出砂气藏井底防砂筛管冲蚀动...试验及冲蚀损坏工况评价方法_董长银.pdf

文章编号:1009-6094(2023)06-1859-09出砂气藏井底防砂筛管冲蚀动态模拟试验及冲蚀损坏工况评价方法董长银1,2,李经纬1,2,周 博1,2,黄 亮3,刘亚宾4,李 强4,黄有艺1,2(1 中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛 266580;2 非常规油气开发教育部重点实验室,山东青岛 266580;3 中海石油(中国)有限公司湛江分公司,广东湛江 524057;4 中海油田服务股份有限公司油田生产事业部,天津 300450)摘 要:为了对出砂气藏井底筛管的冲蚀现象进行定量评价,针对常用的多层滤网复合筛管,利用创新研制的水平井筒封闭空间筛管冲蚀模拟试验系统,使用气体携砂开展系列筛管冲蚀损坏模拟试验,系统分析和揭示了冲蚀损坏机理。拟合提出了针对筛管本身的抗冲蚀指数评价指标,用于同类筛管产品评价对比;构建了筛管冲蚀损坏工况评价方法,用于实际天然气井井底冲蚀损坏判定。结果表明,气体携砂冲蚀多层滤网复合筛管的损坏机理为正面啃噬和侧面切削,揭示了井底有限封闭空间下筛管外环空砂埋堆积对筛管冲蚀具有保护作用。在冲蚀试验过程中也发现,滤网的抗冲蚀能力远低于外保护罩,其冲蚀损毁时间约是保护罩的 1/8。根据试验结果拟合得到冲蚀速率与冲蚀特征函数为线性关系,拟合得到抗冲蚀指数则与冲蚀条件无关,仅表征筛管本身的机械抗冲蚀能力。针对实际井底工况提出实际气井局部高速入流系数描述井底入流非均质性特征,考虑井筒封闭空间中的冲蚀与砂埋动态关系,提出了筛管冲蚀损坏系数评价方法,即井底是否发生筛管损坏取决于井底实际冲蚀速度和筛管外环空砂埋的相对速度。对于南海某气藏,当局部高速入流系数超过 3 500 时,井底冲蚀可能性较大。所提出的冲蚀工况评价方法将室内试验规律和井底工况结合起来,考虑了筛管本身的抗冲蚀性能和井底实际环境条件,为出砂气藏防砂完井设计及冲蚀完整性评价提供了有效方法。关键词:安全工程;防砂筛管;筛管冲蚀;冲蚀性能;工况评价;模拟试验中图分类号:X937 文献标志码:ADOI:10.13637/j.issn.1009-6094.2022.0072收稿日期:20220118作者简介:董长银,教授,博士生导师。从事固体(出砂)控制与流固管理、防砂控水完井、采油采气工程研究,dongcy 。基金项目:国家自然科学基金项目(52074331)0 引 言对于疏松砂岩易出砂气藏,机械筛管是防砂完井的关键核心装备,起到阻挡地层砂并提供天然气流动通道的作用1 5。对于易出砂气藏,高流速气体携砂会对筛管起到冲蚀作用6 10,以致影响生产安全。冲蚀损坏是出砂高产气藏防砂完井筛管失效的主要形式之一11 13,实际井底条件下筛管冲蚀损坏预测和工况评价是防砂完井设计和完整性评价的重要内 容。在 金 属 材 料 冲 蚀 模 拟 方 面,1960 年,Finnie14通过刚性粒子冲击塑性材料试验首次提出了微切削的冲蚀新理论,为后续金属材料的冲蚀理论研究奠定了基础。近年来,国内外研究者针对防砂完井筛管的冲蚀问题开展了大量数值模拟和试验模拟研究,利用喷嘴式冲蚀和旋转式冲蚀仪器来模拟金属表面和防砂筛管的冲蚀过程15 18,并针对不同筛管类型开展了流速、粒径、生产压差等因素对筛管冲蚀损坏影响的试验研究19 22,对冲蚀影响因素及其规律形成了初步认识。但其局限是大多数试验模式与实际井底有限封闭空间中的冲蚀情形不相符,难以体现实际井底筛管冲蚀与地层砂堵塞及环空砂埋同时发生过程及其相互影响。在筛管冲蚀的数值 模 拟 方 面,国 内 外 学 者 也 进 行 了 大 量 研究23 33。Zhang 等34和 Zamberi 等35针对独立筛管建立了流动条件下的冲蚀预测模型,利用模拟结果开发了一种用于水平气井完井的可膨胀封隔器,有效降低了独立筛管的冲蚀风险。后来也有学者采用有限元分析方法,建立了冲蚀经验预测模型36。