（油气田开发工程专业论文）疏松砂岩油藏出砂机理及防砂技术优化研究.pdf

英文摘要 s u b j e e t ：t h es t u d y o n s a n d i n g - o u tm e c h a n i s m a n ds a n dc o n t r o l t e c h n o l o g y o p t i m i z e o fl o o s e s a n d y r e s e r v o i r s p e c i a l i t y ：o i l - g a sf i e l dr e c o v e r ye n g i n e e r l n g n a m e ：s u n x i u z h a o ( s i g n a t u r e ) i 】纽x i 丛j 些 i n s t r u c t o r ：l i u y i f e i ( s i g n a t u r e ) 铒l 狂虹 a b s t r a c t g u a nt a oi st h em a j o rr e s e r v o i ro fs h e n gl io i lf i e l da n dh o l d sa p p r o x i m a t e l yi t s7 0 o f o i lp r o d u c t i o n t h i sr e s e r v o i ri ss a n d yr e s e r v o i ra n di t ss a n dp r o d u c t i o ni sf a i r l yh i g h i ft h e s a n di s n tc o n t r o l l e d ，t h eo i lw e l lw i l ln o tr u nn o r m a l l yi na n yw a y s b e c a u s e o fo i lw e l l s a n d i n g o u ts e r i o u s l y , m u c hw o r s ep r o b l e m ，f o re x a m p l et u b et r a n s f i g u r e d a n df o r m a t i o n c o l l a p s i n ge ta l ，w i l l b ec a u s e d ，i d e n t i c a l l y , m a n yo i lf i e l dt h a th a v et h es a m er e s e r v o i ra s s h e n gl i o i l f i e l d ，f o re x a m p l ed ag a n g ，l i a oh e ，a l l a r ef a c i n gt h es a m ep r o b l e m ：t h e s a n d i n g o u th a z a r d o u s ，f a c i n gt h ek i n do f c o n d i t i o na n db a s i n go np e r c o l a t i o nm e c h a n i s m ， t h ep a p e rs t u d i e ds t r e s sc h a n g eo fi n t e r i o rr o c k ，p o r o u sf l u i d s o l i dp e r c o l a t i o nr e g u l a ra n d w e l lt u b es i n k i n gs a n dr e g u l a r , a n ds e tu pf o r m a t i o nf l u i d 。s o l i d - h e a tc o u p l e de q u a t i o na n d w e l lt u b e s i n k i n g s a n d e q u a t i o n n o w a d a y s ，s h e n g l io i lf i e l du s e c h i e f l y r e s e r v o i r r e s t r a i n i n gs a n da n db l o c k i n gs a n dt e c h n o l o g y , b u tt h e i re f f e c ti s n o tt o og o o d m a n ys a n d c o n t r o it e c h n o l o g i e sh a v em u c hs h o r t e rt e r mo fv a l i d i t y ，a n do f t e ns a n dc o n t r o lt e c h n o l o g i e s b e c o m cf a i l u r ei nm o u t h se v e nw e e k s t h eh u g ew a s t ei nh u m