CN113433048A - 一种稠油井防砂效果评价测试装置及评价测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种稠油井防砂效果评价测试装置及评价测试方法，其中，评价测试装置包括竖直设置的测试筒，测试筒的上端连接有气源，邻近腔室的底部水平设有支撑板，支撑板与腔室的底面之间留有一定间隙，在支撑板上方设有筛管过滤样件，在腔室内且位于筛管过滤样件的上方填充有混合均匀的模拟砂浆。测试筒的下端面设有与间隙构成的空间连通的出液口，测试筒的下端内壁形成直径向下渐缩且与出液口连通的锥孔，在出液口处设有排液阀，出液口的横截面积大于筛管过滤样件的过流面积，在测试筒的下方设有量筒。本发明制作成本低，实验周期短，能够模拟砂粒在筛管表面形成砂桥的过程，防砂原理与实际情况更接近，测试结果更加准确。

Description

一种稠油井防砂效果评价测试装置及评价测试方法

技术领域

本发明是关于油气井开采技术领域，尤其涉及一种稠油井防砂效果评价测试装置及评价测试方法。

背景技术

稠油井由于地层疏松及原油粘度高的原因，开采过程中普遍存在地层出砂问题。为了保证出砂井的正常开采，需要采用配套防砂措施。筛管防砂技术(即只利用筛管防砂)和砾石充填防砂技术(即利用筛管和砾石层的双重防砂)是目前应用最广泛的两种防砂技术。选择合适的防砂筛管和砾石尺寸，进行防砂工艺的优化设计，是保证防砂效果的前提。

目前，针对防砂筛管的选择和砾石尺寸的设计，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防砂效果的评价测试装置和评价测试方法。现有的防砂效果评价测试装置主要有两种类型：全尺寸筛管模型和防砂样件模型。这两种模型都是在筛管或防砂样件外侧填充模拟砂，然后注入模拟液，测试出砂量和压差变化来评价筛管的防砂效果。

其中，全尺寸筛管模型需要配套高压釜、高压泵、配液罐、数据采集系统等，利用这些设备主要是为了尽可能地模拟油井生产及防砂情况，用来模拟井下条件，配置模拟液和输送模拟液，但是，试验装置的加工难度和制作费用非常高，试验装置占地面积大，需要较大的试验空间，并且试验周期长、试验成本高、试验操作风险也较大。防砂样件模型需要精密的输液泵和数据采集系统，试验装置的制作费用也相对较高。而且，在实际工作中，经常要求2～3天完成防砂方案设计，采用现有的防砂试验装置进行筛管选择和砾石尺寸设计，需要较长的试验周期，难以满足设计的要求。

此外，这两种模型都是采用干混模拟砂填充后进行实验。模拟砂是采用不同粒径的砂粒按照地层砂的粒度分布配制出来的实验砂，这种配制方法在进行干混时，容易出现混砂不均的情况，导致实验结果出现较大的偏差。在实验过程中，经常出现由于混砂不均而导致的实验结果重现性较差的问题。而且，由于需要模拟油井的生产条件，需要利用高压泵等设备，目前只能预先填好模拟砂再注入液体进行实验，不能反映地层砂与筛管或砾石层接触时形成砂桥的过程，导致实验结果与实际情况存在一定偏差。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种稠油井防砂效果评价测试装置及评价测试方法，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稠油井防砂效果评价测试装置及评价测试方法，制作成本低，实验周期短，能够模拟砂粒在筛管表面形成砂桥的过程，防砂原理与实际情况更接近，测试结果更加准确。

本发明的目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供了一种稠油井防砂效果评价测试装置，包括竖直设置且具有腔室的测试筒；测试筒的上端连接有能够向测试筒的腔室内输送气体的气源，邻近腔室的底部水平设有具有多个通孔的支撑板，支撑板与腔室的底面之间留有一定间隙，在支撑板上方设有筛管过滤样件，在腔室内且位于筛管过滤样件的上方填充有混合均匀的模拟砂浆；测试筒的下端面设有与间隙构成的空间连通的出液口，测试筒的下端内壁且位于支撑板的下方形成直径向下渐缩且与出液口连通的锥孔，在出液口处设有排液阀，出液口的横截面积大于筛管过滤样件的过流面积，在测试筒的下方且对应出液口处设有量筒。