这些模型尚难以考虑实际井底的冲蚀条件,以及储层非均质性导致的局部高速入流。综上所述,目前关于防砂完井筛管冲蚀模拟研究得到的冲蚀规律及预测模型条件比较理想化,尚未充分考虑井底实际封闭空间的砂粒阻挡、堵塞及堆积砂埋效应。针对上述关键问题,本文研制和使用水平井筒封闭空间筛管冲蚀模拟试验系统开展系统试验,拟合提出抗冲蚀指数评价指标用于评价对比筛管抗冲蚀性能,考虑井筒封闭空间中的冲蚀与砂埋动态关系,构建天然气井井底筛管冲蚀工况评价方法,以期为出砂气藏完井设计及完整性评价提供有效途径。1 试验原理与试验方法筛管冲蚀试验的基本原理是使用泵送系统将流体和固体颗粒的混合物泵送通过喷嘴产生高流速,对筛管产生冲蚀效应。根据实际井底有限封闭空间条件下的冲蚀工况,设计制造了水平井封闭井筒筛管冲蚀模拟试验系统,其结构见图 1。水平井封闭井筒筛管冲蚀模拟试验系统由主体井筒模拟单元、可调节喷嘴组、气体泵送系统、过砂收集系统、自动9581第 23 卷第 6 期2023 年 6 月 安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and Environment Vol.23 No.6Jun.,2023混砂器、数据采集系统等组成。主体井筒模拟单元采用耐高压金属容器制造,长度为 2.0 m,内径为250 mm,可容纳市场上大部分的规格尺寸筛管。主体单元上安装有透明视窗,用于观察实际冲蚀形态变化。主体井筒单元上设置 2 组喷嘴,以模拟不同冲蚀角度;全部喷组可调冲蚀距离为 10 80 mm。试验时,放置测试筛管短节并封闭端盖,使得井筒与筛管的环空封闭,打开筛管内部的出口通道,流体必须通过筛管才能排出主体井筒单元,以模拟井底流动状态。试验过程中通过实时采集的压力、流量动态曲线及透明观察窗监控冲蚀形态。图 2 试验筛管整体样品及保护罩和挡砂介质层样品Fig.2 Used samples of screen,protection sheath and sand retaining media试验使用的筛管是油气田尤其是海上油气田防砂完井常用的多层滤网复合筛管,是一种典型的三大层结构筛管,从内到外由打孔基管内层、多层复合滤网挡砂介质中间层和冲缝外保护罩(外层)组成,见图 2(a)。筛管外保护罩如图 2(b)所示,厚度为2.0 mm,冲缝侧缝宽度为 2 5 mm。多层金属滤网挡砂介质如图 2(c)所示,由圆形金属丝交错编制而成,材质为316L 钢,直径为0.25 0.4 mm,3 层叠加图 1 水平井封闭井筒筛管冲蚀模拟试验系统Fig.1 Screen erosion simulation system of horizontalwell with sealing limited space复合形成挡砂介质层,滤网表观厚度约为 1.0 mm。2 筛管冲蚀动态模拟试验结果分析2.1 气体携砂冲蚀筛管破坏过程及机理使用精密滤网复合筛管在 90冲蚀角正面冲击的条件下进行冲蚀模拟试验,设置冲蚀距离为 30mm,使用粒度中值 0.12 mm 地层砂,控制气体流速维持在 40 m/s 左右,以稳定的含砂率长时间驱替。试验过程中监测筛管外部压力和筛管外部压力至系统排出口的压差,同时测量挡砂筛管短节管壁两侧的驱替流量和压差,可计算筛管整体表观渗透率。ksi=qi2hpilnrori(1)式中 为试验用流体的黏度,Pas;h 为试验防砂介质的有效渗滤长度,m;ro为试验防砂介质外半径,m;ri为试验防砂介质内半径,m;qi为第 i 时刻通过防砂介质的流量,m3/s;pi为第 i 时刻防砂介质内外两侧压差,为 4 个差压传感器测量值的平均值,Pa;ksi为第 i 时刻防砂介质的渗透率,m2。测试计算得到试验过程中的筛管外部环空(喷嘴外)压力及筛管表观渗透率变化曲线,见图 3;筛管冲蚀损坏过程照片见图 4,微观放大图像见图 5。冲蚀过程中防砂介质会阻挡部分地层砂通过,被阻挡的地层砂逐步堵塞筛管,阻力增大。