a np o w e r a n dm a t e r i a lp o w e r w i l lb ec a u s e d m o r e o v e r , t h ep a p e ri n t r o d u c e da l s oe x p e r i m e n t a lt e c h n o l o g yt h a tt h es a n d c o n t r o lt e c h n o l o g ys t u d yn e e d s ，s t u d i e da n do p t i m i z e ds a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi n c l u d i n g s c r e e n , g r a v e lp a c ka n ds oo n ，w h i c hm a d es a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yb e t t e rd e v e l o p e da n d i m p r o v e d c o m b i n i n g t h e g e o l o g i cc o n d i t i o n ，r e s e r v o i r m a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i ca n do i l p r o d u c t i o nh i s t o r yo f t h eg ud o n es i x t h r e g i o n sa n du t i l i z i n gt h es t u d i e dr e s u l t t h ep a p e r h a sd u ts a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi n t op r a c t i c ei nt h i sr e g i o na n dg a i n e db e t t e re c o n o m i c a la n d s o c i e t a lr e s u l t i nt h er e g i o n ，t h eo i lw e l lm o r et h a n1 0h a v eb e e nm a n a g e dc o m p l e t e l ya n d t h ec r u d eo i la c c u m u l a t i v et o t a lq u a n t i t yh a sb e e na d d e d5 0 ，0 0 0t o n s i naw o r d ，t h ep a p e r a n a l y z e do v e r a l ls a n d i n g o u tm e c h a n i c s i nt h e o r y , w h i c hw i l lp u s hs a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yt o d e v e l o pa n d a d v a n c e k e yw o r d s ：p e r c o l a t i o n m e c h a n i s ms a n dc o n t r o lt e c h n o l o g y n e u r a ln e t w o r k m o d e l o p t i m i z e ds t u d y t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 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己在沦文中做 了明确的浼明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：丛! 盘麴 日期：删s l g 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 烈：盘麴 f 州 日期：1 触，占，1 暑 日期：趔幺上肜 主要符号表 b 一出砂指数， c 一地层岩石的抗压强度 c 一压缩系数， c ，一等容比热， r 重力加速度， h 一地层深度， k 一绝对渗透率， p 一压力， p c 一毛管压力， q 一流量， q 一热量， r e 一雷诺数， r 一毛管内径， s 一饱和度， s 一比熵， t 一温度， u 一速度， v 一渗流速度， y 一剪切速率， u 一流体粘度， 一应变， p 一密度， 0 一应力， t 一剪切力， 由一孔隙度， 主要符号表 唧哪咖胛胛l r肼删泖一一l一一。叽叽帆一l r 薹咧删一 第一章绪论 第一章绪论 油井出砂是石油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 作业费用和原油生产成本，增加油田管理难度。