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PSCCL实验室2020年度研究进展

发布者:Admin  发布时间:2021-2-2 11:23:10

众志成城、共克时艰的2020年会是人们长时间铭记的一年。高效开采(防砂)完井实验室在上半年关闭、下半年任务扎堆的情况下,全员高速运转,高效工作,圆满完成实验室年度工作任务。本期推文梳理总结2020年度在各方支持下PSCCL实验室的主要研究进展。

进展1:基于微观出砂模拟的长周期出砂井近井形态刻画技术

对于疏松砂岩中高渗易出砂储层,经过长周期出砂开采后,其近井出砂亏空形态及孔渗喉物状分布并不清楚,并且现有技术难以实现精细刻画,制约后续控砂增产工艺实施。其科学问题是非均质砂岩储层在复杂应力和流动场条件下的颗粒剥落与运移。

PSCCL实验室2020年度在前期颗粒级尺度微观出砂过程模拟理论与技术研究基础上,开展了不同类型储层颗粒级尺度微观结构建模完善与优化、出砂过程尺度放大方法、出砂形态预测研究,初步完善构建了实际油气井在长周期生产后的出砂亏空形态模拟方法,并研制开发了自主知识产权的模拟计算软件模块,实现了根据初期测井资料和生产条件预测给定时间下的近井出砂亏空形态及定量刻画。实际油井的出砂形态多是孔隙液化、类蚯蚓洞和连续坍塌三种典型形态的复合呈现,最终形成出砂亏空存在空隙增大、局部亏空、总体亏空三种形态及其复合形态。本项研究及成果对于疏松砂岩老油田出砂井的出砂形态描述、控砂与增产工艺优化具有重要指导意义,特别是对于老油田后期出砂管理和综合方案优化具有重要指导价值。
本研究得到国家自然科学基金 (51774307、52074331) 、中国石油天然气水合物重大科技项目(ZD2019-184-004)、胜利油田石油工程技术研究院、中海油服完井中心、中国石油集团工程技术研究有限公司等合作支持。获得软件著作权2项,发表论文1篇,其他论文正在组织撰写中。

进展2:非均质储层长井段水平井砂液协同产出机理及剖面动态演化
对于非均质储层长井段水平井,由于储层初始非均质性,长井段入流剖面为非均匀剖面;由于存在砂液协同产出机制,非均匀砂液产出剖面呈现动态演化特征。目前技术手段尚难以准确刻画砂液协同产出非均匀剖面及其动态演化规律,制约控砂控水及增产措施实施。

本研究基于测井资料表征的储层非均质性,通过砂液产出协同机理,研究构建疏松砂岩储层水平井砂液协同产出剖面动态演化模拟简易方法。首先开展砂水产出剖面随位置(空间)非均质分布描述研究,然后基于微观协同机制研究砂液产出非均匀剖面随时间(生产周期)的动态演化规律,最终识别高速产出剖面,为目前非均质储层长井段水平井的控砂、控水提供依据,提高砂水治理效果。研究表明:决定流体微流场和产出剖面的决定因素是孔隙度和渗透率分布,而决定砂粒产出的控制因素是颗粒胶结强度和流体拖曳作用。砂液协同产出机理是裸眼水平井非均匀集中入流剖面识别的理论基础。
本研究得到国家自然科学基金 (51774307、52074331)、胜利油田石油工程技术研究院等合作支持。本研究申请发明专利1项,相关论文正在组织撰写中。

进展3:不同开采方式稠油储层防砂介质协同堵塞机理及控砂优化
中高渗疏松砂岩储层中稠油油藏是重要组成部分,也是未来增产上产的主战场(如渤海油区、新疆油区等)。由于密度大粘度高以及沥青质含量高等,在稠油携带条件下的防砂介质堵塞机理与常规稀油油藏有很大不同,其控砂方案和优化设计方法也有异于常规储层。
PSCCL实验室近年来针对不同物性(中粘、高粘、高含沥青质)、不同生产条件(冷采、蒸汽驱热采、蒸汽吞吐热采、SAGD热采、VHSD热采)的稠油储层条件下,对不同防砂方式和介质(割缝衬管、绕丝筛管、精密筛管、石英砂砾石、人造陶粒等)开展了水和稠油混合物携砂驱替和挡砂模拟实验研究。提出并系统揭示了稠油与地层砂粒对控砂介质的协同堵塞机理。稠油吸附对防砂介质的流通性伤害比例可高达30-60%左右,具体与原油粘度、含油量密切相关;稠油与地层砂协同堵塞条件下的最终介质渗透率降幅高达90%以上。稠油的存在降低了防砂介质的流通性能,但同时提高了挡砂效果。对于蒸汽吞吐稠油筛管防砂,反向注蒸汽对堵塞孔隙具有冲洗解堵作用,使得筛管堵塞渗透率大部分得以恢复,每轮次的恢复比例可以达到50-70%,但随着轮次增加,恢复效果逐渐变差。基于系统实验机理及规律分析,针对不同储层条件、生产条件、热采方式等,研究形成了割缝筛管割缝参数优化以及稠油热采储层防砂优化方法。

