防砂新工艺的研究及效果

防砂新工艺的研究及效果目 录第 1 章 前言 1第 2 章 防砂新工艺的探索 22.1 疏松砂岩油藏出砂机理探讨 22.1.1 胶结强度的影响 22.1.2 地应力的影响 22.1.3 开采条件 32.2 目前防砂工艺原理及问题 42.2.1 防砂影响因素 42.2.2 防砂失败影响因素 4第 3 章 新工艺防砂机理 63.1 高压预充填 63.2 涂料砂人工井壁防砂 63.3 金属绕丝筛管复合防砂 63.4 射流泵排砂工艺 6第 4 章 防砂新工艺的现场试验及效果84.1 选井 84.2 现场试验情况及效果评价 8第 5 章 排砂采油井的管理应注意的事项14第 6 章 结论15致 谢161第一章 前言滨南油区部分油藏胶结疏松，容易出砂。目前的绕丝管内砾石充填防砂投产取得了较好的效果，但是还存在粉细砂防不住、筛管损坏防沙失效和不能进行分层注水、分层测试及分层改造等问题。本课题主要对疏松砂岩油藏的出砂机理和目前的防砂工艺进行研究，探索高压预填砂、涂料防砂、人工井壁防砂、金属绕丝管复合防砂和射流泵排砂等新的防砂工艺机理，优选油井进行了防砂新工艺的现场实验，以注水开发的常规井和注蒸汽吞吐的稠油热采井为导向，在尚林地区和单家寺油田展开实验，取得了较好的效果。2第二章 防砂新工艺的探索2.1 疏松砂岩油藏出砂机理探讨滨南油区的各个油藏虽然差异很大，但出砂的原因基本类似。油层出砂是由于井底近井地带的岩层结构遭到破坏所引起的，即剪切破坏和拉伸破坏。它与岩石的胶结强度、应力状态和开采条件有关。2.1.1 胶结强度的影响岩石的胶结强度取决于胶结物的种类、数量和胶结方式。通常砂岩的胶结物主要为粘土、碳酸盐和硅质三种。其中以硅质胶结物的强度为最大，粘土胶结最差。对于同一类型的胶结物，其数量越多，则胶结强度越大，反之越小。胶结方式不同，岩石的胶结强度也不同，岩石的胶结方式可分为：（1）基底胶结：当胶结物的数量大于岩石颗粒数量时，颗粒完全浸没在胶结物中，彼此互不接触或接触很少。这种砂岩的胶结强度最大，但由于孔隙度、渗透率均很低，所以很难成为好的储油层。（2）接触胶结：胶结物数量不多，仅存在于颗粒接触的地方。这种砂岩胶结强度最低。（3）孔隙胶结：胶结物数量介于上述两种胶结类型中间。胶结物不仅在颗粒接触处，还充填于部分孔隙中。胶结强度也处于上述两种方式的强度之间。滨南易出砂的油层主要以接触胶结方式为主，其胶结物数量少，而且胶结物中粘土含量较高。但这种储油层孔隙大、渗透性好。如单二块油层是以稠油为胶结物，所以油层严重出砂。2.1.2 地应力的影响地应力是决定岩石原始应力状态及其变形破坏的主要因素。钻开岩层前，岩石在垂向和侧向地应力作用下处于平衡状态。垂向地应力大小取决于油层深度和岩石比重，侧向地应力除与地层深度有关外，还与岩石的力学性质及岩石中的流体压力有关。钻井后近井地带的应力平衡遭到破坏，射孔使井筒周围岩石产生不同程度的损坏，水泥环松动、炮眼周围地应力作用使岩石剪切破坏，颗粒压碎造成出砂，这与过低的井底压力或过大的生产压差有关在生产过程中，井壁岩石都将保持最大的应力值。以上是影响油层出砂的内在因素。32.1.3 开采条件采油过程中由于液体渗流而产生的对颗粒的拖曳力是出砂的重要因素。