（油气田开发工程专业论文）陈家庄油田稠油热采防砂工艺技术研究.pdf

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：7 0 l1 年 ) 月e l 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： 导师签名： 汐f 年6 月f t 如fj 年6 月二 日 摘要 稠油油藏一般需要多轮次注汽，往往造成地层的激动，且地层胶结疏松，非常容易造 成出砂现象，给正常施工和增产带来很大的阻碍，因此防砂技术是很多油田急需解决的问 题。 本文根据河口厂稠油热采过程中的出砂问题，开展了稠油热采防砂工艺技术研究和分 析。本文介绍了出砂的机理，出砂的影响因素，并根据现场调查，分析了河口厂直、斜井 稠油热采防砂工艺技术，其中包括：封隔高压一次充填防砂工艺技术、逆向充填工艺技术、 先注汽后防砂工艺技术、采用压裂液携砂治理地层漏失井、单井效果分析、多轮次防砂井 分析等。一共实施直、斜井热采防砂6 4 口，6 9 井次，重防5 井次，有效6 4 井次，有效率 9 2 8 。 本研究分析可以为以后的稠油热采防砂工艺技术提供有力的技术支持和理论依据，为 进一步高效开发稠油油藏、解决出砂问题奠定基础。 关键词：防砂，热采，封隔高压，逆向充填 - j t h e s t u d yo nt h e r m a lp r o d u c t i o nw e l ls a n dc o n t r o li n c h e nj i a z h u a n go i lf i e l d z h a n gd o n g s h e n g ( o i l & g a se 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 h a n g j i a n g u o a b s t r a c t h e a v yo i lr e s e r v o i rg e n e r a l l yr e q u i r es e v e r a lr o u n d so fs u b s t e a mi n j e c t i o n ，o f t e nr e s u l t i n g i nf o r m a t i o no fe x c i t e m e n ta n dl o o s i n gs t r a t ac e m e n t ，t h e nl e a dt os a n dp r o d u c t i o ne a s i l y t h a ti s ab i go b s t a c l et oi n c r e a s eo i lr e c o v e r ya n dw o r kn o r m a l l y t h e r e f o r e ，t h et e c h n o l o g yo fs a n d c o n t r o lh a sr i s e nt ot h et o pu r g e n ti nm a n yo i lf i e l d s t h ep a p e rb a s eo nt h ep r o b l e mo fs a n dp r o d u c t i o ni nc h e nj i a z h u a g no i lf i e l d ，a n a l y s i n g t h et e c h n o l o g yo fs a n dc o n t r o ld u r i n gt h e r m a lp r o d u c t i o n t h em e c h a n i s mo fs a n dp r o d u c t i o n a n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fs a n dp r o d u c t i o na r ei n t r o d u c e di nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h es p o t f i e l di n v e s t i g a t i o n ，t h ef o l l o w i n gp r o g r a ma r ei n t r o d u c e d ：t h es a n dc o n t r o lt e c h n i c so fp a c k e r h i 曲- p r e s s u r ea n do n es h o ts a n df i l l e d ，t h es a n dc o n t r o lt e c h n i c so fr e v e r s i n gf i