遼河油田雷61儲氣庫防砂篩管試驗與應用

匡韶華 呂 民

中國石油遼河油田公司鉆采工藝研究院

0 引言

遼河油田儲氣庫群項目被列為國家石油天然氣基礎設施建設重點工程，項目建成后將形成100億立方米的庫容量，承擔區域內天然氣調峰保供重任。該項目主要利用遼河油田的枯竭油氣藏，通過改擴建形成地下天然儲氣庫群，主要包括雙臺子、雷61、黃金帶、馬19等儲氣庫。由于砂巖儲層巖石膠結強度低，以及注采交變載荷的影響[1]，導致多個儲氣庫均存在不同程度的出砂風險，需要采取防砂措施來保障氣井的安全平穩運行。國內外的儲氣庫主要采用篩管防砂完井來應對地層出砂問題[2]。而針對特定的油氣藏，開展篩管綜合性能的評價與優選，對于保障篩管的防砂效果具有重要意義。

近年，國內外學者針對篩管性能評價開展了大量研究，形成了多種試驗裝置和評價方法[3-12]。但他們主要采用液體作為試驗流體，是針對油井篩管防砂而開展的研究。在氣井篩管防砂評價方面的研究比較少，如熊友明等[13]利用篩管過濾介質防砂試驗裝置，針對番禺30-1氣田開展了高級優質篩管的試驗評價；王利華等[14]研制了大型氣井防砂模擬試驗裝置，針對荔灣3-1氣田開展了實尺寸篩管防砂試驗評價。這兩種方法的局限性在于，都是采用預先在篩管表面填充地層砂的方式來模擬氣井篩管防砂，與氣井實際防砂機理存在一定差異，因此需要進一步完善。

針對這些問題，本文依據氣井防砂原理自主研制了一套氣井防砂試驗裝置，并以雷61儲氣庫為例，開展了氣井防砂篩管評價試驗，依據試驗評價結果指導了現場篩管完井實施，取得良好效果。

1 防砂篩管選擇

儲氣庫在生產過程中，篩管需要承受高強度注采、高流速沖蝕、CO2腐蝕等復雜條件的影響，因而對篩管性能提出嚴苛的要求。為保障儲氣庫全生命周期的防砂有效性，要求防砂篩管具備高強度、耐沖蝕、耐腐蝕性能，同時具有良好的擋砂性能和抗堵性能。通過對遼河油田5種常用防砂篩管的結構特點和應用情況進行分析，優選出金屬濾網篩管和自潔縫隙篩管作為試驗評價對象，其結構如圖1所示。金屬濾網篩管（圖1a）從內到外依次由基管、不銹鋼多層燒結濾網、不銹鋼沖縫保護罩組成，多層燒結濾網采用高精度的多層不銹鋼金屬篩網真空燒結而成，過流面積大、耐腐蝕性強；沖縫保護罩可以改變流體方向，避免砂粒對過濾介質進行直接沖蝕。自潔縫隙篩管（圖1b）是將過濾件鑲嵌焊接在基管孔眼，過濾件采用不銹鋼材質，具有柵狀V型縫隙結構，V型縫隙由外向內逐漸均勻變寬，自潔功能強，不易堵塞。這兩種防砂篩管在蒸汽吞吐井中應用效果良好，耐溫350℃以上。

圖1 金屬濾網篩管和自潔縫隙篩管照片

按照SY/T6916-2012《石油天然氣工業井下工具防砂篩管》測試出金屬濾網篩管、自潔縫隙篩管這兩種篩管的抗擠毀強度為35 MPa以上。按照GB/T246-2017《金屬材料 管 壓扁試驗方法》對兩種篩管進行壓扁試驗，結果為：金屬濾網篩管在479.5 kN壓扁載荷下，管體被壓扁，但是無裂縫，仍具有一定防砂功能（圖2a）；自潔縫隙篩管在109 kN壓扁載荷下，管體出現開裂，失去防砂功能（圖2b）。

圖2 金屬濾網篩管和自潔縫隙篩管壓扁試驗形態照片

2 試驗原理與方法

2.1 篩管防砂機理

油氣井采用篩管防砂完井后，篩管與套管或井壁之間形成環空。油氣井投產后，地層流體攜帶固體顆粒（地層砂及堵塞物）產出，部分較細的固相顆粒進入篩管擋砂介質（通過擋砂介質被排出或者堵塞在擋砂介質內部），而粒徑大于擋砂介質孔徑或縫寬的固相顆粒則被阻擋在篩管外部，形成砂橋，進一步阻擋更小的顆粒通過，逐漸將環空完全填滿，形成砂層[15]。砂層形成后，相當于構建了新的擋砂屏障，通過篩管的出砂量會大幅減少，但是仍有少部分顆粒會隨著流體繼續通過篩管擋砂介質。因此，篩管防砂的機理可以分為兩個階段：第一階段，地層砂在篩管外層逐漸堆積形成砂層的過程；第二階段，砂層形成后的防砂過程。

