2019年防砂完井实验室研究新进展

转眼间，2019年发生的一切已成往事，2020年悄然而至。一年来，防砂完井实验室的小伙伴儿们兢兢业业，努力工作，总体还算蛮拼的。虽然防砂完井这个行当，算不上趋之若鹜的热点，我们也没有做出什么壮举，但是我们一直坚持在行走的路上，奋斗的途中。

2019年，防砂完井实验室(SCCL)共承担(在研)国家自然科学基金项目1项，国家重点研发计划项目课题1项，中石油水合物重大专项子课题1项，企业委托项目10项。一年新旧交替之际，总结梳理下在上述项目支持下我们在防砂完井基础和应用领域的新开展的绵薄工作，供各位同行参考。

进展1：弱胶结储层微观出砂过程与形态模拟
基础背景：出砂模拟和预测是石油与天然气弱胶结储层以及天然气水合物储层开采领域研究热点。目前传统方法基于岩石宏观力学和破坏模式，只能描述储层岩石在外力作用下的宏观破坏现象，而难以从微观上揭示储层岩石颗粒从母体上剥离并运移的动态过程。基于上述原理的出砂预测方法对于现场定量出砂规律预测乏力。对于弱胶结储层/天然气水合物储层/聚合物驱等复杂和特殊条件储层，其出砂模拟和预测存在诸多困难等，对其出砂机理认识也尚不清楚。

研究进展：研究构建了颗粒级尺度的常规弱胶结储层/天然气水合物储层/聚合物驱储层（近井存在聚合物老化衍生物的聚集堵塞）地层砂颗粒结构模型，在此基础上进行颗粒级尺度微观出砂过程和形态模拟，研究出砂机理和出砂形态及其影响因素。所建立的颗粒结构模型根据地层砂粒度分布曲线随机确定颗粒直径、圆球度系数及位置倾角，根据测井曲线利用随机方法表征颗粒胶结强度、水合物饱和度、聚合物老化物的随机非均质性分布和粒间应力。根据构建的颗粒剥落判别模型，建立以动态遍历搜索为核心的出砂过程和形态模拟算法。利用自主开发的数值模拟软件计算分析结果表明，该方法能够模拟和描述复杂条件储层的微观出砂过程和出砂形态，揭示微观出砂机理。本项研究提供了一种更加简单和直观的颗粒级尺度微观出砂过程模拟方法，区别于现有的传统基于岩石宏观力学破坏模式和连续介质的出砂模拟和预测方法，为储层尺度的进行出砂亏空形态预测提供了直接手段，对于后续的防控砂优化和生产调控具有直接指导意义。
出版信息：相关研究的部分内容在《中国石油大学学报（自然科学版）》2019年第6期以论文“天然气水合物储层颗粒级尺度微观出砂数值模拟”刊出，论文连接：http://zkjournal.upc.edu.cn/zgsydxxb/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20190609&flag=1。部分实验研究内容以论文形式“弱胶结储层出砂形态与机理微观可视化实验研究”被《石油钻采工艺》接收待刊。
支持合作：本研究得到国家自然科学基金项目(51774307)、国家重点研发计划课题(2017YFC0307304)、中国石油集团工程技术研究有限公司、胜利油田孤东采油厂、胜利油田石油工程技术研究院防砂中心支持。

进展2：非均相聚合物驱介质堵塞机理及堵塞评价
基础背景：非均相聚合物驱是聚驱后期有效的提高采收率的方式。非均相复合驱油体系粘弹体相和液相共存，会导致其在采出端-油井近井地带大量富集造成堵塞，导致低液。目前非均相复合驱介质与地层砂产出砂液复合流动条件下的近井防砂介质堵塞过程、机理及规律不明确，急需针对聚合物堵塞机理及规律，开展现场资料分析和实验模拟研究，为后续注采调整优化及解堵控砂提供基础。