在本发明的一较佳实施方式中，在筛管过滤样件上方还填充有砾石层。

在本发明的一较佳实施方式中，在测试筒的内壁且位于筛管过滤样件上方形成一直径缩小的限位凸环。

在本发明的一较佳实施方式中，在限位凸环和筛管过滤样件之间夹设一密封圈，密封圈的上端面顶靠在限位凸环的下端面上，密封圈的下端面抵靠在筛管过滤样件的上端面边缘上。

在本发明的一较佳实施方式中，排液阀为蝶阀。

在本发明的一较佳实施方式中，气源包括储气瓶，储气瓶通过管路与测试筒的上端连接，并在管路上设有调压阀，在测试筒的上端连接有压力表。

在本发明的一较佳实施方式中，测试筒包括两端开口的容纳筒、上盖以及下盖；上盖中设有竖向贯穿上盖的上管体，上管体与腔室连通，上盖与容纳筒的上端能拆卸密封连接，压力表与上管体的上端连接，上管体的上端侧壁开设有进气孔并与的管路连接；下盖与容纳筒的下端能拆卸密封连接，下盖的内壁构成上述的锥孔，出液口向下连接一下管体，上述的排液阀设在下管体上。

在本发明的一较佳实施方式中，还包括支撑架，支撑架包括底板、固定在底板上的两根竖向支撑杆以及固定在两根竖向支撑杆之间的两根横向支撑杆，两根竖向支撑杆间隔并列设置，两根横向支撑杆呈上下平行间隔设置，两根横向支撑杆上分别设有上下同轴设置的上安装孔和下安装孔；测试筒设在两根横向支撑杆之间，且上管体穿过上安装孔并向上延伸，下管体穿过下安装孔并向下延伸，量筒放置在底板上。

本发明还提供一种稠油井防砂效果评价测试方法，采用上述的稠油井防砂效果评价测试装置进行测试，包括如下步骤：

S1、配制与稠油井中地层砂样特征相同的模拟砂以及与稠油井中原油粘度相同的模拟液，然后将模拟砂混合均匀后与模拟液混合均匀，得到模拟砂浆；S2、关闭排液阀，将模拟砂浆倒入测试筒的腔室内，且同一组对比实验采用同一种砂浆浓度；S3、通过气源向腔室内输送一定压力的气体，且同一组对比实验采用同一个压力值；S4、打开排液阀，同时按下计时器，待出液口停止出液时关闭计时器，并记下计时器时间；S5、记录量筒中的模拟砂浆量，并对其分析得到量筒中模拟砂浆的含砂比；S6、更换不同类型和/或挡砂精度的筛管过滤样件，重复步骤S2至S5；S7、根据每次实验时量筒中模拟砂浆的含砂比以及计时器时间，来评价筛管过滤样件在相应地层砂样条件下的防砂效果。

在本发明的一较佳实施方式中，在步骤S1中，模拟砂浆的浓度为30％～60％；步骤S2中，输送气体的压力为0.2～10MPa。

由上所述，本发明中的评价测试装置在腔室内填充混合均匀的模拟砂浆，即在测试之前便将模拟砂和模拟液混合均匀，这与现有技术中采用干混模拟砂填充后再注入模拟液进行实验的方式相比，一方面能够保证模拟砂中各粒径尺寸的砂粒充分混合，减少实验偏差；另一方面，由于实际稠油井的防砂过程是原油中的砂子从地层一点一点落在筛管上并不断堆积的过程，本发明中将模拟砂浆倒在筛管过滤样件上，模拟砂悬浮在液体中，利用气源向腔室内输送气体，在气体的作用下砂粒将一点一点往下沉，被筛管过滤样件阻挡下来的砂粒在筛管过滤样件逐渐堆积形成砂桥，阻挡不住的则落入量筒中，这一防砂过程与实际情况更加接近，能够模拟砂粒在筛管形成砂桥的过程，测试结果更加准确。

