CN103410483B - 水平井筛管防砂效果评价装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平井筛管防砂效果评价装置及评价方法，所述评价装置包括：测试箱体具有密封的圆筒形内腔；渗流筒设置于所述内腔中，且渗流筒外壁与内腔之间具有环形间隙；至少两根进液管插装于所述环形间隙内；至少两根导压管插装于所述内腔中；出液管插入内腔中，且出液管一侧的插入端与被测筛管样件的内部相连通，出液管另一侧的出液口位于测试箱体的外部；供液装置与所述进液管的进液口相连接；数据采集装置分别与所述导压管的输出端及所述出液管的出液口相连。采用本发明对不同筛管进行评价，能够更加准确地优选出适合具体水平井的筛类型及参数。

Description

水平井筛管防砂效果评价装置及方法

技术领域

本发明涉及一种水平井筛管防砂效果评价装置及方法，用于评价筛管防砂工艺在水平井中的防砂效果，属于油田防砂工艺试验评价技术领域。

背景技术

在油气田开采中，水平井由于能够大大提高油气井的产量而得到广泛推广应用，而在疏松砂岩油气藏的开采过程中出砂问题已经严重影响了水平井的有效开采，筛管防砂工艺是解决水平井出砂问题的主要完井方式。

目前，针对水平井筛管防砂工艺设计，尤其是筛管的类型及参数还主要是依靠经验公式计算和现场经验来确定，这种方式存在很大的局限性和不准确性。为了更科学地指导筛管防砂工艺的设计，研究人员研制出了多种评价筛管的试验装置和评价方法，但是这些装置都不是针对具体油井或区块进行的评价。由于影响筛管防砂效果的主要因素除了筛管本身的性质外，还与地层砂性质、流体性质、流体流量和完井工况等因素有关，因此只有结合具体油井或区块的实际条件，才能准确地评价出适合该油井或区块的筛管，从而确定筛管的类型及参数。

现有的筛管试验评价装置不能真实模拟水平井的完井工况及生产条件，此外现有的试验评价方法也没有给出具体的试验方法以及防砂效果的定量评价方法及评价指标，从而影响了评价结果的准确性和可靠性。

有鉴于上述现有的评价筛管的试验装置和评价方法的诸多缺点,本技术设计人基于多年研究及现场经验和专业知识,结合实际使用情况和结构技术需求，积极加以改进和创新，以期实现一种能够准确可靠地评价筛管防砂工艺在水平井中防砂效果的水平井筛管防砂效果评价装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够准确可靠地评价筛管防砂工艺在水平井中防砂效果的水平井筛管防砂效果评价装置。

本发明的另一目的是提供一种采用上述水平井筛管防砂效果评价装置对筛管防砂工艺在水平井中防砂效果进行准确可靠评价的水平井筛管防砂效果评价装置方法。

为达到上述目的，本发明提出一种水平井筛管防砂效果评价装置，所述水平井筛管防砂效果评价装置包括：测试箱体，具有密封的圆筒形内腔，用于容置被测筛管样件、混砂液和模拟地层砂；渗流筒，沿所述内腔轴向设置于所述内腔中，且所述渗流筒外壁与所述内腔的侧壁之间具有环形间隙；至少两根进液管，沿所述内腔轴向插装于所述环形间隙内，所述进液管的管壁上沿轴向并排开设有若干个进液孔，所述进液管的进液口延伸至所述测试箱体外部；至少两根导压管，沿所述内腔轴向插装于所述内腔中，且一根所述导压管插入所述内腔中容置的被测筛管样件内，其余所述的导压管插装于所述被测筛管样件的外侧，所述导压管的输出端延伸至所述测试箱体的外部；出液管，插入所述内腔中，且所述出液管一侧的插入端与所述被测筛管样件的内部相连通，所述出液管另一侧的出液口位于所述测试箱体的外部；用于向测试箱体的内腔供给混砂液的供液装置，所述供液装置与所述进液管的进液口相连接；数据采集装置，分别与所述导压管的输出端及所述出液管的出液口相连。

如上所述的水平井筛管防砂效果评价装置，其中，所述测试箱体包括两端敞口的筒体和连接于所述筒体两端的端盖。

如上所述的水平井筛管防砂效果评价装置，其中，所述端盖与所述筒体通过螺栓连接。

如上所述的水平井筛管防砂效果评价装置，其中，在至少一个所述端盖上沿所述内腔轴向开设有防爆通道，在所述防爆通道的出口端设有防爆螺栓。

如上所述的水平井筛管防砂效果评价装置，其中，所述渗流筒包括具有渗流孔的基管和包覆于所述基管上的金属编织网。

如上所述的水平井筛管防砂效果评价装置，其中，所述供液装置包括用于配制混砂液的配液子装置和用于泵送混砂液的泵注子装置，所述配液子装置与所述泵注子装置通过输液管相连，所述泵注子装置与所述进液管的进液口通过输液管相连。