研究进展：本项研究系统分析了孤东油田非均相驱生产现状，对前期已有的堵塞降产分析、成分测试、试井测试进行了分析总结。在此基础上，提出分析了不同堵塞模式及其堵塞程度；根据典型井堵塞低产模拟计算，形成了堵塞降产新认识；利用聚合物原液和老化物，以及防砂介质和地层砂，开展了非均相复合驱堵塞形成机理实验，系统分析了聚合物驱堵塞基本机理、变化规律和堵塞程度；探究了聚合物浓度、老化物含量、驱替流速、清洗剂等因素对堵塞程度的影响规律，分析了对生产应用的指导作用。研究揭示了3种非均相复合驱微观和宏观堵塞机理。) 实验和分析成果对孤东二区非均相聚合物驱方案调整优化、聚合物驱油井防砂参数优化、聚合物驱低产油井解堵工艺技术指明了未来研究和实施的具体技术方向，对生产应用具有较好的指导作用。
出版信息：相关研究成果以论文形式撰写待版中。
支持合作：此项研究受到胜利油田孤东采油厂、胜利油田石油工程技术研究院等支持。

进展3：基于介质堵塞规律的充填防砂井工作制度优化
基础背景：砾石充填防砂完井面临的主要困扰是由于投产后地层砂侵造成渗透率下降，从而导致油气井大幅降产。虽然众所周知，防砂井投产后的产量对挡砂介质的堵塞过程和最终堵塞渗透率有直接影响，但由于缺乏相应的机制和定量规律，砾石充填防砂井投产后的最优产量确定及工作制度优化尚无明确的依据和具体方法。

研究进展：针对流体粘速物性对砾石层堵塞机制及影响规律，开展了不同流体粘度和流速条件下的石英砂和陶粒介质挡砂堵塞过程模拟实验。结果发现砾石层的最终堵塞程度与流体粘度和流速的乘积有良好的单调性关系。基于此，提出了使用粘速指数即流体粘度与流速的乘积来表征流体物性和流动条件的方法，系统分析了流体粘速指数对砾石层堵塞的影响机制和规律。一系列的定量规律分析表明，控制油井粘速指数可以实现砾石充填防砂井投产工作制度优化，以降低砾石层堵塞渗透率和提高防砂后产能。通过对比实验分析，提出了一种油井防砂后最优配产量测算和阶梯式提高产量的砾石充填防砂井投产工作制度优化方法。本研究创新性地将堵塞机理和规律这一基础发现成功应用防砂井投产后的工作制度控制及优化，而这一工程问题此前一直未得到很好的解决，具有较强的实际应用价值。
出版信息：本项研究以论文“流体粘速物性对砾石层堵塞影响机制及充填防砂井工作制度优化实验”形式，被《石油勘探与开发》中英文同时刊出。英文题目为Effects of fluid flow rate and viscosity on gravel-pack plugging and the optimization of sand-control wells production。中文版连接：http://www.cpedm.com/CN/abstract/abstract3185.shtml 。
支持合作：本项研究受到国家自然科学基金项目(51774307)、国家重点研发计划课题 (2017YFC0307304)资助、中海油服油田生产事业部、青岛海洋地质研究所等支持。

进展4：天然气水合物储层高泥质超细粉砂挡砂机理及介质评价
基础背景：部分天然气水合物储层为泥质粉砂，胶结疏松，出砂问题严重。降压法开采过程中的合理与高效控砂是水合物正常开采的关键保障技术。水合物储层产出为气水流动条件、泥质含量高、地层砂粒径较细、出砂严重。传统石油与天然气行业常用的独立机械筛管和筛管砾石充填两大类型防砂工艺能否适应于条件特殊的天然气水合物开采，需要首先研究水合物储层条件的挡砂机理和可行性分析。