本研究得到新疆油田公司工程技术研究院、中海油服完井中心、胜利油田石油工程技术研究院/孤东采油厂、中石油勘探院海外工程技术中心等合作支持。申请专利2项,发表论文1篇。其余相关论文正在组织撰写中。

进展4:高产油气储层筛管冲蚀损坏机理规律及模拟评价体系
对于陆地高产井和海上油气井的开采完井,筛管冲蚀损坏是导致管柱故障的主要原因和形式之一。冲蚀损坏的诱发条件一是油气井本身高产导致的高流速携砂冲蚀,二是由于储层入流剖面的非均质性及其动态演化导致的局部高速入流达到冲蚀损坏条件。

本研究针对油气井及天然气水合物井的筛管冲蚀损害开展了系统的实验研究,针对油井条件、气井及天然气水合物井条件,使用精密筛管针对保护罩和滤网介质的冲蚀损坏机理、冲蚀形态、主要影响因素(冲蚀流速、含砂率及粒径、冲蚀角、充实距离、介质特征等)等进行了系统的实验分析。基于实验结果和理论分析,提出了全新的适用于控砂完井筛管复杂结构介质的冲蚀速率预测模型,并研究构建了筛管冲蚀实验流程与评价规范、筛管产品抗冲蚀性能评价方法、实际井底条件下筛管冲蚀损坏风险评价方法,研制开发了配套计算分析软件模块。该项成果在前期研究基础上,较为系统地推动了不同储层和生产条件下控砂完井管柱的冲蚀损坏机理、影响因素及规律、预测模型与方法、抗冲蚀性能及冲蚀损坏风险评价方法,以及以降低冲蚀损坏风险的完井管柱优化设计方法。
本项研究得到了中海油湛江分公司、青岛海洋地质研究所、中国石油集团工程技术研究有限公司、胜利油田石油工程研究院、中海油能源发展工程技术分公司的合作支持。本研究申请发明专利2项,相关论文正在组织撰写中。

进展5:控砂完井筛管腐蚀损坏规律及模拟评价方法体系
对于富含二氧化碳的油气井,控砂完井筛管腐蚀损坏是导致管柱故障的另一种主要原因和形式。在油气工程领域,油管和套管管柱腐蚀是一个老生常谈的话题。但实际上,对复杂介质结构的控砂完井筛管,其腐蚀机理、腐蚀规律、模拟与评价方法等并未形成系统的方法与技术体系。

本研究通过针对油藏和高温高压气藏条件的系统控砂筛管腐蚀实验,构建了较为完善的预测、模拟、评价体系。本实验利用动态腐蚀模拟系统,使用割缝筛管、精密筛管样品,针对筛管机关、挡砂介质、外保护罩等部件,以及N80、304、316L、泡沫金属镍等多种材料开展了系统的腐蚀测试实验,研究外保护罩、基管、挡砂介质等不同筛管组件在不同油气藏条件下的腐蚀速度和抗腐蚀性能差异,研究温度、CO2分压、水气比等条件对筛管腐蚀速率的影响规律,系统揭示了腐蚀机理及定量规律,拟合修正获得考虑金属材料的不同类型油气藏筛管腐蚀速率预测模型。基于实验及模型,研究构建了全新腐蚀预测方法和评价体系,主要包括复杂结构筛管的腐蚀实验评价方法和指标体系、实际油气藏井底条件下的筛管腐蚀速率和抗腐蚀性能评价方法、实际井底条件下筛管腐蚀寿命和腐蚀评价,并研制开发了配套计算分析软件模块。该项成果在前期研究基础上,较为系统地推动了不同储层条件和控砂完井管柱的腐蚀损坏机理、影响因素及规律、预测模型与方法、抗腐蚀性能及腐蚀损坏风险评价方法,以及以降低腐蚀损坏风险的完井筛管结构优化方法。
本项研究得到了中海油湛江分公司、中海油能源发展工程技术分公司的合作支持。发表论文2篇,申请专利1项,其它相关论文正在组织撰写中。