如上所述的水平井筛管防砂效果评价装置，其中，所述数据采集装置包括：压力传感器，与所述导压管的输出端相连接，用于测量被测筛管样件的内部及外部的压力值；流量计，与所述出液管的出液口相连，用于测量经出液管流出的被测筛管样件的内部的混砂液的流量值；数据处理器，通过数据线连接所述压力传感器和所述流量计，用于对所述压力传感器和所述流量计测量的数据进行处理。

如上所述的水平井筛管防砂效果评价装置，其中，在所述出液管的出液口连接有固液分离子装置。

本发明还提供了一种水平井筛管防砂效果评价方法，所述评价方法采用如上所述的水平井筛管防砂效果评价装置，所述评价方法包括：

步骤110：配制模拟地层砂，按照具体水平井的储层砂岩粒度分布和泥质含量，采用不同粒级的石英砂和膨润土，配制成与储层砂岩的粒度中值、分选系数、泥质含量等特性相近的模拟地层砂；

步骤120：配制混砂液，用高分子增粘剂与清水配制成相似液，相似液的粘度与具体水平井的地层流体粘度相同，往相似液中加入粒径小于被测筛管样件的筛管过滤单元缝宽或孔径的石英砂，配制成含砂量为0.1%～1%的混砂液；

步骤130：安装被测筛管样件，将被测筛管样件安装于测试箱体的内腔中；

步骤140：填充模拟地层砂，将配制好的模拟地层砂填充于被测筛管样件与渗流筒之间的环形空间中，并且压实均匀；

步骤150：盖上端盖，测试箱体置于水平位置，将进液管与供液装置相连，出液管的出液口与固液分离子装置相连；

步骤160：启动供液装置，向测试箱体的内腔中注入配制好的混砂液，设定供液装置的供液量Q，Q的计算公式如下：

步骤170：开启数据采集装置，实时采集筛管样件内外两侧的压差，导液管入口的压力和试验流量变化；

步骤180：当出液管的出液口稳定时，开始计时，试验开始，连续注入混砂液4小时后，或者导液管入口的压力达到20MPa时，停止试验；

步骤190：取出固液分离系统中的砂粒，烘干，用电子天平称重，并用激光粒度分析仪或标准试验筛分析砂粒粒径；

步骤200：打开端盖，清除充填的模拟地层砂，取出筛管样件；

步骤210：对试验数据进行分析处理。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

1、本发明的水平井筛管防砂效果评价装置，采用局部井筒全尺寸筛管试验，能够模拟近井地层，实现流体径向流动，比较真实地模拟了水平井的完井工况，试验结果更加真实可靠；

2、本发明的试验方法采用了与油井地层砂特性相近的模拟地层砂，与地层流体粘度相同的试验流体，以及模拟了一定砂比的含砂流体从远井地层流入近井地层生产过程，从而进一步提高了试验结果的真实性和可靠性；

3、本发明的评价方法给出了筛管过流能力、挡砂能力、挡砂粒径、抗堵塞能力和综合性能的具体评价方法，以及挡砂能力和抗堵塞能力的评价指标，实现了不同筛管之间的定量评价优选。

综上所述，采用本发明对不同筛管进行评价，能够更加准确地优选出适合具体水平井的筛类型及参数。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明水平井筛管防砂效果评价装置的结构示意图；

图2为本发明水平井筛管防砂效果评价装置在使用时的结构示意图。

附图标记说明：

1-筒体；2-左端盖；3-右端盖；4-渗流筒；5-进液管；51-进液孔；6-出液管；7-防爆通道；8-导压管；9-螺栓；10-筛管样件；11-样件左接头；12-样件右接头；13-密封垫圈；14-支架；15-配液子装置；16-泵注子装置；17-固液分离子装置；18-数据采集装置。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