l l e d ，t h es a n d c o n t r o lt e c h n i c so fs t e a mi n je c t i o n ，u s i n gf r a c t u r i n gf l u i dc a r r y i n gs a n dt oc o n t r o ll e a k a g ew e l l s ， s i n g l ew e l l e f f e c t i v e n e s sa n a l y s i s ，s e v e r a lr o u n d so fs u b s a n dw e l la n a l y s i s ，e t c t h ew e l l so f s a n dc o n t r o lw o r kn u m b e r e di n6 4 ，6 9t i m e s ，r e w o r k5t i m e s ，6 4e f f e c t i v et i m e s e f f e c t i v er a t e 9 2 8 t h ep a p e rc a no f f e rt e c h n i c a ls u p p o r ta n dt h e o r yr a t i o n a l et ot h ef u t u r es t u d yo fs a n d c o n t r o li nt h e r m a lp r o d u c t i o nw e l l k e yw o r d s ：s a n dc o n t r o l ，t h e r m a lr e c o v e r y , p a c k e rh i 曲- p r e s s u r e ，r e v e r s i n gf i l l e d 目录 第1 章前言1 1 1 问题的提出1 1 2 稠油热采防砂工艺技术研究现状l 1 3 防砂技术的发展趋势4 1 4 主要研究思路和研究的意义4 1 5 采用的技术路线及关键技术5 第2 章出砂机理及影响因素分析6 2 1 防砂的定义6 2 2 出砂的影响因素6 2 2 1 内在因素6 2 2 2 油层出砂的外在因素9 2 3 出砂机理1i 2 3 1 宏观机理1 l 2 3 2 微观机理1 2 2 4 出砂过程1 2 2 4 1 砂粒受力分析1 3 2 4 2 砂粒运动的门限流速1 3 2 4 3 防砂的机理1 5 2 5 常见防砂方法的类型及对比1 6 2 5 1 防砂方法类型1 6 2 5 2 防砂方法的对比1 8 第3 章陈家庄油田直、斜井热采防砂工艺技术2 0 3 1 陈家庄油时直、斜井防砂概况2 0 3 2 封隔高压一次充填防砂工艺技术2 0 3 3 逆向充填工艺技术2 5 3 4 先注汽后防砂工艺技术2 7 3 5 采用压裂液携砂治理地层漏失井3 2 3 6 高低压一次防砂3 3 3 6 1 新井高低压一次防砂3 3 3 6 2 老井高低压一次防砂3 4 3 7 单井效果分析3 5 3 8 多轮次防砂井分析3 7 3 8 1 陈3 7 3 - 斜1 井3 7 3 8 2 陈2 3 - 斜6 3 井3 9 3 8 3 陈3 4 - 斜6 8 井4 l 3 8 4 陈2 9 5 7 井4 2 3 8 5 小结4 3 第4 章陈家庄油田水平井热采防砂工艺技术4 5 4 1 精密滤砂管裸眼完井4 5 4 2 水平井管内底部砾石充填防砂技术4 7 4 2 1 管柱结构4 7 4 2 2 水平井砾石充填防砂参数的优化：4 7 第5 章结论4 9 5 1 结论4 9 5 2 存在问题及解决方案4 9 5 3 下步建议及计划5 2 5 3 1 下步建议5 2 5 3 2 下步计划5 2 参考文献5 4 致 射5 5 个人简历5 6 中国石油人学( 华东) 工程硕一f ：学位论文 第1 章前言 1 1 问题的提出 胶结疏松的砂岩在我国分布很广且有一定规模的储量，油井出砂是油田生产过程中常 常遇到的问题，因此油井防砂工艺技术对于油田的萨常生产十分重要 1 。 稠油油藏基本上地层胶结不紧密，成岩作用差，若对稠油油藏的开采方式为注汽方式， 则在开采过程中会反复进行施工作业，这种气流的激荡和冲击，对弱化油层砂砾的胶结强 度，会加剧出砂伤害。具不完全统计，目前仅辽河油田投入开发的4 5 个区块，严重出砂 区块有2 2 个，占4 8 9 ；全油田总井数1 0 6 4 5 口，出砂油井3 3 0 0 余口，约占总井数的1 3 。 全油田每年因出砂而检泵作业约3 0 0 0 井次，需作业资金约1 亿元，直接影响产量8 万余 吨，胜利油田、大港油田、克拉玛伊等稠油油藏的出砂情况也基本相似，因此稠油油藏防 砂比起一般油藏的防砂工作更难【2 1 。 井底附近地带的岩层结构破坏会引起油层出砂，它受到多种因素影响，油井生产方式、 储层岩石、油藏条件及流体性质等。