人工井壁涂覆砂材料抗沖刷性能研究

張云飛，蘇延輝，史斌，江安，夏環宇，崔國亮

人工井壁涂覆砂材料抗沖刷性能研究

張云飛，蘇延輝，史斌，江安，夏環宇，崔國亮

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司， 天津 300452）

為研究人工井壁涂覆砂材料抗沖刷性能，研制了由沖刷泵、耐沖刷測試系統、過濾及水箱模塊、上覆壓力自動加載模塊及數據采集控制模塊構成的沖刷試驗裝置，利用該試驗裝置對人工井壁涂覆砂材料固結巖心開展了不同沖刷排量、沖刷壓差及沖刷時間的沖刷破壞試驗，分析了固結巖心沖刷后的表觀形貌、沖刷率以及單軸抗壓強度的變化情況，結果表明：固結巖心受沖刷作用后，入口端的沖蝕破壞程度要高于出口端，抗壓強度保留率僅為原來的67.96%，沖刷排量為25 L·min-1時，沖刷過程僅維持了4 h。沖刷破壞試驗表明，即使是人工井壁涂覆砂材料的抗壓強度能夠滿足行業標準的技術要求，但仍尚宜檢測其抗沖刷性。

涂覆砂材料； 抗沖刷； 人工井壁； 試驗裝置

涂覆砂人工井壁防砂是目前較好的化學防砂方法[1-2]，但對于涂覆砂的性能評價指標，現行石油行業標準[3-4]僅對其抗折強度、抗壓強度及滲透率三個靜態指標進行了規范要求，而現實中人工井壁是要受帶壓流體長時間、高強度的動態沖刷作用的[5-6]。王寶權[7]等學者研究指出：在采用人工井壁防砂時，施工前需對涂覆砂材料進行沖刷試驗評價，充分考慮流體對人工井壁的沖刷破壞作用很有必要。

涂覆砂形成的人工井壁在流速較高的流體沖刷下，容易發生表面砂粒剝離脫落，導致涂覆砂回流，引起油水井出砂，造成油層砂埋、油管砂堵、砂卡，致使原油產量、注水量下降甚至停產、停注[8-10]。盡管有些涂覆砂材料的抗壓強度可滿足技術要求，但若是其抗沖刷性不足，現場一旦采用其作人工井壁防砂，勢必會引起嚴重的大修或關停事故。

為此，本文利用研制的人工井壁涂覆顆粒耐沖刷試驗評價裝置（專利號：202010644035.4）對人工井壁涂覆砂材料固結巖心開展了不同沖刷排量、沖刷壓差及沖刷時間的沖刷破壞試驗，分析了固結巖心沖刷后的表觀形貌、沖刷率以及單軸抗壓強度的變化情況，試驗結果為研究制定涂覆砂的抗沖刷性能控制指標的提出提供了支持。

1 總體思路與試驗原理

1.1 總體方法與思路

依據行業標準[11]，利用涂覆砂材料體系配方（粒徑為20～40目）制得大量的涂覆砂固結巖心，用于本次的人工井壁抗沖刷模擬。為了便于沖刷試驗前后結果的比較，首先需在沖刷試驗前對固結巖心進行單軸抗壓強度及滲透性試驗。取3組試驗結果的平均值作為耐沖刷前的單軸抗壓強度及滲透率（見表1）。其次利用耐沖刷試驗評價裝置對固結巖心開展不同沖刷排量、沖刷壓差及沖刷時間的沖刷破壞試驗。根據測試結果，分析固結巖心沖刷后的表觀形貌、沖刷率以及單軸抗壓強度的變化情況。

表1中，抗壓強度及滲透率指標滿足行業標準涂覆砂的技術指標要求，屬于二級品。

表1 固結巖心耐沖刷前的抗壓強度

1.2 試驗原理

耐沖刷試驗評價裝置的沖刷排量可達50 L·min-1，可滿足沖刷線速度0～12.6 m·s-1，沖刷壓差0～15 MPa，沖刷時間理論上是無限長的耐沖刷試驗，能夠模擬現場工況下化學防砂施工后人工井壁受沖刷的實際情況。試驗中耐沖刷測試系統兩端的壓差隨時間的變化可以反映出受高強度的沖刷作用后人工井壁的內部顆粒運移情況；收集產出砂進行烘干處理并稱重，用于計算沖刷率；試驗結束后取出固結巖心進行單軸抗壓強度測試，計算巖心試樣沖刷前后抗壓強度保持率，可反映出受沖刷后人工井壁的破壞程度。

