（油气井工程专业论文）砾石充填防砂井堵塞机理与综合防治.pdf

t h e p l u g g i n gm e c h a n i s ma n di n t e g r a t e dp r e v e n t i o no f g r a v e lp a c k i n gs a n d - c o n t r o lw e l l z h a n gh u a - w e i ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz o u d e - y o n g a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h es a n d e r sg r a v e ls e l e c t i o nm e t h o da n du s i n gt h e g r a v e lw h o s ed i a m e t e rr a n g ei s0 6 1 2 m m ，w es c h e m ed i f f e r e n ts o r t i n g c o e f f i c i e n ts a n d sw h o s em e d i l a r ar a d i u si s1 5 0 1 a m w ed e s i g na l lo r t h o g o n a l e x p e r i m e n ti n v o l v i n gt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep l u g g i n go fg r a v e l p a c k i n g u s i n gt h ei n t u i t i v ea n a l y s i sm e t h o da n dv a r i a n c ea n a l y s i sm e t h o d , w ef i n dt h a tt h ee f f e c t so ff l u i dv i s c o s i t yo nt h ep l u g g i n go f g r a v e lp a c k i n g i sm o s to b v i o u s ，t h ef o r m a t i o ns a n ds o r t i n gc o e f f i c i e n ti s f o l l o w i n g t h r o u g h o u tm u l t i v a r i a t el h a rr e g r e s s i o n , w eg i v et h ep r e d i c a t i o nm o d e lo f t h ed e c l i n eo fp e r m e a b i l i t yo fg r a v e l p a c k i n gl a y e r t h ep l u g g i n g e x p e r i m e n tw h i c ha d d sd i f f e r e mc o n t e n to fc l a ys u b s t i t u t e db ya r d m o r i t e i n t ot h ew e l ls o r t e ds a n di sd o n e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fe x p e r i m e n t s ，a c r i t i c a lv a l u eo f c l a yc o n t e n te x i s t si nt h ec o n d i t i o no f d i f f e r e n tf l u xo f f l u i d t h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n tw h i c ht h eg r a v e l sw h o s ed i a m e t e ri s0 6 一1 2 m m i sp l u g g e db yt h ef o r m a t i o ns a n dw h o s ed i a m e t e rb e l o w3 0 0 _ t mi sd o n e t h e e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w ：i f t h e r a t i oo f g r a v e la n ds i z eo fs a n d i sd i f f e r e m ， t h ee f f e c to f t h ev i s c o s i t yo f f l u i da n dt h ei n f l u xo f f l u i di sd i f f e r e n t b a s eo n t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i st h ep l u g g i n gm e c h a n