研究进展：针对高泥质粉细砂挡砂机制问题，使用粒度中值为10.1μm的某海域天然气水合物储层泥质粉细砂样品，模拟单向气液携砂流动条件，使用复合滤网类、规则缝隙类、金属纤维类及颗粒预充填类等四类典型挡砂介质在15-80μm精度下进行挡砂模拟实验，使用微观可视化装置观察介质挡砂过程中泥质粉细砂在挡砂介质内部及表面运移与沉积动态，分析介质流通性能和挡砂性能的变化，总结泥质粉细砂对不同介质的堵塞规律、微观挡砂机制及其影响因素。在气液携砂流动条件下利用标称精度15-80μm的复合滤网类、规则缝隙、不规则金属纤维类介质以及粒径中值116-245μm的预充填颗粒等4类挡砂介质进行挡砂堵塞模拟实验，分析介质挡砂过程与堵塞规律。通过显微成像手段分析不同类型介质表面泥质粉细砂微观沉积动态，提出介质介质渗透率损害速度指标进行不同类型介质流通能力、抗堵塞能力以及挡砂能力的定量对比评价和综合防砂性能评价，完成天然气水合物储层泥质粉砂气液携砂流动条件下挡砂介质类型优选。
出版信息：本项研究部分成果2论文“天然气水合物储层泥质粉细砂挡砂介质评价与优选实验”形式被《中国石油大学学报（自然科学版）》接收。其余部分成果以论文形式在《石油学报》投出在审。
支持合作：本项研究收到国家重点研发计划课题(2017YFC0307304)、国家自然科学基金项目 (51774307)资助、中石油水合物重大专项课题(ZD2019-184)、青岛海洋地质研究所等支持。

进展5：高产气井水平井筛管冲蚀实验模拟及评价体系构建
基础背景：冲蚀失效是防砂筛管损坏最常见的一种形式。导致筛管冲蚀磨损失效的主要因素有生产压差、油气井产量、生产过程中的油气含砂浓度、含砂粒度分布。现有的筛管冲蚀模拟装置为喷嘴单点冲蚀，仅观察冲蚀形态，计量冲蚀损坏时间，无系统的冲蚀定量监测体系，难以模拟井底尤其是水平井封闭空间中的实际冲蚀过程。

研究进展：防砂完井实验室联合相关企业联合研制了水平井筛管冲蚀模拟实验系统，用于水平井、垂直井均匀及非均匀入流条件下的筛管冲蚀损坏过程，评价冲蚀影响因素及其规律。可实现单/多喷嘴组模拟水平段非均匀入流冲蚀状态，实现温度、流量、含砂率、入流剖面、冲蚀距离、冲蚀角等不同因素敏感冲蚀实验。利用该实验系统，针对典型的多层复合精密筛管，完成了高温高压气藏筛管冲蚀模拟实验，研究建立了筛管冲蚀评价指标及评价方法，包括筛管综合抗冲蚀指数评价方法和实际单井综合冲蚀风险指数评价方法，能够评价整个冲蚀过程中筛管介质的综合动态变化。形成了评价筛管抗冲蚀性能的测试与评价方法，揭示了实际井底条件下筛管冲蚀损坏的基本过程、影响规律，拟合得到了冲蚀损坏预测模型，用于后续的冲蚀工况分析和筛管冲蚀损坏寿命预测。实验认识了典型外保护罩-复合滤网结构的精密筛管的冲蚀破坏形式，统计分析了外保护罩和滤网介质冲蚀损坏速度和损坏时间比例。提高筛管抗冲蚀性能的关键是提高外保护罩抗冲蚀能力。
出版信息：公开发明专利：一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置及评价方法与应用（ZL201810805289.2）、相关成果以论文形式撰写待版中。
支持合作：本项研究得到中海石油（中国）有限公司湛江分公司、中国石油集团石油工程技术研究有限公司等支持。

进展6：机械防砂完井筛管的动态腐蚀模拟及其系统评价体系
基础背景：机械筛管的腐蚀性能评价是筛管综合评价的核心内容之一。近年来，石油工程领域关于腐蚀评价的研究集中在井下油套管和工具以及地面集输管线，主要利用金属挂片静态腐蚀实验测试腐蚀速度。相对于油套管，专门针对结构复杂的机械防砂完井筛管的腐蚀评价研究相对较少，实验手段也是以静态金属挂片实验为主，难以模拟油气井生产过程中流体持续供给的动态腐蚀条件。另外，基于实验数据的数据分析和评价体系尚不完善。