总的来说可以归为两个方面，一是地质条件：是油藏 固有的特性，是出砂的内因；二是开采因素：是引起出砂的外因，是主观因素同样也是可 控制因素。目前，大多数油田都存在着出砂现象，有的还比较严重，以至产生重大的不利 影响，如下： ( 1 ) 地面和井下设备磨蚀。油井产出流体中含有地层砂，其主要成分是石英，其硬度很 强，容易引起阀球点蚀。这样会造成设备的永久损害，要花费大量的财力、人力进行更换 维修。 ( 2 ) 会造成油气产量的大幅降低。 ( 3 ) 油套管损坏、油井报废。油气井有效的防砂措施能够减少对设备的磨蚀，减少生产 开发成本，提高油气田丌发的经济效益。同时，油气井防砂工艺技术的研究和发展是关系 到稳定我国石油发展战略的关键技术之一。 1 2 稠油热采防砂工艺技术研究现状 针对稠油油藏开采过程中暴露的问题及出砂特点，开展了防砂基础理论研究及现场试 验研究，包括开发防砂模型已经性能的评价研究；出砂机理分析；研发了若干防砂技术、 系列的携排砂技术3 0 多项，并且针对目前油井出砂状况及防砂难题，提出防排结合综合 技术路线，也就是防止粗粒、排出细粒的砂砾，使得砂砾对油井生产的影响最小。 通过几年的现场应用，防砂措施后成功率9 5 以上，有效解决了稠油油减油井出砂问 第1 章前言 题，探索出了一条治理稠油油藏出砂的思路，下面是治理稠油油藏的四种防砂工艺技术【3 】： ( 1 ) 地层深部防砂技术 第一步将各种防砂设备组成的防砂管柱放置至油层段，第二步配置好的混砂液被压裂 车压入地层中和筛套环空中。这会在地层中压出细小缝隙。 第一层防砂屏障就是人工砾石或胶结砂在携砂液的携带下被带入裂缝中形成高渗透 率的人工砂桥。第二道防砂屏障是人工井壁以及防砂管柱，且这道防砂屏障具有相当的强 度和渗透性，因此有效地避免的砾石的回返。 此时油层内的渗透性增强，阻力减小，对于粗粒的砂砾进行了阻挡而对于小粒径的砂 砾可以允许随着液流通过，保持了输油通道的畅通，起到了增油的效果。见图1 1 。 图卜1 水平井砾石充填防砂技术 f i g l - 1 s a n dc o n t r o lt e c h n i q u eo fg r a v e ip a c k i n gi nh o r i z o n t a lw e l l ( 2 ) 膨胀筛管防砂 膨胀筛管防砂技术是针对其它筛管防砂技术防砂有效期短，筛管打捞困难，而提出的 一种新的防砂技术，它主要由膨胀筛管、大通径悬挂器、可变径胀锥三部分组成。 当筛管与封隔器联接在一起下到设计位置时，通过一个胀锥，使其径向膨胀，贴紧套 管壁，消除了套管与筛管之间的砂环。当打捞作业时，通过一个捞锚，在轴向拉力作用下， 筛管径向收缩，解卡提出。消除套管与筛管之间砂环，增加筛管的流通面积，从而有效地 延长了筛管防砂有效期。 膨胀筛管防砂由于消除了套管与筛管之间砂环，使筛管的后期打捞困难问题得到有效 的解决。室内试验和现场试验证明了该技术具有良好的防砂效果，其膨胀收缩性能稳定， 施工作业简便，同时后期的打捞作业也非常容易，防砂生产效果明显，具有良好的应用前 景。 2 中国石油人学( 华东) 工程硕一i ：学位论文 该技术泵的柱塞整体结构采用多级密封结构，各级之间相互独立，密封单元采用薄壁 不易砂卡的短柱塞，柱塞与泵筒之间为弹性问隙，当砂粒进入柱塞与泵筒之间，薄壁柱塞 可以产生定的弹性变形，避免卡泵，并可以避免砂粒对泵筒及柱塞外表面的损伤。多级 密封结构允许将薄壁柱塞上端设计为锐角，最大限度减少沉降砂粒进入密封间隙的可能 性。 ( 3 ) 水力喷射泵强制排砂工艺技术 对出细粉砂和泥浆的稠油油井，采用普通防砂方法，“一防就死”，现在应用水力喷射 排砂工艺技术。本技术可以丌始就冲出大量的松散砂砾，在短时间内排液量很大，对井壁 进行冲洗。且地面的设备采用可移动便捷式，在地层中是没有设备移动的，这使得当大量 的含砂液体通过泵时，可以顺利通过，不会产生堵卡现象，排液量大，携砂力强。 越层反循环水力喷射泵强制排砂工艺技术，无封隔器、同心双管，管柱在直穿油层， 实现冲、排砂的目的，排砂量达到5 ( 体积l l ) ，使多口出砂严重长停的油井恢复生产。 ( 4 ) 复合射孔防砂技术技术 针对出砂区块的新井及老井调层而研制的集射孔与防砂同时完成的复合射孔防砂技 术。它是对机械防砂技术井下留有防砂管柱、易造成后续大修、作业困难等问题而研发。 研制试验成功的集射孔与防砂为一体的复合射孔防砂技术处国际领先地位。 复合射孔防砂技术技术原理：是在射孔过程中，将防砂作业同时完成的一种新的防砂 完井技术，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；边缘部分有用于推动多孔材料的发 射药。复合射孔防砂技术国际首创，构思巧妙，不仅极大地简化施工程序，节约资金，同 时油井地层不受伤害，不影响油井的后期措施作业，防砂生产效果好。