整个装置并不需要完全模拟油井的实际生产条件，而是通过模拟砂粒流向筛管的运动过程来测试防砂效果，这样，只需测出砂粒流向筛管时流动的快慢以及出砂量的多少便可以反映出防砂效果，整个装置结构简单，并不需要高压釜体和高性能的输液泵，制成成本低，实验操作简单、实验周期短、实验效率高，能够快速完成相同地层砂和相同原油粘度条件下多种筛管参数的防砂效果评价实验。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中：

图1：为本发明提供的稠油井防砂效果评价测试装置的结构示意图。

图2：为图1中A处的局部放大图。

图3：为本发明提供的支撑板的结构示意图。

附图标号说明：

1、支撑架；

2、测试筒；21、上盖；211、上管体；22、容纳筒；221、限位凸环；23、下盖；231、下管体；2311、排液阀；

3、支撑板；4、筛管过滤样件；5、密封圈；

6、压力表；7、调压阀；8、气源；9、量筒。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种稠油井防砂效果评价测试装置，包括竖直设置且具有腔室的测试筒2，测试筒2的上端连接有能够向测试筒2的腔室内输送气体的气源8，邻近腔室的底部水平设有具有多个通孔的支撑板3，支撑板3与腔室的底面之间留有一定间隙，在支撑板3上方设有筛管过滤样件4，在腔室内且位于筛管过滤样件4的上方填充有混合均匀的模拟砂浆。测试筒2的下端面设有与上述的间隙构成的空间连通的出液口，测试筒2的下端内壁且位于支撑板3的下方形成直径向下渐缩且与出液口连通的锥孔，在出液口处设有排液阀2311，出液口的横截面积大于筛管过滤样件4的过流面积，在测试筒2的下方且对应出液口处设有量筒9。

其中，向腔室内输送的气体可以根据需要任意选择，例如氮气。支撑板3的的下端面抵靠在锥孔的顶面，该锥孔构成漏斗结构，更便于流体通过，以避免砂粒堆积在上述的间隙构成的空间底部两侧无法落入量筒9内，而造成量筒9中模拟砂浆的量存在偏差，提高了测试的准确性。筛管过滤样件4的过流面积是指筛管过滤样件4中各过滤孔的面积之和，保证出液口的横截面积大于筛管过滤样件4的过流面积能够保证经筛管过滤样件4流出的模拟砂浆，其流动速度不受出液口的影响，防止流体通过出液口时产生节流效应而造成计时器时间的偏差，进一步提高了测试的准确性。

在测试之前，先取稠油井中地层砂样，对其进行测试分析；然后采用不同粒径石英砂混合配制出与该地层砂样的粒度中值、分选系数、泥质含量等特征相近的模拟砂并混合均匀；采用高分子增粘剂与清水配制成与稠油井中原油粘度相近的模拟液；然后将模拟砂与模拟液混合均匀，得到一定浓度的模拟砂浆，进行同一组对比实验时采用同一种砂浆浓度。

在进行测试时，先关闭排液阀2311，并将模拟砂浆倒入测试筒2的腔室中；然后通过气源8向腔室内输送一定压力的气体，且进行同一组对比实验时输送的气体采用同一个压力值；接下来打开排液阀2311，并同时迅速按下计时器，在气体压力的驱替作用下，模拟液将通过筛管过滤样件4，模拟砂在筛管过滤样件4表面逐渐堆积形成砂桥，在此过程中观察评价测试装置的出液情况，待出液口停止出液时，关闭计时器，记录下计时器时间t；然后记录量筒9中的模拟砂浆量，并对其进行分析得到量筒9中模拟砂浆的含砂比η；至此一次实验完成。之后更换不同类型和/或挡砂精度的筛管过滤样件4，并重复之前的步骤，进行其余次实验。

同一组对比实验完成后，采用量筒9中模拟砂浆的含砂比η以及计时器时间t这两个参数评价防砂筛管在相应地层砂条件下的防砂效果，含砂比η和计时器时间t越小，表明防砂效果越好，以此来选择出在该地层砂条件下防砂效果最佳的筛管类型以及防砂精度。