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。 1 1 国内外发展状况 国外油井防砂技术研究起步较早，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。目前国外在油井防砂方而主要为机 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，到八十年代已发展成为一项较成熟的技术，如美国的b a k e r 、 h a l l i b u r t o n 、d o w e l 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。随着油田的进一步开发， 为满足其复杂性和多样性的要求，减少油井作业成本和修井费用，现在又相 继研究开发出各种类型的滤砂管防砂、压裂防砂和过油管防砂等防砂工艺技 术。相比较而言，化学防砂在防砂作业中占有比例很小，六十年代在美国墨 西哥湾地区曾风靡一时，但随着机械防砂方法的完善和发展，其主导地位又 逐渐被后者所取代。然而，进入九十年代后，性能较好的固砂剂不断出现， 化学防砂的前景又趋看好。目前，国外化学防砂主要有树脂防砂、树脂深层 砾石防砂、焊接玻璃固砂及四氯化硅固砂等方法，基本可满足某些特殊井的 防砂需要。 国内防砂技术的发展也有数十年的历史，但规模较小、技术水平比较落 后。其中起步较早，防砂技术较完备，己形成相当规模的研究单位是胜利油 田防砂中心，该中心1 9 8 2 年在联合国开发计划署资助下创立的，是全国唯 一一所油井防砂技术研究中心。多年来，辽河油田、大港油田在油井防砂方 面也做了大量的工作，使防砂工具器材及防砂技术有了进一步的发展，丰富 和提高了国内防砂技术水平。国内防砂方法主要有化学防砂、机械防砂、压 断交石油大学硕士学位论文 裂防砂和复合防砂四种，化学防砂在6 0 年代开始研究应用很快形成酚醛树 脂溶液地下合成、水带干灰等多种防砂工艺成为当时主要防砂方法。随着油 田的深入开发，7 0 年代，许多油田开始了机械防砂的研究，首先研制成环 氧树脂滤砂管并得到广泛应用，取得良好的应用效果。进入8 0 年代，在学 习国外先进技术的基础上，又研发了以绕丝筛管砾石充填为主导的机械防砂 技术，由于它具有适应性强、防砂成功率高、防砂有效期长等特点而得到迅 猛发展。到了9 0 年代，各种防砂工艺技术百花竟放。目前，国内已形成了 机械防砂、化学防砂、压裂防砂和复合防砂四大体系的油气井防砂技术。 几十年国内外防砂技术的蓬勃发展，的确为疏松砂岩油藏防砂探索出许 多行之有效的技术。但这种技术是建立在简单判断和经验基础上的，因而缺 乏相对丰富的理论依据。目前，国内外对疏松砂岩的理论研究还比较粗浅， 而防砂技术的应用没有和疏松砂岩的出砂机理进行有机的结合。因此，防砂 技术的应用就存在很大的盲目性和片面性，实际情况也恰恰证明了这一点， 油井的生产在区块开发初期的情况较好，防砂效果能够得到保证，但随着开 采的持续，含水率增大、含油率降低以及各种增油技术的大幅应用，造成地 层岩石结构变化，许多出砂影响因素也发生了巨大变化，而防砂技术却没有 随之改进，防砂逐渐失去效果。所以，有必要立足于出砂机理的研究，详尽 分析岩石应力情况和地层流体的渗流规律，然后对症下药采取效果更好的防 砂技术，保证疏松砂岩油藏的顺利开发。 1 2 课题背景 胜利油田的主力油层馆陶组产油量约占整个油田的7 0 左右，而该层为 疏松砂岩油藏，出砂量相当高，如果不防砂许多油井就无法正常生产。更有 甚者，由于油井出砂造成套管变形、地层坍塌等严重问题。目前，胜利油田 主要采用地层堵砂、抑砂技术，但效果不很理想，许多防砂技术有效期很短， 往往几个月甚至十来天就防砂失效，在人力物力上造成极大的浪费，给油田 的稳产高产造成极大困难。同样，对于处于同一层位的大港、辽河等油田， 都面对同样的问题：“砂害”。而探索到一个行之有效的防砂技术，是本课题 急需解决的问题。 西安石油大学硕士学位论文 1 3 课题研究的主要内容 本课题主要针对疏松砂岩油藏开展的防砂技术研究，主要包括疏松砂岩 油藏出砂影响因素分析、岩石应力分析、地层流体渗流模型研究、油藏流一 固一热耦合研究和井筒流体携砂规律研究，并在机理研究的基础上，利用实 验手段和数学手段，建立防砂技术物理模型和数学模型，对防砂方法进行优 选。 第二章油井出砂危害及影响因素分析 第二章油井出砂危害及影响因素分析 2 1 出砂危害 油井出砂危害极大。首先，出砂可能砂埋油层，堵死油管或井筒造成被 迫关井停产。其次，大量出砂使地层亏空形成空穴，最终引起地层坍塌套管 损害报废油井，损失很大。此外，由于出砂，增加了井下及地面设备的磨蚀， 使检泵频繁，地面清砂维修、保养工作量剧增，大大提高了原油生产成本。 可见，油井出砂危害严重，防砂势在必行。 2 2 油井出砂影响因素“。1 出砂的影响因素相当复杂，高温、高地层压力、岩石骨架结构、流体运 移状态、外部作业( 例如射孔等) 等都会造成油井出砂。因此，分析油井开 发条件，结合现场出砂情况，总结油井出砂因素主要有下面几种。 