见图1 2 。 图1 - 2 防砂管图片 f i g l - 2 s a n dc o n t r o ls c r e e n 3 第i 章前言 1 3 防砂技术的发展趋势 由于超稠油出砂油藏原油流动性差、注汽困难；防砂后地层渗透率损失大，严重影响 产能。目前稠油油藏某些区块油井出泥浆、出流砂、出细粉砂、长井段井( 1 5 0 - - 2 3 0 m ) 出砂、 油井出砂套变、地层亏空，这些都是石油工作者防砂的难题。 针对这种情况采用过多种常规防砂措施，但效果都不理想，所以通过现有的技术改进， 进一步完善防砂技术、加强携排砂技术的有机结合，使其完善配套，实现防排砂技术的 综合应用，防砂可以取得显著的效果。 可形成以下3 种“防一排 结合的配套技术方案：强排一深防携砂采油技术；深防 一携砂采油技术；以及p s 排砂系列泵携砂采油技术。 降低原油生产成本和解决油田生产中的难题是下一步科研主攻方向，加强经济、高效、 实用、配套工艺技术研究；转换稠油的开采方式、提高蒸汽吞吐效果、提高采收率工艺技 术是下一步科研发展的重点；不断提高自主创新能力，立足油田，加大成熟配套技术的推 广应用力度逐步形成规模效益，为稠油油藏持续稳定发展提供技术支持。下一步与防砂相 关的技术研究我认为应开展以下内容： 1 ) 出砂预测技术的完善及应用 2 ) 分层压裂防砂技术的研究 3 1 海上油气井的防砂技术的研究 4 ) 防砂模拟实验室的建立及应用 5 ) 蒸汽驱井防砂技术研究 6 1 水平井完井防砂及分层、分段防砂技术研究 总之，稠油热采防砂工艺技术在应用领域上还有待于进一步加大，相关配套技术还需 进一步的提高。 1 4 主要研究思路和研究的意义 1 课题的主要研究思路 针对陈家庄油田稠油油藏开采过程中暴露的问题及出砂特点，开展了防砂基础理论 研究及现场试验研究，包括防砂数据库和出砂预测软件的建立；防砂机具性能评价研究； 防砂实验室的建立；出砂机理分析；进行现场试验分析。 2 研究的意义 经过研究，寻找出适用于陈家庄油f h 稠油油藏的热采防砂技术，提出满足多轮次吞 吐需要的主导防砂工艺，并在今后生产中加以运用，从而提高防砂工艺水平和质量，切 4 中国石油人学( 华东) 工程硕十学位论文 实提高油f f l 采收率，打好稳产基础。 1 5 采用的技术路线及关键技术 1 技术路线 针对目前油井出砂状况及防砂难题，提出“防一排结合”的综合技术路线。强排一深 防一携砂采油技术；深防一携砂采油技术；以及p s 排砂系列泵携砂采油技术。 2 关键技术 ( 1 ) 地层砂粒度分析研究。 ( 2 ) 防砂施工参数的优化。 ( 3 ) 防砂携砂液优选研究。 采用高性能的携砂液，提高充填砂比； ( 4 ) 防砂管柱结构优化。 根据目前热采防砂管柱存在的问题，引进并试验新型的防砂管柱，并对其适应性进行 评价分析； 自2 0 0 9 年1 月以来，主要开展了以下几个方面的工作： ( 1 ) 对稠油防砂现状进行调查分析。 ( 2 ) 分析出砂因素及机理 ( 3 ) 对比各种防砂方式效果并优选其中合适防砂工艺并进行改进实施。 ( 4 ) 优选防砂施工参数，选井进行措施实施。 ( 5 ) 分析优选防砂工艺实施效果 5 第2 章出砂机理及影响困素分析 第2 章出砂机理及影响因素分析 2 1 防砂的定义 在石油开采中，在原油中总是会存在一些固体颗粒，这些颗粒在运移过程中首先会对 设备产生摩擦腐蚀，使得泵、抽油杆柱等提前发生疲劳损害，因此需要防止产生这些游离 砂。当然，地层本身就存在一些胶结不严的细小砂砾，这些松散砂若不排出，会对液流通 道造成堵塞，影响采液量 4 1 。 2 2 出砂的影响因素 根据国内外的文献调研和孤岛油田的实地考察发现，近井地层结构受到破坏会导致出 砂的现象。而会导致岩层破坏的因素有很多种，且相互牵制。但总的来说有两部分：一方 面是内在因素，另一方面是外在因烈5 1 。 2 2 1 内在因素 ( 1 ) 应力状态油藏地层在位进行人工干扰前的状态时应力平衡的。在垂向上，上覆 岩层的密度和深度就决定了其在垂向上的应力大小。而地层自身的结构形态和埋深决定了 水平应力的数值。当人工干扰后，井壁附近岩层的应力状态被打乱，会造成应力集中的现 象。井眼围岩和射孔孔道开始破坏。主要是由地层强度和应力状态( 原始地应力、孔隙压力 和生产压差等) 控制的。 # = 奎= 卜 遵：_ ：叶 吣，、k 、l i 、 ，o- 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0 劳籀兜：窆j 图2 - 1 仃矿 盯h 仃 时孔眼周向应力 f i 9 2 - 1 t h eh o l ec i r c u m f e r e n t i a ls t r e s sw h e n 盯y 仃| 【， 盯 6 o 0 o o o o 0 o 0 o 9 8 7 6 5 嘻 3 2 l 口售11)，、9，釜薯f1 j 毒 中国石油人学( 华东) 工程硕十学位论文 一= ) l - 一 ： ：争 ； ： 兰 z 二 一 j 、一 善 o _ 星 一 、 ，牵= = 1 量 ：暑 ? 