（机械工程专业论文）可自适应膨胀防砂筛管关键技术研究.pdf

摘要 油气井出砂是油气藏开采中面临的重要问题之一。据相关资料统计，全世界一半以 上的油井需要防砂，因此防砂工艺及工具的研究也成为各个研究机构的研究热点。 为了适应油井防砂的需要，本文在分析了油层出砂机理的基础上，提出了一种结合 砾石充填和膨胀防砂优点的一种新型防砂设计理念，设计出可自适应膨胀防砂筛管的结 构，分析了可自适应膨胀防砂筛网的膨胀机理，并对其进行膨胀实验，实验表明：利用 砾石充填膨胀防砂管可以达到良好的膨胀效果。 本文在原有割缝筛管的基础上，研究了割缝的数量、缝宽、布缝方式等要素，并在 较少研究的缝型方面展开研究，提出了种双梯形缝，并基于阻力系数最小的目标对双 梯形缝进行结构设计，并使用c f d 方法对其进行验证。 进行了割缝筛管的冲蚀实验，实验结果表明：当携砂流体的流速和冲蚀角越大时， 冲蚀量也就越大，反之亦然；割缝筛管砂粒直径和浓度的关系与流速和冲蚀角的关系不 同，它们的关系是：开始时砂粒直径或浓度的增加势必带动着冲蚀量的增加，而当砂粒 直径和浓度到达某一定值后，砂粒直径或浓度的增加也不能使冲蚀损失进一步增加，冲 蚀量反而减小。 通过观察割缝筛管冲蚀后的金显微镜形貌图和粗糙度图，直观地观察流体的流速、 砂粒直径、砂粒浓度和冲蚀角对割缝筛管样件表面相貌产生的影响，分析金相显微镜图 和粗糙度图中的冲蚀规律和特征，总结规律并与实验数据相比较，结果与数据规律相吻 合。 通过使用断层扫描仪对砾石层进行扫描，建立了砾石层的模型，从而分析砾石层流 体流动时的压力与速度情况。总结了砾石层中流体的流动规律和砾石层中砂粒的沉降情 况。 关键词：可自适应膨胀防砂筛管；防砂工具；双梯形；冲蚀；割缝 t h et e c h n o l o g yr e s e a r c ho fs e l f - a d a p t e d e x p a n d a b l es a n dc o n t r o ls c r e e n w a n gy a z h o u ( m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i uy o n g h o n g a b s 仃a c t s a n dp r o d u c t i o nb e c o m e s m o r ea n dm o r es e r i o u si no i la n dg a sw e l l s m o s to fo i lw e l l s n e e df o rs a n dc o n t r o li nt h ew o r l d , s ot h es a n dc o n t r o lt o o l ss t u d yh a v eb e c o m ep o p u l a r p r o j e c ti nm a n yi n s t i t u t i o n s i no r d e rt oa d a p tt h en e e do fs a n dc o n t r o l ，t h es t r u c t u r eo fs e l f - a d a p t e de x p a n d i n g s c r e e ni sb a s e do nt h ec o n c e p to fp a r t i c l ee x p a n s i o na n dt h ec o m b i n a t i o no fh a r d n e s sa n d s o f t n e s s w ea n a l y s i st h ee x p a n s i o nm e c h a n i s mo fs e l f - a d a p t e ds c r e e n , e x p a n d i n g e x p e r i m e n t so fs e l f - a d a p t e ds c r e a i ls h o w st h a tt h ep r o c e s so ft h ee x p a n d i n gi se a s yt oc a r r y o u ta n dc a na c h i e v eag o o de x p a n d i n ge f f e c t t h es l o tl e n g t h , s l o tw i d t ha n ds l o td i s t r i b u t i o nf o r mo fb a s ep i p ei ss t u d i e d , w ep u t f o r w a r dak i n d o fd o u b l et r a p e z o i d a ls e a mt y p e ，b a s e do nt h em j n i l n u nr e s i s t a n c e c o e f f i c i e n tt od e s i g ns e a l ns t r u c t u r e ，a n dt h e nu s ec f dm e t h o dt ov e r i f yt h ed e s i g nr e s