2 2 1 油井岩石骨架受力影响 油井主要受上覆岩石重力的影响，压力梯度和油层埋深基本上呈正比， 随埋深增大而增大。井筒周围集结应力，使井筒向非圆形状发展。岩石骨架 受挤压造成胶结质疏松，砂粒易于脱落，从而使原有砂桥坍塌，造成地层出 砂。 2 2 2 油井见水后中等强度地层的出砂 岩石非封闭抗压强度在3 5 - 7 m p a 的地层称为中等强度地层。这种地层 开采初期不会出砂，但油井见水后常会出砂，主要原因是砂粒结合在一起的 毛管压力降低了。降低了的毛管压力引起剪切破坏，把由磨阻造成的拉伸破 坏，油层压力衰减加剧了剪切破坏引起的出砂问题，油层压力衰减显著之时 正是油井见水之时。在含水饱和度增加、油气相对渗透率减小的两相流期间， 通常降低油井压力来维持油气开采。 2 2 3 油层压力衰竭胶结地层中的出砂 地层内流体的压力支撑着上覆岩层的压力。当地层压力即流体压力降低 后，则上覆岩层的压力就转嫁给地层，增加了对地层颗粒及胶结物的压力。 在胶结差的地层中，随着地层压力降低，增长的压力会压碎胶结物甚至岩石 颗粒造成油井出砂。 4 西安石油火学硕十学位论文 2 2 4 炮眼周围高压力梯度引起的出砂 用射孔枪可射开多层且穿透深度较大，如果孔密大于2 4 弹米且1 3 以上产层被射开的话。那么每个炮眼周围的流动阻力并不大。可以最大限度 地减少由于纯拉伸破坏引起的出砂。然而由于射孔时的震动，使得炮眼周围 的地层强度明显降低且周围的渗透性也遭破坏，这些地层对流阻和流速的突 然改变很敏感，流速改变，出砂量突增。 2 2 5 高温加速地层出砂 在稠油热采井或深井开采油藏具有较高的温度，温度影响岩石骨架的胶 结，一般而言，温度越高，岩石的胶结强度就会下降，砂粒疏松，为地层出 砂创造了有利条件。 a 高温对岩石骨架的影响：任何物体都有热胀冷缩的性质，当然岩石也 不例外。在高温差下，岩石体积必然发生膨胀现象，由于上覆岩层压力的巨 大作用，岩石在垂直方向上变化的结果将导致岩层孔隙体积变小，岩石密度 也相应变小，致使疏松岩层更加疏松。另外，当并眼一打开，地层热应力就 会变成切应力使井壁处的岩石颗粒有向井筒挤压的趋势。这样，高温下的岩 石骨架将必然发生重新构造，其结果将导致砂岩更加疏松，为出砂准备了很 好的内在条件。 b 高温对地层胶结质的影响：疏松砂岩的胶结质一般为泥质和硅质，高 温下，泥质易于结块，但其质地松脆，在一定的压力下会变得破碎。而对于 硅质胶结，其硬度较大，能承受一定压力，但在高温下，也易变脆，常常随 流体而出。 c 高温对流体性质的影响：高温不仅能改变岩石的部分性质，也能改变 岩层中的流体性质。一方面温度高，流体的粘度变小，在孔隙中流动时，和 孔隙岩石表面的摩擦力变小，流体速度就有提高的趋势，穿刺能力加强。另 一方面，温度高，流体的体积比较大，油层打开，上覆岩层压力转化为较 大的流体压力，流体速度也会变大。这两个方面综合，都将使流体速度加快， 当流体速度达到岩石骨架的出砂临界速度时，就造成油井出砂。 d 高温对防砂工艺的影响：高温地层对防砂工艺的影响相当大，井下工 西安石油大学硕士学位论文 具下入地层，高温下部分工具的结构就可能发生变形，例如封隔器的胶筒、 皮碗封隔器以及一些密封件等，为防砂工艺的实施造成很大困难；而对于化 学防砂，一些固砂剂在高温下可能产生变性( 焦化、板结等) ，就失去了固 砂的作用。这样的防砂工艺效果可想而知，因此，选择与油井防砂比较匹配 的防砂工艺相当重要。 2 2 6 高压影响出砂 a 高压对岩石骨架的影响：疏松砂岩的接触方式有点接触、线接触和面 接触，点接触和线接触砂岩易出砂，而面接触不易出砂。上覆岩石压力较高 时，砂岩颗粒基本上以面接触为多，从这一方面来讲高压砂岩油藏不易出砂， 但从另一方面来讲，由于上覆岩层的巨大作用，砂岩颗粒以及胶结颗粒变得 更小，以粉细砂岩为多，这为出砂埋下了祸根。因此可以说，高压疏松砂岩 油藏要么不出砂，要么出砂严重。 b 高压加剧井底流压：油井未打开之前，地层流体所承受的应力相对平 衡，流体保持高压相对静止状态。当井眼打开，流体一个方向失去应力平衡， 就会产生很大的压力差，流体以很快速度流向井筒，其过程将冲击胶结相对 疏松的砂岩储层，引起地层出砂。另一方面，高压上覆岩层也会因为应力变 化挤压流体，加快流体速度。 2 2 7 地应力影响 地应力对出砂的影响是多方面的，但归根结底是地应力作用于岩石颗粒 而造成的，也是出砂的内因所在。对于原始地层中平衡的地应力，只要一发 生地应力倾斜或变化，岩层结构不可避免发生变化，在地层流体的作用下， 出砂就会形成。 第三章疏松砂岩油藏出砂机理研究 第三章疏松砂岩油藏出砂机理研究 3 1 概述 按岩石力学观点，地层出砂是由于井壁岩石结构被破坏所引起的。地层 强度取决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。井壁岩石应力包括地层结构应力、上覆岩 层压力、流体流动时对地层颗粒的携带力、温度变化所引起的应变力，还有 地层孔隙压力和生产压差形成的作用力。如果井壁岩石的最大压应力超过岩 石的抗压强度，则会发生断裂破坏，其具体表现为井壁岩石不坚固，在开采 过程中将造成地层出骨架砂。 