苦 ： 、一 j k 口 o 一旷p 一_ 二_ l - - k 、 1 一蕾h “k 嘲： 01 0 2 03 0 ：o5 06 07 0 s o 9 0 ；毒当；角i 壹， 图2 - 2 仃日 盯y 吒时孔眼周向应力 f i 9 2 - 2t h eh o l ec i r c u m f e r e n t i a ls t r e s sw h e n 盯 盯y 仃 8 0 0 一 ，二一 o - 7 一? 一 杉多苎o 一 芒爿乒 ii1 02 04 06 08 01 0 0 并弱角i 壹； 图2 - 3 盯 盯y 时孔眼周向应力 f i 9 2 - 3 t h eh o l ec i r c u m f e r e n t i a ls t r e s sw h e n 盯何 盯 盯y 地质学分析和现场实测表明，地层原地应力的分布是多样的，按三个原地应力的大小 分为以下几种情况：盯y 盯 、仃 唧 、仃 吒 仃y ，其中根据构造应力的 作用和实测分析表明前两种情况最为常见：另外在沉积平缓，构造作用弱的地层，一般构 造应力影响小，两个水平主应力大致相等盯= 吒。原地应力是出砂预测力学模型的基础 数据，它直接影响井眼和射t l t l h 艮周围的应力分布f 4 1 。不同的原地应力分布对于射孔完井 井壁围岩周向应力的影响如图2 1 、图2 2 和图2 3 所示。 地应力对射孔孔眼轴向应力，即沿射孔孔眼方向的应力的影响以盯， 盯 情况和 盯日 仃矿 o - 。两种最为常见的应力分布情况为例，如图2 4 和图2 5 所示。 7 s：o 第2 章出砂机理及影响冈素分析 0 二- 弓 ： 乏 兰 主 茎 j 三 _ 口- r - 至 = 。、 乏 三 罩 量 已 善 o 3 0 0 o 一t t t l 一 一 一 一 噜-_ 。、- 、 l 、 ol o2 0s 04 05 06 07 08 09 0 笋豁舞j 登； 图2 - 4 盯y 盯h 盯 时孔眼轴向应力 f i 9 2 - 4 t h eh o l ea x i a ls t r e s sw h e n 盯y 仃， 盯 广：- = ： 一r ，一 一，_ l- ：，一 51 52 53 54 55 56 57 58 5 乒萎冀：窒? 图2 - 5 盯 仃y 盯 时孔眼轴向应力 f i 9 2 5t h eh o l ea x i a ls t r e s sw h e n 盯h 盯y 盯 ( 2 ) 岩石的胶结状态油层岩石胶结物数量、种类和胶结方式对出砂有着较大的影 响。一般来讲，铁质和硅质、碳酸盐、粘土是胶结物的三种成分。其胶结强度为：铁质和 硅质 碳酸盐 粘土。 同时，存在三种胶结方式，如下： a ：基底胶结 这种胶结方式，胶结物是大量的，岩石固体颗粒星星点点的分散在胶结物中，相互接 触少，且砂砾完全浸入在胶结物中。这种方式的胶结强度最大。 b ：接触胶结 r 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 胶结物数量不多，且仅存在与颗粒相互接触的地方。强度最低，因此大部分出砂岩层 都属于此类胶结方式，而且其中往往含有较多的粘土矿物。 c ：孔隙胶结 胶结物数量介于上述二种胶结类型中间。胶结物不仅在颗粒接触处，还充填于部分孔 隙中。胶结强度也处于上述二种方式的胶结强度之间。 口 一 辟肆- 图2 - 6 基底胶结接触胶结孔隙胶结 f i 9 2 6 b a s a lc e m e n t 逗) c o n t a c tc e m e n t p o r o u sc e m e n t ( 3 ) 渗透率的影响岩层的渗透率越高，其胶结强度越低，液流速度越快，则对岩层的 冲击力也较大，出砂更容易发生。 ( 4 ) 其他另外还有孔隙压力、原地温度、孔隙度、泄流半径、流体组成( 油、气、水 的含量及分布) 、颗粒尺寸及压实情况等，均是出砂的影响因素。 2 2 2 油层出砂的外在因素 当地质因素一定，许多钻井及生产过程中别的因素对出砂存在较大影响，且加剧出砂 过程。如，井身结构参数( 井深、井斜、方位) 、流速、完井类型、增产措施、生产压差及 流量、油层损害、关井方案、人工举升技术和油藏衰竭。生产压差大的强烈抽汲、气举、 以及水井的强烈放喷等都会造成油层结构破坏，引起大量出砂。随采出液的含水上升也会 引起出砂。具体因素如下： ( 1 ) 周期性载荷经常可以看到在关井一段时间后再生产就会出现出砂增多现象。若油 井关闭一段时间，就会产生周期性载荷，这将产生强度下降现象。因此应注意关井操作程 序，以便使生产周期性载荷最低。 