u k t h ee r o d i n ge x p e r i m e n to ft h es l o t t e ds c r e e ni sc o n d u c t e d ；t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h e e r o s i o ni ss e r i o u sw i t ht h ei n c r e a s eo ff l u i dv e l o c i t ya n di m p a c ta n g l e ，w h i l e ，w h e nt h es a n d p a r t i c l es i z ea n ds a n dc o n c e n t r a t i o na r ei n c r e a s e d , t h ee r o s i o nq u a n t u mi si n c r e a s e da tt h e b e g i n n i n g ，a n dt h e nd e c r e a s e d m e t a l l o s c o p eg r a p h ，r o u g h n e s sg r a p ha n d3 ds u p e rf i e l dd e p t h g r a p ho fs a m p l ea f t e re r o d i n ga r eo b s e r v e d , t h es u r f a c ev a r i a t i o nl a wi ss t u d i e d , a n dt h e c o r r e s p o n d i n ge r o d i n gt h e o r yi sf o u n d t h eg r a v e ll a y e ri ss c a n n e db yt o m o g r a p h y , t h eg r a v e ll a y e rm o d e li se s t a b l i s h e da n d t h ep r e s s u r ea n dv e l o c i t yo ff l u i df l o wi ng r a v e ll a y e ri sa n a l y s i s f l u i df l o wl a wa n d s e t t l e m e n to ft h es a n di ng r a v e ll a y e ra r es u m m a r i z e d k e y w o r d s ：s e l f - a d a p t e de x p a n d a b l es c r e e n ；s a n dc o n t r o lt o o l ；d o u b l et r a p e z o i d a ls e a m ； c o r r o s i o n e r o s i o n ；t h es l o tt e ds c r e e n 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的来源 第一章绪论 本课题源自国家自然科学基金研究项目“可自适应膨胀防砂筛管及其应用技术基础 研究”。论文主要通过理论、仿真和实验相结合的方式总结膨胀、防砂和冲蚀机理。从 而对膨胀防砂筛管进行研究，改善其防砂效果，为油井防砂提供一种高效可靠的防砂方 法。 1 2 课题的研究意义 在油气井开采中，油井出砂一直是一个很受关注的问题。而且进几年国内很多油田 的开采已经进入后期，为了更好的开采石油，油藏开采强度也随之不断增加，油井出砂 也因此变得越来越严重【l 】。砂粒埋藏油层、卡泵甚至油井报废的大部分原因就是因为出 砂造成的。再者，随着石油开采难度的逐渐增加，各种增产方式的使用也导致出砂现象 变得越来越严重，从而导致油井出砂变得越来越普遍。此外，稠油油藏开采与普通油藏 开采还存在着区别，因为原油与水相比粘度相对要大得多，因此在开采稠油油藏的过程 中势必对地层中的砂粒造成比较大的拖拽力，也会产生严重出砂现象。同样对于稠油开 采也需要相应的施工措施比如热采或注水等，也会对油井造成伤害，这就加剧了出砂问 题。现存的防砂方法主要包括机械防砂( 独立筛管防砂、虑砂管防砂、砾石充填防砂) 、 化学防砂、复合防砂等，但是这些防砂方法都存在着很大的弊端，那就是防砂效果不好， 后续防砂以及防砂寿命都存在着很大的弊端。现在各研究院及研究所都在研究新型的防 砂方法和工具，以提高防砂效果，从而增加油藏采油量。 针对上述情况，本课题结合砾石充填的防砂效果与膨胀筛管新技术，提出了可自适 应膨胀防砂筛管的设计新思路。新思路结合了砾石充填与膨胀筛管的优点，新型防砂工 具具有砾石层也能够实现膨胀。这就在很大程度上决定了我们所设计的膨胀防砂筛管的 结构，其结构由外而内分别为：可膨胀保护罩、可膨胀防砂筛网、砾石层和内支撑割缝 筛管。这种新型可膨胀防砂管具有砾石膨胀的特点，可以实现防砂工具与油井井壁之间 的“零环空”( 紧密贴合) ，这样就可以大大减少出砂现象；而且新型防砂工具具有 三层防砂体系，可膨胀防砂网作为第一层防砂，砾石充填层作为第二层防砂，割缝筛管 作为第三层防砂。