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PSCCL科普文献系列[2]:防砂介质的挡砂精度迷局!

发布者:PSCCL  发布时间:2020-3-22 11:22:29

▋▎引言 Preface

上一期PSCCL科普文献系列(1)我们简要讨论了筛管介质挡砂过程和宏观与微观挡砂机理。公众号文章发布后,在防砂完井技术交流微信群引发了大讨论。文章确实起到了抛砖引玉的作用,各位行业专家发表了更多的看法和认识,并进行了更加广泛和深入的讨论。相互学习,共同进步,这也正是PSCCL公众号和微信群创立的初衷所在。

今天,PSCCL科普文献系列的第二期,来继续深入讨论下防砂介质的挡砂精度迷局


▋▎重温防砂介质类型  Review

防控砂领域,防砂方式基本是机械筛管和砾石充填两大类为主。充当挡砂角色的基本是筛管或砾石层。其中比较特殊的是预充填筛管,在筛管里面预充填石英砂或人造陶粒,其挡砂介质还是砾石充填层。归纳上述防砂方式中,挡砂介质基本包括如下五大类:

规则缝隙类介质:典型代表是割缝筛管和绕丝筛管,缝型主要有矩形缝、单梯形缝、双梯形缝,印象里还出现过三段式梯形缝、弧形缝等。

规则滤网类介质:主要是单层或多层金属编织网叠加形成挡砂层。

不规则金属纤维类介质:由金属丝杂乱缠绕而成,或者金属纤维杂乱烧结压制而成。

颗粒充填类介质:由石英砂、涂敷砂或人造陶粒等固体颗粒堆积充填形成挡砂介质。

金属泡沫孔隙类:算是新型挡砂介质,金属海绵形成泡沫状孔隙结构。

▋▎何谓挡砂“精度”?What's it?

精度一词,更多地来源于测试和计算领域,表征测试或计算的准确性,比如压力传感器精度,或者数值模拟计算精度等。精度一词引入防控砂领域,自然的愿景也是希望通过“精度”来表征控指砂粒通过的精细程度。按照比较正常的理解,挡砂精度是指挡砂介质能够阻挡的地层砂最小粒径,或者说允许通过挡砂介质的最大粒径。基于此,我们经常会见到诸如如下几种情况的表述:

某筛管产品的挡砂精度是120um;某公司某某筛管产品的挡砂精度包括60um、80um、100um、120um等……”

某井防砂设计的挡砂精度为120um……

麻烦咨询一下这口井的挡砂精度怎么设计?……”

某井采用适度防砂,将挡砂精度放大到200um,阻挡200um以上的地层砂……”

我们实验室经常收到筛管或介质样品,标注了明确的“挡砂精度”。我本人这些年发表的一些学术论文,也是在堂而皇之的提到“挡砂精度优化实验”、“挡砂精度设计模型”等等。我们理所相当地将“挡砂精度”一词广泛应用于我们的日常工作、学习、交流和研究,但是否真正思考过其中意味呢?

▋▎筛管挡砂精度的困惑 Confusions    

困惑1:不同类型防砂介质的挡砂精度数值到底是如何确定的?

不同的介质类型的微观挡砂机理不同,其挡砂精度的确定或界定方法也不同。我们重新来审视一下前面提到的规则缝隙、规则滤网、不规则金属纤维、充填颗粒、金属泡沫孔隙等几类介质。

规则缝隙类介质精度

能够通过规则缝隙的最大砂粒径取决于缝隙的最窄宽度。规则缝隙的挡砂精度我们很容易就用最小缝宽来界定。但实际上,对于规则缝隙类介质,真正能通过缝隙的地层砂最大粒径要小于最小缝宽。我们实验室早期用清水做过测试实验,最大通过砂粒径大约是最小缝宽的0.75-0.85倍(这里不是学术论文,数据支撑素材这里就不摆了);原因很简单,粒径与缝隙宽度接近的不规则固体颗粒在缝隙里很容难以卡住出不来。并且随着驱替继续,能够通过的砂粒径和砂量越来越少。当然,即便如此,我们用最小缝宽来表征规则缝隙类的挡砂精度,虽然不够严谨,似乎引起的争议并不大,毕竟数据可靠并且误差不大

规则滤网类介质精度

这个问题就有点复杂了。首先,规则滤网介质具有相对“规则”的矩形或正方形网孔,我们习惯拿网孔的长度或宽度(中较窄的数值)来作为挡砂精度,这一点和规则缝隙类有点相似,基本也无可厚非。但是,新的问题是,规则滤网类介质一般都是多层叠加在一起的。很容易想象,假如单层网孔直径100um的滤网挡砂精度为100um还好理解;多层滤网叠加在一起的挡砂能力(精度)还是100um么?当然不是,会大大提高。我曾经了解过某油田的复合精密筛管产品,厂家提供的挡砂精度是什么呢?是单层网孔直径。很显然,现场如果按照这个精度去做控砂设计,是不合适的。我们实验室进行过简单的测试,通过多层滤网的最大砂粒直径,除了与单层网孔的直径有关外,和滤网的层数也有密切关系;层数越多,过砂粒径越小

更复杂的不规则介质精度

不规则介质包括金属纤维、充填颗粒和金属泡沫孔隙。从微观结构上讲,这些介质的孔喉结构都是不规则的,或者说杂乱无章的。他们的挡砂精度是怎么确定的呢?这个应该比较困难,因为孔喉结构的分布具有不规则性,具有很大的随机性,孔隙结构的连通性也很复杂,很难测试或描述清楚。我就这个问题咨询过一些筛管厂家人员,但基本都未得到明确的回答。那么,此类产品上标称的挡砂精度是如何得到的呢?相信多朋友都想知道。这个数值对于现场用户而言,是非常重要的。

困惑2:防砂介质的挡砂精度真的是一个固定的数值么?