9 豳蛐 第2 章f l j 砂机理及影响凼素分析 ( 2 ) 采油速度与井底流压生产压差对井眼周围岩石受力有一定的影响。为了提高采油 速度而增加生产压差，会使地层流体流速增加，流体对地层砂的拖拽力也就会增加，从而 引起出砂。合理的限制这些油井的生产压差，控制油井产量就可减少出砂，图2 7 是三口 井地层无水驱替实验结果所作的出砂量与驱替压差的关系图。 图2 7 地层无水驱替出砂量与压差的关系 f i 9 2 7 t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns a n dp r o d u c t i o nr a t ea n dp s i d ( 3 ) 气侵气体对出砂有很大的影响。有气体存在会在井底附近出现油气两相流，气体 从油中分离出来形成气泡，气泡不断增大，在通过喉道时引起流动阻力增大，也就是对砂 粒的拖拽力增大，相当于给砂粒的移动提供了动力，使出砂量增多。 再有，气体的空化作用，会使岩石骨架发生疲劳破坏，并可以加大砂粒启动速度。另 外在并眼形成的气柱使井眼压力降低，加速井壁的剪切破坏【5 】。 ( 4 ) 水侵某些地层的胶结物是粘土矿物，粘土矿物遇水产生水化膨胀，胶结能力减 弱或被破坏，因此此类地层见水之后即会引起出砂。 另外，随着原油含水量的增加，为保持原油产量，总采液量就要增加，随着采液速度 的提高，弱胶结地层承受过大的应力而超过胶结物胶结地层的能力。图2 8 和图2 - 9 根据 港西1 1 8 井和港西4 8 4 井驱替实验结果所作的出砂量与含水关系曲线图【5 1 。 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 图2 - 8 港西1 1 8 井出砂量与含水关系 f i 9 2 - - 8g a n g x i1 1 - 8w e l lt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns a n dp r o d u c t i o nr a t ea n dr w c 图2 - 9 港话4 8 4 井出砂量与含水关系 f i 9 2 - 9g a n g x i4 8 4w e l lt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns a n dp r o d u c t i o nr a t ea n dr w c 由图可以看出，随着含水量的增加，出砂量随之增加。因此出现了开采初期未见出砂， 当含水上升到一定程度就会出现出砂的现象。 ( 5 ) 完井及作业措施不恰当在某些胶结较弱的地层中不恰当的使用某些酸液进行酸 化处理会损失数量本来就不多的石灰质胶结物质而造成油井出砂。 综上，在施工过程中应当尽量避免选择对地层冲击大的方式，同时施工的设计、工作 制度等都是综合因素，都会造成油井出砂现象。 2 3 出砂机理 2 3 1 宏观机理 刚才已经介绍过，地层深处的岩石在原始状态下是出于应力平衡的状态。但是由于人 工开采的干扰，使得应力状态发生变化，这种变化打破了原有的平衡状态，会造成岩石发 1 1 第2 章出砂机理及影响凶素分析 生破坏。 这种破坏如下的2 种形式【6 1 ： ( 1 ) 剪切破坏 以库伦摩尔准则为基础，若岩层产生破裂面，会在破裂面上产生脱落下来的松散砂砾， 造成出砂伤害。 ( 2 ) 拉伸破坏该破坏机理认为由于产液流速过大，引起的径向拉应力超过岩石的抗拉 强度时，就会导致拉伸破坏。 2 3 2 微观机理 流体对岩石颗粒的冲蚀造成。当流体流过颗粒时，若胶结强度不强，则会在液流冲击 下发生运移现象，导致出砂伤害。 2 4 出砂过程 对砂岩油藏，出砂问题的实质是微粒运移问题。通常情况下，微粒运移的机理依赖于 几个因素，这些因素影响岩石一流体相互作用的性质和程度。 若油藏岩石具有了这些内因之后，在一定的水动力因素的激发下，在一定的外部环境 和条件( 储层温度、流体性质，适合的压力梯度等) 的共同作用下，将会加剧油层的出砂。 严重时则会导致地层坍塌，套管破裂，油井停产。 从地层中的压力梯度分布及流速梯度分布来看，可以定性地认为亏空空问形状及分布 是呈不规则发散状结构从井壁向外扩展的。因为最大压力梯度及流速梯度区域在井底附 近，所以井壁附近的松散砂粒最先进入井筒，形成岩石层亏空空间，并随之向外扩展。 但由于沿地层岩层胶结性及结构的非均匀性，在各方向的扩展速度是不同的，因而造 成了实体亏空带的非均匀不规则发散状结构。其结果是越近井壁实体亏空体积越大，随着 开采时间的延长，亏空空间不断向外延伸。在遇到岩层骨架不牢固的区域时，则会造成严 重的坍塌现象，使油层结构破坏，甚至引起套管变形，严重的则使油水井报废，从而为油 田的生产带来了更大的损害。 地层砂有2 种：松散砂( 也叫充填砂) 、骨架砂。