i s m o fg r a v e ll a y e rc a u s e db yd i f f e r e n tk i n d so ff o r m a t i o ns a n dc a nb ed i v i d e d i i i i n t of o u rk i n d s o fn oi n t e r a c t i o n , p o r eb l o c k i n g , e x t e r n a la n di n t e r n a l b r i d g i n g ，a n dn oi n v a s i o n t h ei n t e g r a t e dp r e v e n t i o no fg r a v e lp l u g g i n gc a r l b ed o n eb yo p t i m i z a t i o no fs i z eo fg r a v e l ，o p t i m i z a t i o no fi n d e xo f p r o d u c t i o n , a d d i n gi ns o m ea d d i c t i v ei nw o r k i n g ，p h y s i c a la n dc h e m i c a l c l e a n i n g k e y w o r d s ：g r a v e lp a c k i n g ；p l u g g i n gm e e h a l t i s m , o r t h o g o n a le x p e r i m e n t , u n p l u g g i n g i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签口0j 年，月夕年日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：鍪垒望化鲫石年j 月砰日 导师签名： 碑鼬扯 彻多年f - 月彳，日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 论文研究目的及意义 砾石充填防砂完井，是一种常用的防砂完井方式。由于方法简单、 有效期长、作业相对简单、适用性强等特州1 】【2 】，在世界范围内得到广泛 地使用。但是随着时间的延长，砾石层逐渐被其他物质堵塞造成防砂井 的产能不断下降，当降低到经济开采水平以下，只能通过后期的作业来 提高产能。因而无论是海上油田还是陆上油田，都面i 临砾石充填防砂井 的堵塞问题。所以对砾石充填防砂井堵塞机理和综合防治技术进行研究， 具有重要的现实意义。 砾石层是地层采出液进入井筒的通道，采出液中所含的固体物质以 及某些化学成分会在砾石层内发生物理或者化学反应造成砾石层的堵 塞。通过对作业更换出的砾石层的成分分析发现，造成砾石层堵塞的主 要原因是微粒堵塞。根据微粒在砾石层所发生的反应形式不同，分为非 膨胀性微粒堵塞和膨胀性微粒( 粘土微粒) 堵塞1 2 】【3 】【4 】【5 】： 非膨胀性微粒是指在堵塞的过程中发生物理反应的微粒。这种微粒 主要由地层砂组成，由于地层胶结比较差、岩石强度不高，在油井的开 采之初便有地层砂产出并且随着油井开采，地层亏空严重，原油含水上 升，油层出砂加剧。地层中脱落的砂粒被地层流体携带在砾石层与地层 交界面发生堆积以及在砾石层内发生沉积，降低砾石层的渗透性。另外 钻完井过程中的侵入物( 由于钻井液、完井液中的固相含量的不配伍性 产生微粒沉淀) 随着液流逐步进入砾石层空隙之间，在空隙的表面、空 隙体内以及孔喉处沉淀下来，使液流的有效流通通道变窄或者完全堵死 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 造成砾石层渗透率下降。 膨胀性微粒( 粘土微粒) 是指在在堵塞的过程中发生化学反应的微 粒，主要是粘土微粒。在某些砂岩中粘含量比较高。在油气开采的过 程中，粘土微粒在地层中发生脱落，随着地层采出液运移到砾石层沉淀 下来，粘士微粒具有吸水膨胀性，在油井见水后，粘土微粒发生膨胀进 而堵塞砾石层内的空隙。 在实际的生产的过程中，携带液的粘度、携带液的流速( 流量) 、地 层砂的特性参数以及粘土含量都会对砾石层的堵塞产生影响。研究这些 因素对砾石层渗透率变化的影响规律，对砾石充填防砂设计以及堵塞后 的解堵处理具有理论和实际指导意义。 在砾石层发生堵塞后，一般进行解堵作业或者将砾石层冲出重新充 填来恢复防砂并的产能。这样以来作业成本比较高并且存在较大的作业 风险。对砾石充填防砂井的堵塞问题进行综合治理方法的研究，不仅对 治理的方法进行研究同时也对如何防止砾石层堵塞进行研究，以最大程 度上提高砾石充填防砂井的有效期。 本文研究的主要目的：通过理论分析和室内试验，研究砾石层堵塞 机理和携带液的粘度，携带液的流速( 流量) 、地层砂的特性参数以及 粘土含量等主要因素对砾石层渗透率的影响规律，提出套防治砾石充 填防砂井堵塞的方法，以进一步延长和提高砾石充填防砂井的寿命和产 能。 