（油气田开发工程专业论文）稠油油藏生产井防砂方法筛选研究.pdf

a b s t r a c t s a n dp r o d u c t i o nf r o mu n c o n s o l i d a t e df o r m a t i o n si n h e a v yo i l w e l l sh a sb e e na w o r l d w i d ec h a l l e n g ef o rt h ep e t r o l e u mi n d u s t r yf o rm a n yd e c a d e s t h ec h a l l e n g ei s n o t m e r e l y t oa v o i do r s t o p s a n d p r o d u c t i o n ，b u t t ob ea b l et om a i n t a i na c o m m e r c i a lw e l lp r o d u c t i v i t ya f t e re f f o f ft oc o n t r o ls a n da r ei m p l e m e n t e d a tt h e s a m et i m e ，t h ec o n t r o lm e t h o ds e l e c t e dm u s tb ej u s t i f i e db yar e a s o n a b l ep a y b a c k t i m eo ft h ei n v e s t m e n tc o s t e v e r yy e a et h ep e t r o l e u mi n d u s t r ys p e n d sm i l l i o n so nc l e a n i n go u t s a n df r o mw e l l s a n dr e p a i r i n gp r o b l e m sa s s o c i a t e dw i t hs a n dp r o d u c t i o n a sar e s u l t ，t r e m e n d o u s p r o d u c t i o nq u a n t i t i e s a r el o s to rd e f e r r e d s a n d p r o d u c t i o n a n di t sa s s o c i a t e d e r o s i o na n dp l u g g i n go fe q u i p m e n ta l s o r e p r e s e n t s a p o t e n t i a ls a f e t y h a z a r d s u b s e q u e n t l y , h u g ei n v e s t m e n t sa r em a d e i nm a n yo i la n dg a sf i e l d sw o r l d w i d et o p r e v e n ts a n df r c l mb e i n gp r o d u c e dt os u r f a c e an u m b e ro fm e t h o d sa r ec u r r e n t l ya v a i l a b l et oc o n t r o ls a n dp r o d u c t i o ni nw e l l s e a c hm e t h o dh a si t sp r o sa n dc o n s ，a n dm u s t u s u a l l yb e c u s t o md e s i g n e d f o re a c h w e l lo rf i e l db e f o r e b e i n gi m p l e m e n t e d i nt h i sp a p e rm a n ya s p e n ss u c h a s s a n d - c o n t r o lt h e o r y ，t e c h n i q u ep e r f o r m a n c e ，a n da p p l i c a t i o nc a s ea r ec o n s i d e r e d ， w h i c ha r et h eb a s i co fs a n d c o n t r o lo p t i m i z a t i o n t h r o u g h l a b o r a t o r ys t u d ya n d s t r e s s a n a l y s i s ，t h et h e o r y o fs a n d p r o d u c t i o n i s p r e s e n t e d m e a n w h i l e w i t h p a r t i c u l a re