石油开采防砂工艺技术应用研究-硕士学位论文.pdf

学位论文石油开采防砂工艺技术应用研究 馆藏号：y58 2 8 7 9 论 文 题 目：石油开采防砂工艺技术应用研究 学位授予单位：山东大学 作 者：任云波 申请学位级别：硕士 学 科 名 称：机械工程 指 导 教 师：黄传真; 李金发 出 版 时 间：2 0 0 310 2 0 摘 要： 油、气井防砂是油、气开采中经常遇到的工艺方法. 对于不同的地层就必须采取不同的防砂工艺. 论文 由油层出砂机理、出砂对油井生产的危害, 以及当前国内外的防砂工程实施的现状, 分析研究了滨南采油 厂防砂工艺技术研究及应用. 该文从总体上给出了主要的防砂方法及其分类, 并分别进行了阐述. 然后对绕 丝筛管砾石充填防砂、压裂防砂和复合防砂进行了详细的研究和探讨, 介绍了它们的技术特点、管理特 点以及施工步骤. 该文主要就具体油田的哪一个区块应该采取哪一种防砂方法进行了实际而且具体的应 用研究; 具体到每一口井, 分析其具体的出砂原因, 然后就砂样进行分析, 得到基本的参数, 确定采取何种防 砂工艺; 重点就林、尚两个区块的几个油井进行了防砂工艺设计; 挤压循环法砾石充填防砂工艺在林凡家 油田林南4井的设计应用; 压裂防砂的设计应用; 以及复合防砂在尚店油田滨31 8 井、林凡家油田的设计应 用. 经实际生产证实, 防砂后, 油产量显著增加, 提高了经济效益. 并给出了应用防砂设计后的效果, 证实达到 了预期的目的. 分 类 号：t e358 . 1 关 键 词：防砂工艺; 绕丝筛管砾石充填; 复合防砂; 设计应用 pd f正文 f i l e : / / / d | / 石油开采防砂工艺技术应用研究/ m l . h t m 2 0 0 5-11-7 15: 44: 51 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘要 油、 气井防砂是油、 气开采中经常遇到的工艺方法。 对于不同的地层就 必须采取不同的防砂工艺。论文由油层出砂机理、出砂对油井生产的危害， 以及当前国内外的防砂工程实施的现状， 分析研究了滨南采油厂防砂工艺技 术研究及应用。 本文从总体上给出了主要的防砂方法及其分类，并分别进行了阐述然 后对绕丝筛管砾石充填防砂、压裂防砂和复合防砂进行了详细的研究和探 讨，介绍了它们的技术特点、管理特点以及施工步骤。 本文主要就具体油田的哪一个区块应该采取哪一种防砂方法进行了实 际而巨 具体的应用研究; 具体到每一口 井， 分析其具体的出砂原因， 然后就 砂样进行分析， 得到基本的参数， 确定采取何种防砂工艺; 重点就林、尚两 个区块的几个油井进行了防砂工艺设计; 挤压循环法砾石充填防砂工艺在林 凡家油田林南4 井的设计应用; 压裂防砂的设计应用; 以及复合防砂在尚店 油田 滨3 1 8 井、 林凡家油田的 设计应用。 经实际生产证实， 防砂后， 油产量 显著增加， 提高了经济效益。 并给出了应用防砂设计后的效果， 证实达到了 预期的目的。 关键词:防 砂 工 艺 ; 绕 丝 筛 管 砾 石 充 填 ; 复 合 防 砂 ; 设 计 应 用 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 1绪论 1 . 1课题提出背景及意义 油、 气井出砂是石油开采中 经常遇到的重要问题之一。每年要花费大量人 力物力进行防治和研究 如果砂害得不到治理，油、 气井出砂会越来越严重， 导致油、 气田不能有效开发。出砂的危害主要表现在以下三方面: 1 . 减产或停产作业 油、 气井出 砂， 最容易造成油层砂埋、 油管砂堵、 地面管汇和贮油罐积砂。 因 此，常被迫起油管清除砂堵、冲洗砂埋油层、 治理地面管汇和 贮油罐 其工 作量大，条件艰苦，既费时又耗资。问题还没有最终解决， 恢复生产不久.又 须重新作业， 周而复始， 生产周期越来越短， 使油、 气田 产量大 减一 ， 。 有的 油、 气田 被迫在一定条件下采取控制生产的办法来抑制地层出砂， 但势必要减少油 井产量 2地面和井下设备磨蚀 由于油、 气井产出流体中含有地层砂， 而地层砂的主要成分是二氧化硅( 即 石英) ， 硬度很高， 是一种破坏性很强的磨 蚀剂， 能使抽油泵阀 座磨损而不密封. 阀 球点蚀， 柱塞和泵缸拉伤， 地面闸门失灵， 输油泵叶轮严重冲 蚀。 使得油、 气井不得不停产进行设备维修或更换， 造成产量下降，成本上升。 3 . 套管损坏、油井报废 最严重的 情况是随着地层出砂量的不断增加， 套管外的地层空穴越来越大， 到一定程度， 往往会导致突发性的地层坍塌。 套管受坍塌地层砂岩团块的 撞击 和地层 应力变化的 作用， 受力失去平衡而产生变形或损坏。 这种情况 严重时会 导致油井报废 油、 气井出 砂问 题必须立足于早期防治， 不能任其发展酿成后患。 地层砂 产出 井筒， 对环境会造成污染，尤其是海洋油、 气田，更为环境保护法规所制 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 约 所以油、 气井防砂不仅是油、 气开采本身的需要，也是环境保护的需要 1 .2油、 气井出砂机理 地层出砂没有明显的深度界线， 一般来说， 地层应力超过地层强度就有可 能出 砂。 地层强度决定于地层胶结物的胶结力、圈闭内流体的粘着力、 地层颗 粒物之间的摩擦力以及地层颗粒本身的重力。地层应力包括地层结构应力、上 覆压力、 流体流动时对地层颗粒施加的推拽力，还有地层空隙压力和生产压差 形成的作用力。