由此，本实施例中的评价测试装置在腔室内填充混合均匀的模拟砂浆，即在测试之前便将模拟砂和模拟液混合均匀，这与现有技术中采用干混模拟砂填充后再注入模拟液进行实验的方式相比，一方面能够保证模拟砂中各粒径尺寸的砂粒充分混合，减少实验偏差；另一方面，由于实际稠油井的防砂过程是原油中的砂子从地层一点一点落在筛管上并不断堆积的过程，本实施例中将模拟砂浆倒在筛管过滤样件4上，模拟砂悬浮在液体中，利用气源8向腔室内输送气体，在气体的作用下砂粒将一点一点往下沉，被筛管过滤样件4阻挡下来的砂粒在筛管过滤样件4逐渐堆积形成砂桥，阻挡不住的则落入量筒9中，这一防砂过程与实际情况更加接近，能够模拟砂粒在筛管形成砂桥的过程，测试结果更加准确。

整个装置并不需要完全模拟油井的实际生产条件，而是通过模拟砂粒流向筛管的运动过程来测试防砂效果，这样，只需测出砂粒流向筛管时流动的快慢以及出砂量的多少(即上述的计时器时间t以及含砂比η这两个参数)便可以反映出防砂效果，整个装置结构简单，并不需要高压釜体和高性能的输液泵，制成成本低，实验操作简单、实验周期短、实验效率高，能够快速完成相同地层砂和相同原油粘度条件下多种筛管参数的防砂效果评价实验。

需要说明的是，需要进行砾石填充防砂效果测试时，在筛管过滤样件4上方还填充有砾石层。在每次实验完成后，更换不同尺寸的砾石层或者同时更换不同类型和/或精度的筛管过滤样件4即可。这样，能够模拟砂粒在砾石层表面形成砂桥的过程，测试该砾石层的防砂效果。

在具体实现方式中，为了对筛管过滤样件4起到限位作用，在测试筒2的内壁且位于筛管过滤样件4上方形成一直径缩小的限位凸环221。

为了防止砂粒从筛管过滤样件4的边缘通过而影响测试的准确性，在限位凸环221和筛管过滤样件4之间夹设一密封圈5，密封圈5的上端面顶靠在限位凸环221的下端面上，密封圈5的下端面抵靠在筛管过滤样件4的上端面边缘上。

具体地，一般密封圈5的内径与限位凸环221内径相同，该密封圈5采用软体橡胶，筛管过滤样件4由于有很多过滤孔，其表面是凹凸不平的，放置密封圈5时密封圈5能够挤入筛管过滤样件4的孔眼(即过滤孔)中，以保证对筛管过滤样件4边缘的密封效果。

为了尽量减少排液阀2311的开关时间，以提高计时器时间的准确性，排液阀2311为蝶阀，只需拧动四分之一圈便可以完全打开阀门，更加快速。

当然，根据需要排液阀2311也可以采用其他类型的快速开关阀，本实施例仅为举例说明。

进一步地，为了便于调节以及观察输送至腔室内气体的压力大小，上述的气源8包括储气瓶，储气瓶通过管路与测试筒2的上端连接，并在管路上设有调压阀7，在测试筒2的上端连接有压力表6。

在实际应用中，为了方便安装、添加模拟砂浆以及更换筛管过滤样件4，如图1所示，测试筒2包括两端开口的容纳筒22、上盖21以及下盖23。上盖21中设有竖直贯穿上盖21的上管体211，上管体211与腔室连通，上盖21与容纳筒22的上端能拆卸密封连接，上述的压力表6与上管体211的上端连接，上管体211的上端侧壁开设有进气孔并与上述的管路连接。下盖23与容纳筒22的下端能拆卸密封连接，下盖23的内壁构成上述的锥孔，出液口向下连接一下管体231，上述的排液阀2311设在下管体231上。

其中，上盖21和下盖23与容纳筒22围合构成测试筒2的腔室，上盖21和下盖23与容纳筒22之间的能拆卸密封连接可以采用现有任一方式实现，本发明对此不进行限定。一般上盖21与上管体211一体成型，下盖23与下管体231一体成型。上述的支撑板3的下端面抵靠在下盖23的上端面，即锥孔的顶面。这样，在每次实验结束后需要更换筛管过滤样件4时，将上盖21和下盖23取下，之后再重新安装即可，简单方便。