1 2 国内外研究现状 砾石充填防砂完井1 6 1 1 7 1 是将绕丝筛管或割缝衬管下入井内防砂层 段，用一定质量的流体携带地面选好的具有一定粒度的砾石，充填在筛 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 管和套管或地层之间，形成一定厚度的挡砂层，防止油层砂粒流入井筒 的防砂完并方法。因而砾石充填层要实现三个主要的目的：防止地层砂 进入井筒；对油气提供较好流动通道；最大程度减少自身的伤害。 1 。2 1 砾石层堵塞机理的研究现状 对于砾石充填，其中比较 重要的一个环节便是砾石尺寸 的选择，通过对砾石的选择， 控制地层出砂并且使自身的伤 害得到一定的控制。对于砾石 层堵塞最早的研究是从砾石尺 寸的选择入手的，当时研究目 的是根据不同的砾石对地层砂 的阻挡效果，选择砾石尺寸。 s a u c i d 刀通过图卜1 所示的试 验装置，得到砾石尺寸的选择 准则在现场中得到了广泛地使 用。但是s a u c i e r 在研究砾石堵 塞的过程中没有将两相流的情 况加以考虑，a l e n o s s l 等人将 两相流的情况考虑在内，通过 试验得到一个砾石尺寸的选择 标准。 w j i t a i l o 谢c z 【9 l 对固结砂 图卜1s a u c i e r 试验装置图 埘 3 图1 屹y a n n8 i g e o 试验装冒 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 岩的孔隙堵塞进行了细致的研究提出了微粒侵入多孔介质的三种模型： 渐进孔隙堵塞： 7 = l c 。r 相对渗透率与时间成抛物线 关系。 单孔隙堵塞：= 1 - c 2 f 相对渗透率与时间成线性关系。 滤饼堵塞：2 1 一c 3 t 相对渗透率与时间成双曲线关系。 y a n n b i g g o 1 川根据w o j t a n o w i e z 提出的模型，对砾石层中的微粒运 移进行了研究，通过图1 - 2 的所示的试验装置进行试验后，根据试验结 果提出了微粒对于砾石层堵塞的五种类型：无微粒侵入；孔隙充填；内 部搭桥和单孔隙堵塞复合：内部搭桥以及自由通过。 a 图b 图 图1 - 8 砾砂界面处微粒运移图 m a t t b l a u c h 1 ”和j i m w e a v e r 1 2 1 主要研究了砾砂界面处微粒的侵入 情况，使用电子显微镜进行微粒运移的观测。根据现象提出了一种界面 处微粒的渗流沉淀，即在流动的过程中，微粒在重力的作用下，在流速 比较低的地方沉积、聚集，堵塞砾石层内的流通通道。( 如图1 3 中的b 图) 。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 以上微粒对砾石层的伤害的研究中，其中的引起堵塞的微粒主要是 外加的，实际的疏松砂岩岩心对砾石层的堵塞可以通过图1 4 所示的装 置进行测定。 国内石油大学( 华东) 的 王志刚、李爱芬【1 3 1 通过不同的 地层砂对于砾石层进行堵塞试 验( 实验装置简图如图1 5 所 示) ，根据试验结果提出了与 y a r mb i g g o 相似的五种侵入类型。 压力表 缀 _ 图l 4 岩心对砾石层的堵塞试验装置 图l - 5 王志刚实验装置简图 在常用砾石选择标准的情况下，石油大学( 北京) 胡才志【1 4 j 等人将 地层砂的渗流分为地层砂到空隙带、空隙带到地层砂、地层砂中、砾石 一地层砂交接面，砾石层内部，砥石到防砂网等阶段的渗流。通过试验， 对各个部分进行压力测量，计算各个部分的压力降并转化成渗流阻力。 最后提出在砾石层发生堵塞后，压力降落主要发生在地层砂和砾石的交 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 界面处。 2 2 防砂井堵塞综合处理方法的研究现状 一般的油水井发生堵塞主要集中在近井地带，砾石充填防砂井的堵 塞不仅在近井地带内可以发生堵塞，同时在砾石充填的防砂管柱内、砾 石与地层的交界面处也发生堵塞，因此对一般油水井的解堵方法要加以 改造才能用于砾石充填防砂井的解堵作用。对一般的油水井解堵方法主 要是水力冲击和酸化。 水力冲击【1 5 l f l 6 】【1 7 l 主要有两种，一种是水力冲击波，在井下旋转时 在井筒内产生旋转水力扰动波。这种低频旋转水力波作用在地层近井地 带，使沉积在地层孔隙内的机械杂质和堵塞物逐渐松动脱落，离开油层孔 隙通道，分散在液体中被旋流带走，达到疏通孔道、解除堵塞的目的。 另一种使用空化喷嘴解堵，是利用喷嘴喷出高速流体，在液体区域内形 成局部的负压区，于是液体内部产生空穴或气泡，这种气泡在一定的时 间内不稳定，发生破裂产生冲击波，冲击波可以用于破碎微粒。 对地层的微粒堵塞进行酸化处理时【1 8 1 ，主要是使用土酸进行处理， 因为土酸可以溶蚀硅酸岩，使用盐酸作为前置液处理地层中碳酸盐，并 且使用后置液进行后期处理。在反应中控制酸液的产生和二次、三次反 应的发生 现在有学者将以上两种方法结刽1 9 1 ，提出了一种利用酸液进行水力 清洗，效果比较明显。 1 3 研究内容及技术路线 综上所述，国内外对砾石充填防砂井堵塞机理和综合治理方面做了 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 大量的研究工作，但存在如下不足； ( 1 ) 实际生产中，根据一定砾石选择标准结合地层砂大小选定砾石组 成砾石层，地层中产出的地层砂对砾石层产生堵塞。