由 此可见，地层出砂是由多种因素决定的 。主要可分为先天 原因和开发原因。 1 . 先天性原因 先天性原因 是指砂岩地层的地质条件.也就是砂岩地层含有胶结矿物数量 的多少、 类型的不同和分布规律的差异， 再加上地质年代的因素，就形成了砂 岩油、 气藏不同的胶结强度。 一般来说， 胶结矿物数量多， 类型好， 分布均匀， 地质年代早， 砂岩油、 气藏的胶结强度就大， 反之就小。 2 . 开发因素 人为的开发因素造成油、气井出砂，有的可以避免，有的不可能避免。 不恰当的开采速度以及采油速度的突然变化， 落后的开采技术( 包括不合理 的完井参数和工艺技术) ， 低质量和频繁的 修井作业， 设计不良的酸化作业和不 科学的 生产管理等造成油气井出 砂， 这些都应当 尽可能避免。 随着油、气田开发期延续， 油、 气层压力自 然下降， 储层砂岩体承载砂粒 的 负荷逐渐增加， 致使砂粒间的 应力平衡破坏， 胶结破坏， 造成地层出 砂。 另 外地层注水可能使储层中的粘土膨胀分散，有的还会随地层流体迁移使地层胶 结力下降。在注水开发中为了 保持产量必定要提高采液量， 这就会增加地层流 体的流速， 加大流体对地层砂的冲 拽力，因此，注水有可能造成地层出 砂 此 外， 地层中的两相或三相流动状态能增加对地层砂的携带力” 。以上这些因素 在开发过程中是难以避免的 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 .3出砂地层分类及其特征 出砂地层根据地层砂胶结强度的大小可以分成三种类型 1流砂地层 流砂是指没有胶结的地层砂，即地层中没有有效的胶结物。 流砂地层的聚 集依靠很小的流体附着力和周围环境圈闭的压实力。这种地层极易坍塌，使钻 具难以顺利通过，根本无法采用裸眼砾石充填完井方法油、 气井完井以后、 一旦开井投产便立即出砂并连续不断地出砂，而且会延续几十年。尽管累积出 砂量越来越大， 但套管周围不会出现地层空穴，只是地层越来越琉松。 这种地 层的出 砂规律如图1 一1 所示， 其产出液含砂量相对稳定，基本上是一个常数 含砂量% 时间 图 1 一1流砂地层出砂规律 流砂地层难以取心， 需研制特殊工具在钻井过程中获取岩样。此外，只能 依靠井底捞砂或冲出 砂来获得砂样。 此类地层在砾石充填作业中， 经常发生地 层吐砂现象， 造成油、 气层砂埋、筛管下不到井底、 炮眼砂堵、 砾石与地层砂 互混， 甚至还有地层砂通过筛管缝隙进人筛管内腔卡住冲管造成的事故。 因此， 必须采取特殊的 工艺措施来预防这些现象的发生。如使用空心桥塞作井底， 这 种桥塞也叫沉砂封隔器，以便地层吐出的砂子沉入井底口 袋:还可以 使用密度 较大的一 作液并加人适量的稠化剂来阻止地层吐砂;也可选用高密度挤压砾石 充填工艺技术，以便高密度砂浆在炮眼中 形成段塞流，把炮眼中的地层砂推出 炮眼，在套管周围形成密实的充填区，有利于油、气井生产。 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦里竺 旦 旦 旦 里 旦 旦 旦 旦 里三 巴 旦 竺 里 2部分胶结地层 这种地层含有胶结物数li t 少，胶结力弱，地层强度低用常规取心工具可 以取得岩心，但岩心非常容易破碎。采取相应的技术措施稳定地层，可以进行 裸眼砾石充填完井如控制泥浆性能、防止地层坍塌，或在泥浆中加人适量的 暂堵剂，防止失水过多而引起地层膨胀造成垮塌 含砂量 时间 图1 - z 部分胶结地层出 砂规律 投产以 后， 地层砂会在炮眼附近剥落，逐渐发展而形成洞穴。这些剥落的 小团块地层砂进人井筒极易填满井底口 袋，堵塞油管，掩埋油、 气层。 经过对 原油含砂量检测，发现这类地层的出砂规律如图1 一2 所示， 其产出液含砂量 变化较大， 甚至每天都不一样，时多时少。随着产层压力递减， 作用在承载骨 架砂粒上的负荷逐渐增加，出砂情况会日 趋严重。如不及早加以 控制， 那么产 层附近的泥岩、 页岩夹层也会因空穴加大而剥落， 从而造成近井区域泥岩、页 岩和 砂岩三种剥物互混， 渗透率降低， 产量下降“ i u ! 。 任其发展， 有可能造成地 层坍塌， 盖层下沉， 套管损坏，油、气井报废的严重后果。 3脆性砂地层 脆件砂地层也称易碎砂地层， 有较多的 胶结物， 是中 等胶结强度的 砂岩。 这种地层很容易取心。从取出的岩心分析，似乎有足够的强度不会出 砂。但地 层流体产出时， 却能在地层而上把地层砂粒冲刷下来。脆性砂地层的出砂规律 如图1 - - 3 所示。 这种地层开始投产时出砂几天或几 周， 忽然出 砂量大减， 几 乎 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 是无砂产出， 此时， 产星有可能会 分卜 但到一定的时候有可能重新出砂 这 种规律是因为在出砂过程中套管外部地层冲蚀空穴突然增大， 过流面积成倍增 加， 使地层流体的流速大幅度下降， 致使出砂r= r-r明显下降。 随着油井条件变化， 又会形成新的出砂环境而开始出 砂。当 单位过流面积上的流体速度达到一定数 值时， 义会出现地层砂大块垮塌， 过流面积倍增而停止出砂， 出现另一个周期 周而复始任其发展， 洞穴越来越大，到一定的时候，就有可能形成灾难性的地 层坍塌，使油、 气井套管变形而报废。 此类地层的 裸眼砾石充填完井成功率很高。由于裸眼井筒直径大，过流面 积大， 地层流体流速低， 对地层层面的冲蚀力较小。同样道理在套管内 砾石充 填完并时，采用大直径高密度射孔技术，也将减少流体对地层层面的冲蚀， 有 利于油、气井防砂。 