m p h a s i so nt h et h e o r yo ff u z z ys e t ，w ee s t a b l i s ha na p p l i c a t i o nm o d e l o ff u z z yf o rs a n d - c o n t r o lo p t i m i z a t i o n a l s o ，a n e x a m p l ei sa n a l y z e d i nd e t a i lt o s e r v ef o ro i lf i e l d k e y w o r d s ：s a n d c o n t r o l ，f u z z y ，o p t i m i z a t i o n 独创性声明 p 胁协 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勘探开发研究院或其它教育机构的 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已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：兰查：查翌日期 挑3 ，4 、 一 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油勘探开发研究院有关保留，使用学位论文的规定。即：中国石 油勘探开发研究有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 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 签名：至塞查至导师签名糖日期：”0 1 、 第一章绪论 第一章绪论 譬蠢曩矗 j 。矗i 臻烈麟x i 躁童誊蕊赫藏 藏“纛囊鼙蓦糕越菇舜蠢基醯勰疆 然! 熬戆鬻嚣鬻囊燃 我国稠油资源分布广泛，储量丰富。随着世界对石油需求量的不断增加以及未来 将面对的各种能源短缺等实际问题，稠油资源的开发和利用也变得越来越重要。自上 世纪6 0 年代工业生产以来，近4 0 多年内，稠油热力开采技术得到了突飞猛进的发展。 但由于大部分稠油油藏地质情况复杂，诸多因素制约稠油井的有效开采，其中之一就 是目前普遍存在地层出砂问题。尤其在蒸汽吞吐开采稠油进入高轮次开采后期时，高 温蒸汽对地层岩石骨架的破坏作用增强，地层出砂现象更加严重。 目前，辽河油田总共出砂区块有2 2 个【3 】，主要有小洼、杜2 2 9 块、曙一区、锦七 块、青龙台、欢1 2 7 、齐1 0 8 等区块，占区块总数的4 8 9 ：出砂油井3 2 0 0 口，占 总开井数( 9 6 4 5 口) 的3 3 ；因出砂检泵每年作业约3 0 0 0 井次，由此产生作业成本 约1 亿元。其中以辽河油田洼6 0 块为例，全区共有油井9 8 口，开井5 5 口，其中出 砂占4 5 ，有1 3 口井完钻后因出砂而无法使用。冷4 3 块s 1 + 2 油层经过多轮次吞吐 ( 平均6 个周期) 已发现出砂油井1 1 5 口，据统计产量递减3 0 0 t 以上，同时单井增 加作业费用3 万元。 可见，地层出砂对油井的危害极大，不但会造成油井的减产、停产甚至会因地面 和井下设备的磨蚀，而导致套管损坏，油井报废。因而砂害不得不治。 羹矗j矗毒；稿羹冀舞；囊； i 嚣，甏l l 鋈嚣蒸i 萋曩囊豢i i 蒸纛。# 、r j 警擎j 哮、黪辫掣滞擘黧黧鬻骥黧攀，鏊 防砂是指能够阻止地层中承载骨架砂随着地层流体进入井筒的有效措施。目前 第一章绪论 随着人们对地层出砂现象的深入研究，许多新的防砂技术正在不断地涌现。防砂技术 大致分为机械防砂、化学防砂、以及机械一化学复合防砂技术等几大类，其发展与研究 都是与油田现场实际情况分不开的。防砂技术的发展过程按时间顺序可分为如下几个 阶段：1 、砂桥技术研究是防砂技术的初步试验阶段，但由于其控制了井底压力和流 速，因而影响了油井产能。2 、广泛应用的化学防砂技术，优点是施工工艺简单，适 用于早期防砂，缺点是作业成本高和施工作业时间长，这是防砂技术的技术发展阶段。 3 、机械防砂技术研究取得进展后，在此基础上又发展了以绕丝筛管砾石充填为主的 机械防砂技术，并成为防砂的重要手段。4 、其后又出现了高温人工井壁技术工艺， 与此同时机械防砂技术也取得了较大的进展，人们研究出了金属面筛管，整体烧结金 属纤维筛管技术，其特点是成功高，成本相对低，这使防砂达到了技术成熟应用阶段。 目前，新的防砂工艺不断涌现，形成了新的复合防砂技术，如复合射孔防砂，压裂防 砂。此外人们在研究如何防治砂害的同时，又进行了大量的排砂工作研究。出现了防 砂排砂一体化技术以及导砂技术的出现。这些使得防砂技术达到了前所未有的阶段。 地层的内在强度与岩石的动弹性模量常数( 剪切模量西和体积模量e 。) 之间有 良好的相关性，特别是在剪切模量西和体积模量与岩石颗粒支撑力。之间存在着 良好的线性关系，因此，常采用e 。和西作为地层强度性质的一个尺度来预测出砂。 