研究进展：基于上述背景及需求，防砂完井实验(SCCL)在建设了全新的机械筛管动态腐蚀评价测试实验装置。实验系统的大容量反应釜可以直接容纳机械筛管局部10cm×10cm的切片样品，以及整体筛管短节样品，以研究复杂结构体（而不仅仅是金属挂片）的腐蚀规律；特殊的夹持机构使得每个主体反应釜可以同时放置6-8个样品，两个反应釜可以允许同时设置批量样品进行不同条件下的并行腐蚀对比实验；可以模拟动态腐蚀条件，除了保持夹持机构携带实验样品在腐蚀流体介质中动态旋转外，还可以不停机实现同组份气体和液体的实时更换，以模拟实际井下流体的持续产出条件，使得腐蚀模拟结果更加接近实际情况。
在硬件体系基础上，防砂完井实验室 (SCCL)研究建立了基管、保护罩和不同介质类型和微观结构挡砂介质的腐蚀测试数据分析处理方法、计算模型和评价指标体系。提出系统的定性评价和定量评价方法。后者使用腐蚀失重率、平均质量腐蚀速率、平均深度腐蚀速率等三个指标评价筛管的抗腐蚀性能，并研究形成了根据实验测试数据精确计算上述三个指标的方法。防砂完井实验室(SCCL)针对目前市场上常见的筛管类型和介质类型，开展了系统腐蚀损坏模拟评价实验，基于腐蚀模拟分析，对目前主流的腐蚀预测模型进行校正形成新的预测模型，并构建了机械筛管井底工况模拟系统。构建了从试件数据管理、实验数据采集、实验数据分析、腐蚀性能评价、腐蚀评价结果分析、井底筛管腐蚀工况模拟于一体的腐蚀评价软件系统。借助该软件工具可以完成一站式腐蚀材料数据库维护、快速试件数据维护、腐蚀评价与结果对比分析，一套系统完成全部腐蚀测试实验及评价工作。
出版信息：公开发明专利：一种气藏防砂筛管动态腐蚀模拟装置、模拟方法及性能评价方法（ZL201811481487.4）、2篇论文分别被《特种油气藏》、《石油机械》接收待刊。
支持合作：本项内容得到中海石油（中国）有限公司湛江分公司、中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司等支持。

进展7：稠油热采高温高压条件下机械筛管控砂模拟与优化
基础背景：2019年，防砂完井实验室高温高压防控砂驱替评价实验系统完成正式投入使用。该系统是防砂完井实验室的防控砂综合评价实验装置的4.0版本，实现高温高压和复杂流体条件防控砂驱替综合评价。利用该系统可以完成稠油热采、高温高压等苛刻条件下的防控砂模拟和评价实验。

研究进展：更新换代后的综合评价系统满足更高的实验条件，更加接近现场实际。新系统针对稠油热采、沥青质沉积、油气流动等复杂条件模拟油、气、水多相复杂流动条件下挡砂介质挡砂、堵塞过程。利用该系统，针对稠油热采条件下割缝筛管堵塞机理与参数优化，模拟目标油区地质和生产条件开展割缝筛管挡砂实验，分析割缝筛管在稠油、地层砂复合堵塞作用下渗透率损失机理和规律，探究割缝宽度、流通面积比等参数对割缝筛管堵塞影响，并针对目标工区完成优化。同时，模拟了不同筛管类型、不同防砂参数在多个蒸汽-稠油交替吞吐周期情况下的挡砂、流通、抗堵塞性能变化规律及其性能差异。通过系统的实验模拟研究，针对稠油热采条件优化了割缝宽度、长度、缝密、流通面积比等关键参数。
出版信息：相关成果以论文形式撰写待刊。
支持合作：本项研究得到中国石油新疆油田公司工程技术研究院、中国石化胜利油田石油工程技术研究院等支持。