本节着重分析封闭油藏的岩石应力”“3 状态，并依此为基础论述流体渗 流、热力变化对岩石的应力的影响，为油井防砂技术的优化选择提供理论支 持。 3 2 地层岩石的受力分析 作用于地壳内岩体上的各种相互平衡的外力使岩层内部产生附加内力， 它的效应能引起岩体的变形。这种附加内力的分布密度就是地应力。指向界 面方向的正应力为压应力，离开界面方向的正应力为张应力。由于地壳内部 压应力占绝对优势，为了方便，地质力学定义压应力为正值。这是与材料力 学及一般工程力学中相反的。 对于疏松砂岩油藏，其上承受着多对平衡的作用力，每对相对平衡的作 用力都在岩体内产生一个应力张量。这些应力张量中最重要的是重力应力、 构造应力、流体压力等。 3 2 1 重力应力 重力应力是上覆荷重及下覆地层阻止岩体下落的反作用在岩体内部引 起的应力张量。地壳内这个应力有极大的数值，在实验室内是很难模拟的。 由于地壳环境具有水平不自由性，所以在垂向力作用下，水平主应力也有数 值，它们分别为： 垂向主应力：盯，= p g h 西安石油大学硕士学位论文 水平主应力：神2 盯。2 盯。2 仃，( r 刍丁j 式中：p 为上覆岩层平均密度；h 为埋深；g 为重力加速度；v 为岩石 的泊松比。由于岩层承压时间以地质年代计，所以采用实验室所求得的泊松 比时，应进行蠕变校正。式中n 为与岩石非线性压缩有关的系数，一般岩石 为0 6 7 。地下岩石承受的压力很大，所以压缩作用的非线性是必须考虑的。 3 2 2 构造应力 构造应力是构造力与阻止岩体移动的抵抗力在岩体内引起的应力张量。 由于地壳环境具有水平不自由和垂向自由性，构造应力在垂向主应力一般为 零。即构造力作用前后垂向主应力不发生变化。其它两个主应力处于水平位 置。一个水平主应力沿挤压构造力s 。或拉张构造力s 。的作用方向，其数值与 构造力相同分别；另一个水平主应力与挤压构造力或拉张构造力水平垂直， 并且两个水平主应力应有相同的符号。它们分别为： x 方向水平主应力：盯。= s 。 o = s | y 方向水平主应力：盯。= 盯。o ) 1 “ 盯。= 盯。o ) 1 h 式中：s 为构造力；c 表征压性；t 表征张性。 3 2 3 静态流体压力 含油储层的孔隙都含有流体，流体具有一定的压力。流体压力实质上是 由重力对流体的作用引起的应力张量，它是一个球应力，即在任何方向上正 应力值相等。静止流体的内部不存在剪应力，因此可取任意的坐标，两个主 应力值都相等。正常静水压力系统中流体压力为： p = d f g h 式中：刀，为由浅到深流体平均密度。在封闭环境中流体压力可以高于 此值，少数情况下也可以低于此值。如果偏离此值太多即为异常压力。 流体压力作用在岩石骨架上，趋向于把孔缝撑开，抵消岩石骨架所承受 的压应力。 西安石油大学硕士学位论文 3 3 建立油井出砂的判据 根据一些文献卜4 1 的研究结果，垂直井壁岩石所受的周向应力是最大压应 力，最大周向应力由下式表述： 咿2 ( 击) ( 1 旷p g g 嘞) + o ，咄叫 根据岩石破坏理论，当岩石的抗压强度小于周向应力时，井壁岩石不坚 固，将会引起岩石结构的破坏而骨架出砂。因此，垂直井井壁岩石是否坚固 的判别式为： c 2 l ( 南) 旷p g h 他旷) + o ，嗍) l ， 式中：盯。一井壁岩石的最大周向应力，m p a ； c 一地层岩石的抗压强度，m p a ； v 一岩石的泊松比，小数； p 一上覆岩石的平均密度，k g c m 3 ； g 一重力加速度，m s 2 ； h 一油层厚度，m ； p 。一油层流体压力，m p a ； p 。一油井生产时的井底流压，m p a 。 如果上式成立，则表明在上述生产压差下，井壁岩石是坚固的，不会引 起岩石结构的破坏，也就不会出骨架砂。反之，油层胶结强度低，井壁岩石 的最大周向应力超过岩石的抗压强度引起岩石结构的破坏，油层会出骨架 砂。 3 4 疏松砂岩油藏的出砂指数 根据岩石强度特征，可以计算出出砂指数，预测油井生产时是否出砂。 油层是否出砂，在很大程度上取决于油藏岩石的内在结构强度，即储层 的岩石力学特性。储层的内部岩石强度高，则岩石的抗剪力和抗冲击力大， 岩石不易被破坏，储层不易出砂，反之则油层易出砂。为此，根据声波时差 西安石油大学硕士学位论文 和密度测井等资料，按照出砂预测分析程序，经重新作图，数模转换等处理， 求得岩石的杨氏模量e ，切变弹性模量u ，体积弹性模量k ，和泊松比。等 岩石强度参数，从而求出不同井段的出砂指数，其出砂指数与各强度参数之 间的关系为： b ：k u( 3 _ 2 ) k ：昙( 1 _ 2o-)(3-3) 。p ( s a t ；一4 a t ；) b 一面恧爵丽( 3 - 4 ) o 5 a t ；一a t ； a t ；一a t ； ( 3 - 5 ) 甜= 导小毒 。， 式中： b 一出砂指数，m p a ； k 一体积弹性模量，m p a ； u 一切变弹性模量，m p a ； e 一杨式模量，m p a ； o 一泊松比。 a t s 2 一横向声波时差，u s m ； t f ，2 一纵向声波时差，u s m ； p 一岩石密度，g c m 3 。 胜利油田利用出砂指数预测方法，结合现场实测数据验证，得出如下的 经验判断公式。 