岩石体积模量是岩石体积压缩系数的倒数，取决于岩石颗粒和流体的压缩性。岩石 的剪切模量西是剪切载荷与横向变形之比，因此西仅仅是岩石颗粒强度直接尺度， 并且是出砂预测的最重要的岩石动弹性常数。如果有声速和密度测井资料，则可用下 式计算e 。和e s ：1 4 e 。= g 兰! ! 二! 墨2 ：壁： 。 2 ( 1 2 ) a t ； ( 1 1 ) 2 第一章绪论 其中：c 一常数： 一岩石泊松比 p ，一岩石密度； 耻裟 ( 12 ) 缮一压缩波( 纵波) 的声波时差值； 从上式可以看出：毛和西受f c 平方的影响，因此f c 是衡量岩石的主要参数。 以下三种方法为常用的出砂预测方法： 1 组合模量法( m o b i l 公司方法) 组合模量方法用声速及密度测井资料，用下式计算岩石的弹性组合模量e c ： e c = e8 + 亡e s ：型挚( 公审n i ”l ( 1 3 ) = 一l ，? i l 。 ioj 出二 、。 ：坐! 望坚旦( 英制) 6 t ； 根据岩石、测井资料以及出砂分析，认为越小，出砂的可能性越大。即岩石密 度小，声波时差值大，为疏松砂岩。根据胜利油田大量油井出砂统计结果认为： 表卜1 出砂预测判另0 值( 组合模量法) e c 值( 1 0 4 m p a ) 出砂情况 2 0 正常生产油层不出砂 1 5 - 2 0 正常生产油层轻微出砂 0 1 9 9 01 9 9 1 0 第二章出砂实验室机理研究 眈实验结论 随着温度的升高，岩心渗透率嘴显地降低，这实验现象说明：由于离温蒸汽使 孔隙内的粘土矿物与非矿物发生不均匀热膨胀，岩石胶结结构及泥质胶结结构遭到破 坏，岩石续构变锝松散。与此同时高温物化反应也可引起孔骧度的降低，堵塞蒸汽流 遂，因此该实验可以浇明离温蒸汽豹注入对岩心会产生一定蠡孽伤害。 当地层生产压差越太，原油流动速度越毫时，流体对袭石的冲刷力就越大。当生 产篷蒙，流体冲捌力秘上簇地层聪力念力大予岩磊耋然胶结，岩石颗粒之耀的痒擦力 等组成的合力时，地屡就翁出砂嘲( 如图2 4 ) 。如般情况下，当注汽阐采时，生 产压差较大，排液速度成数十倍地增加，甚至油井能自喷，此时加上高粘度、高密度 的原浊流动阻力大，对岩嚣的、砷刷力期携妙的能力强，就会造成该地层的出砂。 上覆联力 盏层 层隘力 图2 4 地层堪砂示意图 油层压力 减小 第二章出砂实验室机理研究 由蒸汽流动实验另做一岩心渗透率与流量变化的实验，数据如下表所示 岂 槲 唰 避 3579 流量m l m i n 图2 - - 3 ：岩心渗透率随流量的变化 表2 - 4 岩心渗透率与流量变化( 2 0 0 c ) 渗透率( d c ) 温度( )第6 0 分钟第1 5 0 分钟第2 1 0 分钟 3 08 3 3 7 8 3 8 0 9 9 00 0 8 5 5 0 0 9 4 0 0 0 8 4 5 1 0 04 7 4 04 2 6 73 7 6 5 分析岩心实验最终数据，观察到：随着流量的增大，岩心渗透率也升高了，这主 要是因为当流量为1 0 m l ，m i n 时，岩心就已出砂，岩心中蒸汽流道不会被堵塞，因此 渗透率相对升高。 1 2 如蛎如拍坫m 0 0 第二章出砂实验室机理研究 2 3 1 地层岩石受力分析三方程： 1 、平衡方程【9 】 砂岩中的总应力( o ) 与外力( f ) 的平衡关系为： 有效应力方程为 o u i f = 0 o j = d h u 5 q | | 曩。i 舞。曩鬟l | | ；| 。 黪“麓 j ；誓 | ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中盯为有效应力，6 为k r o n e c h e r 张量，u 孔隙平均压力，一般有 u = s o u o + s w u w + s g u g ( 2 1 3 ) 式中s 为液体饱和度，油水气三相饱和度关系为： s o + s w + s g = 1 ( 2 1 4 ) 在许多实际条件下可以忽略毛细管力，故三相流体压力均为孔隙流体平均压 力u 。 在温度作用下砂岩的有效应力本构关系为 仃：= d o k t ( 一占可) 式中d 为刚度矩阵，占为应变： 1 = 去( ，+ ，) 其中w 为砂岩变形的位移分量及 q = 戤6u 这时t 为砂岩温度变化量，b 为系数 1 3 ( 2 1 5 ) ( 2 16 ) ( 2 1 7 ) 瓣。纛黪 豢鬟攀寨繁 溅攀 瓣鬻。) 襟；j；攀 赣一 第二章出砂实验室机理研究 卢= 字击口 ( 2 1 8 ) 式中n 为孔隙度，a s 为砂岩固相的热膨胀系数，a t 为热引起的结构方向变化系 数 2 、流体相方程【9 1 在多相渗流中，假定单组分流体仍遵循d a r c y 定律，即： 特六”“( 2 2 1 ) 式中：对于”相，v 为渗流速度，k 为绝对渗透率，f 为地层体积因子 在任意一般条件下，变形多孔介质中流体的连续方程为： 一+ 彬，一瓦u + 阿= ”( 2 2 2 ) 其中： w = n ( s 。口。