含砂量，% 时间 图1 - 3 脆性砂地层出砂规律 4 . 出砂地层的鉴别 鉴别出砂地层的类型， 采取针对性的防砂工艺措施是十分必要的。 最确切 的鉴别方法是 取心分析。 但油、 气井常常得不到 1 0 0 % 的取心收获率。 有两种 可能性，一是取心作业本身工艺不过关;二是地层疏松，在取心过程中岩心破 碎散失，这就需要加以判别。 油、 气井捞出 砂对鉴别砂岩地层类型很难提供确 切的依据，除非在捞出砂中有一些团块状的地层砂可以在一定程度上说明 地层 砂的胶结情况。 地球物理测井可用来测定砂岩地层的相对密度， 从而判别出砂 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 旦竺 竺里旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 里 竺 旦 旦 竺巴 旦 旦 旦 旦 竺 旦 竺旦旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 竺 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 竺 竺旦巴旦旦口旦巴巴 竺竺 竺 旦 旦 旦 竺 竺 竺 里 旦 旦 地层的类型 但是必须注意，同 一个 地层，甚至是同一 油、 气井，往往会有 不同类型的出砂地层存在 研究表明，当砂岩地层处于下述情况时地层不出砂。 三 5 . 6 x 1 0 “ k p a c 式中:g地层抗剪切弹性模数， 地层体积压缩系数。 最初采用此指标来预测地层出砂。 近 年来， 采用 声波 在 地层中 的 传 播时间 t 来进行 预测，a t 2 9 5 p s / 二 时该地层应采取防砂措施。 还可应用某些经验公式来预告地层出 砂。 如某口 油、 气井的生产压降大于该井岩心的抗压强度1 . 7 倍时， 就会造成地层出砂。 出砂地 层的鉴别和地层出砂规律的研究都是防砂技术中的基础课题，不可忽视 疏松砂岩油藏在我国分布范围广、储量大，特别是胜利油田，疏松砂岩油 藏油井产量在原油总产量中占 有十分重要的地位。这类油藏开采中的主要矛盾 之一是油井出砂。出砂危害极大，它不仅会磨蚀井下和地面设备，造成井筒砂 堵或砂埋油层， 严重者还会造成油井停产或套管损坏， 导致油井报废。因此， 油井防砂工艺技术的研究和发展是胜利油田长期高产稳产的有力保障 1 . 4国外防砂工程实施的现状 国外油气井防砂工艺最初采用限产的办法来控制油气井出砂， 1 9 3 2 年开始 采用砾石充填方法。目 前国外在油气井防砂方面主要以机械防砂为主， 其中 绕 丝筛管砾石充填经过不断的完善和发展， 到8 0 年代已发展成为一项较成熟的技 术，国外著名公司都拥有自己专门的防砂器材、施工设备和施工工艺，从砾石 充 填工具、 封隔器、 滤砂管、泵送设备到施工液、化学药剂、 技术咨询、现场 服务等形成一条龙服务。随着油田 的进一步开发，现在国外又相继研究开发出 各种类型的滤砂管和多种防砂工艺技术。 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 对于绕丝筛管砾石允r e f, 技术，a 外各大石油防砂公司都拥有自己的砾石充 填工 具，目 _种类繁多，己形成系列化目前广泛应用于现场的主要有以下几种 类型: 山皮碗式充填工具: 这种充填工具采用皮碗作为封隔元件， 靠皮碗封隔环 空，一般适用于井内压力在。 一3 . 4 5 m p a ，深度为8 0 0 -1 0 0 。 二 的低压浅井。 ( 2 ) 封隔器转换总成类充填工具: 这类充填工具的特点是可在套管内 任一位 置靠卡瓦 悬挂， 水力或机械座封皆可。 通常用于压力为 3 4 . 4 7 -4 1 . 3 7 m p a ， 井 深2 0 0 0 m 以深的高压深井进行高密度挤压充填及斜井砾石充填作业 ( 3 ) 振动充填工具: 这类充填1具是由 美国 沙龙石油公司 研制的， 主 要由 皮 碗充填工具、旋转式衬管振动器及倒扣丢手工具组成。衬管振动器的间距为 6 0 i n ， 充填过程中， 利用地面 转盘带动振动器产生水平振动，以 获得密实的 充 填层。 目 前，国 外除少数地区继续沿用割缝衬管外， 大部分地区均采用全焊接不 锈钢绕丝筛管。 钢丝化学成分与我国的1 c r l 8 n i 9 t i 相近， 断面呈等腰梯形筛缝 外小内大，具有自 洁作用。 使用的绕丝筛管砾石充填防砂充填材料有石英砂、陶粒和涂层砾石。 低密 度充填材料中最广泛应用的是石英砂，其次是涂层砾石，陶粒的用量很少。 对携砂液的要求和其它完井液一样，必须与油层及其流体配伍性好减少地 层伤害，并有足够的携带能力，有效地控制地层压力。国外携砂液按其表观粘 度划分为三大类，即 低粘度、中 粘度、高粘度;按基液性质又可分为水基携砂 液、油基携砂液和泡沫基携砂液三类。目 前国际上在携砂液研究方面持有两种 观点: 一种是朝高质、 高效及高粘方向 发展; 另一种趋向于低粘或清水方向 发 展。 如何评价则视油井类型而定 主要的充填工艺有两种:高密度挤压充填和低密度砾石充填工艺。 ( 1 ) 高密度挤压充填工艺要求携砂液在运送砾石过程中 有足够的 悬浮能力， 目 前美国多数公司采用h e c 聚合物，加入适量的交联剂和破胶剂作为携砂液 充 填作业中需下人相应的挤压充填转换工具、 下部信号筛管、 合理的管柱配合 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 竺 竺 ，旦 竺， 一竺 ，旦-旦困一里里 组巴 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 些旦里一一竺竺 旦 及扶正器 ， ( 2 ) 低密度砾石充 m工艺是采用欲水或者地层水作为 携砂液运送砾石， 泵 速 一般为 一 3 捅/ 二 ， : 低密度充填作业可用皮碗式砾石充填工具及其它类型的 充填工具，管柱配合多采用上部信号筛管。 1 . 5国内防砂工程实施的现状 近年来，国内机械防砂工艺技术发展较快，胜利石油管理局防砂中心的防 砂工艺技术水平基本反映国内防砂工艺技术水平。 对于绕丝筛管砾石充填技术，目 前胜利油田砾石充填工具种类也很多，大 体可分为常规砾石充填工具、振动砾石充填工具和分层砾石充填工具。 ( 1 ) 常规砾石充填工具 典型反循环工具有s l - f s - f t 2 及s l - b 8 3 一 1 。 正循环充填工具有悬挂式和非 悬挂式两大类， 典型悬挂式转换工具有s l - 5 f s - q 2 和y 4 1 1 一 1 1 4 填砂丢手封隔器。 ( 2 ) 振动砾石充填工具 胜利油田 采油工艺研究院于1 9 9 2 年研制成功自己的振动砾石充填工具， 它 主要由s l - f s - 7 x c 1 旋转充填工具、s l - f s - 7 x d 1 丢手工具、s l - 7 f s - 2 1 / 2 x z 1 旋 挂振动器、 s l - 7 f s - 7 x m 1 密封总成组成 s l - 7 f s - 2 / 2 x z 1 旋挂振动器使用时由 筛 管联接，下人到筛管中心管内，由 地面动力钳带动管柱旋转， 经充填工具和生 产心轴，传至冲管下，振动块产生径向往复运动，连续敲击中心管内壁，实现 振动充填砾石 七 。 ( 3 ) 长井段分层砾石充填工具 多层砾石充填防砂是针对多层分采和厚夹层长井段油井如何有效地进行防 砂而提出的， 在学习国外先进技术的同时， 结合我国以及胜利油田的实际情况， 1 9 9 5 年成功地研制出 二次管柱和一次管柱分层砾石充填工具 二次t艺工具包括s l - f s - 7 f p 正循环充填工具，s l - f s 一 i n s 旋转倒扣丢手 l 具和s l - f s - 7 f l 封隔器三部分。其施工过程同正循环砾石充填。 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 一次管柱防砂管柱工艺包括以下几种1具: s l - f s - 7 l f s上 部充镇工具、 s l - f s 一 ， c s 补偿装置. s i , 一 f s - 7 x f 下部充填工具、 s l ,- f s - 7 l f 封隔器利 s l - f s - t c b 补偿器上 部充填工具的心轴系统可上下滑动，向下滑动时密封上层砾石充填 通道，上滑时可连通上层砾石充填通道，它位于上部油层的上方，补偿装置是 利用内 管与外管的相对运动， 在管柱上提下放时， 为上部充填工具的心轴系统 及内 外管轴向 运动长度不一致时提供合理而足够的轴向伸缩空间，并在内 外管 联接时， 保证内管柱不发生转动。 下部充填工具为下层砾石充填提供转换通道， 并设有关门机构，在砾石充填结束后自 动关闭转换孔。 国内砾石充填筛管主要有全焊式不锈钢绕丝筛管、割缝衬管、双层预充填 筛管和金属棉滤砂管。其中 全焊式不锈钥绕丝筛管应用最为广泛 充填材料主要有石英砂、陶粒和树脂涂敷砂， 其中以石英砂为主要充填材 料。 其质量检测标准执行国际a p 工 质量检查标准 由于陶粒价格较贵， 应用较少， 只在少数高温井中应用陶粒和树脂涂敷砂 在充填砾石的粒径选择上，基于大量室内实验和现场实践，更趋向于选择 d so = ( 4 8 ) d， 而 不是国 外常 用的 地层砂 粒度中 值的5 -6 倍来进行 砾石充填防 砂。 应用较普遍的是水基低粘携砂液，水基高粘液和油基、泡沫基携砂液虽已 进人现场应用，但用量较少。配制高粘液最常用的聚合物是 h e c ( 经乙基纤维 素) ， 其凝胶的 基液通常是2 % k c i 溶液。为提高密度， 也采用c a c l 、 c a b r 、 z n b r : 等作基液， 最大密度达2 . 3 9 / c m ， 但施工时要注意防 腐。 为进行低压漏 失井砾石充填， 发展了 一种泡沫携砂液( 用空气或氮气) ， 干度为8 0 % 9 7 0% a , 携砂比 达 1 . 7 7 k g / l ， 伤害 小， 易排液， 又无“ 砂石后沉效应” ，因而也适用于 高斜井砾石充填。 ( 1 ) 目 前国内 主要的常规充填工艺有两种: 高密度砾石充填和低密度砾石充 填。 ( 2 ) 充 填方式主要为反循环充 填、 正循环充填 反循环充填的特点是砾石磨损与施工简便易行， 但由 于套管内壁及油管外 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 一， 竺 -竺一， -，口 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 旦 些 竺 竺 竺 巴 照 旦 旦 竺 一竺 表 功 !不清 洁容 易 堵 塞 筛 缝及 油 层 孔 道， 所以 在国 外l 本上 不 使 用。 鉴于 其 施i . 一艺 简 单， 充 填较密实，目 前国 内 仍部分 使用 正 循环充 填的 特 点是 施工用液 少， 施工周期短， 故目 前国内 外应用最广泛: 缺点是砂浆经过充填工具转换孔 时砾石流向改变， 造成部分砾石破碎， 影响充填层渗透性。