请参考图1、图2，分别为本发明水平井筛管防砂效果评价装置的结构示意图及使用时的结构示意图。如图所示，本发明提出的水平井筛管防砂效果评价装置包括：测试箱体、渗流筒4、至少两根进液管5、至少两根导压管8、出液管6、供液装置及数据采集装置18。其中，测试箱体包括两端敞口的筒体1和连接于筒体1两端的端盖（即左端盖2和右端盖3）。筒体1的底部设有支架14，用于支撑整个测试箱体，筒体1具有的圆筒形内腔，内腔的两端被端盖2、3密封，形成密封空间，用于容置被测筛管样件、混砂液和模拟地层砂。渗流筒4沿筒体1轴向（即内腔的轴向）设置于内腔之中，且渗流筒4外壁与内腔的侧壁之间具有环形间隙。进液管5沿筒体1轴向插装于环形间隙内，进液管5的管壁上沿轴向并排开设有若干个进液孔51，进液管5的进液口延伸至测试箱体外部，以便与供液装置相连。导压管8沿筒体1轴向插装于内腔中，且一根导压管8插入内腔中容置的被测筛管样件10内，其余导压管8插装于被测筛管样件10的外侧，所有导压管8的输出端均延伸至测试箱体的外部，以便与数据采集装置18相连。出液管6插入内腔中，且出液管6一侧的插入端与被测筛管样件10的内部相连通，出液管6另一侧的出液口位于测试箱体的外部，使得被测筛管样件10中的混砂液经由出液管6排出。供液装置包括用于配制混砂液的配液子装置15和用于泵送混砂液的泵注子装置16，配液子装置15与泵注子装置16通过输液管相连，泵注子装置16与进液管5的进液口通过输液管相连，使得供液装置可向测试箱体的内腔供给混砂液。数据采集装置分别与导压管8的输出端及出液管6的出液口相连，用于收集筛管样件10内外的压力值及测量经出液管流出的混砂液的流量值并进行分析处理。

进一步的，如图2所示，数据采集装置18包括压力传感器、流量计和数据处理器，其中：压力传感器与导压管8的输出端相连接，用于测量被测筛管样件10的内部及外部的压力值；流量计与出液管6的出液口相连，用于测量经出液管流出的被测筛管样件10的内部的混砂液的流量值；数据处理器通过数据线连接压力传感器和流量计，用于对所述压力传感器和所述流量计测量的数据进行处理。

进一步的，如图2所示，在出液管6的出液口连接有固液分离子装置17，对流出的混砂液进行砂粒与液体的分离。

进一步的，渗流筒4包括具有渗流孔的基管和包覆于基管上的金属编织网。基管为均匀布置圆孔的金属圆筒，起到支撑固定作用，金属编织网包裹在基管外层。渗流筒4为圆筒状，嵌套于筒体1内，且渗流筒4与筒体1的中轴线重合。渗流筒4的外径比筒体1内径略小。渗流筒4的长度比筒体1长度略小。渗流筒4端部放置密封垫圈13，与左端盖2或右端盖3密封贴合。

进一步的，如图1、2所示，为了保证端盖2、3与筒体1的连接强度，端盖2、3与筒体1通过螺栓9连接。

进一步的，如图1、2所示，在至少一个端盖2、3上沿筒体1轴向开设有防爆通道7，在防爆通道7的出口端设有防爆螺栓，使得在内腔压力过大时，防爆螺栓能够及时开启释放压力。

本发明的工作原理是，筛管样件10与渗流筒4之间的环形空间填充模拟地层砂，模拟了水平井近井疏松地层。利用配液子装置15配制含砂液体，利用泵注子装置16将含砂液体注入进液管5，含砂液体从进液管5的圆孔中流出，再经过渗流筒4的分流作用，均匀地渗入填充的模拟地层砂中，从而实现了模拟一定砂比的含砂流体从远井地层流入近井地层生产过程。液体携带砂粒径向流向筛管样件10，在筛管样件10以及砂桥的阻挡下，部分砂粒被阻挡在筛管样件10外侧，或者嵌入筛管样件10的过滤介质中，造成筛管堵塞，部分砂粒通过筛管样件，从出液口流出，进入固液分离系统。

本发明还提出了一种水平井筛管防砂效果评价方法，采用如上所述的水平井筛管防砂效果评价装置，所述评价方法包括以下步骤：

步骤110：配制模拟地层砂，按照具体水平井的储层砂岩粒度分布和泥质含量，采用不同粒级（石英砂粒径分级如表1）的石英砂和膨润土，配制成与储层砂岩的粒度中值、分选系数、泥质含量等特性相近的模拟地层砂；