当流体的流速达到一定值时，首先是 充填于油层孔道中的未胶结砂粒发生移动，油井丌始出砂，这种运移现象是必然的、有益 的，因为可以清楚孔道中的阻碍，提供更好的油流通道；所以我们所要防的并不是充填砂。 对于骨架砂，在一定的流速、压差下，岩石的应力超过其强度时，会破坏岩石结构， 使骨架砂变成松散砂，松散砂随着液流移动，当达到一定量时，会阻碍液流的流动，甚至 1 2 中困石油人学( 华东) _ t 程硕l 二学位论文 会堵塞孔道，这类的砂是我们所要研究的。 图2 1 0 砂粒受力图 f i 9 2 1 0 t h ef o r c ed i a g r a mo fg r a v e l 通过上述分析，出砂必要条件是骨架砂受到破坏变为松散砂，然后松散砂在液流的冲 击下发生移动，然后油井会产生出砂现象。 大体可以分成两个过程：第一个过程是由骨架砂变成自由砂，这是导致出砂的必要条 件；第二个过程是自由砂的运移，只有满足这两个条件后才会引起出砂。对于出砂的第一 阶段，应力因素：如井眼压力、原始地层应力状态、岩石强度等是影响出砂的主要因素； 液力因素：如流速、渗透率、粘度以及两相或三相流动的相对渗透率的作用主要表现在出 砂的第二阶段，即运移由于剪切破坏而形成的松散砂【7 1 。 当流体的流速足够大时，造成岩石结构破坏，使骨架砂变成自由砂，被流体带着移动， 造成油井大量出砂。把使充填砂运动的流速称之为出砂油层的门限流速，把骨架砂变成自 由砂移动的流速称之为临界流速。油层充填砂运动分析如图2 1 0 示。 2 4 1 砂粒受力分析 在研究砂粒的受力时，先做如下定义： r 为自由砂颗粒的半径，r s 为骨架砂的半径，f g 为颗粒重力，u 为流速，水动力中砂 粒受运动方向的力为f x ，而f z 为垂向上的力，范德华力为f a 。 砂粒在所处的环境是外部有双电层的存在，这是因为晶格的排列发生异常或者离子发 生取代反应，因此本身不是中性状态，而是带有电荷，而这些呈阴性或者阳性的电荷又和 周围的异性电荷发生吸引来中和，所以造成了双电层的形成，这个双电层斥力用f ，来表示。 2 4 2 砂粒运动的门限流速 油层中的流体在人工的抽吸下会向井筒方向移动，当达到一定的流速时，油层中的自 13 第2 章出砂机理及影响冈素分析 由砂会受到流体的拖拽力而随着液流移动，这个流速就叫做门限流速。在低于门限流速时， 自由砂是不会发生运移现象的。较大的颗粒在运移的过程中，如果遇到小孔喉或者细小孔 道，会堵在孔喉处，阻碍油流的流动，影响采收率；而细小的颗粒可以顺畅的随着液流通 过各种孔道，而被人工采出，产生油井出砂现象。 因此有必要研究砂粒的门限流速( 启动速度) ，如下分析【8 】。 由图2 1 0 ，砂粒要达到可以运移的前提条件为： ( 兄+ 疋皿x + 忆c o s f l + 瓦皿z 阮s i n t 9 + 一江x ( 2 - 1 ) 式中 三x ，三z 力臂；l x = r c o s a ；l z = rs i n a ； 重力与砂粒运动方向f x 的夹角。 若为垂直井，则颗粒的运移方向肯定为水平运移，即f x 与f g 相互垂直。设运动方向 与重力方向的夹角为p ，则p 的变化范围是0 。到1 8 0 。之间。 由( 2 1 ) 式可知，在水平井上部的砂粒最易启动，在水平井下部的砂粒不易起动。但就 水平井周围孔隙介质的综合效应来讲，可以认为重力与砂粒运动方向f x 的夹角为9 0 。 当油层中的视流速v 大于或等于门限流速v s 时，则油井出砂，既有井出砂的判别式 为： v ( 2 2 ) 当流体流速达到门限流速v s 时，充填砂产出。但v s 受其他因素的影响。 ( 1 ) 砂粒的粒径对门限流速的影响： 设骨架颗粒半径r s 为1 0 0 0 p m ；盐浓度c 为o 1 m o l 1 n a c l ；温度t 为2 8 9 k ；空隙度p 为0 2 0 ；流体粘度p 为l m p a s ；砂粒密度p 为2 7 ；仅为4 5 度；若颗粒的半径不同，则其 门限流速也不同，见表2 1 。 表2 - 1 不同粒径对门限流速的影响 r ( 岬) 1 05 01o o1 5 02 0 02 5 0 v s ( c m s ) 1 5 30 0 6 8 3o o o l 5 80 0 0 7 3 70 0 0 4 0 20 0 0 2 8 8 由表2 1 可看出：r 越大，v s 越小，即r 越大所受的水动力越大，砂粒越容易启动。 因此出砂油层中颗粒越大越易引起出砂。 ( 2 ) 流体粘度对门限流速的影响 1 4 中国石油人学( 华东) - i - 程硕 ：学位论文 在表2 - 2 中，列出了砂粒半径为1 0 0 p m ，n a c i 浓度o 1 m o l 1 时，粘度对砂粒门限流速 的影响。可以看出：粘度对门限流速的影响较大，粘度越大，水动力越大，门限流速越小。 因此在稠油油田开采中，油井的生产流速不能太大，以防止油井出砂严重。若能采取降粘 措施，则可提高油井产量。 