+ 蹁十s g 口。) + 了l - - t a ：+ 而( 2 1 ( 2 2 3 ) 上=一茜s+毒+毒)+1-_enbe b b s ( 2 z 4 ) 、。b 。b 。 。 这里b 。为砂岩的体积模量。方程( 2 2 1 ) 中v i ，i 为三相流体之总和。对于气相必 须考虑溶解气与凝析气两个变化过程，设”相溶解比为r s 。，则对于气相有： v , , z s = - v 7 k o 而k r g + 鬲k r o + 告 ( 2 2 5 ) 在方程( 2 2 1 ) 中的连续方程中，考虑了每相的产生速率，固相的变形，每 相的压缩性及热温引起的体积变化，其中许多参数是非线性的，随着应力状态、 流体温度和压力的变化而变化。如粘度随着温度而变化，压缩系数为体积应变的 1 4 第二章出砂实验室机理研究 函数，相对渗透率随饷度而变化，而饱和度又随压力变化。这些所有非线性性质 在数学模型中反映了对油藏物性的变化的模拟。 3 、热能量平衡方程 对于热传导与热对流耦合存在的一般情况，有： h ”= 一r f 疋，+ s pc 圪疋， ( 2 3 1 ) 式中：， 为一相的热量，尺为热传导系数矩阵，7 - 为温度变化，s 为饱和度，c 为 体积热容，p 为密度。 假设各相中均存在热平衡，即单元系统内存在唯一的温度状态，于是有 啊，= 伊+ 妒( 2 3 2 ) 式中： 孝= ”( p w c w s w + p o c o s 。+ p g c g s g ) + ( 1 一门) p s c 一一 f 2 3 3 1 妒= p csk + p cs 圪+ p g c 暑s g 以 、。 地层出砂原因是多种多样的，其中主要的还是地质原因和开采方面上的原因。从 油层结构上可分为：粗、中、细砂岩：在纵向上可分为，单层、多层、薄层和油、气、 水层间互；从出砂程度上，可分为严重出砂、轻微出砂；从原油性质上可分为稀油、 稠油、特稠油；这些因素都会造成地层的出砂，因而一个出砂地区产生出砂现象的因 素很多，这种出砂现象不是单一因素所造成的，而是诸多因素综合产生的结果。 岩心蒸汽流动实验中随着蒸汽温度的升高岩心渗透率明显下降，分析其产生原因 并证实了高温蒸汽能够破坏油层胶结骨架结构，造成岩石颗粒松散。另一方面，地层 流体的流动与冲刷也是出砂的原因之一，尤其高温蒸汽的吞吐，注汽强度较大，液体 双向反复流动，导致岩石颗粒更加松动。 1 5 第二章出砂实验室机理研究 通过三方程平衡方程、流体相方程、热能量平衡方程解释出砂地层的受力情况 从而从力学理论角度进一步认识地层出砂机理。 1 6 第三章防砂方法的优选设计 第三章防砂方法的优选设计 獭麟漾瀵黼藤 表3 - 1 防砂方法分类【1 1 绕丝筛管 割缝衬管 双层预填绕丝筛管 机械管柱防砂 金属纤维筛管 机械防砂树脂石英砂 陶瓷滤砂管 绕丝筛管( 割缝衬管) 砾石充填 砾石充填防砂绕丝筛管( 割缝衬管) 预涂层砾石充填 绕丝筛管( 割缝衬管) 陶粒充填 酚醛树脂胶结地层 人工胶结固砂 酚醛溶液地下合成防砂 预涂层砾石人工井壁 化学防砂 树脂砂浆人工井壁 人工井壁 树脂核桃壳人工井壁 乳化水泥人工井壁 短期火烧油层固砂 焦化防砂 注热空气固砂 复合防砂机械、化学相结合的防砂方法、高渗压裂充填防砂 1 7 第三章防砂方法的优选设计 3 1 1t b s 筛管 针对稠油注汽井细粉砂防治的难题而进行研制的一种新型整体烧结金属纤维筛管 防砂工艺技术。9 3 年初开始进行研制该防砂技术，9 4 年投入现场应用，目前己进入 大量的推广阶段，防砂效果显著。这种新型防砂工艺技术，解决了辽河油田稠油注汽 井细粉砂防治的难题。 1 、防砂机理： 金属纤维烧结筛管是用套管或油管作为基管，在基管上按一定规则打孔并在高温 高压条件下，将金属纤维烧结在打孔的基管上，从而形成立体网状滤砂屏蔽。该金属 纤维能使原油及小于中0 0 7 r a m 的细粉砂通过，并随油流一起被携带出井筒，而较大粒 径的粗砂被阻挡在筛管外，形成自然的挡砂屏障，从而达到防砂的目的。 该工艺技术采用全井段防砂方法，即将封隔器、筛管等井下配套工具组成防砂管 柱一次下入井中，使防砂筛管对准出砂层位，然后使封隔器座封、丢手之后，即形成 了一个井下防砂管柱结构系统。 2 、金属纤维烧结筛管的技术特性： 不锈钢金属纤维烧结筛管采用的是一种单层管整体结构。具有强度高、刚度小、 外径尺寸一致的特点，有利于在水平井、侧钻井、裸眼井中下入，及后期的油井维修。 a 防砂管柱具有较大的通径，为筛管内冲砂带来了极大方便避免了早期防砂方 法筛管内冲砂困难及冲砂管柱时常被卡的事故发生。 b 该防砂管柱采用的不锈钢金属纤维丝，具有不同形状、不同规格尺寸，可针对 具体油藏的出砂特性，通过调整金属丝的形状尺寸，孔隙度等参数，加工制做出相应 的防砂筛管。 c 采用的不锈钢丝过滤层，经高温高压烧结而成。因此对稠油注汽井的高温高压 不受影响且能耐井下各种化学试剂的侵蚀，有效期长。 1 8 第三章防砂方法的优选设计 d 该新型筛管防砂工艺技术，施工简便，作业时间短，作业施工成功率和防砂后 有效率都比较高，防砂效果明显。能减轻作业人员的劳动强度，节省作业时间，降低 生产成本。 