首先,我们还是从介质挡砂机理和过程方面做一下分析。在PSCCL科普文献系列(1)中我们剖析过各种挡砂介质的微观挡砂过程和机理。干净的挡砂介质会发生内部桥架堵塞,以及外部空间的分选桥架堵塞,挡砂过程实际上是一个逐渐被地层砂堵塞的过程。也就是说,即使初始干净的挡砂介质,随着介质内部被地层砂部分堵塞,他其挡砂能力是不断提高的,因为介质内部的孔喉尺寸越来越小。显然,介质的挡砂能力是动态变化的,用一个固定的数值来表征挡砂精度,显然是不十分妥当的


其次,我们从挡砂精度的测试条件上谈一谈。确定挡砂精度最直接的方法是实验测试。无论是玻璃微球测试还是地层砂测试,基本的测试方法是流体携砂驱替挡砂介质,测试通过的砂粒径和砂量。主要注意的是,既然是驱替,测试条件很关键,比如驱替流体、流体粘度、流体流量或流速、地层砂的粒径分布、泥质含量等。一个基本事实是,流体对砂粒的携带能力对通过介质的地层砂粒径和砂量影响很大。这个不难理解,相同的地层砂和介质,流体粘度越大、流速越高,对地层砂携带力越强,就越容易通过挡砂介质。换句话说就是,测试得到的挡砂精度与流体流速等流动参数关系很大。介质的挡砂能力不完全取决于介质本身,还和外部生产条件有关。这种情况下,标称“挡砂精度”是一个定值,是不是有问题呢?

困惑3:现场工程师“挡砂精度设计”到底设计什么?

基于传统对挡砂精度的认识,延伸到防砂完井设计和实施现场,我们也经常碰到“挡砂精度设计”的工作,这是防砂完井设计的重要内容之一,比如选择砾石尺寸,设计筛管的挡砂精度等;也有很多书籍和文献提到“挡砂精度”设计模型、挡砂精度优化实验等等,我们实验室也是推波助澜的力量之一,做了一些“贡献”。那么,这个设计,到底设计什么呢?

如前所述,挡砂精度是表征防砂介质的挡砂能力;即使前面我们提到这个能力是动态的、和流动条件有关的,但它还是表征的挡砂能力,这个没有变。对于现场防砂完井工程师,这个产品的挡砂能力,是他们能够或需要设计的么?

想想不难,对于一口出砂井或出砂油气藏,现场防砂完井工程师的任务是有效控制出砂。出砂的粒径特征、物性含量、生产条件、防砂要求等,这个是明确的。对于现场工程师而言,需要考虑的是,根据生产需求是要完全挡砂还是挡住一定粒径的就可以了。简言之,现场防砂完井工程师的任务是根据生产需求确定挡砂目的,然后去选择合适防砂产品,在防砂产品能提供的性能数据中,优选能够达到自己防砂目的的产品和参数。说的还不够明白,继续看下一节。

▋▎总结与思考—如何破解“精度”迷局?            

综合上述的阐述,我们总结一下:

挡砂精度表征防砂介质的挡砂能力,指挡砂介质能够阻挡的地层砂最小粒径,或者说能够通过挡砂介质的最大粒径

挡砂介质的挡砂精度是随着挡砂堵塞过程(生产过程)动态变化的,不是一个固定数值。挡砂精度测试时,测试结果和流体流动条件有密切关系,也很难是一个确定值

复杂结构挡砂介质的挡砂精度数据的获得比较难,也是一个不太被众人所知的问题

现场防砂完井工作中的“挡砂精度设计”从逻辑上或者说法上是不妥当的。


如何破解关于挡砂精度的“迷局呢”?我们的几条冷建议:

标注挡砂精度,并不是产品制造商的事儿。因为制造商很难确定准确的挡砂精度,或者说准确确定要付出较大的成本。制造商需要干的事,就是只要把产品结构参数标注清楚就可以了

防砂完井现场工程师要干的事儿,就是根据地层砂粒径特点、防砂目的和生产需求,选择防砂方式、产品类型,以及产品的结构参数。

防砂完井现场工程师如何选择防砂介质的结构参数呢?根据要阻挡的地层砂的粒径,依赖于对筛管挡砂能力(精度)的检测结果,进行匹配,完成设计。所谓的设计,其实就是选择现有产品中的最优结构参数。这个需要论证、研究或测试。

现场防控砂设计详情,敬请期待下一期:

【下期预告】PSCCL科普文献系列(3):防控砂设计那些事儿!


▋▎参考文献 References

董长银,刘永红.机械防砂完井筛管.专著,北京:中国石化出版社,201707,28
董长银,钟奕昕,武延鑫,周玉刚,曾思睿.水合物储层高泥质超细粉砂筛管挡砂机制及控砂可行性评价试验,中国石油大学学报(自然科学版),201812,42(6),79-87
董长银,贾碧霞,刘春苗,吴建平,王登庆.机械防砂筛管挡砂介质堵塞机制及堵塞规律试验,中国石油大学学报(自然科学版),201110,35(5),82-88
董长银,张清华,高凯歌,杨康敏,冯兴武.机械筛管挡砂精度优化实验及设计模型,石油勘探与开发,201612,43(6),991-996

 

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