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与流程

本发明涉及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，属于气井防砂完井评价设备的实验装置及评价方法的技术领域。

背景技术

我国及世界上的常规石油与天然气储层中，70％以上是弱胶结疏松砂岩油气藏，在开采过程中地层出砂严重。所谓出砂，是指石油与天然气疏松砂岩储层以及天然气水合物储层在开采过程中，地层砂粒随地层流体产出到井筒或地面的现象。防砂是目前解决出砂问题的主要途径，而无论采取何种方式防砂，机械筛管都是防砂体系的关键组成部分，因此机械筛管防砂性能的长时间稳定对油气井防砂质量、防砂有效期以及油气井产量至关重要。防砂筛管在油气开采过程中的损坏形式主要包括筛管冲蚀磨损失效、挤毁破坏、筛管堵塞等，其中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。

针对高温高压气藏水平井，当采用独立筛管防砂或采用砾石充填防砂但充填不均匀甚至筛管上表面未充填砾石的情况下，防砂筛管直接面对含砂流体的冲击作用，其发生冲蚀磨损失效的几率也将大幅提高，而一旦防砂筛管失效将导致油气井整体防砂作业的失败。现有的研究防砂筛管抗冲蚀性能的实验装置都是使用筛管片进行单点冲蚀研究，并未考虑实际水平井气藏开采过程中多点非均匀入流、气水同产、地层高温等生产条件。因此，需要研制出一种能够在实验室内模拟高温高压气藏水平井开采条件的实验装置，用于评价防砂筛管抗冲蚀性能、冲蚀过程中挡砂精度变化规律并对防砂筛管使用寿命进行预测。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置；

本发明还提供上述高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置的评价方法与应用。

本发明用于研究多点非均匀入流、气水同产、地层高温等生产条件下防砂筛管抗冲蚀性能、冲蚀过程中挡砂精度变化规律以及预测某生产条件下防砂筛管使用寿命。

本发明的技术方案为：

一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置，其特征在于，所述评价装置包括高压流体泵送模块、水平井筛管冲蚀模拟模块、过滤集砂模块；所述高压流体泵送模块的出口与所述水平井筛管冲蚀模拟模块的入口相连接，所述水平井筛管冲蚀模拟模块的出口与所述过滤集砂模块的入口相连接；

所述高压流体泵送模块包括高压气体泵送模块、自动混砂器，所述自动混砂器与所述水平井筛管冲蚀模拟模块的入口相连接，所述气体泵送模块用于模拟产气井的开采条件；

所述水平井筛管冲蚀模拟模块包括水平井模拟井筒、筛管短节、电加热套、排砂口、出液口、可调节喷嘴组，所述筛管短节水平设置在所述水平井模拟井筒内部，所述电加热套设置在所述的筛管短节的外部，所述可调节喷嘴组垂直设置在所述水平井模拟井筒的筒壁上，所述排砂口设置在水平井模拟井筒的底部筒壁上，所述出液口设置在所述筛管短节与所述水平井模拟井筒相连接的一端，所述水平井筛管冲蚀模块用于模拟高温高压气藏水平井实际生产条件下筛管的冲蚀磨损规律；

所述过滤集砂模块包括集砂器、烧杯、放空阀，所述集砂器设置在所述水平井筛管冲蚀模块的出口端，所述放空阀设置在所述集砂器的出口端，所述烧杯设置在所述放空阀的出口端。

此处设计的优势在于，直接使用油田常用防砂筛管加工成的筛管短节进行实验，能够高度模拟高温高压气藏水平井实际生产条件(气体流速、流体含砂率、含砂粒径、冲蚀角、地层温度)下筛管的冲蚀磨损规律。高压流体泵送模块，用于模拟油气藏的开采条件，可以根据实际生产井产出砂密度及含砂率，将配制完成的模拟地层砂按照一定速度加入到注入流体中，使地层砂被注入流体携带并对筛管短节表面形成冲击；水平井筛管冲蚀模拟模块中，筛管短节用于模拟水平井水平段的井筒；排砂口用于将实验过程中被筛管短节阻挡而滞留在水平井模拟井筒中的地层砂清除；电加热套对防砂筛管进行加热；过滤集砂模块，将进入其中的混砂流体中的固相地层砂过滤而液体进入烧杯中、气体进行放空处理，每隔一段时间将收集到的地层砂进行称重并进行粒度分析，测定不同时间点处防砂筛管过砂量及过砂粒径等数据，检测冲蚀磨损实验过程中防砂筛管渗透性、挡砂精度的变化规律以及筛管保护罩、挡砂层、基管的抗冲蚀性能。