西安石油大学硕士学位论文 当b 2 0m p a 时，在油井的正常压力生产方式下油层不会出砂 当1 5m p a b 2 0m p a 时，油层轻微出砂。 当b 1 5m p a 时，在油井生产过程中，出砂量较大。 首先对测井资料中的声波时差、密度及相关的自然电位、自然伽吗等曲 线进行数字化处理，然后确定计算参数求得岩石强度的有关参数，最后得出 不同层位的出砂指数。根据出砂指数的大小可以确定不同层位的出砂程度。 第四章疏松砂岩油藏井筒液体携砂规律实验研究 第四章疏松砂岩油藏井筒液体携砂规律实验研究 4 1 砂粒在静液中的自由沉降 4 1 1 球形颗粒的沉降末速 1 球形固体颗粒在牛顿流体中的自由沉降运动是最简单的情况，其中固体 颗粒浓度较小，颗粒间既不相互碰撞也不相互影响。 假设一种均匀、光滑以及密度为p 。、直径为d 。的球形颗粒处于密度为 p ，、粘度为u 的流体中，且体系中无静电和外界离心力的作用，仅处于重 力作用之下，引起颗粒向下沉降的力为 f 。= 争d ；。一p ，培 ( 4 1 ) 颗粒在流体中沉降而受到的阻力为 f 。= 等c 。p ，副；d ? ( 4 _ 2 ) o 式中，u 。为颗粒的速度：c 。为阻力系数。据因次分析可知，c n 为固体颗粒雷诺 数( r e ) 。的单值函数。固体颗粒雷诺数( r e ) 。定义为 ( r e ) 。= 学 ( 4 3 ) 经过比较短的加速阶段之后，颗粒在流体中沉降所受到的阻力f 0 将与引 起颗粒沉降的力f 。相平衡，因此颗粒作匀速沉降，此时颗粒的沉降速度即称 为最终沉降速度( 沉降末速) 。联立式( 4 1 ) 和式( 4 2 ) ，便可得到沉降末速u “ 的表达式为 甜j o 2 ( 4 4 ) 两安石油大学硕士学位论文 目前，比较典型的求解颗粒沉降末速u 。的方法是依据颗粒雷诺数( r e ) 。 4 4 - 实验数据分三段进行回归处理。 ( 1 ) 层流区。( r e ) 。 1 ，此时遵从s t o k e s 定律，即 = 掣 s ， ( 2 ) 过渡区。1 ( r e ) 。 1 0 0 0 ，此时有a l l e n 相关式 一o - 2 0 掣gr 斋爷 6 ， ( 3 ) 紊流区。1 0 0 0 ( r e ) 。 2 0 0 0 0 ，此时遵从n e w t o n 定律，即 扎7 4 - 虹型grd ? 舶 ， l p l j 。 由于地层出砂在井液中沉降的雷诺数( r e ) ；一般在( 1 ，1 0 0 0 ) 的值域，因 此，相对而言a l l e n 相关式对研究井筒沉砂规律更有价值。 4 1 2 砂粒不规则形状对沉降末速的影响 油层所产出的砂粒，大都是不规则的石英砂。由于形状不规则的砂粒在 流体中自由沉降时的阻力系数比球形颗粒大，且其在沉降过程中往往伴随有 随机的横向上的漂移运动，因此，在其他条件相同的情况下，形状不规则的 颗粒要比球形颗粒的沉降末速小。s w a n s o n 给出了一个计算任意形状颗粒沉 降末速的相关式3 ，即 = 等( + 器 _ 1 s ， 西安石油大学硕士学位论文 其中 “n = 式( 4 8 ) 中采用了与颗粒形状有关的系数a 和b ，并根据实验给出了几 种物料和颗粒形状下的q 和1 3 值。用几种不同粒径的油层砂粒对s w a n s o n 公式进行了实验验证，发现其计算的颗粒沉降末速比实测值小，而且相对误 差较大，一般在2 3 7 6 0 3 。因此可认为，研究不同地区的井筒沉砂规 律时，可用当地油层实际砂样进行沉砂实验并获得砂粒不规则形状的综合校 正系数统计值，以对球形颗粒沉降速度计算式进行校正，即 秘s o s 。口就s 0 ( 4 - 9 ) 式中，u 。为不规则形状颗粒的沉降末速；q 为不规则形状综合校正系数；u 。 为按球形颗粒计算的砂粒沉降末速。 用胜坨油田的油层出砂分别在水和煤油中进行了实验。实验选用的砂粒 密度为2 6 5 0 k g m 3 ，粒径( i i l m ) 分别为0 1 0 5 ，0 1 4 9 ，0 2 0 8 ，0 3 5 5 和0 4 1 7 ；水 的粘度为1m p as ；煤油的密度为7 7 4k g m 3 ，粘度为2 1 1 3 4m p as ；实验温 度为1 1 。c ；实验管为长2m 、内径3 0m 的有机玻璃管。实验统计结果见表 4 - 1 。 实验中，砂粒的雷诺数为1 1 0 0 0 ，可采用m i e n 公式计算其沉降速度。 由表4 一l 可知，形状不规则砂粒的实际沉降末速比将其视为球形颗粒的沉降 末速计算值小。大量实验结果表明，同一油层出砂的不规则形状校正系数比 较接近，可由实验确定一个平均值。实验获得的胜坨油田油层出砂的形状校 正系数平均值为0 。9 2 5 。 西安石油大学硕士学位论文 表4 _ 1 砂粒在水和煤油中的沉降末速及形状校正系数 4 2 流体携带固体颗粒的临界流速 从理论上讲，固体颗粒在流动液体中的沉降末速应为沉降末速与流体实 际流速的矢量和，即如果流体以小于颗粒沉降末速的流速向上流动，颗粒将 下沉；反之，颗粒将被携带上升。如果流体流速与颗粒沉降末速相等，颗粒 将悬浮于流体中。