3 1 2 割缝筛管砾石填充 1概述： 割缝筛管是在衬管壁上，沿着轴线的平行方向，或垂直方向割成多条衬管，如图 3 1 ( a ) 所示。因垂直方向的割缝比平行方向的割缝强度低，故一般采用平行方向的割 缝衬管。其功能是：一方面能够允许一定数量和大小的，能为原油带至地面的小砂粒 通过。另一方面能把较大颗粒的砂子阻挡在衬管外面，使大砂粒在衬管外形成“砂桥”。 割缝筛管砾石填充防砂工艺在辽河油田于2 0 0 0 年开发投入使用，是针对其油田的疏 松油藏、油气井出砂严重、粒度不均、分选不好的情况下采取的一项防、排综合配套 工艺。它的优点在于不易对油气井产生淤堵现象，渗透性好，挡砂能力强，是一项经 济实用型防砂技术。它的缝宽度可在0 1 5 0 4 5 m m 之间调节，极大地提高了防砂的 成功率。缝形状从剖面上看如图3 - 1 ( b ) 所示。梯形两斜边的夹角为6 1 2 ”，而且大的 a 图3 1 割逢筛管形状 1 9 b 第三章防砂方法的优选设计 底边在衬管内表面，小的底边在衬管外表面，小底边的宽度称为缝口宽度。这种 形状可以避免砂粒卡在缝眼内而堵塞衬管，具有自沽的作用。 2 割缝筛管砾石填充防砂工艺技术特性： a 单层整体结构取代多层组合式的结构，不仅具有强度高、刚度小；而且使筛管 的通径变大，便于采油生产与后期打捞作业。 b 由于是按轴向布缝，所以不会因为弯曲而导致筛缝尺寸不均。 c 采用最先进的激光技术割缝，缝宽均匀一致，精度高，公差可控制在o 0 1 m m 。 而绕丝筛管的可控公差为0 0 5 m m 。 d 激光割缝避免了以前机械加工所造成的缝开度不均，缝1 ：3 处强度下降。另外机 械加工较难解决缝密度少、加工慢、费工费时等的问题。 e 由于采用了激光割缝，因此在缝的表面被“淬火”，所以可形成0 3 m m 厚的高 强度耐腐蚀表面，使缝的强度提高，有利于长期生产。 f 可根据现场实际需要，加工成任意几何形状的缝。 g 筛管的每周缝数：2 4 3 6 条3 6 0 。，缝长：任意调节。 3 割缝衬管缝隙尺寸的确定 缝隙尺寸应等于最小充填砾石尺寸的二分之一到三分之二。如砾石尺寸范围是 o 0 2 3 0 0 4 7 i n ( 0 5 8 1 0 1 9 m m ) ，所用的缝隙尺寸便可求得： 11 6 吉) x o 0 2 3 i n = 0 0 1 2 0 0 1 5 i n ( o 3 - 0 3 8 m m ) 也可根据砾石与筛管配合尺寸确定如下表3 2 所示： 表3 - 2 ：缝宽与砾石配合 砾石尺寸砾石尺寸 筛管缝隙尺寸筛管缝隙尺寸 ( 标准筛目)( 标准筛目) 4 0 6 00 1 51 0 - 2 0o 5 0 2 0 4 0o 3 01 0 - 1 60 5 0 1 6 3 0o 3 5 8 1 2o 7 5 第三章防砂方法的优选设计 4 砾石质量控制 防砂工艺对所填充的砾石质量有一定的要求，砾石尺寸必须和产层的度组成相匹 配，才能起到防砂的信用，同时又能使砾石层具有较高的渗透率。砾石质量包括：砾 石粒度均匀：圆、球度好，平均值都应大于0 6 ：砾石中不合格的砾石应小于5 ；在 标准土酸中酸溶度小于1 ：砾石试样水浊度不大于5 0 度；显微镜下观察没有两个或 多个颗粒结晶块和满足抗破碎试验要求。 5 砾石设计： 主要普遍使用的公式是( s a u c i e r ) ，其推荐的砾石尺寸是d 5 0 的5 6 倍即： d s o = ( 5 6 ) d s o 其中： d 5 0 设计砾石的粒度中值，m m ； d 5 0 - 一地层砂样粒度中值。 该公式是在实验的基础上得到的，实测得的砾，砂粒径比与渗透率的关系曲线如下图 4 1 所示：该公式是在实验的基础上得到的，实测得的砾砂粒径比与渗透率的关系曲 线如下图3 2 所示：由曲线可以看出：如果砾石选得太粗，地层砂在砾石层内形成砂 桥，虽然能阻挡地层砂产出，但砾石层的渗透率严重下降；当砾石与地层砂度之比超 过1 4 时，理论曲线表明地层砂将自由地穿过砾石层，此时虽然砾石层的渗透率较大， 但不能阻挡地层出砂；当砾石选得太细时，地层砂在砾石表面形成砂桥，此时油井不 出砂，砾石层的渗透率保持较小值不变；砾石与地层粒度比为5 6 倍是阻止地层出砂 的最大数值，即当d 5 洲5 0 = 5 6 之间时，砾石层既能良好地挡砂，又具有较高的渗透 性 如图3 2 所示，各区代表的含义如下： i 区：砾，砂界面清楚，防砂有效，但砾石本身绝对渗透率太低，不利于生产； i i 区：理想粒度比值区 i i i 区：地层砂进入砾石充填层造成款堵塞 区：地层砂可以自由通过砾石充填层，防砂充填 嫠三章醛砂方法的优选设计 蠢1 科、 ； l l ； i 蓊o t 8 爿 ； 一 泪 蓐06 l剥妇强既 ； 上z 瞰一 一 渗 幽 囊 玉岌 “矿蝌 透0 4 簖 一 率0 2 u 024681 0 1 2i 4t 6i 82 0 繇嚣与婊瑶移辍霞串德之比 图3 ，2 ：0 5 e d s o 玛砾石渗透率关系 在筛极实验室中取褥防砂拌油层砂样进 予筛选，绘制筛据曲线后便可褥到地层砂 样的粒度中煎，根摆上式w 求褥所需孀的d s o 砾石尺寸，印砾石的越度中值d s o n 褰管恣繇嚣充填鹣筛餐秘囊案足寸酝会如表掰示： 表3 - 3 喾祷尺寸与套管配合袭 套警溪格，i n筛管撬格，l n 呸12 7 嚣 蚝5磋 7 霹 瞎5畦 9 吾5 5 第三章防砂方法的优选设计 3 1 3 复合射孔防砂 复合射孔防砂技术是利用军工破甲弹原理与现场防砂作业相结合，工艺简单，操 作方便，节省资金，并具有早期防砂原地防砂，适应多种出砂地层，有巨大的经济效 益和广阔的市场前景。 