这样就保证了很好的防砂效果及较长的防砂周期。 第一章绪论 可自适应膨胀防砂筛管的结构与以往膨胀防砂筛管的结构不同，其原理也存在着很 大区别，所以现有的理论与工程方法无法直接套用在这种新技术上，因此研究新型防砂 管柱的相关理论和实验是很有意义的。 1 3 国内外防砂研究现状分析 目前，按照防砂机理及工艺条件来分防砂方法可划分为化学防砂、机械防砂、复合 防砂和其它防砂方法【1 。5 1 四大类。机械防砂方法是现今国内外应用最多的一种防砂方法， 机械防砂可以分为两种，第一种是在油井中下入机械管柱，如绕丝、割缝筛管以及各种 虑砂管等，第二种防砂方法则是管柱砾石充填防砂，就是在井筒内下入绕丝筛管、割缝 筛管等管柱后，再用砾石充填管柱与井筒壁面之间的环空，形成多层防砂体系。化学防 砂的工作原理主要是固定井壁，避免砂粒的运动，从而减少砂粒的产生，施工中，在油 井井壁上添加一定的化学剂，就可以固定油井井壁，达到防砂的目标，由于化学防砂操 作简单，所以具有不耽误其它油井作业的特点。但是化学防砂的缺点也是不容忽视的， 通常情况下化学防砂的有效期短，而且防砂强度效果欠佳。砂拱防砂就是在井筒内不下 入任何机械设备或挤入化学剂的防砂方法，其工作原理是利用作用力压实油井井壁来减 少出砂的可能性，这种防砂方式的优点是便于后期处理，缺点是防砂效果很难得到保证。 复合防砂结合机械防砂和化学防砂两种方式，这样在井筒内先进行化学防砂，然后再利 用机械防砂方法进行二次防砂，但是复合防砂操作比较复杂。机械防砂方法作为当今应 用最广泛的油井防砂方法，已经在国内外油井中上占有很大比例【6 】。 1 3 1 独立筛管防砂 独立筛管防砂作为机械防砂方法中的重要组成部分，具有工作原理简单、便于施工、 经济性好等优点，所以其成为目前油气井防砂中应用最多的一种防砂方法。独立筛管防 砂是通过在油井中放入比如绕丝筛管、割缝筛管、滤砂管等防砂管柱 7 - 1 1 1 ，依靠结构之 间的缝隙将砂粒阻挡在底下，从而进行防砂。虽然这种方法应用很广，但是同样存在着 一些弊端，其中比较大的弊端就是防砂有效期短，砂粒很容易进入防砂管柱中，容易阻 塞防砂管柱，造成防砂失效。 ( 1 ) 绕丝筛管防砂 绕丝筛管在油田中是油田中一种很普遍的防砂筛管，其基本结构是将绕丝缠绕在带 有孔的中心管柱上，绕丝截面一般呈三角形或梯形状，绕丝与中心管之间有纵筋相连， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 通过焊接将三者联系在一起。油通过绕丝之间的缝隙中流入防砂管柱，在流入管柱时将 粒径比绕丝之间的缝隙大的砂粒阻挡在绕丝筛管外面，从而达到防砂的目的。绕丝筛管 防砂具有缝隙连续，过流面积大，筛管阻力小，耐腐蚀性好，工作寿命长的特点，但是 造价成本比割缝筛管高好几倍【2 1 。 ( 2 ) 割缝筛管防砂 割缝筛管防砂是根据加工工艺的发展而发展的一种机械防砂方法 5 1 。割缝筛管实物 图如图1 1 所示，割缝筛管的工作原理就是通过油管上的缝隙将粒径尺寸比缝隙大的砂 粒阻挡在割缝筛管外面，从而达到防砂的目的。 图1 1 割缝筛管实物图 f i g l - 1 t h er e a lf i g u r eo fs l o t t e ds c r e e n 因为加工制造的原因，最早的割缝筛管缝隙使用矩形割缝( 而且缝隙的尺寸比较大， 防砂效果差) ，但是使用矩形割缝存在很大的弊端，那就是容易导致砂粒在缝隙处的堆 积，造成缝隙堵塞，影响采油率。这大大阻碍了割缝筛管的推广与应用。但是随着加工 工艺的发展，尤其是特种加工技术的发展，割缝筛管的缝隙得到很大的改进 1 2 】。新的 加工方法可以加工出梯形割缝，梯形缝隙的结构是最外面最窄，越往内越宽，也就是严 进宽出，这样的好处就是可以防止进入缝隙的砂粒堆积；其次割缝筛管缝隙的加工质量 也得到了提高，加工成本也越来越低，又因其制造成本远远低于绕丝筛管，所以其应用 也越来越广泛。现在割缝筛管已经成为机械防砂中的重要组成部分。随后，中国石油大 学刘永红教授提出了复合缝隙型腔割缝筛管，改变了单梯形缝筛管由于角度较大，缝口 较尖锐，砂粒容易磨损缝口的尖角、受到砂粒大的冲蚀而导致缝宽容易变大的弊端。 ( 3 ) 滤砂管防砂 滤砂管防砂方法一般包括金属棉虑砂管防砂、陶瓷虑砂管、树脂石英虑砂管和多孔 冶金粉末虑砂管【1 1 ，这些虑砂管通常由防砂管柱加上虑砂层组成，虑砂管的核心部件就 3 第一章绪论 是虑砂层，虑砂层由特殊的材料经混合烧结或特殊加工而成【7 ，虑砂管材料胶结或烧 结的好坏决定了其防砂效果。这种防砂方法工艺简单、作业费用低，但与其它的独立筛 管防砂一样也无法防止治粉细砂进入虑砂管内，而且防砂有效期与独立筛管防砂一样周 期比较短。 1 3 2 筛管砾石充填防砂 筛管砾石充填防砂是机械防砂中的一种重要防砂方法【1 】 1 5 】，主要分为筛管管内砾石 充填、裸眼砾石充填和筛管管外砾石充填。其主要的防砂结构就是砾石充填层，砾石充 填层具有良好的防砂效果，可以达到很高的防砂成功率，由于这种方法采用了砾石过滤 砂粒的方法，所以防砂效果很好，很少有颗粒可以穿过砾石层，砾石层比起其它的防砂 方式来说相对稳定，所以这种方法的有效期也比独立筛管防砂的时间长，同样防砂寿命 也比较长，但是这种方法因为施工复杂，成本高，消耗时间也长。