在其它条件相同时，生产压差愈大，渗滤速度愈高，在井壁附近液流对岩石的冲刷力就愈大，如果液体的粘度再高一些就更容易出砂，因为粘度高，其拖曳力也大。另外在同样的生产压差下，地层是否易于出砂还取决于建立压差的方式。所谓建立压差是指以缓慢的方式建立压差还是以突然（或急剧）的方式建立压差。因为在同样压差下，二者在井壁附近油层中造成的压力梯度不同所示。突然建立压差时，压力未能迅速传播出去，压力分布曲线很陡，井壁的压力梯度很大，易破坏岩石结构而引起出砂；当缓慢地建立压差时，压力可以逐渐地传播出去，井壁附近压力分布曲线比较平缓，压力梯度比较小，不至影响岩石结构。有些井强烈抽汲及气举之后往往会引起出砂，就是由于压差过大，建立压差过猛。此外，除了上述出砂机理，还有微粒运移和高含水的影响。微粒运移包括地层中粘土颗粒的运移，这会导致近井周围地层渗透性的降低，从而增大流体的拖曳力且诱发地层出砂。油层含水后，由于部分胶结物被溶解，岩石强度降低或地层压力降低，增加了地应力对岩石颗粒的挤压作用，扰乱了颗粒间的胶结，都可能引起出砂。不适当地采用酸化等措施使岩石结构遭到破坏时，也会造成出砂。对于均质成岩性好的油藏，油层岩石抗剪切强度较强，射孔后能抵抗原始地应力作用形成的孔周应力场，不剪切破坏或轻微破坏，所以这样的油层不出砂或轻微出砂。滨南油区出砂油藏为细砂岩、粉细砂岩、及含砾细砂岩，非均质严重，胶结疏松且泥质含量较高，抗剪切强度较弱，射孔后炮眼周围的强度更弱，很容易被破坏。同时，由于流体流动在近井周围产生强烈的压力降，而粘土微粒运移形成表皮效应又加大了流动压降，从而使径向应力变为拉伸力，加剧了油层出砂，使地层横向卸载，上覆层的塑性挠曲又使地层维持着高应力，地层结构重新分布，伴随产生剪切扩容，油层形成更高的孔隙度，在压差和拖曳力的共同作用下，剥落的砂粒不断被携至井内，使油层出砂越来越严重，这就是油层出砂的机理。根据油藏特征，滨南油区出砂油藏可分为细、粉砂岩油藏和含砾中细砂岩油藏。轻微出砂的包括滨南油田、利津油田、尚店油田的滨 30 块、单 16 块，严重出砂的包括尚南、林樊家及单家寺油田。4综上所述，油层胶结疏松是油层出砂的内在因素，而采油条件等外在因素将使油层出砂更加严重，对于胶结不疏松的油层，开采措施不当则是油井出砂的直接因素。所以，为了防止油层出砂，一方面要制定合理的开采措施，另一方面要选用满足开采条件的防砂工艺技术。2.2 目前防砂工艺原理及问题无论哪一种防砂方法，都应该能够有效地阻止地层中承载骨架砂随着地层流体进入井筒。承载骨架砂是指那些组成地层力学结构的固体颗粒物质。游离于承载骨架砂孔隙之中的“非承载砂不是油、气井防砂的治理对象，它们最好能够随着地层流体产出，起到疏通地层孔隙通道的作用；反之如果这些游离砂留在地层中，再杂以各种完井液、修井液中的固相伤害物，有可能堵塞地层孔隙，造成渗透率下降，产量降低。目前采用的防砂方法主要是机械防砂。机械防砂有金属绕丝筛管及激光割缝管滤砂管砾石充填、金属棉滤砂管等，其作用原理都是将防砂管下入井内面对防砂层段，然后在套管与防砂管环空中填满石英砂，形成一定的砾石层，将地层流体携带的砂粒阻挡在砾石层外，经自然选择形成一个里粗外细的滤砂器，起到挡砂作用。2.2.1 防砂影响因素对于严重出砂的尚林地区、单 6 断块用绕丝管砾石充填防砂工艺，低产停产井多，分析其影响因素有：（1）重复关井会恶化地层出砂。