井生产时效显著提高,取得了良好的防砂效果,成功指导了深水气田的高效安全开发。4对于充填井