1.3 試驗裝置流程

試驗裝置包括沖刷泵、耐沖刷測試系統、過濾及水箱模塊、上覆壓力自動加載模塊及數據采集控制模塊（包括流量計、壓力計等），流程如圖1。由沖刷泵產生帶壓流體（液體或氣體），通過管匯進入耐沖刷測試系統，高速的流體對涂覆砂形成的固結巖心進行沖刷，流體通過固結巖心后進入過濾及儲水模塊，過濾后的液體重新進入沖刷泵，完成循環。

1—沖刷泵；2—流量計；3—壓力計；4—耐沖刷測試系統；5—壓力計；6—過濾單元Ⅰ；7—過濾單元Ⅱ；8—水箱單元；9—上覆壓力自動加載模塊；10—壓力計

2 耐沖刷性能評價方法

2.1 試驗準備

將模擬人工井壁的固結巖心裝到耐沖刷測試系統后，旋緊左右堵頭，圍壓加載到2 MPa左右（設置成自動跟壓，保持圍壓始終＞巖心夾持器入口壓力2 MPa），之后將連接耐沖刷測試系統到沖刷流程中。

2.2 試驗過程

打開其中一路過濾單元所在管路，調節好沖刷流量或沖刷壓差，沖刷泵啟動后進行巖心試樣沖刷試驗。試驗中可實時收集出砂，開啟另一路過濾單元，關閉正在工作的過濾單元并拆卸下過濾器，收集砂子、烘干用于計算沖刷率。中間的操作過程不會引起太大的壓力波動，保證試驗的精準性。

試驗結束后，取出巖心試樣，進行抗壓強度測試，計算巖心試樣沖刷前后抗壓強度保留率。

2.3 數據處理

1）沖刷率

=×

式中：—中沖刷率（單位面積上每min砂樣的剝落量），g/(cm2·m(剝落；

m(砂量的剝落量，g；

量的巖心試樣的截面積，cm2；

m試巖心試樣抗沖刷的時間，min。

2）抗壓強度保留率

?=0s0×100%

式中：中：抗壓強度保持率；

0ss強耐沖刷前的抗壓強度，MPa；

0Pa耐沖刷后的抗壓強度，MPa。

3 抗沖刷性試驗結果分析

3.1 同一時間段不同排量下的耐沖刷實驗

按照5、10、15、20、25、30、35、40、45 L·min-1的流量，一定的沖刷時間（1h）依次進行試驗，觀察巖心受流體沖刷前后的狀態及抗壓強度變化，結果如表2、圖2所示。

圖2 固結巖心受沖刷作用后巖心狀態

圖2可知，固結巖心入口端由于直接受帶壓流體的高速沖刷作用，被沖蝕成“蒙古包”，出口端剝離脫落的砂粒則被高速流體帶走，沖蝕成“孔洞”，但明顯弱于直接受流體沖刷的正面。

由表2可知，抗沖刷破壞后固結巖心的抗壓強度保留率僅為原來的67.9%。

表2 固結巖心耐沖刷前后的抗壓強度的變化

3.2 同一排量不同時間下的耐沖刷實驗

按照同一沖刷排量25 L·min-1不同沖刷時間依次進行沖刷試驗，實時收集5、15、30、60、90、120、150、180、240 min的出砂量，計算沖刷率。結果如圖3-5所示。

圖3可知，沖刷排量為25 L·min-1時，沖刷過程僅維持了4 h。固結巖心內部顆粒一直在運移（與巖心的出砂結果相吻合，圖4），并不斷堵塞有效孔道，沖刷壓差隨沖刷時間壓力一直上升，到最后壓力激增導致巖心被沖散，全部進入過濾單元中（圖5），此時壓力也很快得到釋放。