1 技术用途： 图3 3 ：复合射孔充填过程示意图 复合射孔防砂技术主要应用于出砂的砂岩油层老井调层射孔或新井投产射孔，射 孔防砂措施同步完成。 3 1 减少了因机械防砂带来的井下打捞困难，修井作业费用高和 因化学防砂带来的地层伤害严重，防砂有效期短，同时易受层间矛盾影响的问题。 2 技术原理及特点： 复合射孔防砂技术是在射孔过程中，将防砂作业同时完成，其途径是在普通射孔 弹前方置一前仓，前仓内充填两种材料：中心部分装有能让岩液通过，但能阻挡流砂 的多孔材料，如不锈钢丝球，边缘部分有用于推动多孑l 材料的发射药。 2 3 第三章防砂方法的优选设计 该技术施工简单，施工周期短，井筒内不留工具，不影响后期作业。 3 技术指标： 射t l t l 径1 4 m m ； 穿透深度可达3 0 0 5 0 0 m m ； 固化强度可达1 0 m p a ； 防砂最小粒径不小于0 1m m ； 孔道过滤层渗透率不小于3 0um 2 。 4 适用范围： 无严重套变的井； 调层井： 新井。 5 应用情况： 复合射孔技术目前已在辽河油田特油公司、锦州采油厂、金马油田、冷家油田、 胜利油田等现场施工1 7 口井，施工成功率1 0 0 ，有效率8 2 4 ，累计增油9 3 5 4 o t 防砂效果较好，为解决油井出砂问题提供了新的思路。 3 1 4 膨胀筛管 膨胀扩张式油井防砂技术，由膨胀筛管、大通径悬挂器、可变径胀锥三部分组成。 利用筛管的膨胀收缩原理，筛管工作时贴紧套管，消除砂环，提高油井渗流能力，延 长了筛管使用寿命；筛管打捞时径向收缩：减少了作业风险；同时可变径胀锥最大外 径1 4 0 m m ，最小内径1 0 5 m m ，可以径向收缩，通过内径1 2 0 m m 的螺纹连接段；大 通径悬挂器内径1 1 0 m m ，可以利用2 1 2 ”油管冲砂，便于作业。1 2 次室内试验、5 次井下试验，增油3 8 0t ，防砂效果良好。 其中锦4 5 0 1 6 2 5 井，2 0 0 0 年1 1 月1 7 日施工，射孔井段1 1 4 1 8 1 1 5 7 9 m 。用筛 2 4 第三章防砂方法的优选设计 管2 4m ，挡砂粒径0 1 m m ，粒度中值0 2 8m m ，丢手压力2 5m p a ，膨胀拉伸上提 管柱2 5t ，施工完成顺利。该井次日投产，日产油1 1 o 删，日产水6 0m 3 d ，至今未 卡泵，化验井口含砂o 0 2 ，截止1 2 月2 4 日增油1 6 2 t 。 3 1 5 压裂砾石充填防砂技术 1 技术用途： 压裂砾石充填防砂技术它是针对油、气井出细粉砂，出砂严重、粒度不均、分选 不好的情况下采取的一项新型防砂工艺技术。 2 原理及特点： 该技术是利用油管将防砂管与填砂工具等组合而成的压裂防砂管柱下至油层段， 然后利用压裂车组将混砂液高泵压大排量正挤入筛套环空和地层中，由于在地层中形 成了裂缝，优选的人工砾石在携砂液的携带作用下被带入裂缝中，在裂缝内形成高渗 透率的人工砂桥，以靠人工砂桥形成第一道防砂屏障，来防治油层细粉砂。 而井筒内的防砂管柱作为第二道防砂屏障，防止人工砾石的反吐，从而实现防砂目的。 由于在地层中形成裂缝，人工砾石在裂缝中形成了高渗流通道，从而改变了油层 内的渗流状态，使原来的原油向心径向流改变为流向裂缝的水平流，渗流条件得到改 善，从而降低了油流的携砂能力，同时，由于高强度地挤入人工砾石，改变了地层砂 的受力状况，使地层砂不易向井筒运移。因此压裂砾石充填防砂技术不仅具有防砂作 用，而且还具有一定的增产效果，防砂效果好，有效期长，对防治油井细粉砂效果显 著。 第三章防砂方法的优选设计 3 1 6 高温人工井壁防砂技术 热采井人工井壁防砂，主要是针对稠油注气井出砂严重而研制的一种新的化学防 砂方法。其防砂原理是：用树脂涂在“砾石”表面形成“树脂预包砂”，用携砂液将“树 脂预包砂”携入井底，通过炮眼在油层亏空部位堆积、压实，形成具有一定强度及渗 透率的人工并壁，阻止地层砂随液流流入井筒，达到防砂目的。 1 性能及特点： 1 1 热采井人工井壁可在3 5 0 。c 高温下，长期保持稳定； 1 2 热采井人工井壁抗压强度大于6 m p a ，渗透率大于1 0um 2 ； 1 3 热采井人工井壁固化温度大于2 5 。c ，固化时间2 4 4 8 h = 1 4 热采井人工井壁防治细粉砂效果显著。 2 应用范围： 热采井人工井壁防砂可用于稠油注汽井防砂、稀油井防砂、水井防砂等。 3 单井价格：一般情况单井防砂材料费6 7 万元。 