如图1 2 所示，左侧 为裸眼砾石充填防砂方法，右侧为套管砾石充填防砂方法。 图1 - 2 砾石充填防砂方式 f i g l - 2 t h es a n dc o n t r o lw a y so fg r a v e lp a c k 1 3 3 双层预充填筛管防砂 随着防砂技术的不断发展，双层预充填筛管防砂技术1 叼也随之出现。双层预充填防 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 砂筛管主要通过砾石层进行防砂，不过它不同于砾石充填防砂那样是在放入防砂管柱之 后再进行砾石充填，而是在地面上将砾石层先充填好然后同防砂管柱一起放入油井井 下，双层预充填筛管的外径尽可能的贴合套管，这样就可以增加砾石层的厚度，从而进 行防砂。因为其在地面上已经完成了充填工作，所以其作业成本低，作业时间也短，也 具有砾石防砂的特点，防砂效果好，但是双层预充填防砂筛管在使用过程中也存在着一 些问题，如无法有效防治粉砂进入油管、应用范围较小、重复利用率低等缺点。 1 3 4 可膨胀筛管防砂 e x p a n d a b l es a n ds c r e e n ( e s s ) ，即可膨胀筛管防砂，在近几年作为一种新的防砂 方法才被提出，因为在实际应用中具有良好的效果，所以发展得非常快，相关的各个研 究院及研究所都在竞相研究可膨胀防砂筛管。 1 3 4 1 可膨胀割缝防砂筛管防砂 可膨胀割缝防砂筛管 1 7 - 2 2 】通常由三部分组成，由内而外分别为可膨胀割缝基管，中 间层，基管罩。其施工过程是：第一步是将可膨胀割缝防砂筛管下入到井筒内，随后中 心管和保护外套会随着锥形膨胀芯轴放入膨胀而向外扩张，直到和井壁紧紧的贴合，从 而实现了有效防砂。由于筛管紧贴井壁，所以在它们之间就没有了相对空间，从而减少 了砂粒的移动、微粒的运移并增加了虑砂面积，这样也可以进一步控制油藏。 可自适应膨胀割缝防砂筛管防砂的优点有以下几点：( 1 ) 膨胀筛管能够紧贴油井 井壁( 或套管壁) ，这样就可以阻止井壁中砂粒的运动；( 2 ) 施工简单方便，膨胀之 后的管柱内径增大，从而增加了过流面积，减小了流体流过防砂管柱的压降损耗，并且 由于可膨胀割缝防砂筛管的存在地层还会受到它对地层的支撑，可以有效防止井壁坍 塌； ( 3 ) 完井周期短、经济性好；( 4 ) 可以有效降低地层的表皮系数。通常情况下砾 石充填防砂井的表皮系数一般大于1 0 ，而膨胀筛管防砂与之相比，油井表皮系数一般小 于5 1 2 3 - 2 5 1 。 当然可膨胀割缝防砂筛管防砂也有一些缺点，主要表现为：( 1 ) 因为可膨胀割缝 防砂筛管的膨胀方式主要为相同直径的膨胀，这样就会导致井壁小的地方受到很大的挤 压力，从而破坏井壁，对于直径较大的地方，防砂筛管与井壁之间就会留下空隙。( 2 ) 为了达到较好的膨胀效果，可膨胀割缝防砂筛管的膨胀力通常情况下都很大，这就要求 相关的配套设备具有较高的强度。 5 第一章绪论 1 3 4 2 可膨胀双稳态防砂筛管 为了改善上述可膨胀割缝筛管防砂的弊端，近几年国外的一些石油公司( 斯伦贝谢) 开发出一种双稳态膨胀筛管，其核心部件为双稳态单元，通过双稳态单元的特殊结构进 行膨胀。 钢丝网、主体管、高膨胀性能滤网( h e f l ) 、防护屏四部分组成了可膨胀双稳态 防砂筛管的结构。如图1 3 所示双稳态单元的结构，从图中可以看出在每个双稳态单元 之间存在着狭小的连接，正是这个狭小的连接，使可膨胀双稳态防砂筛管在膨胀时不需 要太大的膨胀力，但是也正是因为这个原因，使可膨胀双稳态防砂筛管的强度受到狭小 单元的限制，一旦狭小单元受到破坏，会接着影响到与之相连的结构，造成此区域的防 砂失效。 图1 - 3 可膨胀双稳态防砂筛管的双稳态单元 f i g l - 3 t h ee x p a n d a b l es a n ds c r e e nw i t hd o u b l es t a b l ee l e m e n t s 可膨胀双稳态防砂筛管的提出也改变了之前可膨胀防砂筛管的一些特点，比如说， 双稳态单元的存在使可膨胀双稳态筛管在膨胀时不需要太大的径向展开力，这样就相应 地降低了对相关配套设备的强度和其它要求；因为其结构的特点，其圆周可塑性较好， 所以可膨胀双稳态筛管在膨胀之后的径向回缩小，基本不存在回缩现象，这样就达到了 可膨胀筛管的零环空目的；可膨胀双稳态防砂筛管不仅径向回缩小，而且在膨胀过程中 也能使可膨胀双稳态防砂筛管保持稳定不变的轴向长度。 可膨胀双稳态筛管防砂在实际使用中也存在着以下问题：正如上面所述，因为双稳 态单元狭小区域的强度有限，所以可膨胀双稳态防砂筛管的总体强度不高：这样也就大 大降低了可膨胀双稳态防砂筛管的可靠性。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 可膨胀防砂筛管技术在不断发展之中，尤其是国外公司非常重视可膨胀防砂筛管的 发展，国外哈里伯顿公司在可膨胀防砂筛管的基础上，研究出一种膨胀防砂筛管，这种 筛管可以控制流体的流量，主要是为了解决在工程实际应用中，不同深度的地层流体流 量无法控制的难题，这样如果不需要某个地层的流体或想降低其流量的话，传感器就会 将这一信息传递到地面，地面通过液压、电力或通讯等方式将提前放置在防砂筛管上的 液压装备触发，从而关闭或是控制流通孔的大小，实现流体控制的目的。 