圖3 固結巖心連續沖刷4 h的壓力曲線圖

圖4 巖心單位面積上每min的出砂量

圖5 固結巖心受沖刷作用后被沖散的狀態

4 結 論

1）利用研制的人工井壁涂覆顆粒耐沖刷試驗評價裝置對人工井壁涂覆砂材料固結巖心開展了不同沖刷排量、沖刷壓差及沖刷時間的沖刷破壞試驗。

2）固結巖心受沖刷作用后，入口端的沖蝕破壞程度要高于出口端，抗壓強度保留率僅為原來的67.96%。

3）沖刷破壞試驗表明，人工井壁涂覆砂材料的抗壓強度即使是滿足行業標準的技術要求，仍尚宜檢測其抗沖刷性。

[1]李懷文，孫濤，王超，等．超低溫新型樹脂涂敷砂及人工井壁防砂技術[J]．石油學報，2016，37 (S2)：112-116．

[2]范明福．低溫油井覆膜砂人工井壁防砂技術與應用[J]．科學技術與工程，2017，17 (12)：168-171．

[3]采油采氣專業標準化委員．防砂用樹脂性能評價方法：SY/T 6572—2003[S]．北京：石油工業出版社，2003．

[4]采油采氣專業標準化委員．加固井壁和人工井壁防砂工藝作法：SY/T 5338—2011[S]．北京：石油工業出版社，2011．

[5]胡祎．分散型樹脂人工井壁防砂技術的研究與應用[J]．石化技術，2019(4)：44．

[6]張憲游，劉麗．防砂進展及新工藝展望[J]．西部探礦工程，2011 (6)：38-39．

[7]王寶權，匡韶華，佟姍姍，等．樹脂砂人工井壁防砂模擬試驗研究[J]．新疆石油科技，2014，24 (3)：23-26．

[8]李常友．覆膜砂防砂快速固化技術優化研究與應用[J]．復雜油氣藏，2018，11 (4)：74-77．

[9]黃文民．人工井壁防治細粉砂技術研究[J]．特種油氣藏，2003，10 (6)：65-66．

[10]薛鋒，劉承美，佘躍惠．中淺層細粉砂巖注水井化學防砂試驗研究[J]．鉆采工藝，2000，23 (4)：47-49．

[11]采油采氣專業標準化委員．樹脂涂敷砂技術要求：SY/T 5274—2016[S]．北京：石油工業出版社，2017．

Study on Anti-scour Performance of Artificial Shaft Wall Coated Sand Material

（CNOOC Ener Tech-Drilling and Production Company, Tianjin 300452, China）

In order to study the anti-scour performance of sand coating material for artificial shaft wall, a scour test device was developed, including scour pump, erosion resistance test system, filter and water tank module, automatic loading module of overburden pressure and data acquisition and control module. The test device was used to test the consolidated core with sand coated material on the artificial shaft lining with different flushing displacement, scouring pressure difference and scouring time. The changes of apparent morphology, erosion rate and uniaxial compressive strength of consolidated core after scouring were analyzed. The results showed that the erosion damage at the inlet was higher than that at the outlet, and the compressive strength retention rate was only 67.96% of the original level. When the displacement was 25 L·min-1, the erosion process only lasted for 4 h. Even though the compressive strength of the sand coated material for artificial shaft lining can meet the technical requirements of the industry standard, its anti-scouring property still needs to be tested.

Coated sand material; Anti-scour performance; Artificial shaft wall; Test device

TQ016

A

1004-0935（2022）02-0167-04

中海油能源發展重大科技專項，疏松砂巖過篩管壓裂工藝技術優化研究（項目編號：HFZXKT-GJ2020-01-03）；中海油工程技術分公司項目，注水井人工井壁涂覆砂材料研究（項目編號：GCJSXMHT-E1906）。

2021-11-02

張云飛（1988-），男，工程師，碩士研究生，山西省忻州市人，2015年畢業于中國石油大學（華東）石油與天然氣工程專業，研究方向：油田化學技術研究與應用。