然而，实际井筒沉砂过程受井筒内流体速度场的影响而趋 向复杂化。 4 2 1 井液流速分布对砂粒沉降的影响 流体在管道中流动时，由于受到管壁的影响，流体速度在横截面上的分 布并不均匀。管道中心处的流速最大，接近管壁处的流速较小，在管壁上的 流速为零。在层流条件下，管道断面上液流速度的分布式为： “o ) = 等d 2 ) ( 4 1 0 ) 式中，u ( r ) 为距离管道中心r 处的流体流速；ap 1 为流体沿管道流动的压 力梯度；u 为流体的粘度；r 。为管道的半径。 由式( 4 - 1 0 ) 可知，层流条件下，管道中流体速度的最大值出现在管道轴 心，其计算式为： 西安石油大学硕士学位论文 = 等r 0 2 ( 4 1 1 ) 而管道中流体的平均流速出现在半径为玩2 的圆环上，其计算式为： 为： ：2 面a p 8l t ，0 2 “= ，n - ， ”( 4 一1 2 ) 由式( 4 1 0 ) 还可进一步推导出距离管轴心r 以外区域内流体的平均流速 讲= i a p ，( r 0 2 一，一2 ) ( 4 - 1 3 ) 它与全管道内的平均流速之比为： 由上述方程可知，由于流体速度分布的不均 匀性，即使是同一颗粒，当处于管道中不同位 置时，它所表现出的运动形式也可能不同。如 当垂直管道中流体向上流动的平均流速与颗粒 的自由沉降末速相等时，若颗粒处于距管道轴 心2 2 以内的圆形区域内，它将被流体携带 上升：若此时颗粒处于2 2 以外至管壁面的 环形区域内，则将表现为沉降运动。 4 2 2 垂直井筒流体携带砂粒临界流速的确定 形状不规则砂粒在流体中沉降的轨迹随机 性很大，而实际生产井井筒中产液的流速场又 ( 4 1 4 ) 图4 - 1流体携砂实验装置 r 一 = 一些“ 西安石油大学硕士学位论文 极具复杂性。因此，仅靠理论方法很难准确预测砂粒在井液复杂流场中的实 际沉降速度，必须借助一定的实验手段，研究特定地层的出砂在一定井液环 境中沉降的统计规律。 为了研究砂粒沉降速度与井筒流体平均流速之间的关系，设计了如图 4 1 所示的实验装置。以水为井筒产液，筛选了胜坨油田油井所产的粒径( i i i i l l ) 为0 4 1 7 ，0 3 5 5 ，0 2 0 8 和o 1 4 9 的砂粒，在长4 m 、内径3 0 m m 的有机玻璃管 中进行了携砂实验，实验结果见表4 - 2 。 表4 - 2 流水携砂实验数据 以实测砂粒沉降末速为纵坐标，以计算的井液平均流速为横坐标，将表 4 2 中的实验数据绘成图4 2 所示的散点图。 西安石油大学硕士学位论文 漉体平均巍建d “- 矿1 l 图4 - 2 砂粒平均沉降末速与流体流速的关系 由图4 2 可以看出，同一粒径的砂粒，在垂直井筒中的沉降速度与井液 的平均流速基本上呈线性关系。对图4 2 中的实验数据点进行线性回归可得 到如下相关式： 粒径为o 4 1 7 m m 的砂粒： 甜。= 0 0 6 9 8 9 0 3 2 7 2 0 “ ( 4 1 5 ) 粒径为0 3 5 5 m m 的砂粒： 甜。= 0 0 5 8 1 0 0 3 8 8 1 3 甜 ( 4 1 6 ) 粒径为0 2 0 8 r a m 的砂粒： “。= 0 0 3 0 9 4 0 3 0 8 1 2 “ ( 4 1 7 ) 粒径为0 1 4 9 m m 的砂粒： “。= 0 0 2 0 8 9 0 3 4 7 3 7 “ ( 4 1 8 ) 硅安石油大学硕士学位论文 式中，u 。为砂粒在流动液体中的平均沉降末速；厅为流体的平均流速。 式( 4 1 5 ) ( 4 1 8 ) 中的相关系数分别为0 9 8 7 7 ，0 9 9 1 2 ，0 9 9 3 7 和 0 9 9 5 6 。分析上述各式可知，4 个线性相关式的截距与相应粒径砂粒的自由 沉降末速相差无几，而其斜率值又很接近，平均值约为一0 3 4 2 7 1 ，故对上述 4 式可进行简化和归一化处理，得 “；= “，o 。一0 3 4 2 7 1 甜( 4 1 9 ) 由式( 4 1 9 ) 可知，只要井筒产液的平均流速达到砂粒自由沉降末速的 2 9 1 8 倍以上，砂粒则总体上表现为上升运动，即能被井液携至地面。这与 人们通常认为只要流体平均流速大于砂粒自由沉降速度即可把砂粒携带上 来的观点大不相同。 4 3 小结 a 用实验手段确定出特定地区油井出砂的不规则综合校正系数，结合球 形颗粒自由沉降末速的计算公式可计算出实际地层出砂的沉降速度。 b 在井筒流动模拟实验的基础上，建立起砂粒的沉降速度与井液平均速 度的统计关系式，并得出井液携带砂粒上升的临界速度。 c 上面所得相关式是实验统计结果，若实际应用条件与实验条件存在较 大差异，应根据实际流场情况进行必要修正。 第五章防砂技术优化研究 第五章防砂技术优化研究 疏松砂岩油藏防砂的途径主要有两个：一是地层防砂，二是井筒防砂。 针对地层的岩石力学性质和地层流体渗流特点的不同，地层防砂技术主要方 式有排砂、堵砂和抑砂等，而井筒防砂又有井筒沉砂和泵的排砂之分，不同 的防砂技术适用于不同的井况。 5 1 防砂技术分类 5 1 1 地层排砂技术 地层排砂的原理就是运用高强度内外能量把地层砂排出油井，从而在地 层岩石骨架周围建立比较稳固的砂桥。