1 3 4 3 可自适应膨胀防砂筛管 可膨胀管防砂技术在工程应用实例中不断地增加，效果反应很好，所以近几年得到 了很大的发展，但是国内的油田中很少有使用可膨胀管防砂筛管的，而且相关的理论研 究也停留在分析阶段，可膨胀防砂筛管在未来油田防砂领域肯定会占有一席之地，为了 加快国内可膨胀管防砂技术的研究步伐。也针对现在油井对于防砂技术的要求，研究高 效、实用的防砂工具与防砂工艺具有很重要的经济意义。 结合砾石充填防砂效果好和可膨胀防砂筛管零环空的优点，我们提出了一种新型的 防砂工具( 可自适应膨胀防砂筛管) 。可自适应膨胀筛管的结构共分为四部分，由内而 外分别为内支撑割缝筛管、砾石充填层、可膨胀防砂筛网和可膨胀保护罩2 6 1 。其核心 技术( 膨胀方法) 采用独特的砾石充填膨胀，这样就可以保证可自适应膨胀筛管在初始 状态下保持较小的直径，保证能够很好地进入井洞，然后在安置好之后进行高压液携带 砾石充填，由于砂粒的可塑性较好，也具有一定的流动性，所以在井眼不规则的油井中 可以真正实现整个膨胀段与井壁之间的紧密贴合。经过理论研究和实验优化，这应该能 成为一种可靠的、防砂周期长、成功率高的防砂方法。 1 4 课题研究内容 ( 1 ) 合理设计割缝筛管的结构并进行冲蚀研究 通过理论与仿真的方法研究割缝筛管的结构设计。 基于理论与仿真的方法研究割缝筛管缝的冲蚀规律，进行冲蚀实验。 ( 2 ) 可自适应膨胀防砂筛管的膨胀研究 膨胀筛管的整体结构设计； 建立可自适应膨胀防砂筛管防砂过程的实验台，模拟真实的膨胀防砂过程； ( 3 ) 可自适应膨胀筛管的防砂机理与流阻研究 第一章绪论 观察砾石堆积情况并结合c f d 软件计算结果总结不同条件下的流阻规律。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章可自适应膨胀防砂筛管的膨胀研究 可自适应膨胀筛管的结构由内而外分别为内支撑割缝筛管、砾石充填层、可膨胀防 砂筛网和外层可膨胀保护罩。这四个组成部分都是围绕着中心轴同心分布的。可自适应 膨胀筛管采用高压液携带砾石进入充填层，使可膨胀防砂筛网膨胀以此来实现筛管扩 张，这样可以保证可自适应膨胀筛管在初始状态下保持较小直径，保证很好地进入井洞， 然后在安置好之后进行高压液携带砾石充填，在油井直径波动很大和频繁的油井中真正 实现整个膨胀段与井壁之间的紧密贴合，从而提高防砂周期、防砂效果和成功率。 可自适应膨胀防砂筛管除了结构上要保证防砂效果外，关键还是其膨胀过程，只有 膨胀顺利才能更好的使防砂管柱贴合井壁，从而保证良好的防砂效果。不同的油层出砂 机理是不同的，任何防砂方法的原理都应该建立在油层出砂机理的基础之上。膨胀技术 是可自适应膨胀筛管的核心技术，膨胀技术的好坏直接与可自适应膨胀筛管的防砂成功 率和防砂效果相关，所以研究可自适应膨胀筛管的膨胀实验具有很重要的意义。 下面将首先分析油层的出砂机理，然后通过实验的方法对可自适应膨胀筛管进行膨 胀实验，分析膨胀效果，从而为以后的油井防砂奠定基础工作。 2 1 油藏出砂机理 开采因素、地质因素和完井因素 2 7 之9 1 是油藏出砂的主要因素。对于地质因素来说， 颗粒胶结的程度与地层油藏出砂是息息相关的，而地层的深度、胶结物种类、数量、胶 结方式和颗粒尺寸形状决定了胶结性能的好坏，从而也决定了油藏出砂的程度。通常用 地层岩石强度来衡量胶结程度，通常情况下，地层的深度越深，那么压实的就越厉害， 地层岩石强度相对也就越大，反之亦然，这也就解释了一些浅层油田出砂的现象。 胶结物的种类对于地层强度的影响是不可忽视的，通常情况下，钙质胶结为主的地 层与以泥质胶结的地层相比，砂岩要致密一些，地层强度也高；因此后者容易受到外界 的干扰而造成胶结破坏。从中可以看出地层强度对于地层出砂的影响是很大的。 流体性质也对出砂有一定的影响，地层流体与地层砂粒之间存在着毛细血管力，如 果地层流体含油量比较高，那么胶结质量也会提高，反之亦然，这其中的原因主要是油 相与水相的属性导致的，颗粒在水相与在油相相比，界面张力较小。 开采因素，油藏上部的岩层压力主要是靠流体压力与岩层自身的强度来保持平衡 的，但是当开采油藏时，油藏原有的压力会随之降低，这样就打破了原来的压力平衡， 9 第二章可自适应膨胀防砂管的膨胀研究 因为上部岩层的压力不变，而油藏的压力却不断下降，这样势必导致施加在岩石颗粒上 的力逐渐增大，一旦压力超过了上述所说的地层强度，岩石骨架就会破坏，砂粒就会随 着液体的流动进入井底引起出砂现象。 完井因素，井眼尺寸、井斜、射孔条件，这些因素都与油层相连，油流通道就由它 们组成，因此这些因素会对出砂产生影响，相比之下，井眼尺寸对于出砂的影响很小， 这是由于油井井径的变化基本上不会改变油藏中流体的阻力；增加射孔孔径，提高孔密 会提高流体的有效流动面积，从而降低生产压差，有利于减缓出砂；井斜角小于4 5 。， 不会对出砂产生太大影响。 2 2 可自适应防砂筛管的结构设计及膨胀机理 如上所述可自适应膨胀筛管的膨胀方式采用全新的砾石充填膨胀方式，这在之前是 从来没有过的，所以在此之前没有相关的资料可以借鉴。因此很有必要研究一下可自适 应膨胀筛管的砾石充填膨胀的效果。 