表1石英砂粒径分级表

粒级划分	粗砂	中砂	细砂	细粉砂
					颗粒直径(mm)	0.5～1.0	0.25～0.5	0.1～0.25	0.01～0.1

步骤120：配制混砂液，用高分子增粘剂与清水配制成相似液，相似液的粘度与具体水平井的地层流体粘度相同，往相似液中加入粒径小于被测筛管样件的筛管过滤单元缝宽或孔径的石英砂，配制成含砂量为0.1%～1%的混砂液；

步骤130：安装被测筛管样件，将被测筛管样件安装于测试箱体的内腔中；

步骤140：填充模拟地层砂，将配制好的模拟地层砂填充于被测筛管样件与渗流筒之间的环形空间中，并且压实均匀；

步骤150：盖上端盖，测试箱体置于水平位置，将进液管与供液装置相连，出液管的出液口与固液分离子装置相连；

步骤160：启动供液装置，向测试箱体的内腔中注入配制好的混砂液，设定供液装置的供液量Q，Q的计算公式如下：

步骤170：开启数据采集装置，实时采集筛管样件内外两侧的压差，导液管入口的压力和试验流量变化；

步骤180：当出液管的出液口稳定时，开始计时，试验开始，连续注入混砂液4小时后，或者导液管入口的压力达到20MPa时，停止试验；

步骤190：取出固液分离系统中的砂粒，烘干，用电子天平称重，并用激光粒度分析仪或标准试验筛分析砂粒粒径；

步骤200：打开端盖，清除充填的模拟地层砂，取出筛管样件，清洗水平井模拟井筒及试验管线；

步骤210：对试验数据进行分析处理。

本实施例中，水平井筛管防砂效果的评价方法及评价指标如下：

1、筛管过流能力评价方法

本发明采用试验过程中筛管的平均渗透率表征筛管的过流能力，根据公式（2）计算筛管的平均渗透率：

$\stackrel{\‾}{K}=\frac{1}{N}\×\underset{i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i---\left(2\right)$

其中

$k_i=\frac{Q_i\mathrm{\μ}}{2\mathrm{\πL}(P_{1i}-P_{2i})}\×\ln \frac{d_1}{d_2}---\left(3\right)$

式中，为筛管的平均渗透率，μm²；k_i为第i时刻筛管的渗透率，μm²；Q_i为第i时刻通过筛管的流量，mL/s；μ为相似液粘度，mPa·s；L为筛管样件有效过滤段厚度，cm；P_1i为第i时刻筛管外侧的压力，10^-1MPa；P_2i为第i时刻筛管内侧的压力，10^-1MPa；d₁为筛管样件有效过滤段外径，cm；d₂为筛管样件有效过滤段内径，cm；N为试验过程中的压力测试点数；i为下标，数据顺序号。

平均渗透率越大，表示筛管的过流能力越好。

2、筛管挡砂能力评价方法

本发明采用通过筛管样件的总出砂量与通过筛管样件的总流体量的体积百分比η，即筛管出口流体的平均含砂量，来表征筛管的挡砂能力，根据公式（4）计算平均含砂量：

$\mathrm{\η}=\frac{m}{V}\×100\%---\left(4\right)$

其中

$\begin{array}{cc}V=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{i+1}(t_{i+1}-t_i)& (t_0=0)\end{array}---\left(5\right)$

式中，η为筛管出口流体的平均含砂量，%；m为通过筛管的总出砂量，kg；V为通过筛管的总流体体积，kg；Q_i+1为第i+1时刻通过筛管的流量，L/min；t_i+1为第i+1时刻的试验时间，min；t_i为第i时刻的试验时间，min。

参照SY/T5183-2000《油井防砂效果评价方法》中4的规定，确定筛管挡砂能力评价指标应符合表2规定。

表2筛管挡砂能力评价指标

等级	指标	评价等级
			1	＜0.03	优秀
2	0.08～0.03	一般
			3	＞0.0.8	不合格

3、筛管挡砂粒径评价方法

用激光粒度分析仪或标准试验筛对从通过筛管的砂粒进行粒度分析。绘制砂粒的累积粒度分布曲线。采用砂粒累积粒度分布达到90%时所对应的砂粒粒径d₉₀表征该筛管的挡砂粒径。