正 循环挤压充填方 式是国内 外许多油田 优先采用的 方式，由 于有较多的砾石进人射孔炮眼内， 充 填饱满， 因 此防砂时成功率高， 效果较好。 对于井斜度较大的定向 井或丛式井， 常规低密度正循环挤压充填效果更佳，这已为国内许多油田现场实例所证实 ， . 6本章小结 油、 气井出砂是石油开采中经常遇到的重要问题之一。每年要花费大量人 力物力进行防治和研究。如果砂害得不到治理，油、 气井出砂会越来越严重， 致使出砂油、气田不能有效开发。 本章从油、气井出 砂机理出发，探讨了防砂的重要性。对油田 地层简单分 类介绍，总体概述国内外防砂技术现状。 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 z防砂方法的研究和初探 2 . 1防砂方法分类及选择 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 流体进人井筒。承载骨架砂是指那些组成地层力学结构的团体颗粒物质。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， 再加以 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。 油、气井防砂方法很多，最终要以防砂后的经济效果来选择和评价。根据 防砂原理，大致可以 分成砂拱防砂、 机械防砂、 化学防砂和热力焦化防砂四大类 有的油井出砂量不大，可以采取防止井底积砂法带砂采油。如选用管式泵 抽油、小直径油管、循环注液或气举来加速井筒中液流上升速度，从而把地层 砂带出井筒。这些方法并不能把地层砂限制在地层内部，因此，严格讲不能算 作防砂方法，只是一类采油技术。 1 . 砂拱防 砂 砂拱防砂是指油、气井射孔完井后不再下人任何机械防砂装置或充填物， 也不注人任何化学药剂的防砂方法。砂拱防砂的机理如同拱桥承载一样，许多 砂粒在炮眼口处形成砂拱，具有一定的承载能力，挡住地层砂随液产出。砂拱 防砂成败的关键在于砂拱的稳定性 ， 。要想保持砂拱的稳定性必须考虑两个关 键问题;一是降低并稳定地层流体产出速度:二是保持或提高井筒周围地层的 径向应力。 一般来说， 套管完井砂拱防砂要求小孔径和高孔密的炮眼。 小孔径有利于 形成砂桥和提高砂桥的稳定性。高孔密可以增大过流面积，降低地层流体的流 速，使其控制在一定的临界值之内而不致冲垮砂桥。 这个临界值称之谓 “ 临界 流速 ” 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 临界流速的定义是:汕、气井正常生产时，出砂量均匀而月 _ 与产量无关， 直到产r r. !.超过某个数值，出 砂rte .h !. 才明 显增加， 这个 产量限 制值在炮眼 地层面!- 形成的流体速度就叫临界流速。控制产量防砂方法就是基于临界流速的概念， 使砂拱的稳定性得到保证 但由于地层流体的速度并不稳定，随着抽油机冲程和冲数的改变， 流速在 不断变化，特别是使用大泵量无杆泵抽油，在炮眼里会造成严重的紊流， 更易 使砂拱垮塌。因此， 这种单纯的套管射孔砂拱防砂方法的实际应用受到限制 2 . 机械防砂 机械防砂可分两类，一类是下人防砂管柱档砂，如割缝衬管、绕丝筛管、 胶结成型的滤砂管、 双层或多层筛管等。这类防砂方法简便易行，但效果差， 寿命短。 原因是防砂管柱的缝隙或孔隙易被进人井筒的细地层砂所堵塞。另一 类是下人防砂管柱后再进行充填，充填材料多种多样。 最常用的是砾石，还可 用果壳、果核、塑料颗粒、玻璃球或陶粒等。这种防砂方法能有效地把地层砂 限制在地层内， 并能使地层保持稳定的力学结构，防砂效果好，寿命长。 相对来说， 机械防秒对地层的适应能力强， 无论产层厚薄、渗透率高低， 夹层多少都能有效地实施，在老油井作业中，还可起到恢复地层应力的作用， 从而延长生单周期， 使出 砂井能得到充分的利用。加上机械防砂成功率高， 相 对成本本较低等优点，目 前应用十分广泛。但是机械防砂不适用于细粉砂地层 和高压地层， 在无钻机或修井机的 情况下也无法施工。 3 北学防砂 化学防砂大致可分三类:一类是树脂胶结地层砂。可以用成品树脂注人地 层， 也可以在地层中 合成树脂来胶结地层砂; 第二类是人工井壁。 人工井壁种 类很多，如预涂层砾石、树脂砂浆、水带干灰砂、水泥砂浆、 乳化水泥、 树脂 核桃壳等。这些人工井壁材料都要通过管柱泵送到产层，并挤人套管以外的空 穴中去，形成密实充填， 使地层恢复或部分恢复原始应力。 待这些充填材料凝 固， 形成具有一定强度的挡砂屏障后， 再把并筒中多余的充填物钻铣掉， 使油、 气井具备 开井生产条件: 第三类是其他化学固砂法， 这一类方法制约条件较多， 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 使用不j 泛，王要有以下儿种:焊接玻璃固砂法、氛氧化钙固砂法、四氯化d il 固砂法、 水泥一碳酸钙混合液固砂法、 聚乙稀固砂法和氧化有机化合物固砂法l 总的来说，化学防砂适用于渗透率相对 一均匀的薄层段，在粉细砂岩地层中 的防砂效果优于机械防砂 它还适用于双层完井作业中的上部地层防砂 但由 于化学防砂对地层渗透率有一定伤害作用， 成功率不如机械防砂，还存在老化 现象，相对成本较高等缺点，应用程度远不如机械防砂广泛 4 . 焦化防砂 此法的 原理是向油层提供热能，促使原油在砂粒表面焦化，形成具有胶结 力的焦化薄层。