根据本发明优选的，所述高压流体泵送模块还包括高压液体泵送模块、气液混合器，所述高压液体泵送模块与所述高压气体泵送模块并联，所述高压液体泵送模块包括顺序连接的储液罐、恒流泵，所述高压气体泵送模块包括顺序连接的高排量空气压缩机、稳压储气罐、气体减压阀、气体流量计、单向阀，所述气液混合器的入口连接所述高压液体泵送模块和所述高压气体泵送模块出口；所述气液混合器的出口连接所述自动混砂器的入口。

此处设计的优势在于，实验所用气体由高排量空气压缩机产出后充入稳压储气罐，并通过调节气体减压阀使气体按照一定流量输出，并通过气体流量计对输出气体流量进行实时监测。单向阀的作用是防止液相反流进入气相泵送系统。所述高压液体泵送模块在模拟产水气井生产条件进行实验时，根据实际生产条件中的气水比，提供一定量的液体用于跟气体进行混合后注入，气液混合器即用于进行气水两相混合注入冲蚀实验过程中，将气相和液相进行混合后稳定注入到水平井筛管冲蚀模拟系统中进行冲蚀模拟实验。

根据本发明优选的，所述筛管短节的长度为25-50cm，所述水平井筛管冲蚀模块还包括入口压力传感器、筛管短节固定杆、出口压力传感器，所述入口压力传感器设置在水平井筛管冲蚀模拟模块的入口端与所述自动混砂器的出口相连接，所述出口压力传感器设置在所述水平井筛管冲蚀模块的出口端与所述过滤集砂模块的入口连接，所述筛管短节固定杆一端与所述筛管短节连接，另一端设置在所述水平井模拟井筒上，所述水平井模拟井筒为圆筒形，与所述筛管短节固定杆连接的一端封口，另一端除设置的出液口外其他部位封口。

此处设计的优势在于，入口压力传感器设置在可调节喷嘴组之前的管路中，用于测量实验过程中流体的注入压力；出口压力传感器安置在水平井模拟井筒出液口处，通过测量实验过程中筛管短节内外压差变化来计算筛管渗透率变化，从而定性预测筛管精度变化及冲蚀磨损程度，实验用筛管短节长短不一，使用筛管短节固定杆对实验短节进行固定，并进行端部密封。

根据本发明优选的，所述可调节喷嘴组的数量为多组，均匀的分布在所述水平井模拟井筒的筒壁上，所述电加热套的加热范围为30-200℃，所述电加热套设置在可调节喷嘴组对应的水平井模拟井筒的筒壁的空档之间，每组可调节喷嘴组上设置有5-10个喷嘴，所述喷嘴上设置有外接喷嘴，所述外接喷嘴包括基准喷嘴、第一加长喷嘴、第二加长喷嘴、倾角喷嘴，所述喷嘴上设置有阀门，通过关闭或打开不同部位的喷嘴以调整入流喷嘴的个数、位置、长度、倾角以及入流速度，用于模拟实际水平井中射孔孔眼非均匀入流剖面。

此处设计的优势在于，电加热套布置，防止电加热套在防砂筛管之前被携砂流体冲击，通过关闭或打开不同部位的喷嘴以调整入流喷嘴的个数、位置、长度、倾角以及入流速度，用于模拟实际水平井中射孔孔眼非均匀入流条件，同时可进行冲蚀距离、冲蚀角度对防砂筛管冲蚀磨损规律研究。

根据本发明优选的，所述过滤集砂模块还包括气液分离器，所述气液分离器入口与所述出液口的出口相连，所述气液分离器的出口与所述集砂器的入口相连接。

此处设计的优势在于，将实验过程中从水平井筛管冲蚀模拟系统出口端产出的混砂流体进行气液分离，保证产出的地层砂能够顺利稳定的进入集砂器，气液分离器可方便拆卸，仅在使用气水两相进行携砂冲蚀模拟实验时使用