4、筛管抗堵塞能力评价方法

本发明采用试验前10min筛管内外两侧压差P₀与试验后10min筛管内外两侧压差P_t之间的比值S来表征筛管的抗堵塞能力，其计算公式如公式（6）：

$S=\frac{P_0}{P_t}---\left(6\right)$

筛管抗堵塞能力评价指标应符合表3规定：

表3抗堵塞能力评价指标

等级	S值	评价等级
			1	0.8＜S≤1	好
2	0.5＜S≤0.8	一般
			3	0＜S≤0.5	差

5、筛管综合性能评价方法

为了便于多种筛管之间的对比评价，本发明采用评价指标R表征筛管的综合性能。

首先对筛管过流能力评价指标平均渗透率进行归一化处理：

$K=\frac{{\stackrel{\‾}{K}}_i}{{\stackrel{\‾}{K}}_{\max }}---\left(7\right)$

式中，K为筛管平均渗透率归一化值，无量纲；为第i个筛管的平均渗透率，μm²；为全部筛管中最大平均渗透率，μm²。

再对筛管挡砂性能评价指标平均含砂量η进行归一化处理：

$H=\frac{{\mathrm{\η}}_{\max }-{\mathrm{\η}}_i}{{\mathrm{\η}}_{\max }}---\left(8\right)$

式中，H为筛管平均含砂量归一化值，无量纲；η_i为第i个筛管的平均含砂量，%；η_max为全部筛管中最大平均含砂量，%。

定义R为筛管过流能力、挡砂性能和抗堵塞能力的加权平均值，其计算公式为：

R＝W₁K+W₂H+W₃S（9）

式中，W₁为筛管过流能力评价权重系数；W₂为筛管挡砂性能评价权重系数；W₃为筛管抗堵塞能力评价权重系数。W₁+W₂+W₃＝1。

本发明推荐W₁＝0.2，W₂＝0.4，W₃＝0.4。

筛管的综合性能评价指标R值越大，表示筛管的综合性能越好，说明该筛管在具体水平井中的防砂效果越好。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。

Claims (1)

1.一种水平井筛管防砂效果评价方法，所述评价方法采用水平井筛管防砂效果评价装置，所述的水平井筛管防砂效果评价装置包括：

测试箱体，具有密封的圆筒形内腔，用于容置被测筛管样件、混砂液和模拟地层砂；

渗流筒，沿所述内腔轴向设置于所述内腔中，且所述渗流筒外壁与所述内腔的侧壁之间具有环形间隙；

至少两根进液管，沿所述内腔轴向插装于所述环形间隙内，所述进液管的管壁上沿轴向并排开设有若干个进液孔，所述进液管的进液口延伸至所述测试箱体外部；

至少两根导压管，沿所述内腔轴向插装于所述内腔中，且一根所述导压管插入所述内腔中容置的被测筛管样件内，其余所述的导压管插装于所述被测筛管样件的外侧，所述导压管的输出端延伸至所述测试箱体的外部；

出液管，插入所述内腔中，且所述出液管一侧的插入端与所述被测筛管样件的内部相连通，所述出液管另一侧的出液口位于所述测试箱体的外部；

用于向测试箱体的内腔供给混砂液的供液装置，所述供液装置与所述进液管的进液口相连接；

数据采集装置，分别与所述导压管的输出端及所述出液管的出液口相连；

其特征在于，所述评价方法包括：

步骤110：配制模拟地层砂，按照具体水平井的储层砂岩粒度分布和泥质含量，采用不同粒级的石英砂和膨润土，配制成与储层砂岩的粒度中值、分选系数、泥质含量特性相近的模拟地层砂；

步骤120：配制混砂液，用高分子增粘剂与清水配制成相似液，相似液的粘度与具体水平井的地层流体粘度相同，往相似液中加入粒径小于被测筛管样件的筛管过滤单元缝宽或孔径的石英砂，配制成含砂量为0.1％～1％的混砂液；

步骤130：安装被测筛管样件，将被测筛管样件安装于测试箱体的内腔中；

步骤140：填充模拟地层砂，将配制好的模拟地层砂填充于被测筛管样件与渗流筒之间的环形空间中，并且压实均匀；

步骤150：盖上端盖，测试箱体置于水平位置，将进液管与供液装置相连，出液管的出液口与固液分离子装置相连；

步骤160：启动供液装置，向测试箱体的内腔中注入配制好的混砂液，设定供液装置的供液量Q，Q的计算公式如下：

步骤170：开启数据采集装置，实时采集筛管样件内外两侧的压差，导液管入口的压力和试验流量变化；

步骤180：当出液管的出液口稳定时，开始计时，试验开始，连续注入混砂液4小时后，或者导液管入口的压力达到20MPa时，停止试验；

步骤190：取出固液分离系统中的砂粒，烘干，用电子天平称重，并用激光粒度分析仪或标准试验筛分析砂粒粒径；

步骤200：打开端盖，清除充填的模拟地层砂，取出筛管样件；

步骤210：对试验数据进行分析处理。