为了便于放置和支撑上述的测试筒2，整个测试装置还包括支撑架1，支撑架1包括底板、固定在底板上的两根竖向支撑杆以及固定在两根竖向支撑杆之间的两根横向支撑杆，两根竖向支撑杆间隔并列设置，两根横向支撑杆呈上下平行间隔设置，两根横向支撑杆上分别设有上下同轴设置的上安装孔和下安装孔。测试筒2设在两根横向支撑杆之间，且上管体211穿过上安装孔并向上延伸，下管体231穿过下安装孔并向下延伸，量筒9放置在底板上。其中，一般两根横向支撑杆与两根竖向支撑杆能拆卸固定，以便于安装测试筒2。

进一步地，本实施例中还提供一种稠油井防砂效果评价测试方法，该评价测试方法采用上述的评价测试装置进行测试，包括如下步骤：

S1、配制与稠油井中地层砂样特征相同的模拟砂以及与稠油井中原油粘度相同的模拟液，然后将模拟砂混合均匀后与模拟液混合均匀，得到模拟砂浆。

具体而言，在实际应用中，模拟砂和模拟液分别与地层砂样特征和原油粘度相近即可。步骤S1具体包括如下步骤：

取地层砂样，经洗油处理后，采用筛析法或激光粒度分析仪测试地层砂样的粒度分布，然后根据测井数据计算出地层砂样的泥质含量(该计算为现有技术)。

按照地层砂样的粒度分布和泥质含量，采用不同粒径的石英砂混合配制出与地层砂样的粒度中值、分选系数、泥质含量等特征相近的模拟砂。

采用胍胶、CMC、PAC等高分子增粘剂与清水配制成与原油粘度相近的模拟液。

将模拟砂加入到模拟液中，充分搅拌混合，配制成浓度为30％～60％的模拟砂浆。该砂浆浓度能够使形成的砂桥厚度适中，提高测试的准确性。

S2、关闭排液阀2311，将模拟砂浆倒入测试筒2的腔室内，且同一组对比实验采用同一种砂浆浓度。

S3、通过气源8向腔室内输送一定压力的气体，且同一组对比实验采用同一个压力值。其中，一般通过打开调压阀7并调节压力至至0.2～10MPa来完成输送气体。

S4、打开排液阀2311，同时按下计时器，待出液口停止出液时关闭计时器，并记下计时器时间t。

S5、记录量筒9中的模拟砂浆量，并对其分析得到量筒9中模拟砂浆的含砂比。具体地，将量筒9中的模拟砂浆用滤纸过滤，然后经烘干、称重和粒径分析来得到含砂比η。

S6、更换不同类型和/或挡砂精度的筛管过滤样件4，重复步骤S2至S5。其中，每次更换筛管过滤样件4时，可以根据实验需要只更换其类型、只更换其挡砂精度，也可以同时更换其类型和挡砂精度。

S7、根据每次实验时量筒9中模拟砂浆的含砂比η以及计时器时间t，来评价筛管过滤样件4在相应地层砂样条件下的防砂效果。

其中，量筒9中模拟砂浆的含砂比η以及计时器时间t越小，则表明防砂效果越好，含砂比η一般要求小于0.03％～0.05％。计时器时间t反映的是筛管或砾石层允许流体通过的能力，计时器时间t越小表示筛管或过滤层越不容易被地层砂堵塞。

综上，本实施例中的评价测试装置及评价测试方法，能够更加准确、更加快速、更高效率、更低成本地进行防砂筛管选择和砾石尺寸的确定。

以上仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种稠油井防砂效果评价测试装置，其特征在于，包括竖直设置且具有腔室的测试筒；

所述测试筒的上端连接有能够向所述测试筒的腔室内输送气体的气源，邻近所述腔室的底部水平设有具有多个通孔的支撑板，所述支撑板与所述腔室的底面之间留有一定间隙，在所述支撑板上方设有筛管过滤样件，在所述腔室内且位于所述筛管过滤样件的上方填充有混合均匀的模拟砂浆；