其中携带液的粘度、 携带液的流速以及地层砂本身的一些特性参数对由地层砂堵塞引起的砾 石层渗透率的变化都会产生影响。对这种情况国内外学者研究的较少。 ( 2 ) 国内外对非膨胀性微粒运移造成的砾石层堵塞进行研究时，没有 将地层砂的分选性考虑在内。 ( 3 ) 对非膨胀性微粒运移产生的砾石层伤害研究时，使用的地层砂的 粒径分布比较宽，而一些粒径分布比较均匀的地层砂对砾石层的渗透率 变化的影响规律没有加以研究。 ( 4 ) 粘土微粒在地层中发生脱落，随携带液进入砾石层对砾石层渗透 群 率变化的影响规律，国内外学者做的研究较少。 ( 5 ) 地层堵塞的防治方法比较多，而砾石充填井的防治方法研究的不 多，由于防砂井与普通的油井井下结构的不同，防治方法的使用条件也 不一样。因而一些防治方法对砾石充填防砂井的适用条件需进一步研究。 因此，本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 根据现场常用的s a u c i e r 砾石尺寸选定标准结合地层砂粒度中 值选定实验用的砾石。对影响地层砂对砾石层堵塞引起的渗透率变化的 携带液粘度、携带液流量( 流速) 以及地层砂分选系数进行正交试验设 计并进行室内试验，通过正交试验的结果分析各个因素对由于地层砂堵 塞引起的砾石层渗透率变化的影响程度以及影响规律。 ( 2 ) 对地层砂粒径分布比较均匀的情况，使用筛析出的不同粒径的 地层砂在不同的携带液流量和携带液粘度下进行室内试验，分析携带液 流量和携带液粘度对由于地层砂堵塞引起的砾石层渗透率变化的影响规 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 律。结合地层砂与砾石尺寸比值分析不同粒径地层砂对砾石层的堵塞类 型以及堵塞机理。 ( 3 ) 在分选比较好的地层砂中加入不同的粘土含量，调整试验时携 带液的流量( 流速) 进行室内砾石层堵塞试验，分析粘土含量对砾石层 渗透率变化的影响规律。 ( 4 ) 在砾石层堵塞机理的研究基础上，根据不同的堵塞情况以及砾 石层的条件分析各种处理方法的使用条件，提出对应不同条件下的砾石 充填防砂井堵塞问题治理方法。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 第2 章砾石充填防砂并堵塞原因及影响因素分析 2 1 砾石充填防砂技术概述 油井出砂【1 1 1 6 1 是石浊开采遇到的重要问题之一，尤其在疏松砂岩油 藏中，油井出砂不仅会磨蚀井下和地面设备，造成井筒砂堵或者砂埋油 层，使油井产量大幅度降低，甚至还会造成油井停产或套管损坏，导致 油井报废，增加油井作业费用和原浊生产成本，增加浊田管理难度。因 此，油井防砂技术的研究和发展对油田的开发具有重要意义国外油井 防砂技术研究起步较早 2 0 1 ，最初采用限产的办法来控制油井出砂，直至 1 9 3 2 年砾石充填方法的实施。宜前国外在油井防砂方面主要为机械防 砂，约占防砂作业的9 0 ，其中绕丝筛管砾石充填经过不断的完善和发 展，到八十年代已经发展成为一项较成熟的技术，如美国的b a k e r ， h a l | i b u r t o n ，d o w d l s c h l u m b u r g e r 等公司都拥有自己的专门的防砂器 材、施工设备和施工工艺，从砾石充填工具、封隔器、滤砂管和泵送设 备到施工液，化学药剂、技术咨询、现场作业等一条龙服务。 砾石充填防砂方法是应用较早的防砂方法。由于近来理论、工艺及 设备的不断完善，被认为目前防砂效果最好的方法之一，在国内外约占 所有防砂施工总量的近8 0 。 筛管砾石充填防砂方法是将绕丝筛管或割缝衬管下入并内防砂层 段，用一定质量的流体携带地面选好的具有一定粒度的砾石，充填于筛 管和油层或套管之间，形成一定厚度的砾石层，以阻止油层砂粒流入井 内的防砂方法。砾石粒径根据地层砂的粒度进行选择，预期将油层流体 携带的砂粒阻止在砾石层之外，通过自然沉积在砾石层外形成一个由粗 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 到细的砂拱，既有良好的流通能力，又能有效地阻止油层出砂。常用的 砾石充填方式有两种：用于裸眼完井的先期裸眼绕丝筛管砾石充填和用 于射孔完并的套管内筛管砾石充填b 。 2 1 1 先期裸眼绕丝筛管砾石充填防砂 先期绕丝筛管砾石充填完井程 序是在下完表层套管并固井后，使 用浅油层钻头钻到预计的油层上 部，下入技术套管，固井后使用优 质完井液钻开油气层，一般钻到油 层下4 5 米左右。电测已经钻穿油 气层后，再用扩孔钻头将套管鞋 0 5 1 0 米以下的油层井眼扩大到 1 2 英寸，并且下入套管刮管器刮去 套管内部泥饼，下入绕丝筛管管 柱，筛管管柱外充填砾石，再砸固 铅封完井( 如图2 1 所示) 。 先期绕丝筛管砾石充填的优 油层 禳眼砾石充堰 j 婆蕞妊；普藉誓：2 = 纛薯 图2 - i 裸眼砾石充填 点是：渗流面积大，砾石层厚，防砂效果好，对油层产能的影响小，但 是常用于油井的早期防砂，工艺较复杂，对油层的要求比较高。 