4 施工工艺： 4 1 冲净并简内地层砂，使炮眼畅通； 4 2 用通井规通井，下施工管柱； 4 3 正挤树脂砂液，施工后返洗； 4 4 候凝4 8 小时，钻掉井简内树脂砂； 3 1 7 高温泡沫树脂防砂技术 1用途： 高温泡沫树脂防砂是针对稠油热采区块出细粉砂严重而研制成功的一种新的防砂 方法。它将地层固砂及人工井壁有机地结合起来，因而优点多，防砂效果好。通过大 量室内试验及现场试验证明，该防砂方法具有良好的防细粉砂的功能，可用于各种热 第三章防砂方法的优选设计 采并及常规开采井的防砂。 2 高温树脂的主要性能： 1 具有低温固化耐高温性能。 2 树脂的发泡性能：利用此性能，可在地层亏空处形成人工泡沫砂层。 3 树脂的固砂性能：此树脂对地层砂具有很强的吸附能力及固结能力。 4 固结后耐油、水。 5 圃结后耐酸、碱。 3 防砂机理： 高温树脂与地层砂具有很强的吸附作用，当树脂挤入地层后一部分树脂吸附到砂 粒表面，在砂粒之间形成胶结点，当树脂固结后将地层砂固结。同时树脂中具有发泡 剂，使另一部分树脂在地层亏空处发泡，形成泡沫挡砂层，起到人工井壁的作用。整 体防砂是固砂与泡沫井壁防砂的综合。 4 主要技术指标： 4 1 高温树脂指标 外观：深黑色液体； 粘度：( 2 5 ) 1 0 0 3 0 0m p a s 密度：( 2 5 。c ) 1 0 5 1 1 0g c m 3 ； 固含量：5 5 6 5 ： 5 防砂指标 1 抗压强度6 0 m p a ； 2 固砂渗透率保持原始渗透率的7 5 8 0 3 固化温度：3 0 ： 4 固化后耐温3 5 0 以上： 5 可挡o ，0 5 m m 细砂。 第三章防砂方法的优选设计 3 1 8 防砂方法综合分析 表3 4 防砂方法综合分析表 比较项目 适用范围主要特点应用状况 防砂方法 因易发生筛管堵有效期长，耐高温， 9 4 年在辽河油田 t b s 筛管塞，不适用于细粉施工简便作业时间 投入现场应用。目 前已进入大量推广 砂的稠油井短，成本低 阶段 适合于粗、中、细 砂岩防砂。适用于 技术成熟，是当前 多层，油气、水层 割缝筛管砾石填充不受井段的限制，应用最为广泛的一 间互，严重出砂的 种防砂方法 油井，不适合于细 粉砂岩防砂 适用性广，防砂效 果好，有效期长尤 复合射孔工艺复杂，成本高现场应用阶段 其是细砂岩、渗透 性差的地层 适用于高渗透疏松即可以使油井增产 工艺复杂，费用高， 压裂砾石充填但长远上看有一定 油藏又可以防砂 的经济效益 针对稠油热采区块地层固砂及人工井 可用于各种热采井 出细粉砂严重而研壁有机地结合起 高温泡沫树脂及常规开采井的防 制成功的一种新的来，因而优点多， 防砂方法防砂效果好 砂 适用于油井出砂量施工简单，成功率 大，地层亏空严重高形成的人工井壁主要应用于稠油注 高温人工井壁以及出细砂油井。耐温性好，一旦发汽井防砂、稀油井 不适合于渗透率差生堵塞可用酸化解防砂，水井防砂 别大的油层堵 第三章防砂方法的优选设计 熬麟j 髓4 砂龙罄罄瀵露续鞠麟攮灌蘩逮港涉骣 “j；： 一 ? _ 、 霸$ 舞l 蔓誊州 i 在人类科学的发展史上，长期以来，以追求事物的精确性描述为目的的研究产生 了大量的成果，并建立了庞大的数学逻辑体系。随着科技的进步，人们逐渐意识到， 在认识客观事物时，存在有随机性，和模糊性。随机性是指对未来的事物而言，它是 对未来事物发生与否以及可能性大小的描述。模糊性是对现已存在的事物而言，由于 主客观种种原因，不能明确地、清晰地认识客观事物，则叫做模糊性。“模糊”是与“精 确”相对的概念，模糊性普遍存在于人类的思维和语言交流中，是一种一确定性的表 现。随机性则是客观存在的另一类不确定性，两者虽然都是一确定性，但存在本质上 的区别，模糊性往往是人对概念外延的主观理解上的不确定性。随机性则主要反映客 观上的自然的不确定性，即对事件或行为的发生与否的不确定性。 防砂方法优选是一门“软学科”，方法优选过程是一类完全非线性的行为，与人的 主观想法和行为有密切联系，难以用经典数学方法建立模型。我借鉴了模糊数学的模 糊综合评价理论，通过模糊集及其隶属函数，模糊集，模糊矩阵等概念的运用，把模 糊综合评价所建立的数学模型应用到防砂方法优选的设计当中来，希望能够在防砂实 际的优选过程中取得较好的应用效果。 3 2 1 防砂工艺系统设计原则 就现有的防砂工艺而言，任何的种防砂工艺措施的应用都同样要受到技术条件 和经济可行性的限制。通过人们积累的丰富的生产开采经验，总结出适合于热采的防 砂筛选标准。应当指出，该筛选标准只表明一定时期的油藏参数指标大小，参数的数 值不是绝对不变的，仅具有指导意义。 防、排砂工艺设计原则性要求： 防、排砂工艺应贯穿于汽驱开采的全过程，根据出砂情况，要求在工艺选择时依 第三章防砂方法的优选设计 据如下原则进行优选： 1 对于出细粉砂、泥浆的井，采用防排结合，以排为主的方式； 2 对于非细粉砂且含砂量小的井，采用目前辽河油田行之有效的机械防砂工艺； 3 对于亏空严重，出砂量大的井，采用油层填砂的方式，避免套管损坏： 4 化学防砂贯穿于防砂全过程，可采用短时间固砂、深度固砂剂可重新在国外 经济、合理的范围内进行筛选。 