以往的膨胀筛管所产生的膨胀力通常有两种方法：一是挤压法，挤压法主要是靠两 者之间的挤压力来产生膨胀力，二是液压法，液压法与挤压法不同，其主要是依靠液体 的压力来产生膨胀力。前面所说的这两种方法在实际应用中都存在着严重不足：首先， 要使用这两种膨胀方法，必须保证膨胀筛管相关配套设备的强度及刚度具有达到一定的 要求，因为这两种方法的膨胀力很大，如果相关配套设备的达不到要求，就会在膨胀时 造成配套工具的破坏，也就无法完成膨胀工艺。其次，这两种方法在实际使用过程中的 操作比较复杂，也比较浪费时间。为了克服以上传统膨胀方法存在的问题，就必须要采 用一种不同于以前的膨胀方式，克服前面膨胀方式的不足。结合相关的要求，我们提出 了用砾石充填产生膨胀力的新方法，所谓砾石充填挤压与传统方式中的挤压方法不同， 它并不需要太大的挤压力，便可实现砾石充填膨胀筛管的效果。 2 2 1 可自适应膨胀防砂筛管结构 如图2 1 与图2 2 所示，可自适应膨胀防砂筛管由外而内包括可膨胀保护罩、可膨胀 筛网、砾石充填层和内支撑割缝筛管四部分组成： ( 1 ) 可膨胀保护罩，位于可自适应膨胀筛管的最外层，起支撑与贴合井壁的作用， 要求材料有一定的强度，在很小的膨胀力下可以实现膨胀。 ( 2 ) 可膨胀防砂筛网，有防砂作用，主要保证砾石充填层的砂粒在充填过程中不 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 会外漏。 ( 3 ) 砾石充填层，处于可膨胀防砂筛网与内支撑割缝筛管之间，起到膨胀可膨胀 防砂筛网与可膨胀保护罩的作用，同时起到防砂的作用。 图2 1 可自适应膨胀筛管截面图 f i 9 2 1 t h es e c t i o nd i a g r a mo fs e l f - a d a p t e de x p a n d a b l es a n dc o n t r o ls c r e e n 氏 霾 一_ 一 雾 图2 - 2 可自适应膨胀筛管的外观图 a f i 9 2 2 t h ea p p e a r a n c ef i g u r eo fs e l f - a d a p t e de x p a n d a b l es a n dc o n t r o ls c r e e n 1 1 十f 一 第二章可自适应膨胀防砂管的膨胀研究 ( 4 ) 内支撑割缝筛管，主要起支撑作用和防砂作用，位于可自适应膨胀筛管的最 里面，原油从割缝筛管的内部抽到地面，完成采油过程。 携砂原油经过可自适应膨胀筛管时会经过三层防砂结构，第一层为可膨胀防砂筛 网，在经过初步去除砂粒之后会进入第二层砾石充填层，在这层，大部分的砂粒会被筛 出来，最后携砂原油经过割缝筛管。可自适应膨胀筛管完成防砂的过程，在可自适应膨 胀防砂筛管装入井底后，最重要的一道工序就是砾石充填膨胀过程。下面介绍一下砾石 充填膨胀的工作原理。 图2 3 显示了可自适应膨胀筛管的膨胀机理。当把可自适应膨胀筛管放入井下之后， 此时砾石层中并没有砾石，首先，携砂高压液体进入内支撑割缝筛管与可膨胀防砂筛网 之间的环空中，因为重力与高压作用，砾石的不断增多会逐渐地挤压可膨胀防砂筛网与 可膨胀保护罩并使其向外膨胀，如图2 - 3 的左图所示，使可膨胀保护罩逐步地贴近井壁 或者套管，最终如图2 - 3 右图所示，可膨胀保护罩紧紧贴在井壁上，如果井眼不规则， 那么砂粒会在高压的压力和井壁的压力下，迫使砂粒去充填那些还没有贴合井壁的防砂 段，这样就可以达到膨胀筛管“零环空”的目的，这种方法与前面所述的膨胀方法相比， 很大程度上简化了膨胀工艺，大大降低了施工成本嘲。 p 套管外壳砾石层 内支撑割缝筛管 图2 - 3 膨胀机理示意图 f i 9 2 - 3 i n f l a t i o nm e c h a n i s md i a g r a m 2 2 2 大斜度井的砾石充填过程 根据相关报道，目前大斜度井的数量越来越多，大斜度井的比例也在不断增加，实 1 2 iko|一o一一弋kp_、一p一扎w。，季一。 k：，i一： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 际工程中大斜度井的砾石充填过程要比垂直井砾石充填过程复杂一些。大斜度井的砾石 充填包括砾石进入井筒的阶段、a 充填、p 充填三个阶段。 2 2 2 1 砾石进入井筒阶段 砾石砂浆在这个阶段中从地面泵进入到井筒内。由于此时防砂管柱尚未膨胀，所以 内支撑割缝筛管与可膨胀防砂筛网之间的环空面积很小，所以当携砂液进入此环空中 时，携砂液流速会变得很大，在这个过程中砂浆会不断移动到井下位置，环空中的砂粒 也会不断的增加，摩擦阻力损失也开始增大。 2 2 2 2 仅充填 砾石开始进入充填阶段，携砂液因为重力作用会先在井底最低端开始充填。砂浆进 入环空之后，流动方向由垂直方向转变为水平方向，流速开始放缓。由于重力和可膨胀 防砂筛网的阻碍作用，砾石将会产生沉积。随着充填过程的不断进行，沉积砂床也会向 前不断推移并且可膨胀防砂筛网与可膨胀保护罩也会向外逐渐膨胀，如图2 - 4 所示。 