2 1 2 套管内筛管砾石充填 尽管先期裸眼绕丝筛管砾石充填井对油层的采油指数的影响较小， 但是对油藏的条件要求较高限制了其使用的范围，特别是在疏松砂岩地 层，由于疏松砂岩油藏的强度很小，不适合使用先期裸眼绕丝筛管砾石 1 0 od矿a，口帕只够致栏 升11吖u o il一o 圜嚣嚣 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 充填。 套管并筛管砾石充填 防砂是在先期裸眼绕丝筛 管砾石充填防砂的基础上 发展起来的。适用于套管 完成井。首先是在井筒内 下入绕丝筛管或割缝村 管，正对油层。然后用携 砂液将砾石充填在筛管和 套管环空内。形成滤砂层。 ， 这样筛管支撑砾石层，而 砾石层起到挡砂的作用， 使油井正常生产( 如图2 ，2 所示k 套曹内砾石充填 1 5 尝k 家翟磊岳竺慕耗；i 碧隅嚣 图2 - 2 套管内砾石充填 2 2 砾石充填防砂井砾石层堵塞原因分析 2 2 1 砾石层堵塞源分析 随着开采时间的延长，砾石充填防砂井的砾石层中的孔隙逐渐被油 水等采出液中携带的地层砂颗粒、其他固相微粒以及牯微粒充填，使 砾石层的渗透率逐渐降低。 ( 1 ) 地层砂对砾石层的堵塞 砾石充填层主要的作用是防止地层砂进入井篱并提供一个渗透率比 较高的流动通道。因而地层砂是砾石充填层主要的堵塞源。油井砾石充 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 填完井投产后，地层砂砂粒首先在砾石层外根据尺寸大小形成一个砂 拱，随着开采的深入，砂拱结构逐渐被破坏，这时地层砂便可以进入砾 石层中的孔隙中堵塞孔道，在孔喉处堆积，从而对砾石层的渗透性产生 影响，降低砾石层的渗透率 出砂机理主要以下几种：剪切破坏、拉伸破坏，以及与表面砂粒的 冲蚀剥离有关的破坏。 1 ) 剪切破坏 剪切破坏( 又称压缩破坏) 是由于孔壁处剪切应力过大造成的，其主 要是由于油藏压力衰减或生产压差的变化而产生的。目前已有几个剪切 破坏模型。其中脆弹性模型比较简单，但无法真实地描述弱胶结材料的 变形行为，分析计算也很复杂。 2 1 拉伸破坏 拉伸破坏是径向拉应力超过拉伸强度而产生的，是由流体流向井筒 过程中的压力梯度和流体拖曳力造成的。目前，模拟砂岩的拉伸破坏是 一个较棘手的复杂问题。一般情况下可由孔壁的生产压差梯度来描述其 破坏准则，并与油井的工作状况相关即正常工作时的生产压差。 3 ) 砂粒的冲蚀剥离 当流体作用在颗粒表面上的拖曳力超过其表观粘结力时，就出现 砂粒的冲蚀剥离，孔眼表面逐渐产生砂粒的脱落现象，其中流体流速是 一个重要的参数。 ( 2 ) 其他非膨胀性微粒对砾石层的堵塞 外来微粒主要指入井流体中含有的能够引起砾石层渗透率变化的 固体颗粒，其中堵塞砾石层的非膨胀性微粒主要由以下几方面产生： 1 ) 钻井过程中固相沉积 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 钻井液中的固相物质颗粒，如膨润土、加重剂、堵漏剂、暂堵剂、 岩屑、处理剂、不溶剂、高聚物等。在钻井液有效液柱压力与地层孔隙 压力之间形成的压差作用下，进入油气层孔喉和裂缝中，并且在井壁上 形成滤饼，防止钻井液的进一步漏失。特别是分散的十分细的膨润土的 含量影响最大。固相颗粒的侵入深度随压差增大而加深。钻井液的滤液 与油气层岩石的不配伍性可以粘土矿物发生水化、膨胀、分散，这恰恰 是微粒运移的伤害源。砾石充填后开井进行生产后，地层中的钻井液微 粒便会发生运移，对砾石充填层产生伤害。 2 ) 完井过程中的固相沉积 射孔产生的碎屑会对地层段的射孔孔道内的砾石造成损害。对油气 井进行平衡压力、正压力或欠平衡压力射孔时，留在射孔孔道的细砂和 岩石碎屑会对射孔孔道的砾石造成损害。先不说由于射孔引起的生产率 下降和形成的致密层，充填的砾石会和在射孔过程中产生的细砂混合在 一起形成一种低渗透的混合物，一旦形成这种低渗透的混合物，它将会 捕集地层产生的细砂从而降低油气井生产率。 3 1 生产过程中的微粒产生 在油气的生产过程中，特别是在开发后期的油水同时生产的过程 中，油水作为携带液会携带一定的微粒以及其他离子进入砾石充填层， 造成砾石层渗透率的降低，从而缩减砾石作防砂作业的有效期。 ( 3 ) 秸土微粒对砾石层的堵塞 粘土是各种类型的结晶矿物的总称，在所有油气层中都含有定比 例的粘土矿物。粘土矿物具有比表面积大和易分散等特点，某些水敏性 强的粘土还极易水化膨胀，因此对储层的损害十分严重。据文献报道， 由粘土矿物引起的损害可使油井产量下降7 0 。因此，储层的粘土含量 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 是衡量储层质量的一个重要因素。粘土矿物的含量的表示方法有两种： 一种是粘土总的含量，即岩石中粘土矿物质量占岩石总质量的百分数。 另一种是粘土矿物的相对含量，即用各种不同粘土组分占总粘主组分的 质量百分比来表示粘土矿物在储层中的分布、存在形态及各种粘土矿物 的相对含量。粘士含量与损害程度有相当大的关系f l o j 3 ”。 2 2 2 砾石层堵塞原因分析 地层砂对砾石层的堵塞主要是砂粒对 砾石层中砾石之间孔隙的填充。根据砾石 充填防砂井的防砂机理，地层中产生的地 层砂开始的时候随油水等采出液运动到砾 石层与地层的交界面处，首先形成一个图 2 3 所示的砂拱。砂拱能够防止地层砂进一 步侵入砾石层。