停井时孔眼周围应力卸载，砂粒结构因失去应力支撑联结而进一步弱化。如停前生产压差大，开后产量较小时便产生拉伸破坏，加剧油层出砂，造成油井低产或停产。（2）油层出砂严重时，对砾石充填层的影响。开发初期，地层压力高，油层射开后，油砂同出，在充填砂到筛管环空前，就有部分细砂沉敷在筛缝里（0.1mm 的粉砂），致使砾石层充填不实，在生产过程中，地层粉细砂进入井筒，砂埋油层，产能下降。（3）油层非均质严重，缝隙为 0.2mm 的筛管防不住细粉砂，它将随液流经过砾石层进入井内。（4）绕丝管防砂容易造成地层污染，在近井地带形成堵塞，砾石层减少泄油面积，又不能进行分层改造和注采，影响注水开发和效果。（5）油层出砂、探冲砂中心管落井造成停产停注，低产井多，加大了作业工作量，极大的影响5油井利用率和采油速度。2.2.2 防砂失败影响因素对于高轮次、高强度吞吐阶段含砾中细砂岩油藏绕丝筛管砾石充填防砂失败的影响因素有：（1）由于射孔井段相对小，液流相对集中，使绕丝管防砂井段注采强度增加 36倍，加上多轮次的含砂流体由炮眼刺向筛管加速了绕丝变形损坏。（2）高轮次吞吐使近井地带油层骨架遭到严重破坏，多次大量出砂造成地层亏空，管内绕丝管砾石充填不能补充地层亏空，注汽时部分砂进入地层，使充填层受到破坏，上部充填砂不足，起不到挡砂作用，采油时地层细砂随油流越过砾石砂屏点射冲刷加速绕丝管损坏，造成防砂失败。（3）高强度注汽对绕丝管影响甚小，但对砂砾有溶蚀现象，石英砂高温溶蚀，一方面冲刷、扩大了地层孔道，同时使充填砂颗粒变园变小，部分充填砂进入孔道，进一步破坏了砾石充填层，失去防砂能力。（4）含水上升过快。在开发初期油井含水低，稠油在砾石层中相渗透率低，稠油携砂，大部分细砂都被阻挡在充填层外，随着地层压力下降，水淹加剧含水上升，流阻减小，高温水携带细砂很快冲过充填层，使防砂管加剧损坏，防砂失败。（5）地层油砂同出。在充填砂到达筛管之前，就有部分细砂沉在筛管上部或悬浮在筛缝里， （小于 0.1mm 的地层砂）致使充填砾石不到位或者量不足，注汽时会有重排现象，漏出筛管，回采时含砂流体直对防砂管冲刷，造成绕丝管短期损坏。（6）高强度注汽加速石英砂溶解和地层孔道扩大，把地层细砂推到深处，大泵提液回采使松散砂粒返回来，与地层弹性和液流水击作用形成了地层砂来回搓动和短期油砂射流。滨南油区大部分油田是多层系开采，要求防砂不影响后期作业，而机械防砂很难实现井筒无落物，化学防砂也有局限性，针对这些问题，从防砂要治本的观点出发，通过开展室内实验，制定切实可行的防砂工艺技术进行现场试验，探索了一条适合滨南油区地层特点的主导防砂工艺。6第三章 新工艺防砂机理3.1 高压预充填高压预充填就是以较高压力、用性能合适的携砂液将砾石充填到套管周围存在的炮眼和所有亏空部分。这种方法不仅可以有效地防止地层弹性和液流水击作用造成的出砂，而且由于高压作用可在一定程度上解除固相颗粒对近井地带地层造成的污染，同时由于充填速度快，防止了地层砂与充填砂互混，保证了充填区域较高的渗透率。因而高压预充填石英砂能提高挡砂强度和近井地带的泄油能力，减小管内充填砾石，降低井筒流阻，延长防砂有效期限，提高产能。对于热采井，高压预充填则能有效的防止地层砂随蒸汽吞吐来回搓动而引发的地层出砂。 