地层 内支撑 充填砾 防砂筛 套管 【j 图2 - 4 大斜度井膨胀充填图 f i 9 2 - 4 t h es c h e m a t i cf i g u r eo fi n f l a t i o nl a y e rg r a v e l - p a c k i n gi nh i g h l yd e v i a t e dw e l l s 在砾石充填过程中，由于压力损失等问题，携砂液在井简末端方向的速度会不断减 小，此时携砂能力与速度成正比，也就是说当速度越大时，携砂能力也越强，反之当速 度降低时，携砂能力也会下降，因此在这个阶段中砾石就会不断沉积，从而形成平衡斜 堤。当平衡斜堤的尺寸与筛网膨胀的最大尺寸相同时，如果砂浆前端没有达到井筒末端， 此时就会发生堵塞，因此后面的砾石充填过程就会受到阻碍。 2 2 2 3 p 充填 】3 第二章可自适应膨胀防砂管的膨胀研究 如图2 4 所示，当平衡斜堤的外围接近或等于可膨胀筛网最大膨胀尺寸时或砾石充 填的前端没有到达井筒末端时，此时的充填过程就会发生状态变化，会由0 【充填阶段转 入d 充填阶段，在此阶段中，一开始，项部环空部分首先得到砾石沉淀充填，随后会出 现从充填段的末端向前端进行反向充填的现象。这个过程中，砾石就会不断的受到沉淀 而压实。从而促使可膨胀保护罩紧紧地贴合井壁。 2 3 充填砾石的选择 2 3 1 选择砾石的尺寸 表2 1 工业砾石标准 t a b l e 2 - 1i n d u s t r yg r a v e ls t a n d a r d 标准筛目颗粒直径m m粒度中值m m 渗透率岬2 孔隙度 3 4 6 7 2 4 7 4 5 7 3 8 1 0 0 4 6 4 7 4 3 3 4 4 0 63 7 0 0 6 83 3 4 2 3 82 8 61 9 0 0 6 1 03 3 4 2 0 12 6 8 8 1 02 3 8 2 0 12 1 81 1 5 0 8 1 22 3 8 1 6 72 0 21 7 4 53 6 1 0 1 42 0 1 1 4 l1 7 18 0 0 1 0 - - 一1 62 0 1 1 1 81 6 0 1 0 2 02 0 1t 0 8 31 4 l3 2 53 2 1 0 3 02 0 lt 0 5 71 3 01 9 13 3 1 6 3 0 1 1 8 t 0 5 7 o 8 9 2 0 - - 一4 00 8 3 t 0 4 l0 6 31 2 13 5 3 0 4 0 0 5 7 o 4 1o 5 01 1 0 4 0 5 0o 4 1 o _ 3 0o 3 56 6 4 0 6 0 0 4 lt 0 2 4 o 3 34 53 2 5 0 6 0 0 3 0 0 2 4 o 2 74 3 充填所用砾石的尺寸选择是很关键的，如果所选砾石尺寸太大，那么防砂效果就会 降低，严重者还会造成防砂失效，如果砾石尺寸太小，那么砾石充填层中的砾石很可能 直接进入内支撑割缝筛管或直接流出可膨胀防砂网，这将直接影响到新型膨胀筛管的防 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 砂效果。为了规范砂粒的规格，国家制定了相应的规定】。如上表2 1 所示工业砾石标准。 2 3 2 砾石的质量指标及其要求 ( 1 ) 圆度及球度 尽量选择比较光滑或趋于圆形的砾石，这样平均球度与圆度才能较好，通常情况 下，平均球度与圆度不能小于0 6 。 ( 2 ) 抗破碎率 充填所用砾石是在高压下随着携砂液一起冲入井下的，需要其具备相当的抗高压能 力，通常情况下，要求砾石在1 4 3 m p a 的高压下，在1 2 0 s l 构时间段内不能产生小于1 0 0 f l 尺寸的砂粒。 ( 3 ) 合格度 表征砾石颗粒尺寸的合格情况，因为标定砾石尺寸的变化会影响到砾石渗透率， 因此对于砾石尺寸的合格度具有一定要求，一般要求不合格砾石占砾石总量的比例不能 大于5 。 ( 4 ) 酸溶度 即砾石在标准土酸( 3 阳阡1 2 h c l ) 溶剂中被溶解的砾石质量要小于1 。 ( 5 ) 均匀程度 表征砾石尺寸变化的量，根据s c h w a r t z 方法，要求砾石均匀系数在1 5 左右。 2 4 可膨胀防砂筛管的膨胀实验研究 2 4 1 砾石充填膨胀实验流程与原理 实验装备如下图2 5 所示，由储水罐、节流阀、1 群泥浆泵、2 群泥浆泵、三通和透明 管组成，为了方便实验结果观察和记录，使用水来代替充填液。储水罐的作用就是用来 储存水和砾石，储水罐中有搅拌装置，目的是为了使水与砾石能够充分地混合；节流阀 的目的是为了控制流量；l 存泥浆泵的作用就是将混合好的泥浆泵入到充填层；2 存泥浆泵 的作用就是将泥浆中的水重新抽到储水罐中，透明管模拟油井的井壁；如图2 6 所示实 验设备。 