（石油与天然气工程专业论文）中原油田脲醛树脂防砂方法研究.pdf

r e s e a r c h e so fu r e a - f o r m a l d e h y d e r e s i ns a n dc o n t r o lm e t h o di nz h o n g y u a no i l f i e l d at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：q i n gj i n g y u n s u p e r v i s o r ：p r o f x u ej i a n q u a n & s e z h o us h e n g w u c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 哪05舢267舢8 iiii_y 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：易年厂月j e t 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期：御年月岁日 b 期：矶| 年g 玛1 i i b 摘要 论文综述了中原油田各类油气井出砂的原因及所造成的危害，总结了出砂机理和出 砂预测方法。对国内现今的防砂技术和方法进行了概述，重点介绍了化学防砂方法、防 砂工艺技术、适用的条件及各类方法的优缺点。分析了国内外防砂、治砂的发展趋势， 研究了一种低毒性，低成本，污染少，施工简便的脲醛树脂防砂的方法。 通过大量室内实验，采用调整甲醛和尿素的摩尔比，添加适量改性剂，将合成条件 如反应温度、反应时间、反应溶液的p h 值等影响因素进行调整，合成了一种低毒低成 孽本改性的脲醛树脂。经过室内性能测试发现该树脂含游离甲醛低、初始粘度小、耐水耐 油性能好，贮存性能也好，将其固化后有一定的塑性，适合于油水井防砂、堵漏、堵水 等作业。反应后的产物经红外光谱分析，粘度测定和游离甲醛测定，与产物结构特征基 本吻合。针对不同井的特征，我们采用了不同的防砂方法。亏空井采用携砂液将砂携到 施工层位，之后注入固砂液，研究了固化反应过程中温度、矿化度等影响因素对固化反 应的影响情况。为满足施工泵注树脂时间长短不同的需要，需要使用延时固化剂，以及 使用六次甲基四胺来调节固化反应速度；使用偶联剂增加固结后强度。同时我们对不同 粒径砂粒、以及加入聚乙烯醇量不同对固结后效果的影响进行了分析，最后得出了脲醛 树脂防砂的最优配方。 该脲醛树脂防砂方法在中原油田采油三厂w c 3 4 1 1 井和明卜4 9 油井进行了现场施 工应用，施工后此两口井出砂量显著下降，能实现增产增注；防砂效果明显，且具有稳 定地层结构的作用。 关键词：脲醛树脂，防砂，化学防砂，现场施工应用 r e s e a r c h e so fu r e a f o r m a l d e h y d er e s i ns a n dc o n t r o l m e t h o di nz h o n g y u a no i l f i e l d q i a nj i n g y u n ( p e t r o l e u m & n a t u r a lg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x u ej i a n q u a na n ds e z h o us h e n g w u a b s t r a c t t h et h e s i sr e v i e w st h es a n dc a u s e sa n dt h ec o n s e q u e n td a m a g eo ft h ev a r i o u st y p e so fo i l a n dg a sw e l l si nz h o n g y u a no i l f i e l d , a n ds u m m a r i z e st h es a n dm e c h a n i s ma n dt h es a n d p r e d i c t i o nm e t h o d i tp r e s e n t sa no v e r v i e wo fs a n dt e c h n i q u e sa n dm e t h o d sa th o m ea n d a b r o a da n dm a i n l yi n t r o d u c e sc h e m i c a ls a n dm e t h o d s ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n da p p l i c a b l e c o n d i t i o n s t h et h e s i sa n a l y z e st h es a n dc o n t r o la n ds a n dg o v e r n a n c et r e n d s ，a n di n v e s t i g a t e s t h eu r e a - f o r m a l d e h y d er e s i ns a n da p p r o a c hw i t hl o wt o x i c i t y , l o wc o s t , l e s sp o l l u t i o na n d s i m p l ec o n s t r u c t i o n i ts y n t h e s i z e sam o d i f i e dl o w - c o s ta n dl o wt o x i c i t yu r e a f o r m a l d e h y d er e s i nt h r o u g ha l a r g en u m b e ro fl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t so fa d j u s t i n gt h em o l a rr a t i oo ff o r m a l d e h y d ea n du r e a a n dt h es y n t h e s i sc o n d i t i o n ss u c ha sr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m e ，s o l u t i o np h ，e t c a n d a d d i n ga p p r o p r i a t ea m o u n to fm o d i f i e r s i ti sr e v e a l e dt h a tf o r m a l d e h y d er e s i nh a sl o wi n i t i a l v i s c o s i t y , s t o r a g ea n dg o o dp e r f o r m a n c ea f t e rt h ei n d o o rp e r f o r m a n c et e s t i n g t h e r ei ss o m e p l a s t i c i t ya f t e rc u r i n g t h ef o r m a l d e h y d er e s i ni ss u i t a b l ef o ro i lw e l l s ，s a n dc o n t r o l ，w a t e r c o n t r o la n do t h e ro p e r a t i o n s t h es o l u t i o ni sc o n s i s t e n tw i t ht h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h