进展6:不同类型储层井底控砂完井综合工况模拟及完整性评价
对于不同类型复杂条件油气储层,开采完井管柱面临高温、高压、流体流动、出砂、应力等各种复杂条件,可能出现机械损坏、热变形、冲蚀、腐蚀、堵塞等损坏,影响管柱完整性及服务期限。因此,井底控砂综合工况模拟与完整性评价对于完井管柱优化和提高开采效果具有重要意义。

本研究基于前期的控砂介质堵塞、冲蚀与腐蚀、热应力与变形、高温精度变化等模拟研究,系统构建了考虑腐蚀、冲蚀、堵塞、挡砂等因素的不同类型油气藏井底完井管柱综合模拟及服务期限预测方法,构建综合控砂完井效果和适应性评价方法与指标体系,研制开发配套的软件模块。实现根据地质条件、井身结构、控砂方式、温度压力、生产动态、出砂情况,模拟筛管各组件腐蚀、冲蚀随时间的动态变化,模拟介质堵塞及流动性动态变化,模拟筛管介质变形与精度变化,以及筛管综合工况分析及服务期限预测。对于实际油气井,控砂完井投产后,地层出砂,部分通过筛管,部分阻挡沉积在环空;筛管介质堵塞,环空地层砂堆积填埋、腐蚀、冲蚀、介质高温变形等过程同时发生。本项研究及成果为实际油气井井底管柱综合工况模拟与评价提供了直接有效的技术手段。

本项研究得到了中海油湛江分公司、新疆油田公司工程技术研究院、塔里木油田油气工程研究院、胜利油田石油工程研究院等合作支持。相关论文正在组织撰写中。

进展7:复杂条件储层高效控砂筛管装备研发
地层砂粒度中值、泥质含量、均匀系数、流体物性及流速是影响控砂介质综合效果的关键因素。不同地质和生产条件的油气藏类型对高效控砂筛管提出了更高的要求,高挡砂性能和高流通性能的控砂筛管是未来完井装备的核心需求。

本研究针对稠油热采、天然气井、天然气水合物井等各种复杂条件储层,以高流通性和高挡砂性能为目标,创新研制设计了吞吐生产油井活动滤网式防砂筛管、蒸汽吞吐井的可旋转多层防砂筛管、高抗冲蚀筛管外保护罩、自适应预充填陶粒防砂筛管、改性复合容腔控砂完井筛管、水平井防砂控水筛管、出水气井和天然气水合物井防砂筛管、多层多粒级复合预充填筛管等系列新型筛管;未来将进入样机试制、测试评价和改进完善阶段。
本项研究得到了国家重点研发计划课题 (2017YFC0307304)、中国石油天然气水合物重大科技项目(ZD2019-184-004)、中海油服油田生产事业部完井中心、中海油湛江分公司、大港油田石油工程技术研究院、胜利油田石油工程研究院等合作支持。申请(授权)发明专利8项,相关论文正在组织撰写中。

进展8:复杂条件储层高效控砂增产方法与优化设计技术
控砂完井优化理论与技术是开采(防砂)完井领域永恒的技术热点,以追求良好的控砂效果和保持长期高产为目标,实现不同类型油气储层和不同控砂方式的优化设计。