1 5 第二章可自适应膨胀防砂管的膨胀研究 图2 5 膨胀实验原理图 f i 9 2 - 5t h ei n f l a t i o ne x p e r i m e n tp r i n c i p l ed i a g r a m 图2 - 6 实验用充填装置 f i 9 2 - 6 t h ee x p e r i m e n ti n f l a t i o nd e v i c e 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 7 新型膨胀防砂筛管的俯视图 f i 9 2 - 7t o pv i e wo fs e l f - a d a p t e de x p a n d a b l es a n dc o n t r o ls c r e e n 图2 - 8 实验用新型膨胀防砂筛管的整体图 f i 9 2 8t h eo v e r a hd i a g r a mo fs e l f - a d a p t e de x p a n d a b l es a n dc o n t r o ls c r e e n 1 7 簿垂 第二章可自适应膨胀防砂管的膨胀研究 图2 - 9 新型膨胀防砂筛管的局部放大图 f i 9 2 - 9 l o c a lv i e wo fs e l f - a d a p t e de x p a n d a b l es a n dc o n t r o ls c r e e n 如图2 7 、图2 8 所示为可自适应膨胀防砂筛管的外观图，由外而内分别是可膨胀保 护罩、可膨胀防砂筛网和内支撑割缝筛管，因为此时为初始状态，所以看不到砾石充填 层的，在图2 1 0 中，中间黑色环空位置就是砾石充填层。在图2 7 中，黄色导管( 铜质) 的作用就是将泥浆泵中的泥浆导入到内支撑割缝筛管与可膨胀防砂网之间的环空中，实 验过程中会连接软管构成通路，如图2 1 0 所示。如图2 9 所示，这是可自适应膨胀防砂筛 管的局部图，可以看到在此图中有一个弹簧，弹簧的作用保持最外层的可膨胀保护罩的 紧缩状态，弹簧力的选择很重要，弹簧力太大，就会造成紧缩力太大，导致以后砾石充 填时的阻力太大，阻碍砾石充填；弹簧力太小，就会导致最外层的可膨胀保护罩无法完 全处于紧缩状态，导致直径增大，造成施工时的困难。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图2 1 0 可自适应膨胀防砂筛管工作图 f i 9 2 1 0 t h ew o r k i n gd r a w i n go fs e l f - a d a p t e de x p a n d a b l es a n dc o n t r o ls c r e e n 2 4 实验过程与分析 实验过程：选择砾石，使用国家标准筛网对砾石进行筛选，将砾石分成五组：2 0 2 4 目，2 4 3 0 目，3 0 3 6 目，3 6 - 4 0 目，4 0 5 0 目；试验用砾石分别采用上面五组砾石目数， 各组所占质量比为：1 0 ，1 5 ，5 0 ，1 5 ，1 0 。然后将砾石( 水：砾石体积比为3 ：1 ) 放入储水罐中，打开搅拌机，使水与砾石充分混合，然后打开1 泥浆泵，可以通过调节 节流阀来控制进入泥浆泵中的泥浆流量，此时可以看到泥浆会流入可自适应膨胀筛管的 环空中，如图2 1 1 a 所示( 为了便于观察泥浆在环空中的充填状况，只是将内支撑割缝筛 管放入透明管中) 。 1 9 第二章可自适应膨胀防砂管的膨胀研究 ( a ) ( c ) ( b ) ( d ) 图2 1 1 可自适应膨胀防砂筛管的膨胀过程图 f i 9 2 - 11 t h ee x p a n d i b l ep r o c e s sd i a g r a mo fs e l f - a d a p t e de x p a n d a b l es a n dc o n t r o ls c r e e n 此时打开2 撑泥浆泵开关，将泥浆从环空中经过割缝筛管的缝隙进入割缝筛管内，割 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 缝筛管内部的液体被重新抽到储水罐中，搅拌之后再次进入下一个充填循环，在这个过 程中观察环空中的泥浆填充填情况及砾石的沉淀情况，从( a ) ( d ) 图中，可以看出泥 浆的液面不断上升，在管柱底部环空中可以看到有砾石沉淀，而且随着时间的推迟砂粒 沉淀在不断上升。 ( a )( b )( c ) 图2 1 2 带筛网充填实验图 f i 9 2 - 1 2 t h eg r a v e lp a c ke x p e r i m e n tw i t h o u tm e s hg r i d 可自适应性膨胀防砂筛管的完整实验结果如图2 1 2 所示，从图( a ) c ) 可以看出在 泥浆液面不断上升的过程中，可膨胀防砂筛管的外层可膨胀保护罩也在不断膨胀，在图 2 1 2 ( c ) 图中可看出，可膨胀保护罩已经完全贴合井壁，这与施工中的区别就是施工中 井下是有压力的，而且携砂液的压力也比现在的大很多，因此在实际施工中，可自适应 性膨胀防砂筛管的膨胀效果会更好。 2 5 本章小结 本章分析了油藏出砂的原因及出砂机理，并在油层出砂机理的基础上分析了可自适 2 1 第二章可自适应膨胀防砂管的膨胀研究 应膨胀筛管的结构和膨胀机理，并对其进行实验研究，实验表明：利用砾石充填膨胀防 砂管是可行的，可以达到良好的膨胀效果，但是在结构上有几个关键的地方，首先是可 膨胀保护罩的材料，要求材料具有一定的强度，在实验中采用油田用席型网是为了实验 方便；其次就是可膨胀保护罩的初始状态( 紧缩状态) ，为了保证良好的膨胀效果，需 要根据可膨胀保护罩的情况决定所采用弹簧的连接力量；还有一点要控制好泥浆泵的流 量，太快