主要有热空气固砂和短期火烧油层固砂两种。 5 . 防砂方法的选择 油、气井投人开发之前， 应结合油田具体情况选择防砂方法和决定防砂工 艺措施。 通常应综合考虑下述因素: ( 封完井类型 完并类型分裸眼防砂和管内防 砂。 原油粘度偏高， 地质条件 相对简单， 地层砂具有一定胶结强度的产层可以考虑采用裸眼防砂，以改善井 底渗流条件，提高油、气井产量:而地层条件复杂，含有水、气、泥岩夹层的 井应考虑采用管内防砂。 ( 2 ) 完井井段长度 机械防砂不受井段长度的限制。 夹层较厚的 井， 可考虑 分层防砂。化学防砂只能在薄层段进行。 ( 3 ) 井筒和井场条件 小井眼、 异常压力井及双层完井的上部地层适用化学 胶结防砂方法。 温度对化学防砂有直接影响， 应注意井筒的温度范围，老油井 不适合采用化学防砂方法。 无钻机或修井机的井场条件的井不能进行机械防砂。 ( 4 ) 地层砂物性 化学防砂对地层砂粒度范围 适应性大， 膨胀式封隔器 适用 于泥质低渗透产层， 砾石充填对地层渗透率的均匀性要求不高。 ( 5 ) 产能 无论选择哪一种方法， 要想得到有效的防砂效果又不致过分地影 响产能，就必须进行合理的设计和施工一般来说，砂拱防砂对产能的影响最 小，但难以保持砂拱的稳定。裸眼防砂能建立较高的、稳定的产能水平，有条 件时应尽量采川 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 竺竺竺旦竺旦旦旦旦旦竺旦竺竺竺竺竺竺竺竺里旦旦旦旦旦旦旦旦旦旦旦旦里旦里巴里竺竺里旦旦旦旦里里巴里竺竺旦里旦旦竺巴巴巴一巴 ，三巴 ( 6 ) 费 川 从施工 成本考虑应该选择最经济的防 砂力 一法， 但是应该 考虑综合 经济效果 对于防砂施 _ 设计 者来说， 应该全而分析己经掌握的油、 气井资料， 综合考虑土述因素，权衡利弊进行筛选。表a 一 1 列出了 不同的防砂方法对于各 种具体条件的适用性:表 2 一 2 是主要防砂方法优缺点介绍 表2 一1防砂方法筛选表 防砂方法 比较项目 筛管 筛管、 砾石充填 树脂固砂 适应地层砂尺寸 泥质低渗透地层 中一粗细一粗细粉一中 树脂涂层 砾石 各种尺寸 膨胀式 封隔器 各种尺寸 非均质地层 多油层 井段长度 适用 适用 短一长 适用 适用 短一长 适用 适用 适用 6一 7 2 m 无钻机或修井机 高压井 高产井 裸眼井 热采井 严重出砂井 斜井 老油井 套管完井 套管直径 井下留物 适用 适用 适用 常规 适用 适用 适用 适用 适用 适用 适用 常规 吸3 rt 适用 适用 适用 ! c m 适用 适用 适用 适用 适用 适用 适用 适用 适用 适用 适用 适用 适用 小一常规小一常规小一常规 无一低 费用 些竖 有效 期 a 二 史 中一长 中一高 中一高 很长 无-高 有-中 有一低 #l- airk 高一短 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 表z 一 2主 要防砂方法优缺点 防砂方法优卢缺卢 砂拱防砂 紧 砾石充填一: 费用低 简便易行 费用低 作业简便 可用于多层完井 施工成功率高达的% 一 ? 5 % 方法可靠，有效期1 。 年以 上 作业相对简单.费用中等 各种井、 地层及井段适应性强 裸眼砾石充填完井底产能高 为射孔 井底 1 2 c %一1 3 0 % 控制井底压力和流速影响产能 砂拱稳定性不好 不能防细粉砂 防砂管柱易堵塞 影响产能 防沙管柱易受冲蚀，受命短 井内有留物， 修井复杂费用高 不适用于细粉砂地层防 砂 多层， 异常高压及斜井费用高 管内 砾石充填影响产能. 米预充填或积压 充填井的 产能为 射孔井的工 1 / o 一 3 3 % 树脂胶结 可用井内 现有的 施工管柱， 无需钻机 或修井机 井内 无留 物， 可用于多层完井的上部 地层 对地层砂粒度范围 适应性强 可 用于异常高压井 修井作业简单.无需套铣打捞 地层渗透率下降， 更不宜重复作业 成本高， 特别是长井段更昂贵 树脂有毒， 易燃， 需特殊防护 作业液易污染， 泵人速度要求严 地层渗透率要均匀。 层段小于3 二 固 井质量要好， 不能有串 槽现象 作业后需候疑 炮眼一定要畅通 不适用于老井，裸眼井 树脂砂 一 树脂用量为树脂胶结法的 2 0 %一 3 c %，成本相对较低 可用于老井，含页岩和粉砂岩井段 井内无留物， 可用于多层完井的 上部 地层 作业成功率高， 可达朋一9 5 % 井段长度可达 6 m 费用较高 树脂有毒， 易燃， x - 特殊防 护 作业后需候疑 井筒内的凝固砂需用钻机钻掉 炮眼一定要畅通 不能用于裸眼井 作业无需催化剂 凝固后无沉降现象 可用于老井，套管损坏井 可用于高斜井热采井及高产井 1 . 能吸潮， 保存要干燥 预涂层 砾石 有热变性，温度不能超过 3 . p h 值 适应范围为6 一 胶结后渗透率为普通砾石的 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 . 2绕丝筛管砾石充填防砂技术的研究 2 ， 2 . 1地层砂取样和分析化验 1 . 地层砂取样 绕丝筛管砾石充填防砂是以地层砂在砾石充填面上形成砂桥为理论基础。 砾石与地层砂的 尺寸之间有一定的比 例关系， 也就是 最佳比 值，因 此， 在砾石 充填施工设计中， 最重要的参数就是地层砂的尺寸，即地层砂粒度中值。有了 这个参数， 便可求得相应的砾石尺寸， 从而设计筛管或割缝衬管的缝隙尺寸。 此外， 还要了解地层的 矿物组成及其物理一 一. 