如上述一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置的评价方法，包括步骤如下：

步骤一、计算筛管渗透率变化率；

步骤二、计算筛管挡砂精度变化率；

步骤三、计算筛管冲蚀磨损率；

步骤四、计算筛管冲蚀寿命。

此处设计的优势在于，在高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价实验过程中，通过对所述筛管短节内外压差、过砂量、过砂粒度分布、气体流量、冲蚀厚度等数据的连续监测以及对筛管保护罩、挡砂层、基管最终冲蚀形态、冲蚀率的观察计量，最终对防砂筛管抗冲蚀性能进行定量评价。

根据本发明优选的，所述筛管渗透率变化率的计算方法为：

筛管渗透率变化率＝筛管渗透率变化量/筛管初始渗透率

此处设计的优势在于，通过入口压力传感器、出口压力传感器对实验过程中筛管短节内外压力进行测试，并通过渗透率计算公式实时计算冲蚀磨损实验过程中筛管渗透率变化情况；由于冲蚀过程中是筛管渗透率增大的过程，堵塞过程是筛管渗透率降低的过程，筛管渗透率变化率无法完全描述筛管冲蚀磨损情况，需要借助其他指标描述。

根据本发明优选的，所述筛管挡砂精度变化率的计算方法为：

筛管挡砂精度变化率＝(筛管当前挡砂精度—筛管标称挡砂精度)/筛管标称挡砂精度

此处设计的优势在于，使用过滤集砂系统收集并测量不同时间段产出砂质量、最大出砂粒径，由于在整个实验过程中流体含砂率以及地层砂粒度分布一致，因此在某一时间段内筛管过筛率越高则说明筛管挡砂精度越小，产出砂的最大粒径则为筛管当前的挡砂精度。

根据本发明优选的，所述筛管冲蚀磨损率的计算方法为：

筛管冲蚀磨损率＝(筛管初始质量-筛管失效后质量)/筛管初始质量

此处设计的优势在于，实验开始前使用丙酮冲洗防砂筛管试样，除去其表面污渍，烘干防砂筛管试样并称重，要求精度达到0.01g，在冲蚀实验结束后将冲蚀失效的防砂筛管再次进行清洗称量，得到筛管冲蚀磨损率。当防砂筛管存在多层结构(保护罩、挡砂层、基管)时，可将多层结构分别称量计算。

根据本发明优选的，所述筛管冲蚀寿命的计算方法为：

筛管冲蚀寿命为筛管短节的最大过砂粒径大于地层砂粒度中值时所用的时间。

此处设计的优势在于，现在行业内普遍认为筛管冲蚀寿命为防砂筛管被含砂流体冲蚀击穿所用的时间，实际上，随着冲蚀过程的进行，筛管精度逐渐增大，防砂筛管逐渐失效，因此，所述筛管抗冲蚀性能评价方法认为，此时的防砂筛管已经无法有效阻挡大部地层砂进入井筒，即为寿命终止，使用不同筛管短节、不同气体流量以及含砂率条件进行筛管抗冲蚀性能评价实验，可根据实验结果绘制不同生产条件下筛管冲蚀寿命图版，用于油田现场防砂筛管寿命预测。

如上述一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置的应用方法如下，

步骤一、选取并固定实验用筛管短节；

步骤二、安装电加热套并调节到指定温度对筛管短节进行加热；

步骤三、顺序连接高压流体泵送模块、水平井筛管冲蚀模拟模块、过滤集砂模块；

步骤四、在可调节喷嘴组上选择安装外接喷嘴，关闭所有阀门；

步骤五、按照实际岩心砂粒度分布数据配制实验模拟地层砂，并装入自动混砂器中，设定好自动混砂速度；

步骤六、按照实验规划，打开指定数量、位置喷嘴的阀门；

步骤七、调节高压流体泵送模块，注入实验流体；

步骤八、待实验流体稳定注入后，打开自动混砂器，使地层砂以一定的速度混入并被流体携带进入水平井模拟井筒；

步骤九、观察并记录入口压力传感器和出口压力传感器，定时对产出的地层砂进行收集、烘干、称量以及粒度分析；

步骤十、实验完成后取出筛管短节进行观察分析，通过排砂口将滞留在水平井模拟井筒中的地层砂清理干净。

根据本发明优选的，如模拟水平产水气或油气同层生产井的开采条件，则所述步骤七为：向储液罐中加入足量的液体，向稳压储气罐中充入气体，并根据实验需求使气体按照一定的流量注入气液混合器，同时启动恒流泵将液体一并注入气液混合器，所述实验流体为液体和气体。