随着开采的逐步进行，生 图2 - 3 砂拱示意图 产压差逐步增大，砂拱遭到破坏，地层砂逐步地侵入砾石层。粒径小的 地层砂继续侵入，在被卡住的地层砂与砾石之间的孔隙中停留，这样地 层砂逐步地侵入砾石层，形成一个渗 透率比较低的渗透带，阻塞油水等采 出液的流动通道。 其他粒径小的非膨胀性微粒也 是砾石充填层渗透率降低的原因，无 论是钻井液中的固相颗粒还是射孔 过程中产生的微粒以及粉细地层砂 口飘_ 自曲d 坤明响 op 啊8 棚- l 嵋 都会对砾石层渗透率产生影响。 n q ，一mo 一“ 图2 - 4 微粒在孔隙下的堵塞 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 粒径比较小非膨胀性微粒运移的机理【l i 】f 1 2 l 如图2 - 4 所示，砾石充填 层的伤害主要由微粒的滞留、微粒网格作用等造成。渗透率的降低主要 是由于微粒的动态沉淀和在某个区域被捕获造成的。内部砾石的导流能 力的降低以及渗透率的降低都是特定的微粒沉淀的结果。 微粒的表面沉积，这个动态的过程主要由孔隙尺度下的水动力条 件、在砾石和颗粒表面双电层的电位差、砾石的表面结构以及微粒的组 成等物理化学因素决定。是单层还是双层沉淀主要依赖于微粒聚集的趋 势。这种机理单独作用时，对于渗透率的影响不大，主要是粘土尺寸的 微粒和胶状物的沉淀。 孔隙中微粒的桥联；微粒的搭桥主要发生在孔隙中流体流动时。微 粒可以在已经沉淀的微粒上面发生继续的沉淀和联立。当微粒的大小大 于孔喉的大小时也会发生搭桥作用，一旦形成桥联，流动便会加速微粒 的运移，使一些微粒在此发生沉积。 砾石层内部滤饼，当发生桥联的孔隙之间失去联系并且达到一个关 键值时，在这种情况下，地层微粒不仅在孔喉处发生聚集还在孔道内聚 集。尽管流动还可以继续，但是内部滤饼已经形成。滤饼的深度控制着 这砾石层渗透率的降低。这个内部滤饼的出现是以微粒浓度的降低为主 要特点，对渗流率的伤害主要由微粒的浓度和分布决定。 外部滤饼的形成，在内部滤饼发展到一定程度，微粒继续聚集，在 交接面上会形成一个滤饼，对渗透率的影响增加。 粘土微粒对砾石层的堵塞主要是在砾石层内发生沉积和膨胀。由于 粘土微粒的粒径比较小，首先在砾石层内发生沉积；又因为粘土微粒具 有吸水膨胀性，粘土微粒会在沉积的位置发生膨胀，从而堵塞砾石层的 空隙，影响砾石层的渗透率。 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 2 3 砾石层堵塞的影响因素分析 2 3 1 地层出砂的影响因素 出砂在采油过程中是非常严重的问题。一般来说，地层所受应力超 过地层强度就有可能出砂。地层强度决定于胶结物的胶结力、流体的粘 着力、地层颗粒间的摩擦力以及地层颗粒本身的重力。地层应力包括地 层构造应力、上覆压力、流体流动时对地层颗粒旌加的推力，还有地层 孔隙压力和生产压差形成的作用力，因此地层出砂是由多种因素决定 的。 ( 1 ) 岩石强度低：此为最重要的影响因素。一般认为单轴抗压强度 低于7 o m p a 的岩石为弱固结岩石，有可能出砂。胶结物的类型、性质 以及数量，对岩石的强度起着至关重要的作用。地层岩石遭到破坏而出 砂，其本质是胶结物被破坏，形成分散的砂粒。胶结物的破坏，除了剪 切和拉伸等机械力的作用外，还受到液体的溶蚀、电化学作用的伤害， 有些本来不出砂的井在酸化或产水、注水后出砂，就是这个道理。 ( 2 ) 地层压力的衰减：地层压力的下降，储层中岩石和井壁岩石所 受的有效应力就会大大增加，甚至造成储层结构性破坏，地层出砂的可 能性就会随之增大。 ( 3 ) 生产压差或生产速度过大：生产压差过大，井壁周围砂拱的强 度变弱，易于造成出砂或出砂量增大，因而通常要控制生产压差。采液 量增大，产出液对并壁砂粒的拖曳力、冲蚀力增大。有些油并采油速度 偏高，就会出砂，如果限制这类油井的产量则可以免于出砂，因此易出 砂油层存在一个合理的采液极限也就是临界流量，若控制实际采液量低 于临界流量，即可避免出砂现象。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 ( 4 ) 地层流体的粘度：地层流体的粘度越大，在流向井底的过程中 对岩石的拖拽力就越大，并壁附近岩石易造成拉伸破坏，地层出砂的可 能性就越大，这也是大多数稠油油藏易出砂的原因。 2 3 2 地层砂在携带液中的受力分析 地层砂堵塞砾石层是地层砂颗粒的集体行为，而集体行为是单个地 层砂个体行为的统计结果。下面对单个地 层砂颗粒在携带液中受力进行分析。由于 地层砂颗粒的粒径比较大都在几十微米 以上，因此可以忽略颗粒之间的范德华引 力项。所受主要由携带液流速引起的拖曳 力、携带液对地层砂颗粒的浮力、重力、 地层砂颗粒本身的惯性力、流体粘度引起 的切力以及地层砂颗粒之阕的相互碰撞 豫 产生的力。 。巧 。b 。矽 图2 - 5 地层砂颗粒受力分析图 对于单个地层砂颗粒，在地层砂起动的过程中携带液对地层砂颗 粒产生一个拖曳力移一个升力，计算公式如下； 拖曳力：乃2 i 1 白2 三d 2 ( 2 - 1 ) 升力：只= j 1c ，删2 三d 2 ( 2 2 ) 重力与浮力的合力；矿= ( 多一岛k 娑d ， ( 2 3 ) 式中c dc f 为拖曳力、上升力系数； p 岛地层砂和携带液的密度，g c m 3 ： 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 甜作用在地层砂底部的携带液的流速，锄s 1 ； d 地层砂的粒径，c m 。 