化学性质，以 便指导防砂施工中 修并液的 化学配伍性要求和地层处理液的设计，因此， 必须对防砂层段的地层 砂取样分析。 地层砂样最好在钻井过程中用橡胶取心筒取心。 完整的砂岩地层岩心最具 有代表性， 最能真实地反映地层砂的实际情况。 若没有完整的岩心，可采用井壁取心。 这种岩心的质量不如橡胶筒取出的 岩心，这是因为井壁取心工具打人地层时， 会使部分地层砂破碎，而使砂样的 细砂含量增加， 致使砂样粒度分析的正确性受到影响。 但井壁取心砂样仍具有 相当 好的参考价值。 如果上述两种岩心都不可得，只能采集随流体产出的砂子或井底捞砂获得 的地层砂样， 但是这两种砂样的失真度很大。 通常， 产出砂偏细是因为细颗粒 砂容易随液流产出，而捞出砂偏粗是因为粗颗粒砂易沉人井底，因此，这两种 砂样对地层的代表性都不佳，只有一定的参考价值。 考虑到地层砂的 粒度分布和各种物化性质无论在水平方向或垂直方向上 都有较大的变异， 所以， 对每一口 防砂井都应取样分析化验，且在同 一口 井 中， 也要多取几个砂样， 一般每5 一 1 5 m 取一个砂样， 每个砂样不少于2 0 0 g o 地层砂取样间距对地层的代表性有很大影响。 如表2 一3 所示: 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 表z 一3砂样的 取样间趴对地层代表性的影响 取样间距 ，。砂样可靠程度，% 1 5 0 a 3 0 7 s 叨以100 巧63 表2 一 4分筛结果 筛目号 所得砂样的质量，9 一一 一一- 1 6一 : : : : 0泊旧旧分 e上丁，灰 2 . 砂样筛析和化验 ( 1 ) 筛析求地层砂样粒度中值d sa 取得砂样以后， 在实验室进行筛析。 步骤如下:先要清洗砂粒表面粘附的 原油， 再进行解集和烘干， 使砂样变成无油污、 干燥、洁净的单颗粒状态。 然 后称取1 0 0 g 洁 净砂 样， 放人1 。 个 一 组不同 筛目 的 标准组 筛的 顶筛 之中 并 装人 振筛机， 进行振动分筛1 0 m i n 以 后， 停机取出组筛，并在精确天平上称取每一 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 级标准筛中保留的砂样质量。假设分筛结果如表2 一4 0 根据 i 几 述筛分数值，计算各级筛目 的累积质量百分比，见表 2 -5 : 表2 -5各级筛目 的累积质量百分比 筛目号累计质量百分比，% 1 6 0 :一 :;: “四9497100 0拍门功分 日厂丁2灰 再把筛目 号与对应的累积质量百分比 描绘到半对数纸上，如图2 -1 所示， 得到一条。 形曲线， 即筛析曲线。 在此曲线上找出累积质量百分比 为5 0 % 这一 点所对应的筛目 尺寸，即为地层砂粒度尺寸， 定义为该砂样的粒度中值d ( 本 例 d , 。 二0 . 1 6 7 m m ) 。 还可以把筛目 号和累积质量百分比 描绘到对数概率纸上，形成筛析曲 线。 如图2 -2 所示， 它表明了同 一口 油并三个砂样的 筛析曲 线。 很明 显， 具有代 表性的岩心砂样的筛析图形呈直线， 捞出砂样和产出砂样皆呈曲线。这种方 法的优点是在筛析图 上容易鉴别在砂样选取和筛析实验中 造成的 误差。 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 比 川1/ 川月r 一 ! 犷 j 一 川刀 ! 一 2 / l朔川一 一 / 口 2 产 一 1。 亏芥6 冈 五次陀，妞石暇 砂腔尺寸， 劝m 图2 一15 形筛析曲线 日 、 认 、 刘 、 犷丫 ， 捞 砂 砂样 丫 反、 产 出 词 l ! 矿 、 一 飞 卜尔叮.叶j升协月体j升月叶j游，l 加朋胡印邓沁佣jo阳10 zj石7功“扣盯切 分四吸樱派 爪翻工t百分比，% 图2 一2 对数概率筛析曲 线 此外，还有一种。 值法。 先要把筛目 尺寸转换成一定的数学关系中 值: 0二一 l o g z d= 些 i nz 式中洲一筛目 尺寸， inln。 标准筛目 号所对应的。 值可以 从相关表中 查找。然后再把标准筛目 对应的 。 值和累积质量百分比 描绘到半对数纸上， 所得到的图 形呈一条直线。 其优点 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 是比s 形曲 线精确，因为点与点之间的曲 线途径有许多条， 但直线只有一条， 在连接曲线时容易造成人为的误差。 图2 -3 就是。 法筛析图。 图中累积质量百 分比 为5 0 % 所对应的4 ) 值为2 . 9 ，以 此值在表中对应的粒度中 值d ,0 ( 本例d , ; =。 . 1 6 。 二) 。 此法的缺点是计算和查表相对麻烦。 / 一; / 厂 一 / / j犷 一 7 一 / !厂 / / 图2 - 3 .释放封隔器，反洗井，正转丢手。 下铅封封隔器，封隔环空。 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 图3 - 2环空充填施工 3 . 3复合防砂技术在尚店油田滨3 1 8 井的设计应用 、油井基本数据 完井日 期7 9 . 1 2 . 2 2 油 层 套 管 外径1 3 9 . 7 m m 完钻井深 1 4 5 0 m壁厚6 . 9 8 n 下深 1 3 3 6. 0 6 m油补距2 7 5 m 水泥返高 4 3 0 m固井质量未评价 设计灰面 1 1 7 8. 