所述测试筒的下端面设有与所述间隙构成的空间连通的出液口，所述测试筒的下端内壁且位于所述支撑板的下方形成直径向下渐缩且与所述出液口连通的锥孔，在所述出液口处设有排液阀，所述出液口的横截面积大于所述筛管过滤样件的过流面积，在所述测试筒的下方且对应所述出液口处设有量筒。

2.如权利要求1所述的稠油井防砂效果评价测试装置，其特征在于，

在所述筛管过滤样件上方还填充有砾石层。

3.如权利要求1所述的稠油井防砂效果评价测试装置，其特征在于，

在所述测试筒的内壁且位于所述筛管过滤样件上方形成一直径缩小的限位凸环。

4.如权利要求3所述的稠油井防砂效果评价测试装置，其特征在于，

在所述限位凸环和所述筛管过滤样件之间夹设一密封圈，所述密封圈的上端面顶靠在所述限位凸环的下端面上，所述密封圈的下端面抵靠在所述筛管过滤样件的上端面边缘上。

5.如权利要求1所述的稠油井防砂效果评价测试装置，其特征在于，

所述排液阀为蝶阀。

6.如权利要求1所述的稠油井防砂效果评价测试装置，其特征在于，

所述气源包括储气瓶，所述储气瓶通过管路与测试筒的上端连接，并在所述管路上设有调压阀，在所述测试筒的上端连接有压力表。

7.如权利要求6所述的稠油井防砂效果评价测试装置，其特征在于，所述测试筒包括两端开口的容纳筒、上盖以及下盖；

所述上盖中设有竖向贯穿上盖的上管体，所述上管体与所述腔室连通，所述上盖与所述容纳筒的上端能拆卸密封连接，所述压力表与所述上管体的上端连接，所述上管体的上端侧壁开设有进气孔并与所述的管路连接；

所述下盖与所述容纳筒的下端能拆卸密封连接，所述下盖的内壁构成所述的锥孔，所述出液口向下连接一下管体，所述的排液阀设在所述下管体上。

8.如权利要求7所述的稠油井防砂效果评价测试装置，其特征在于，

还包括支撑架，所述支撑架包括底板、固定在所述底板上的两根竖向支撑杆以及固定在两根竖向支撑杆之间的两根横向支撑杆，两根所述竖向支撑杆间隔并列设置，两根所述横向支撑杆呈上下平行间隔设置，两根所述横向支撑杆上分别设有上下同轴设置的上安装孔和下安装孔；

所述测试筒设在两根横向支撑杆之间，且所述上管体穿过上安装孔并向上延伸，所述下管体穿过所述下安装孔并向下延伸，所述量筒放置在所述底板上。

9.一种稠油井防砂效果评价测试方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的稠油井防砂效果评价测试装置进行测试，包括如下步骤：

S1、配制与稠油井中地层砂样特征相同的模拟砂以及与稠油井中原油粘度相同的模拟液，然后将所述模拟砂混合均匀后与模拟液混合均匀，得到模拟砂浆；

S2、关闭所述排液阀，将所述模拟砂浆倒入所述测试筒的腔室内，且同一组对比实验采用同一种砂浆浓度；

S3、通过所述气源向所述腔室内输送一定压力的气体，且同一组对比实验采用同一个压力值；

S4、打开所述排液阀，同时按下计时器，待所述出液口停止出液时关闭计时器，并记下计时器时间；

S5、记录量筒中的模拟砂浆量，并对其分析得到量筒中模拟砂浆的含砂比；

S6、更换不同类型和/或挡砂精度的筛管过滤样件，重复步骤S2至S5；

S7、根据每次实验时量筒中模拟砂浆的含砂比以及计时器时间，来评价筛管过滤样件在相应地层砂样条件下的防砂效果。

10.如权利要求9所述的稠油井防砂效果评价测试方法，其特征在于，

在步骤S1中，模拟砂浆的浓度为30％～60％；步骤S2中，输送气体的压力为0.2～10MPa。

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