地层砂颗粒在携带液中的速度要比携带液的速度要小，存在相对运 动速度，因此作用在地层砂颗粒上面的拖曳力、升力以及重力与浮力的 合力一直存在。其中拖曳力和升力的合力是地层砂颗粒运动的动力，由 于地层砂颗粒的密度比携带液的密度大，因此重力与浮力的合力是地层 砂颗粒运动的阻力。 拖曳力和升力中起关键作用的便是携带液的流速( 携带液与地层砂 颗粒之问的相对速度) 以及地层砂颗粒粒径的大小。由于地层砂颗粒粒 径的大小一定，携带液的流速( 流量) 决定了携带液中地层砂颗粒的运动 状态以及运动速度。 流体在运动时产生内切应力的 特性称为粘度( 或内摩擦) ，这是由流 体分子的结构及分子间的吸引力所 引起的。它表现在当流体的某一层对 图2 - 6 平行粘性流动示意图 其相邻的层有相对运动时发生了摩擦力如图2 - 6 所示。单位面积上的内 摩擦力即粘性切应力的表达式： f ： 一du士z ( 2 4 r = z 。斗， 缈 式中正负号使内摩擦力始终为正值； f 单位面积上的内摩擦力即粘性切应力，n m - 2 ； 粘度系数，n s m - 2 ； 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 ! 兰压力梯度，s - = 。 咖 从中可以看到，在压力梯度一定的条件下，粘性切应力与粘度系数 成正比，粘度系数越大粘性切应力便越大。 在携带液中的地层砂颗粒，颗粒之间存在间隙同时携带液的运移速 度要比地层砂颗粒的运移速度大。这样在地层砂颗粒之间的间隙中形成 一个速度梯度，由流体粘性产生的粘性切应力作用在地层砂颗粒上，由 于地层砂颗粒之间空隙方向的不确定性，使作用的单个地层砂颗粒上的 粘性切应力的方向无法确定。将很多地层砂颗粒看作一个群体，在携带 液携带地层砂向砾石层运移的过程中，由于携带液和地层砂群体一同向 前运动，因而整体的粘性切应力时向着砂粒运移方向的粘度的增大使 携带液携带地层砂的能力增加，并且使地层砂的运移速度增加。 在地层砂运移的过程中，地层砂颗粒之间会发生碰撞，颗粒之间出 现动量的交换，从而产生碰撞力。当将地层砂看作一个群体，根据动量 守恒原理，其中碰撞力只是整体的内力，可以忽略。 通过上面的分析可以看出。携带液的流速( 流量) 和携带液的粘度 对地层砂颗粒的运移产生比较大的影响，决定了携带液中地层砂颗粒所 受合力的大小和方向从而影响地层砂颗粒的运动状态和运动速度。 2 3 3 粒径比较小非膨胀性微粒影响因素分析 粒径比较小非膨胀性微粒，在孔隙介质和流体中受到微粒自身重 力、微粒之间和微粒与孔隙壁间的范德华力、颗粒间双电层排斥力以及 流体流动时地层微粒所受的水动力的综合作用。在这个力学体系中，重 力与范德华力维持地层微粒在原处不动，双电层排斥力和水动力促使微 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 粒发生运移。正反两方面作用力的综合结果决定了地层微粒的运移能否 发生，这就是地层微粒发生运移的力学机理【2 射。 由于颗粒的粒径比较 小，这时颗粒之间的范德 华引力可以考虑在内，相 对水动力而言，颗粒之间 的作用力比较小并且同时 微粒之问存在斥力作用， 因此认为与地层砂颗粒相 似，水动力条件为主要的 影响因素。在水动力条件 中，流体的流量和流体的 粘度的影响十分关键，其 盘牧自身重力h 截牲与孔壁闰的范稿华力 f - 术动力f 簿粒乏翔斥力 h + 颤靛之弼的箍撼华力 图2 - 7 孔隙中微粒受力分析图 中流体的粘度的增大使流体携带微粒的能力增强，携带能力的增加使地 微粒运移的长度变长，增加堵塞砾石层的可能性。 2 3 ，4 地层砂分选系数的影响 筛析法是目前地层砂常用的粒度分析法，即得到粒径与累计质量百 分数的关系曲线为一条s 型曲线，即筛析曲线【2 l 】【2 5 1 。它基本反映地层 砂的特征，可以为选择砾石尺寸的依据。通常使用下列指标评价地层砂： ( 1 ) 粒度中值如 粒度中值即半对数累计质量百分数趋向上累计重量5 0 对应的砂 粒的直径；它表示不同地层砂的相对粗细。 ( 2 ) 分选系数f 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 地层砂分选系数反映地层砂的分选程度 f ：医 1 九 ( 2 5 ) 其中分选系数f 2 5 分选差；2 f 1 5 分选中等；1 5 f 1 分 选好。 ( 3 ) 均匀系数 c = 。 ( 2 6 ) 由于地层沉积环境的不同，构成地层砂颗粒的成分也会随之改变， 地层砂的形状千奇百态，粒径大小不一，对于相同的中期直径的地层砂 变化也是很大的，通过分选系数可以体现这种变化，根据s 卸c i 盯砾石 直径的选择标准，只要地层砂的粒度中值相同选择的砾石尺寸也是一 样。 地层砂粒径分布不同对砾石层的防砂效果是有影响的。相同的粒度 中值只要要求砂样的累计质量5 0 对应的粒径相同便可以，如果粒径 分布的范围比较大，粒径小的地层砂便会在粒径大的地层砂的空隙中发 生镶嵌，在砾石与地层交界面前形成一个渗透率的屏障层，使油井不能 正常生产。