3.2 涂料砂人工井壁防砂将涂料砂或高温涂料砂从地面用液体携至井下挤入地层，在近井地带固结为新骨架，形成相对稳定的高强度耐高温流体冲刷的挡砂屏障，起防砂和保护管内砾石层的双重作用。3.3 金属绕丝筛管复合防砂作为复合防砂工艺，金属绕丝筛管砾石充填（或激光割缝、金属棉滤砂管）由高压预充填层或涂料砂层、管内砾石层、绕丝筛管形成三道滤砂层，确保了注水开发和高轮次、高含水、高强度注蒸汽吞吐热采疏松砂岩油藏防砂生产的需要，为滨南油区防砂开辟了一条新途径。高压预充填要采用大排量（800Lmin） ，高砂比（1520） ，携砂液用采出水，高泵压（大于 26MPa）,不论油层污染堵塞、岩石受损如何及砂粒粗细，都要预充填到油井周围形成高渗流带。使流动断面恒定，阻力损耗小，有效驱油压力高。另外，液流质点改变流动途径，减缓了地层砂运动速度，阻止了地层出砂，具有既能提高泄油面积又能防砂治本的双重功效。3.4 射流泵排砂工艺该项工艺技术是以高压水为动力液驱动井下排砂采油装置工作，以动力液和采出液之间的能量转换达到排砂采油的目的。动力液在喷咀处由高压头转变为高速头，喷射液流将地层流体携地层砂从汇集室吸入喉管，在喉管内形成混合液，地层流体由动7力液获得充分的能量，由此混合液由速度头转变为压力头，将地层流体(包括地层油、水、砂及其它)排至地面。由于井下排砂采油装置的尾管处于油层下部，地层流体携地层砂能够及时的进入尾管，而不会滞留于尾管周围，从而始终保证地层流体进入尾管畅通无阻。在地层液体被举升过程中，由于排砂采油装置具有阻止地层砂后沉的功能，从而保证了地层流体顺利地排至地面。(见图 3-1：工艺原理示意图)图 3-1 工艺原理示意图8第四章 防砂新工艺的现场试验及效果4.1 选井1、涂料砂防砂适用于：出砂量每米大于 0.05m3，射孔井段在 20 米以内，油水层吸收能力较大的油水井防砂。2、复合防砂：应用范围广，适用于套管完好的各类出砂井的防砂。3、对于套变、套破井，应选用激光割缝滤砂管防砂。4、油层胶结物极少，地层砂近似为流砂，出砂极其严重的井以及地层亏空极为严重到上覆盖层即将被破坏的井，需进行油层充填作业、以补充地层上覆盖层的支撑力，充填砂粒径可放大至足以使地层粉细砂流出的井。4.2 现场试验情况及效果评价由于油藏类型和采油工艺不同，滨南油区的防砂井，包括常规井、热采井、管内侧钻井、水平井、侧钻水平井、裸眼井多种类型。因此，就以注水开发的常规井和注蒸汽吞吐的稠油热采井为导向，2000 年在尚林地区和单家寺油田展开试验，取得了较好效果。1、涂料砂人工井壁防砂 17 井次，有效率 66.7，累计增油 20184t，平均有效期为 7 个月。如：S46 X10 井为待产大修井，该井 96 年投产后最高产量为 5t/d，大修前日产液0.9t/d，综合含水 44.4，2000 年 4 月 21 日大修后采用涂料砂防砂，开井初期日产液35.5 t/d，日产油 14.2 t/d，含水 60.4，日增油 13.7 t，目前日产液 31.6 t/d，日产油11.1 t/d，含水 64.9，开井 208d，增油 2058 t 仍有效。2、涂料砂 89mm 绕丝筛管复合防砂工艺现场施工 25 井次，成功率 100，累计增油 39298 t。如 S444 井，2000 年 2 月大修后复合防砂，投产初期日产液 16 t，