设待评审项目集为u = 协l 。k ，“，) ，指标集为f = ( 五，k ， ) ，评审专家集为 e = ( 。l ，k ，p 。) 。对任一待评项目u ( eu ) 的任一指标，( f ) ，每个评审专家目( e ) 给出一个区间估计值，该值为【o ，1 】上的区间数，则对于任一项目“( u ) 的指标 乃( f ) 的评审，专家b ( 日) 给出的评价区间数记为 b ，妇 ( o ，1 】) 。要求根据这些 评价区间数得出专家组对项目“的综合评价值。 3 2 2 隶属度与隶属函数 模糊综合评判的数学模型是建立在模糊数学基础上的一种定量评价的模式。美国 的控制论专家，模糊数学的创立人查德( l a z a d e h ) 教授【1 1 】，为了描述和处理事物 的模糊关系，把“属于”关系迸一步数量化，就是说，某个元素u i 对a 不是要么“属于” 要么“不属于”关系，而是可以不同程度的“属于”和不同程度的“不属于”，这个程度叫做 隶属度【5 1 ，它的范围在0 与1 之间，即u i 的隶属度值域是 o ，1 】， 味= 化差：鼍黑卜 ， “属于”关系用函数关系表示，就是将论域与值域相对应，故形成子集合a 惟一确定的 一个映射，它们一一对应，如下图： 3 0 第三章防砂方法的优选设计 建立在“属于”关系上形成的上面的映射称为隶属函数，为了应用这一概念，现给出它 的定义： 给定论域u ，所谓指定u 上的一个模糊子集a ，是指对任意u i u ，都有一个隶 属程度u ( 0 t j 1 ) 与之对应，称u 为a 的隶属函数( m e m d e r s hi pf u n c t i o n ) ，记为： p = a ( u ) 。建立在模糊集合的隶属函数，一个研究对象的隶属度9 0 ，1 】为值域，也 可以取某个有穷的离散值集合为值域。 上述定义，当a ( u ) 只取0 ，1 两个端点值时，a 便转化为普通子集合。所以， 普通子集合是模糊子集合的特殊情况，模糊子集合是普通子集合的推广。模糊子集合 完全由它的隶属函数所刻画。隶属函数和隶属度将防砂优选过程定性描述成一个渐变 的动态过程，而不是通常理解的数的含义，是表明过程和程度。 例如，对油井的评价因素经常使用例如“防砂井段长”，“成功率高”，“地层出砂 严重”等一些概念来大致描述地层情况。使用这些例如“高”，“严重”，“长”等的形 容词是不可避免的，因为这些参数在具体情况下都很难进行量化的。这种程度用【0 ， 1 】区间的一个实数去描述它，即称这个数为隶属度。由于隶属度因不同的人或对不同 的知识内容的深浅而变化，所以，又构成了隶属函数。然而正是从这些模糊的概念当 中，我们实际上已经能够对地层的情况产生基本了解，之后我们再根据已有的经验、 知识对各种技术方案进行科学的衡量、修正、判断。正因为我们离不开这些模糊概念， 所以把模糊数学理论应用在防砂方案优选上，就可以为解决此类问题提供有效的解决 方法。用它来做优选防砂设计方案，可以综合权衡影响出砂的技术因素以及经济可行 性等多方面因素，从而获得经济上合理、效果最佳的防砂方案。 3 1 第三章防砂方法的优选设计 弄清了有关概念的含义，我们就可以对数学教学过程进行综合性评价了。 建立模糊综合评判的数学模型，应用模糊数学的有关理论( 如隶属度与隶属函数理论) ， 对防砂优选中多因素的制约关系进行数学化的抽象，建立一个反映其本质特征的和动 态过程的理想化的防砂评价模式。 3 2 3 评判因素集u 及评价等级集v 及二级综合评判模型 3 2 3 1 评判因素集 设u 为因素集，当u 中因素个数较多时，可以按一定的准则将u 中因素分类，一般 是将性质相近或相似的因素划为一组，设u 中因素分为，组： u = u l ，u 2 ，u 。) f 并满足：u 2 ￥u 。， 且当f 时u f l u ，= 。 对于每个u ，有：u ，= u n ，u 。，u 州) 其中”( f ) 表示第f 组因素所含的因素个数。 可见，因素划分了不同层次，u 为高层次因素集，u ，i = 1 ，2 ，3 ，为低层因素集。 具体设u = ( u 1 ，u 2 ) 为评判因素集合，其中u 1 和u 2 是影响被评价事物的主要 成分，即一级因素，每一因素以分别划分为几个二级因素： u = u l ，u 2 ) u l = u u 1 2 ，u u 1 4 ) u 2 = u 2 l ，u 2 2 ，u 2 3 相关参评元素如表3 5 所示： 第三章防砂方法的优选设计 表3 - 5 模糍缘合评判约七顼糖标 一级评 判因素 技术指标u 1经济摆标u 2 二缀评 防砂效果地层伤害 后期作蟾施工成功欢迹度 成本u 2 1 寿命期 判毅素 u u 1 2影响u 1 3率u 1 4u 1 5u 2 2 3 2 3 1 评判等级集 每个模糊语言变量具有多个模糊语言值。模糊语言值的名称通常具有一定的含义， 考虑于技术因素的相关评价语言有：很小，小，较大，一般，较大，大，很大。考虑 经济因素嘏关评徐语畜有：缀低，低一般，较毫，离，缀建。每个语富蘧郝对应一个 隶耩度函数。隶属度函数可用数值播述方式来表示，逶焉予语言交量抟论