其中地层砂分选系数表示了粒径分布的均匀程度，因此可以 作为地层砂的特征参数加以考虑。 2 3 5 粘土微粒堵塞砾石层的影响因素分析 粘土矿物在储层中的分布、存在形态及各种粘土矿物的相对含量与 损害程度有相当大的关系。在砂岩储层的孔隙中，粘土矿物主要以两种 形态存在；一种形态是包被在砂粒表面，呈薄膜衬垫状。以这种形态存 在粘土与钻井液等外来液体和储层中的液体充分接触，能引起孔隙喉道 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章砾石充填防砂井堵塞原因及影响因素分析 变小甚至完全堵塞。另一种形态是在岩层孔隙中粘土作为填充物或沉淀 物存在。当储层中的流体具有定流速时，微细的粘土微粒便发生运移 而堵塞孔隙喉道。 粘土含量的多少与能够运移到砾石层的粘土微粒的多少基本成一 个线性关系。因为出砂地层的胶结强度都不是很高，很多出砂油藏便是 泥质胶结的，由于地层破坏引起地层出砂同时也引起粘土微粒的脱落， 脱落的粘土微粒随着携带液在砾石层内发生沉积，由于粘土微粒具有吸 水膨胀性，粘土可以在砾石层内的孔隙中发生膨胀堵塞砾石层的孔隙以 及孔喉。 粘土微粒的运移还受到携带液流速的影响，如果携带液的流速很 大，粘土微粒在砾石层内没有发生沉积便被携带液带到井筒内。如果产 油层速敏，携带液的流速便要有计划的加以控制，否则不仅使砾石层发 生堵塞，而且也使地层受到伤害。 因此从粘土含量和携带液流速入手研究粘土微粒对砾石层渗透率 的影响。 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章砾石充填防砂井砾石层堵塞机理实验 第3 章砾石充填防砂井砾石层堵塞机理实验 砾石充填防砂井砾石层的堵塞主要是由非膨胀性微粒( 主要是地层 砂) 和膨胀性微粒( 主要为粘土微粒) 造成的。当砾石尺寸一定时，砾 石层堵塞的严重程度取决于地层砂的分选性、粘土含量、携带夜的流速 和粘度。为探讨以上因素对砾石层堵塞程度的影响规律，为此，专门设 计了砾石层堵塞室内试验装置，对地层砂分选系数、粘土含量、携带液 流速及粘度对砾石层堵塞程度( 渗透率) 的影响规律进行试验研究。 3 1 实验原理 根据渗透率测试公式： t ；垒生 p a 式中k 渗透率，d ； 凸p 两侧压差，k p a ； 4 过流面积，c 矗； q 流量，m 1 s ； 工岩心长度，c m 。 通过测定砾石层两侧压力的 降落，根掘渗透率计算公式结合 流量、渗流面积等计算砾石层初 始渗透率和填入地层砂后的渗透 率，通过两者比值与注入量的对 数据采集系统 ( 3 - 1 ) 图3 - 1 实验装置简图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章砾石充填防砂井砾石层堵塞机理实验 应关系曲线对比试验前后的砾石层渗透率变化或渗透率随时间的变化 分析地层砂对砾石充填层堵塞的影响。 试验主要流程：驱替液由柱塞泵吸入，经六通阀、压力缓冲器，流 量计，注入到岩心夹持器( 其中岩心夹持器出口一侧充填长度约为6 e m 的砾石，入口一侧充填长度约为i e m 的地层砂) ，驱替液在岩心夹持器 内携带地层砂对砾石层进行堵塞。 数据的采集和处理方法；数据采集系统采集岩心夹持器两侧的压力 及流量数据。并将其存入计算机；通过测定砾石层两侧压力，计算压差， 根据渗透率计算公式结合流量、渗流面积等计算砾石层初始渗透率和填 入地层砂后的渗透率。 3 2 实验装置 图3 2 实验装置图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章砾石充填防砂井砾石层堵塞机理实验 设计的实验装置如图3 2 所示。实验中使用的主要设备主要有： b r o o k v 型粘度仪：测定地层砂携带液的粘度；量桶：用于计量一定循 环液的体积，以便测定流量；秒表：用于计量一定体积循环液的时间， 以便测定流量；s f yd 型砂析装置：用于测定砾石以及地层砂的分选 情况；柱塞泵：将携带液加压泵入岩心夹持器；中间容器；调整注入岩 心夹持器的携带液的流量；压力传感器：用于测定岩心夹持器两侧压力， 由计算机进行采集；小桶数个：用于储存水、粘液以及各种废液；岩心 夹持器；内部充满地层砂和砾石模拟砾石充填层堵塞；过滤装置：用于 回收废液，进行再循环使用；天平：用于称量加入地层砂的质量；游标 卡尺：测量砾石充填段、地层砂加入后的砾石层和地层砂层的总体长度。 实验药品：增粘剂聚丙烯酰胺；所用砾石直径为0 6 1 2 m m 、 0 4 - 0 8 m m 其中粒径分布如表3 1 ( 其中对应的数值为各个粒径对应的 质量百分含量) 所示粒度中值分别为8 2 7 0 1 u n 、6 9 7 0 p m ，所用地层砂 为胜利油田采油院防砂中心提供的采出砂。其中粒径为0 4 0 8 m m 的砾 石主要用来作为实验设备的调试和一些先期实验。试验中使用膨润土代 替粘土微粒。 表3 1 实验用砾石的粒径分布 粒j 至岬 1 1 0 08 5 07 1 06 0 05 0 04 2 5 3 5 5 3 0 0 砾石 0 4 0 g m m0 0 1 7 3 3 3 8 1 0 4 2 6 7 1 0 8 1o 3 70 9 2o 1 7 0 6 1 2 m m1 4 l4 1