根据图3 的冲蚀过程中的动态变化曲线可知,冲蚀开始后,压力迅速上升,同时渗透率下降;这是因为冲蚀的过程中,部分细砂进入筛管内部产生堵塞作用,导致筛管流通性能下降。在约 58 min 时(图 3 中的 ta),环空压力开始下降,同时渗透率开始升高,表明冲蚀作用使得筛管流通性升高,预示着筛管保护罩被穿透(对应图 4(a),开始介质冲蚀损毁阶段。在约 65min 时(图 3 中的 tb),压力和渗透率又出现转折,表0681 Vol.23 No.6 安全 与 环 境 学 报 第 23 卷第 6 期图 3 冲蚀过程筛管外压力和表观渗透率变化曲线Fig.3 Variation curves of external pressure and apparentpermeability of screen during erosion process图 4 筛管正面冲蚀损坏过程Fig.4 Front erosion damage process of screen图 5 筛管保护罩冲蚀损毁的微观图像Fig.5 Microscopic pictures of screen sheath erosion damage明滤网介质被完全穿透(对应图 4(c)。此处需要特别说明的是,试验曲线的末尾阶段筛管完全穿透后,压力却有回升现象,是因为快速穿透筛管的地层砂迅速堆积到后续的集砂器中,造成集砂器过滤体迅速堵塞,压力反馈到主体模拟容器中造成压力回升。本试验中,滤网介质损毁约为 7 min,与保护罩损毁时间 58 min 的相比悬殊。滤网介质冲蚀损坏时间远小于外保护罩冲蚀损坏时间;一旦外保护罩冲蚀损坏,滤网介质将很快损坏,筛管随即失去挡砂作用。因此提高筛管抗冲蚀性能的关键是提高外保护罩抗冲蚀能力。在正面冲击条件下,筛管外保护罩首先起抵抗冲蚀作用,冲蚀机理为流体携砂对金属表面的正面啃噬和侧面切削机理(图 5(a),在保护罩未破坏条件下,流体携带砂粒正面冲击保护罩表面,以正面啃噬为主,产生点蚀损坏;当点蚀作用将保护罩穿透后,砂粒倾向于流通穿过孔洞,此时的冲蚀机理转变为侧面切削为主(图 5(b),快速流动的固体颗粒从侧向冲蚀破坏边缘表面,使得冲蚀孔洞扩展。图 6 展示了交错冲缝式外保护罩和多层金属滤网复合结构的冲蚀损坏机理。气体携砂冲击复合结构时,即使在外保护罩未被冲蚀损坏情况下,部分地层砂粒会从冲缝侧孔进入挡砂介质内部,产生堵塞作用(图 6(a)和(b),造成试验时的筛管表观渗透率降低和压力升高。当外保护罩被冲蚀穿透后,携砂流体开始冲击内部的挡砂介质层,随后挡砂介质层损毁,筛管穿透。因此,多层滤网复合筛管的正面冲击损毁过程可分为外保护罩冲蚀和滤网介质冲蚀两个阶段。在正面冲击条件下,筛管外保护罩首先起抵抗冲蚀作用,冲蚀机理为流体携砂对金属表面的正面啃噬和侧面切削机理,在保护罩未破坏条件下,流体携带砂粒正面冲击保护罩表面,以正面啃噬为主,产生点蚀损坏;当点蚀作用将保护罩穿透后,砂粒倾向于流通穿过孔洞(图 6(c),此时的冲蚀机理转变为侧面切削为主,快速流动的固体颗粒从侧向冲蚀破坏边缘表面,使得冲蚀孔洞扩展。2.2 封闭空间条件下局部桥架和颗粒堆积保护效应 由封闭井筒有限空间内的筛管冲蚀过程模拟试验发现,筛管表面砂粒的局部堆积,以及井筒空间逐步被地层砂填埋,对冲蚀有保护效应(图 4(d)。在试验过程中观察发现,在外保护罩形成的局部凹坑及冲蚀凹坑位置,局部堆积有大量的地层砂(图 7(a),后续来流携带的固体砂粒会首先冲击这些堆积的地层砂,从而使得堆积砂对筛管表面起到保护作用。投产后,如地层出砂并能得到冲蚀条件,则地层产出砂被流体携带冲击筛管表面,产生冲蚀作用。同时,部分细砂会通过筛管,而地层砂中的粗质成分会被筛管阻挡,填埋在筛管与井壁(或套管)的环形16812023 年6 月 董长银,等:出砂气藏井底防砂筛管冲蚀动态模拟试验及冲蚀损坏工况评价方法Jun.,2023图 6 筛管正面冲蚀堵塞及损毁机理示意图Fig.6 Schematic diagram of front erosion blockage and damage mechanism of scr