根据本发明优选的，如模拟气井开采条件，则所述步骤七为：向稳压储气罐中充入气体，根据实验需求使气体按照一定的流量注入气液混合器，所述实验流体为气体。

本发明的有益效果为：

1、本发明设置可调节喷嘴组及配置的不同长度和角度的外接喷头，可以模拟实际水平井气藏开采过程中多点非均匀入流的开采条件，可进行冲蚀距离、冲蚀角度对防砂筛管冲蚀磨损规律研究；

2、本发明设置的高压流体泵送模块可以模拟实际水平井气藏开采过程中水气同产的开采条件，可进行气体流速、流体含砂率、含砂粒径对防砂筛管冲蚀磨损规律研究；

3、本发明设置的电加热套可以模拟际水平井气藏开采过程中底层高温的开采条件；

4、本发明通过对筛管内外压差、过砂量、过砂粒度分布的连续测量计算，分析实验过程中防砂筛管渗透性、挡砂精度的变化规律可以实现防砂筛管抗冲蚀性能的定量评价。

附图说明：

图1为本发明的系统连接示意图；

图2为本发明所述水平井模拟井筒的纵向剖面示意图；

图3为本发明所述四种喷嘴的结构对比示意图。

图1至图3所示，1、自动混砂器；2、水平井模拟井筒；3、排砂口；4、出液口；5、可调节喷嘴组；6、筛管短节；7、集砂器；8、电加热套；9、放空阀；10、气液混合器；11、储液罐；12、恒流泵；13、高排量空气压缩机；14、稳压储气罐；15、气体减压阀；16、气体流量计；17、单向阀；18、入口压力传感器；19、筛管短节固定杆；20、喷嘴；21、出口压力传感器；22、基准喷嘴；23、第一加长喷嘴；24、第二加长喷嘴；25、倾角喷嘴。

具体实施方式：

下面结合说明书附图和实施例对本发明进一步限定，但不限于此。

如图1-3所示。

实施例1

一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置，其特征在于，所述评价装置包括高压流体泵送模块、水平井筛管冲蚀模拟模块、过滤集砂模块；所述高压流体泵送模块的出口与所述水平井筛管冲蚀模拟模块的入口相连接，所述水平井筛管冲蚀模拟模块的出口与所述过滤集砂模块的入口相连接；

所述高压流体泵送模块包括高压气体泵送模块、自动混砂器1，所述自动混砂器1与所述水平井筛管冲蚀模拟模块的入口相连接，所述气体泵送模块用于模拟产气井的开采条件；

所述水平井筛管冲蚀模拟模块包括水平井模拟井筒2、筛管短节6、电加热套8、排砂口3、出液口4、可调节喷嘴组5，所述筛管短节6水平设置在所述水平井模拟井筒2内部，所述电加热套8设置在所述的筛管短节6的外部，所述可调节喷嘴组5垂直设置在所述水平井模拟井筒2的筒壁上，所述排砂口3设置在水平井模拟井筒2的底部筒壁上，所述出液口4设置在所述筛管短节6与所述水平井模拟井筒2相连接的一端，所述水平井筛管冲蚀模块用于模拟高温高压气藏水平井实际生产条件下筛管的冲蚀磨损规律；

所述过滤集砂模块包括集砂器7、烧杯、放空阀9，所述集砂器7设置在所述水平井筛管冲蚀模块的出口端，所述放空阀9设置在所述集砂器7的出口端，所述烧杯设置在所述放空阀9的出口端。

实施例2

如实施例1所述的一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置，其区别在于，所述高压流体泵送模块还包括高压液体泵送模块、气液混合器10，所述高压液体泵送模块与所述高压气体泵送模块并联，所述高压液体泵送模块包括顺序连接的储液罐11、恒流泵12，所述高压气体泵送模块包括顺序连接的高排量空气压缩机13、稳压储气罐14、气体减压阀15、气体流量计16、单向阀17，所述气液混合器10的入口连接所述高压液体泵送模块和所述高压气体泵送模块出口；所述气液混合器10的出口连接所述自动混砂器1的入口。