进展8：非均质水平井砂水协同产出剖面演化模拟及分级控制优化
基础背景：疏松砂岩水平井的出砂和出水是两大棘手问题。弱胶结疏松地层沿水平井生产段的出砂和出水剖面演化过程相互协同相互影响。目前针对水平井控水研究较多，但砂水的协同产出剖面演化及砂水协同控制是未来解决水平井出砂出水问题值得考虑的途径。

研究进展：防砂完井实验室针对疏松砂岩水平井砂水协同产出剖面演化数值模拟问题，初步开展了疏松砂岩水平井储层物性非均质性定量表征、疏松砂岩非均质储层水平井出砂与出水剖面预测、 水平井水平段砂水协同产出机制及其剖面演化、砂水产出数值模拟方法等研究。研究表明，对于出砂储层，高入流流速区的出砂更加严重；出砂造成孔隙疏通和局部渗透率增加；而渗透率增加使得局部入流流速更高。产砂与产液相互影响，最终形成若干局部高速入流点，造成筛管冲蚀损坏。本领域通过持续研究最终期望形成疏松砂岩储层长井段水平井砂水协同产出剖面随时间演化模拟方法，实现砂水产出剖面的动态模拟，为后续智能高效控水控砂完井管柱研发提供基础。
出版信息：发明专利：一种水平井水平段相对出砂亏空剖面预测及防砂分级分段方法（ZL201810013090.6）、相关成果以论文形式撰写待刊。
支持合作：本项研究内容受到国家自然科学基金项目 (51774307)、中海油服油田生产事业部等支持。

进展9：复杂条件储层新型高效控砂筛管研制
基础背景：机械防砂筛管是早期防砂完井或后期防砂中的关键井下设备，筛管允许流体通过但可阻挡地层砂，从而达到防止地层砂进入井筒的目的。机械筛管防砂工艺技术简单，施工方便，但存在挡砂层薄、粉细砂容易侵入堵塞降产、有效期短等问题，尤其对于极不均匀地层砂、高泥质、稠油热采、高胶质沥青质、超细粉砂、高产高流速等复杂和特殊条件，现有机械防砂筛管在挡砂性能、流通性能和抗堵塞性能等方面难以全面兼顾。
研究进展：防砂完井实验室近年来持续开展针对复杂和特殊条件的新型防砂筛管研发。先后研究开发了可调精度筛管，弱胶结裸眼井外包裹膨胀充填防砂筛管、多层多粒级复合预充填筛管等多种新型筛管。弱胶结储层裸眼井外包裹膨胀充填防砂筛管主要针对石油与天然气藏流砂和半流砂储层，以及天然气水合物储层，用于解决传统防砂工艺砾石层充填厚度薄、充填密实程度低、稳定性差而无法用于流砂和半流砂储层防砂开采的难题。使用外包裹体高膨胀充填防砂筛管作为核心部件，在井下施工时，首先对目标储层进行裸眼扩眼处理，下入防砂管柱后使用携砂液携带固体颗粒，通过筛管内向筛管外进行挤压充填；筛管外包裹体发生径向膨胀直至外包裹体紧贴井壁，固体颗粒被充填在筛管外部的外包裹体内并被外包裹体包裹。施工使用固相颗粒为具有挡砂和降水功能的涂敷砂颗粒，可固结形成强度较高的整体，形成具有较大厚度、高充填密实程度、高稳定性的挡砂充填带，在提高整体防砂强度、延长防砂有效期的同时封堵水流优势通道、提高油气井产量。
出版信息：发明专利：一种适用于粉细砂防砂的多层多粒级复合预充填筛管，专利号：ZL201810176099.9；发明专利：一种裸眼井外包裹膨胀筛管及充填防砂方法，专利号：ZL201810179719.4。
支持合作：本研究得到国家重点研发计划课题(2017YFC0307304)、中国石油集团工程技术研究有限公司、青岛海洋地质研究所等支持。