表2 2 不同粘度对门限流速的影响 i t ( m p a s 1 11 01 0 0 v s ( c m s ) o 0 1 5 8 0 0 0 1 5 80 0 0 0 15 8 ( 3 ) 砂岩孔隙度对门限流速的影响 从表2 3 可以看出，油层孔隙度p 越大，门限流速越大。其原因：当油层孔隙度增大， 油层中的孔道变多或变大，其在表观视速度都相同的情况下，则流体的真实流速变小，水 动力减小，故不易出砂9 1 。 表2 - 3 不同孔隙度对门限流速的影响 ( do 10 20 2 5o 3o 3 5 v s ( c m s ) 0 0 0 1 9 2o 0 1 5 80 0 2 6 10 0 4 1 10 0 0 5 9 3 ( 4 ) 温度对门限流速的影响 温度t 对砂粒门限流速的影响：t 升高时，v s 值略有降低，但不明显。说明砂粒所受 诸力对温度效应不敏感。在热采井中，条件允许情况下，应尽量提高注气温度，降低原油 粘度，对防砂是有利的。 2 4 3 防砂的机理 通过对油、气井出砂的原因分析以及出砂地层的特点，防砂的机理主要是【m j ： ( 1 ) 减少推拽力：即是减少地层内液体流动时对地层颗粒施加的力。防止地层中承载骨 架砂随着地层流体进入井筒。其主要措施是增加流动面积，确定临界流速( 高于此流速时出 砂量就会过大) ，它应与任一其它防砂方法一起被考虑。 ( 2 ) 机械档砂：它主要是通过防止地层砂产出和恢复应力的作用来实现防砂。 ( 3 ) 增加地层强度：主要是通过提高岩石颗粒之问胶结力大小实现防砂。 1 5 第2 章出砂机理及影响冈素分析 2 5 常见防砂方法的类型及对比 2 5 1 防砂方法类型 根据防砂的原理，大致可以分成砂拱防砂、机械防砂、热力焦化防砂、化学防砂和其 他防砂方法等【1 1 1 。 ( 1 ) 砂拱防砂 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：一是降低并稳地地层流体产出速度；二是保持或提高井筒周围地层的径向应力。 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间 而不致冲垮砂桥，这个临界值称之谓“临界流速”。 ( 2 ) 机械防砂 a 槐哦缔管 防眵图 b 謇管由砾石 戈填防砂篷 图2 1 l防砂示意图 f i 9 2 1 1 t h es c h e m ao fs a n dc o n t r o l 国外油气井机械防砂工艺技术研究起步较早。机械防砂可分为两类：一类是下入防砂 管柱档砂，如割缝衬管、绕丝筛管、胶结滤砂管、双层或多层筛管等。这类方法工艺简单， 1 6 中国石油人学( 华东) 工程硕士学位论文 具有一定的防砂效果，但由于防砂管柱的缝隙或孔隙易被油层细砂所堵塞，一般效果差、 寿命短。 另一类是下入防砂管柱后再进行充填，充填物的种类多样。常用的是砾石，还可以用 果核、塑料颗粒、玻璃球或陶粒等。这种方法能将油层砂限制在油层中，并使油层保持稳 定地层力学结构，防砂效果好，寿命长。见图2 1 1 。 ( 3 ) 热力焦化防砂 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方法。 ( 4 ) 化学防砂 化学防砂可分为：一是人工胶结砂层，人工胶结砂层防砂方法是从地面向油层挤入液 体胶结剂及增孔剂，然后使胶结剂固化，在油气层层面附近形成一定胶结强度及渗透性的 胶结砂层，达到防砂目的的方法，目前已使用的方法主要油酚醛树脂溶液及酚醛溶液地下 合成等方法。 二是人工井壁，人工井壁防砂方法通常是指从地面将支护剂和未固化的胶结剂按一定 比例搅拌均匀，用液体携至井下挤入油层出砂部位，在套管外形成具有一定强度和渗透性 的壁面，可阻止油层砂粒流入井内而又不影响油井生产的工艺措施，如水泥砂浆、树脂核 桃壳、树脂砂浆、预涂层砾石人工井壁等。 三是其他化学固沙法，这类方法使用不广泛，主要有以下几种：焊接玻璃固砂法、氢 氧化钙固砂法、四氯化硅固砂法【1 2 】。 ( 5 ) 复合防砂技术 复合防砂是利用机械防砂和化学防砂的优点相互补充，一方面能在近井地带形成一个 渗透性较好的人工井壁；另一方面利用机械防砂管柱形成二次挡砂屏障，起到很好的防砂 效果。复合防砂效果好，有效期长，复合防砂通常使用的机械防砂管为滤砂管和绕丝筛管， 与之配合使用的化学方法常为化学剂和涂料砂【1 3 】。 1 7 第2 章：i 砂机理及影响因素分析 图2 1 2 国外公司压裂防砂施工 f i 9 2 - 1 2f r a c t u r i n gs a n dc o n s t r u c t i o nb yf o r e i g nc o m p a n y 常见的复合防砂方法是上述机械防砂管柱与化学固砂剂相结合使用绕丝筛管+ 深层砾 石( 涂敷砂) 复合防砂，首先进行管外涂敷砂挤压充填，