实施例3

如实施例1所述的一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置，其区别在于，所述筛管短节6的长度为35cm，所述水平井筛管冲蚀模块还包括入口压力传感器18、筛管短节固定杆19、出口压力传感器21，所述入口压力传感器18设置在水平井筛管冲蚀模拟模块的入口端与所述自动混砂器1的出口相连接，所述出口压力传感器21设置在所述水平井筛管冲蚀模块的出口端与所述过滤集砂模块的入口连接，所述筛管短节固定杆19一端与所述筛管短节6连接，另一端设置在所述水平井模拟井筒2上，所述水平井模拟井筒2为圆筒形，与所述筛管短节固定杆19连接的一端封口，另一端除设置的出液口4外其他部位封口。

实施例4

如实施例1所述的一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置，其区别在于，所述可调节喷嘴组5的数量为4组，均匀的分布在所述水平井模拟井筒2的筒壁上，所述电加热套8的加热温度为150℃，所述电加热套8设置在可调节喷嘴组5对应的水平井模拟井筒2的筒壁的空档之间，每组可调节喷嘴组5上设置有10个喷嘴20，所述喷嘴20上设置有外接喷嘴，所述外接喷嘴包括基准喷嘴22、第一加长喷嘴23、第二加长喷嘴24、倾角喷嘴25，所述喷嘴20上设置有阀门，通过关闭或打开不同部位的喷嘴20以调整入流喷嘴的个数、位置、长度、倾角以及入流速度，用于模拟实际水平井中射孔孔眼非均匀入流剖面。

实施例5

如实施例1所述的一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置，其区别在于，所述过滤集砂模块还包括气液分离器，所述气液分离器入口与所述出液口的出口相连，所述气液分离器的出口与所述集砂器的入口相连接。

实施例6

如实施例1-5任意一项所述的高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置的评价方法，包括步骤如下：

步骤一、计算筛管渗透率变化率；

步骤二、计算筛管挡砂精度变化率；

步骤三、计算筛管冲蚀磨损率；

步骤四、计算筛管冲蚀寿命。

实施例7

如实施例6所述的一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置的评价方法，其区别在于，

所述筛管渗透率变化率的计算方法为：

筛管渗透率变化率＝筛管渗透率变化量/筛管初始渗透率

所述筛管挡砂精度变化率的计算方法为：

筛管挡砂精度变化率＝(筛管当前挡砂精度—筛管标称挡砂精度)/筛管标称挡砂精度

所述筛管冲蚀磨损率的计算方法为：

筛管冲蚀磨损率＝(筛管初始质量-筛管失效后质量)/筛管初始质量

所述筛管冲蚀寿命的计算方法为：

筛管冲蚀寿命为筛管短节的最大过砂粒径大于地层砂粒度中值时所用的时间。

实施例8

如实施例1-5任意一项所述的高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置的应用方法如下：

步骤一、选取并固定实验用筛管短节6；

步骤二、安装电加热套8并调节到指定温度对筛管短节6进行加热；

步骤三、顺序连接高压流体泵送模块、水平井筛管冲蚀模拟模块、过滤集砂模块；

步骤四、在可调节喷嘴组5上选择安装外接喷嘴，关闭所有阀门；

步骤五、按照实际岩心砂粒度分布数据配制实验模拟地层砂，并装入自动混砂器1中，设定好自动混砂速度；

步骤六、按照实验规划，打开指定数量、位置喷嘴20的阀门；

步骤七、调节高压流体泵送模块，注入实验流体；

步骤八、待实验流体稳定注入后，打开自动混砂器1，使地层砂以一定的速度混入并被流体携带进入水平井模拟井筒2；

步骤九、观察并记录入口压力传感器18和出口压力传感器21，定时对产出的地层砂进行收集、烘干、称量以及粒度分析；

步骤十、实验完成后取出筛管短节6进行观察分析，通过排砂口3将滞留在水平井模拟井筒2中的地层砂清理干净。

实施例9

如实施例8所述的一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置的应用方法，其区别在于，模拟水平产水气或油气同层生产井的开采条件时，所述步骤七为：向储液罐中11加入足量的液体，向稳压储气罐14中充入气体，并根据实验需求使气体按照一定的流量注入气液混合器10，同时启动恒流泵12将液体一并注入气液混合器10，所述实验流体为液体和气体；

实施例10

如实施例8所述的一种高温高压气藏水平井防砂筛管抗冲蚀性能评价装置的应用方法，其区别在于，模拟气井开采条件时，所述步骤七为：向稳压储气罐14中充入气体，根据实验需求使气体按照一定的流量注入气液混合器10，所述实验流体为气体。