0 m 最大井斜及深度 2 度1 5 分x 1 4 5 0 m 目 前灰面 1 1 7 9 . 2 m 二、油层及射孔状况 6 3 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 图3 - 2环空充填施工 3 . 3复合防砂技术在尚店油田滨3 1 8 井的设计应用 、油井基本数据 完井日 期7 9 . 1 2 . 2 2 油 层 套 管 外径1 3 9 . 7 m m 完钻井深 1 4 5 0 m壁厚6 . 9 8 n 下深 1 3 3 6. 0 6 m油补距2 7 5 m 水泥返高 4 3 0 m固井质量未评价 设计灰面 1 1 7 8. 0 m 最大井斜及深度 2 度1 5 分x 1 4 5 0 m 目 前灰面 1 1 7 9 . 2 m 二、油层及射孔状况 6 3 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 电m9序号 射 孔 井 段 。一 厚 度 孔数 孔隙度 渗透率 1 0 - u m 泥质 含量 % 1 2 1 1 4 0 . 4 - 1 1 5 0 . 0 9 . 6 重复射孔 共1 层9 . 6 合计 四、 施工目的: 油井防砂恢复生产。 施工工序: 起出原井管柱. . 探冲砂: 下cd 6 2 。油管探冲 砂至灰面1 1 7 9 . 2 米， 起出冲砂管柱。 . 通井: 下(d 1 1 6 二通井规通至1 1 7 9 . 0 m ， 上提至1 1 7 8 m ， 用采出 水洗井2 周后， 替人防 膨射孔液， 起出 通井管柱。 .重复射孔。 5 . 套管试压: 下y 2 1 1 - 1 1 4 封隔器至1 1 3 5 . 0 m ，套管试压1 5 . o m p a , 3 0 m i n 压 降 0 . 5 m p a 为 合 格， 起出 试 压 管 柱。 6 .下(d 6 2 二光油管下带 f x y 4 4 5 - 1 1 2 丢手封隔器，座封位置1 1 7 7 . 。 米。 座封成功后起出管柱。 7 .刮削套管:下 5 / , i n刮削器刮削套管至 1 1 6 0 m ，在工具下人的地方 1 1 0 0 - 1 1 1 0 m 处刮 削 三 次， 边 刮 边 洗。 8 . 起出 刮管管柱， 下光油管， 尾深1 1 2 5 . 。 米。 9 . 连接地面管线， 试压2 5 m p a , 5 m i n 不降为合格。 1 0 .预充填施工: ( 1 ) 正 洗 井至出口 见液， 关 套管闸门。 ( 2 ) 预充填: 大排量试挤2 0 方( 油 层清洗剂1 0 方) ，待排量、 压力稳定 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 后， 加0 . 4 - 0 . 8 。石英砂1 2 t , 0 . 6 - 1 . 2 二石英砂6 t , 携砂比 控制在5 - 2 0 %, 排量控制在1 . o m / m i n 左右， 待泵压升至1 8 m p a ， 停止加砂。 ( 3 ) 正挤顶替液3 . s i i 1 3 ，关井稳定3 天。 ( 4 )探冲砂及调整砂面至1 1 6 2 . o m o 1 1 . 绕丝管防砂施工。 ( 1 ) 起出探冲 砂管柱， 下防 砂管柱( 见图3 - 3 ) ; ( 2 )充填施工: a 、 反洗井: 用采出 水大排量洗井1 周; b 、 正循环加砂， 设计粒径。 . 6 - 1 . 2二， 砂量0 . 3 7 耐 ， 携砂比5 - 1 0 %, 当 泵压稳定时开始加砂， 待泵压升至8 m p a 时停止加砂; c 、正挤顶替液待泵压升至 1 o m p a时停泵;反洗井至出口 无砂， 停泵 2 小时 后， 试挤， 若压力小于i o m p a 则重复b , 。 过程， 若压力大于1 o m p a 则进 行以 下施工。 d 、丢手: 投球打压丢手，当压力突降，套管大量返水， 证明丢手，拆 井口 试提管柱， 严禁猛提猛放; 1 2 .起出防 砂管柱， 按地质要求下泵。 五、 施工要求 1 . 刮管器或充填工具起下时， 必须打好背钳，以防工具或油管卸扣落井。 2 . 下人防砂工具时，下放速度控制在。 . 3 m / 秒。 3 .充填时所用车、罐、池必须清洁。 4 . 严格按操作 规程施工， 按质量标准检查工序， 认真写施工质量检查卡。 5候凝期间， 作业队 看井， 防偷油或丢井口 造成卡、 堵油管。 六、 生产管理要求 1 ， 投产后两周内 不得停抽，以 确保投产后能正常运转; 2 . 定期计量产液量，化验油水变化情况及含砂情况; 3 ， 油套管装有准确的油套压力表， 观察压力变化情况。 山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 七、 施工材料准备: 序号工具名称工具规格单位数量 1p 15 / 2 i n套1 2绕丝管 2 / 2 i n x 1 . 4 m x 0 . 3 mm根1 2 / 2 i n x 6 . g m x 0 . 3 mm根2 3扶正器2 / 2 i n 个2 4 丝堵2 / 2 i n i n个1 5 预充填沙 0 . 4 一 0. 8 m m 0 . 6 一1 . 2 mm:126 6管外充填沙 0 . 6 一l . 2 mmm 0. 3 7 7 冲 管1 / 2 i nm4 3 . 4 8油管短节2 / 2 i n x 6 根 1 9b w 吨1 3. 8 八、 施工车辆准备: 1 预充填 泵车 ( 7 0 0 型) 3 台 混砂车 1