该种技术主要应用于粉细砂岩油藏或 者泥质砂岩油藏中，该种油藏砂岩颗粒极小，运用一般的防砂技术无法实现 良好效果，而特殊防砂技术的应用又价格高昂，况且砂粒本身对采油机具的 损害相对较小。对该砂岩大孔径排砂，一方面可清除地层碎屑；另一方面可 增加地层渗透率，提高原油采收率。该防砂方技术主要根据地层岩石骨架的 应力情况，利用流体渗流对岩石骨架的影响关系，增大采液强度，提高渗流 速度，把岩石骨架周围以及孔道表面的粉细性附着物脱离开来，进入流体中 一并采到地面，从而疏通岩石流道，提高地层渗透性。但同时又要控制流体 速度，避免岩石骨架主体的进一步坍塌，保护架桥的稳定性。因此，应结合 岩石骨架应力状况对地层流体渗流规律详加分析，找到一个比较适合的采液 制度。 5 1 2 地层堵砂技术 地层堵砂技术主要是根据地层岩石性质及其颗粒粒径大小，采用的地层 防砂措施。这种防砂技术适用于中、细粒径颗粒地层，其目的是以较大的采 液强度把地层砂从地层深处运移到井筒周围，然后在井筒附近建立一个堵砂 屏障，使液砂分离开来，液体采出，地层砂留在井筒附近。往复运移，形成 一个近井地带砂桥，一方面可保证采液量，另一方面堵砂防砂。目前，这类 技术国内外主要采用砾石充填防砂和滤砂管防砂两种方法来实现。 a 砾石充填防砂：其原理主要是在套管和筛管之间充填一层砂砾，形成 一个较高渗透性隔离带，在筛管的共同作用下，把油砂两相分隔开来，从而 西安石油大学硕士学位论文 达到防砂目的。这种方法成功率高、有效期长、适应性强，在我国得到了比 较广泛的应用。 b 滤砂管防砂：这种防砂方法比较简便易行，只须把滤砂管下到设计位 置，然后坐封、丢手滤砂管上端所接的井下封隔器，使滤砂管留在射孔部位。 油砂混合流体从地层中逸出，在滤砂管部位被拦，油砂分离，砂岩颗粒堆积 在滤砂管周围，形成一堵较厚的隔离带，保证了油藏的防砂生产效果。 5 1 3 地层抑砂技术 地层抑砂技术主要是根据地层流体的渗流规律和岩石骨架的组成，采用 一些比较特殊的方法，把一些疏松砂粒稳固起来，能够承受较大渗流速度的 冲涮，从而达到防砂目的。目前，这种防砂技术主要可分为化学抑砂技术、 电网拦砂技术和磁作用抑砂技术等几种。 a 化学抑砂技术：化学抑砂技术是利用化学剂的胶粘性，把疏松的砂岩 颗粒胶结在起，增大颗粒间的内聚力，从而减少砂岩颗粒的逸出，达到防 砂目的的防砂技术。 b 电网拦砂技术：在疏松砂岩油藏中，砂粒表面带负电，由于电位的存 在使砂粒之间产生排斥力而处于不稳定状态，容易被流体带走，这是造成油 层出砂的原因之一。根据这一理论，可向地层泵入电位反转液，使之电位反 转，这样随着地层深部流体的采出，带负电的砂粒到了处理部位后，就会被 吸附，随着砂粒的不断移动吸附到一定程度，就形成一道挡砂墙。由于在挡 砂墙地带电位为零， 消除了砂粒间的排 斥力，增加了砂粒间 的内聚力，在地层上 部压力的作用下，砂 粒结团压实而起到 防砂作用。油层出砂 的另一个原因是油 层结构疏松，特别是 ( a ) 防砂前( b ) 防砂后 图5 - 1 防砂原理示意图 西安石油大学硕士学位论文 粘土颗粒的分散、膨胀、运移等作用，不但降低了油层渗透率，而使地层更 易出砂。为此，经过大量的室内实验，解决了这一难题。那就是向地层注入 一种高分子，它能牢固地吸附在砂粒胶结物上，尤其是粘土表面，达到多次 用水冲洗也冲不掉的程度，通过高分子形成的网状结构，拦住砂粒运移，从 而实现防砂的目的。其防砂示意图如图5 1 所示。 c 磁作用抑砂技术：磁作用抑砂技术也是根据砂岩颗粒的表面性质进行 的抑砂技术。其具体作法是把磁性震荡器下到射孔部位，在井口发射高频电 波，产生磁性震荡，使岩石表面的负性电得以中和，从而消除掉岩石颗粒间 的排斥作用。然后向地层挤入降粘剂，降低地层流体的悬浮力，使岩石颗粒 在重力作用下沉聚，当沉聚颗粒越聚越多时，就会在近井部位形成一个隔离 带，进一步阻挡砂岩颗粒，起到防砂抑砂作用。 5 1 4 井筒防砂技术 a 井筒沉砂技术：井筒沉砂技术是根据井筒中液体携砂规律进行的井筒 防砂技术。根据前章对砂岩颗粒的沉降速度的分析情况，可设计确定油井的 采液强度，来控制原油在井筒中流速，保证砂岩颗粒在井筒中的充分沉降。 这种防砂技术适用于砂岩颗粒较大的情况。 b 井筒泵防砂技术：该技术是利用井筒泵的特殊构造进行除砂的。可在 普通抽油泵的内部设计上过滤系统和自洗系统，当液砂混合物运移过来时， 过滤系统就把液砂混合相对稳定体打乱，促使液固两相分开，液体在抽油动 力作用下排出井口，砂粒沉降到井底，从而实现防砂目的。 5 2 防砂方法优选室内物理模拟实验 5 2 1 滤砂管防砂实验研究 滤砂管防砂是目前现场上常用的防砂方法之一。目前，现场应用的滤砂 管类型较多，金属棉和金属毡滤砂管是近几年现场应用效果比较好的滤砂 管，实验主要针对这两种滤砂管开展的。影响滤砂管防砂的因素众多，地层、 油藏、施工质量、投产后的工作制度等都是影响其防砂效果的直接因素。考 虑到实验条件，主要选择地层因素的粒度、泥质含量、分选性等进行了试验。 a 实验装置：该实验装置主要由配液罐、供液泵、加砂装置、模拟井筒、 西安石油大学硕士学位论文 传感器和数据集输终端等设备