2.2 試驗裝置及原理

按照篩管防砂原理，自主研制了一套氣井防砂試驗裝置。該裝置主要由空壓機、儲氣罐、調壓閥、流量壓力監測器和主體測試模型組成（圖3a）。試驗裝置能夠提供的最大氣量200 m3/h，最高壓力5 MPa，最大加砂量1 kg。

該裝置的核心部分是測試模型（圖3b），采用了特殊結構加砂裝置（砂漏），如圖3b的右側所示，砂漏上部為圓筒，下部為錐體，圓筒外側設置導氣槽，上端放置蓋板，錐體底端設置出砂孔。試驗時，如圖3b的左側所示，將模擬砂填入砂漏中；調節進氣壓力，氣體從砂漏外側導氣槽中通過；模擬砂從出砂口中緩慢流出，在篩管樣件表面逐漸堆積形成砂層，模擬篩管防砂的第一階段；當模擬砂全部落入篩管表面后，繼續注入氣體，模擬篩管防砂的第二階段；部分砂粒隨氣體通過篩管樣件落入過濾袋；實時記錄流量壓力變化；試驗結束后，測量過濾袋中的出砂量。

圖3 氣井防砂試驗裝置圖

2.3 試驗材料及試驗參數

2.3.1 模擬地層砂

雷61儲氣庫屬于中淺層碎屑巖儲氣庫，儲層巖石膠結疏松，出砂風險大。根據雷61-6井的鉆井取心進行粒度分析，得到該井的地層砂粒度分布數據（表1）：砂樣粒徑＞0.224 mm質量占比47.79%；粒徑＜0.071 mm質量占比2.49%；粒度中值為0.217 mm。按照該井地層砂粒度分布，采用不同粒徑石英砂按不同比例復配模擬砂。

表1 雷61-6井鉆井取心地層砂粒度分布數據表

2.3.2 篩管樣件

為了便于試驗對比，將兩種篩管加工成等效面積的篩管樣件。等效面積的計算方法：單根直徑為?139.7 mm自潔縫隙篩管包含2 000個過濾件，相同尺寸的金屬濾網篩管的過濾網面積約為5.2 m2，則單個過濾件對應過濾網的面積約為2 600 mm2，即1個自潔縫隙篩管的過濾件等效于51 mm 51 mm金屬濾網篩管的過濾網（圖4）。每一種篩管樣件取3種擋砂粒徑規格：0.10 mm、0.15 mm和0.20 mm。

圖4 試驗使用的兩種篩管樣件

2.3.3 試驗參數

按照雷61儲氣庫定向井和水平井的篩管段長度和配產氣量，確定試驗氣量參數：定向井篩管長度50 m，日采氣量27 104m3；水平井篩管長度300 m，日采氣量62 104m3；按照流速等效原則，折算定向井和水平井中單個篩管樣件的過氣量分別是1.1 m3/h和0.5 m3/h，考慮篩管非均勻進氣（10%通過率）情況下的過氣量分別是11.3 m3/h和4.6 m3/h；采用恒壓變流量的方式測試篩管的過流抗堵性能，結合試驗設備條件和篩管樣件過氣能力，設定試驗壓差為0.3 MPa，試驗氣量變化要盡可能高于折算的篩管樣件過氣量。

3 試驗分析評價

行業內對篩管防砂效果的試驗評價通常采用初始過流性能、擋砂性能和過流抗堵性能三項指標來分析[16-17]。①以不加砂條件下通過篩管的氣體流量評價初始過流性能；②以加砂條件下通過篩管的出砂量評價擋砂性能；③以加砂條件下通過篩管的氣量變化評價抗堵性能。

3.1 篩管初始過流性能評價

篩管初始過流性能反映了環空砂層未形成前的流體通過能力。它受到篩管過流面積的影響，是選擇篩管的重要參數，尤其在高產油氣井中對產量的影響較大。相同規格的篩管，金屬濾網篩管過流面積為20%，自潔縫隙篩管過流面積為6%，兩者相差3.3倍。將兩種篩管樣件放入試驗裝置中，在不加砂的情況下，測試在相同壓差（0.3 MPa）下，金屬濾網篩管和自潔縫隙篩管的氣體流量分別是150 m3/h和40 m3/h，兩者的流通性能相差3.8倍，說明金屬濾網篩管的初始過流性能要明顯好于自潔縫隙篩管。