本研究针对上述目的,系统研究形成了不同开采方式稠油油藏控砂优化设计方法、中高渗储疏松砂岩油气储层的拟压裂防砂增产方法、长井段水平井分级分段控砂方法、垂直井管外出砂亏空剖面预测及高饱和砾石充填施工方法、出水气井和天然气水合物井防砂控水组合设计方法等系列新型防砂方法和设计技术。其中,拟压防砂裂增产方法通过高压挤注作业方式实现储层中先产生塑性挤压,后产生裂缝延伸充填的复合破坏模式,形成有效挡砂屏障并提高近井储层流通能力,实现防砂和增产。针对挤压充填施工缺乏依据、施工笼统、综合效果差等问题,提出根据亏空分均质性模式,设计加砂挤注和停砂挤注不同组合方式的泵注程序,实现整个亏空部位的高饱和高密实充填,提高挡砂层的稳定性和挡砂效果,并提高流通性保持油气井高产量,最终提高出砂油气藏的开采效益。
本项研究得到国家自然科学基金(51374226)、中海油服油田生产事业部完井中心、中海油湛江分公司、大港油田石油工程技术研究院、胜利油田石油工程技术研究院等合作支持。申请(授权)发明专利4项,相关论文正在组织撰写中。

进展9:天然气水合物储层高泥质超细粉砂挡砂堵塞机理及规律
中国南海海域部分天然气水合物储层地层砂为高泥质含量细粉砂,开采防控砂难度较大。前期的天然气水合物试采中,由于生产周期相对较短,一定程度上限制了对控砂设计与实施效果的认识。需要从基础研究做起,科学谨慎认识水合物储层的出砂防控问题。

本研究系统开展了不同类型控砂筛管超细泥质粉砂气水携带挡砂堵塞模拟实验,基于实验结果构建了堵塞渗透率预测经验模型,提升了对投产初期井底挡砂堵塞动态的认识;研究构建了不同类型筛管及挡砂介质对泥质粉砂的挡砂性能、流通性能、抗堵塞性能及综合性能评价方法,形成定量评价指标体系,支撑水合物储层防砂方式与介质类型优选以及防砂精度等参数优化。通过实验分析了干净挡砂介质入井投产后在挡砂堵塞初期的过砂量、过砂粒径随时间的变化规律,为水合物井底防砂生产模拟提供了依据;实验模拟筛管挡砂条件下,过砂量和过砂粒径随时间和挡砂程度的变化规律,拟合得到过砂量预测经验关系,用于水合物储层筛管控砂投产初期挡砂工况模拟。通过系列微观挡砂实验及视频图像分析,揭示了水合物储层高泥质超细粉砂挡砂的三种微观挡砂机理和过程,并分析了不同机理和阶段的堵塞/流通性变化规律。最终分析揭示天然气水合物储层筛管控砂投产后的井底过砂、筛管内部堵塞、外部空间充填堵塞基本过程,为水合物储层不同井型试采/开采井出砂防控与固体管理提供指导。
本项研究得到国家重点研发计划课题 (2017YFC0307304)、国家自然科学基金 (52074331)、中国石油天然气水合物重大科技项目(ZD2019-184-004)、青岛海洋地质研究所、广州海洋地质调查局等合作支持。发表论文3篇,相关论文正在组织撰写中。

进展10:煤层气开采微粒启动-运移机理规律及控制技术
煤粉问题是制约煤层气井连续稳定排采和产能提升的关键因素之一。排采实践表明,煤粉产出贯穿于气井生产的各个阶段,尤其以单相流排水阶段和气–水两相流阶段较为突出。
PSCCL实验室2020年度基于CFD–DEM耦合法,开展了单相水流诱发裂缝内煤粉启动–运移数值模拟。结果表明排水阶段煤粉启动–运移存在临界流速现象,且临界流速随煤粉粒径、缝宽和DLVO参数的变化而变化。在气–水两相流阶段,煤层裂缝内流型以泡状/段塞流为主,液相中含有一系列移动气泡。PSCCL实验室运用毛细力学、水动力学、扩展DLVO理论和JKR接触理论,创新提出了移动气泡诱发裂缝内煤粉启动力学模型,揭示了煤粉启动微观力学机制,并基于此提出了煤粉防控技术措施。结果表明移动气泡施加的毛细力比液相水动力大几个数量级,是两相流阶段诱发煤粉启动–运移的主导作用力;移动气泡作用下,煤粉主要由后退界面携带运移,运移模式以滚动为主;降低生产压差和气–水界面张力,提高裂缝面亲水性可有效防控煤粉启动–运移。上述研究成果对于煤层气井出煤粉预测、科学合理排采制度建立、煤粉管控,进而实现煤层气井连续、稳定、高效产气,具有重要科学意义和实际应用价值。

本研究研究得到了国家自然科学基金(42002182)的支持。已撰写并投稿学术论文2篇。

 

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