3.2 模擬地層砂條件下篩管防砂效果評價

將模擬地層砂填入試驗裝置的砂漏中，在模擬地層砂條件下，分別測試兩種篩管的氣量變化和出砂量，評價篩管的過流抗堵性能和擋砂性能。

篩管氣量隨試驗時間變化如圖5所示?？梢钥吹?，在相同地層砂和過流壓差下，兩種篩管表面形成砂層后的氣量相差近4.5倍，說明砂層形成后的金屬濾網篩管過流性能明顯優于自潔縫隙篩管，在砂層疊加效應的影響下，兩種篩管的過流性能差異加大。但是在試驗中后期，兩種篩管的氣量變化相對平穩，沒有出現氣量大幅下降的趨勢，說明砂粒在篩管表面形成了穩定的砂橋，未侵入到篩管過濾介質內部，篩管架橋堵塞達到平衡狀態，在本試驗條件下，兩種篩管均具有很好的抗堵塞性能。

圖5 兩種篩管通過氣體流量隨時間變化圖

試驗結束后，收集并測量通過篩管樣件的出砂量（圖6）?？梢钥吹?，金屬濾網篩管的出砂量要明顯大于自潔縫隙篩管，并且擋砂粒徑（縫寬或孔徑）越大，出砂量越多。0.10 mm金屬濾網篩管與0.15 mm自潔縫隙篩管的出砂量較少，且比較接近，兩者分別為0.012 7 g和0.004 4 g。

圖6 通過兩種篩管的出砂量與擋砂粒徑對比圖

3.3 模擬不同生產階段下篩管過流抗堵性能評價

隨著地層持續出砂，在不同生產階段進入氣井環空中的出砂量會持續增加，形成不同的砂層厚度，對氣井防砂后的產量也會造成不同的影響。因此，為評價兩種篩管在不同生產階段過流抗堵性能，開展了不同砂層厚度下的試驗評價。以套管射孔后下防砂篩管完井為例，取不同模擬地層砂量（100 g、300 g和500 g），分別填入試驗裝置的砂漏中，試驗過程中能夠在篩管表面形成三個不同的砂層厚度（8 mm、24 mm和40 mm）。這三個砂層厚度分別代表不同生產階段：①生產初期，篩管外側形成較薄的砂層；②生產中期，篩管與井眼環空填充地層砂；③生產后期，砂層堆積于射孔孔道中。試驗測量0.15 mm擋砂粒徑的兩種篩管在不同砂層厚度下的氣量變化如圖7所示。

圖7 兩種篩管不同砂層厚度下氣量隨時間變化圖

從實驗結果來看，隨著砂層厚度增加，氣體流量均出現下降趨勢，砂層厚度從24 mm增加到40 mm時，氣體流量下降更加明顯，說明在生產中后期篩管防砂對氣井產量影響更加顯著；在不同砂層厚度下，金屬濾網篩管的過流抗堵性能均要明顯好于自潔縫隙篩管。

4 現場應用分析

根據上述實驗結果：在雷61儲氣庫儲層砂樣特征和生產條件下，金屬濾網篩管的過流性能優于自潔縫隙篩管，而自潔縫隙篩管的擋砂性能優于金屬濾網篩管。篩管的選擇需要平衡防砂和產量之間的關系，兩者都要兼顧[18]；同時，考慮到金屬濾網篩管的抗壓強度要高于自潔縫隙篩管，在水平井裸眼篩管完井中可以有效防止因地層坍塌造成篩管擠扁而導致的防砂失效問題。因此，綜合考慮，6口定向井采用擋砂粒徑0.15 mm自潔縫隙篩管，3口水平井采用擋砂粒徑0.10 mm金屬濾網篩管。其中，定向井采用?177.8 mm套管射孔完井后懸掛?139.7 mm防砂篩管，篩管長度50 m；水平井采用裸眼篩管完井方式，?177.8 mm油層套管接?168.3 mm防砂篩管，篩管長度650 m。

目前，該儲氣庫順利完成了首輪試注試采，并進入第二輪注氣期。首輪注氣平均注氣壓力5.1～5.8 MPa，單井日注氣量7.1 104～9.9 104m3，最高日采氣量25.7 104m3，地面取樣未發現出砂現象。因此，通過本試驗優選的防砂篩管經受住了首輪注采試運行的考驗。

5 結論與認識

1）依據篩管防砂原理，采用獨特的砂漏結構設計，研制出氣井防砂試驗裝置，實現高速氣體緩慢混砂功能，可以真實模擬氣井防砂過程。

2）金屬濾網篩管初始過流能力是自潔縫隙篩管的3.8倍；篩管表面形成砂層后，金屬濾網篩管過流能力是自潔縫隙篩管的4.5倍。實驗結果表明砂層對自潔縫隙篩管的過流能力影響更大，金屬濾網篩管更加適合產量高的氣井。

3）在雷 61儲氣庫儲層砂樣特征和生產條件下，自潔縫隙篩管的擋砂性能要明顯優于金屬濾網篩管，并且兩種篩管均具有較好的抗堵塞性能。

4）為了平衡防砂和產量之間的關系，兼顧考慮成本因素，推薦產量高的水平井采用金屬濾網篩管，產量低的定向井采用自潔縫隙篩管。