e p r o d u c ta f t e r t h er e a c t i o nb yi n f i - a r e d s p e c t r o s c o p y ，v i s c o s i t ym e a s u r e m e n ta n d d e t e r m i n a t i o no ff r e ef o r m a l d e h y d e w ea d o p td i f f e r e n tm e t h o d so f s a n dc o n t r o li n a c c o r d a n c cw i t hf e a t u r e so fd i f f e r e n tw e l l s t h ed e f i c i tw e l lw i t hs a n dc a r r y i n gf l u i dw i l lb e w e l lu s e dt ob r i n gt ot h ec o n s t r u c t i o nl a y e r so fs a n d , t h e ni n f u s e dw i ms o l i ds a n ds o l u t i o n i t r e s e a r c h e st h ei n f l u e n c eo ft h es a l i n i t y ，t e m p e r a t u r ea n do t h e rf a c t o r so nt h ec u r i n gr e a c t i o n t om e e tt h ed i f f e r e n tn e e d so ft h el e n g t ho ft i m e ，w ea d o p tt h ed e l a yc u r i n ga g e n ta n dt h e h e x a m e t h y l e n e t e t r a m i n e t oa d j u s tt h er a t eo fc u r i n gr e a c t i o n ,a n dt h e ni n c r e a s i n g c o n s o l i d a t i o ni n t e n s i t yw i t hc o u p l i n ga g e n t w ef i n a l l yw o r ko u ta no p t i m a lf o r m u l ao ft h e u r e a - f o r m a l d e h y d er e s i ns a n dc o n t r o la f t e ra n a l y z et h ed i f f e r e n ts i z eo fs a n da n dt h ee f f e c to f d i 行i e r e n ta m o u n to fa d d e dp v ao nc o n s o l i d a t i o n t h eu r e a - - f o r m a l d e h y d er e s i ns a n dc o n t r o lm e t h o di sa p p l i e di n t ot h ew c 3 4 - 11w e l lo f t h et h i r dp l a n ti nt h ez h o n g y u a no i l f i e l da n dm i n g1 4 9w e l l t h es a n do ft h et w ow e l l si s s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e da f t e rc o n s t r u c t i o n t h em e t h o da c h i e v e st h ei n c r e a s eo fp r o d u c ta n d i n j e c t i o na n dh a st h eo b v i o u ss a n dc o n t r o le f f e c t f u r t h e r m o r e ，i th a st h er o l eo fs t a b i l i z i n g t h ef o r m a t i o ns t r u c t u r e k e yw o r d s ：u r e a - f o r m a l d e h y d er e s i n ，s a n dc o n t r o l ，c h e m i c a ls a n dc o n t r o l ，a p p l i c a t i o no n s i t e f ：q 罩 口水 第一章前言。1 1 1 油气井出砂的原因及危害1 1 1 1 油气井出砂的原因1 1 1 2 油气井出砂的危害5 1 1 3 防治砂的目的和意义6 1 1 4 油气井出砂机理概述6 1 - 1 5 油气井出砂预测概述7 1 2 防砂发展概况。9 1 2 1 防砂方法分类9 1 2 2 国内化学防砂技术情况1 1 1 3 国内外防砂发展的趋势1 5 1 3 1 化学防砂工艺技术的发展趋势1 5 1 3 2 国内外防砂的总体发展趋势1 6 1 3 3 中原油田防砂技术现状1 6 1 4 本论文问题的提出与研究意义1 7 1 5 本论文的研究思路与内容18 第二章室内实验原理研究1 9 2 1 脲醛树脂合成原理1 9 2 2 防砂原理2 0 2 3 偶联剂的作用机理2 1 2 3 1 偶联剂与无机矿物表面的作用机理2 1 2 3 2 偶联剂与有机物的作用机理2 1 2 4 固化机理的研究2 2 2 5 延时固化机理2 2 第三章室内实验研究2 4 3 1 实验仪器及药品2 4 3 1 1 实验仪器2 4 3 1 2 实验药品2 4 3 2 脲醛树脂的合成及评价2 5 3 2 1 脲醛树脂的合成2 5 3 2 2 所合成的树脂性能的评价方法2 5 3 3 固结岩心的制作2 8 3 4 防砂后的效果评价方法2 8 3 5 实验结果及数据分析3 0 3 5 1 脲醛树脂合成的影响因素3 0 3 5 2 小结3 9 第四章现场应用4 0 4 1 施工工艺设计思路4 0 4 2 现场使用情况4 0 4 2 1 施工步骤4 0 4 2 2 中原油田明1 - 4 9 油井脲醛树脂防砂工程设计及现场应用4 l 4 2 3 中原油田w c 3 4 11 井脲醛树脂防砂工程设计及现场应用4 9 4 2 4 施工后结果及分析5 3 第五章结论与建议5 5 5 1 结论5 5 5 2 建议5 6 蜀【谢5 7 参考文献5 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 油气井出砂的原因及危害 第一章前言 世界上很多国家疏松砂岩油气藏分布都很广泛，困扰疏松砂岩油气藏开采的主要因 素之一是油气井出砂，油气井出砂也是提高采油速度的主要障碍。我国疏松砂岩油气藏 的分布也很广泛，储量较大，这类油气藏开采的主要矛盾是油气井出砂。油气井出砂与 钻井方式、增产措施、开采方式、管理方式等有关，还有个主要的原因是地层原本具有 相应的出砂潜能。 我国出砂油气井的地质特征主要包括：埋藏油气层浅，压实较差，疏松胶结：胶结 物含量高、泥质构成所占比重大；非均质性严重，注水会突进；气藏中有水窜。 疏松胶结的砂岩油气藏，松散的砂粒很可能由于地质因素、开采方式等各种因素跟 随油气流入井筒。如果油气的流速不够大，以致不能将砂粒带至地面，砂粒就会慢慢地 堆积在井筒内，砂面一旦上升至射孔层段就会造成砂埋油气层、砂堵油管、甚至地面管 汇和储油罐出砂。因此油田常常需要去清除砂堵，冲洗砂埋地层，清理地面管汇等。其 工作量很大，费时又耗资，会致使油井生产周期缩短，油气井产量降低，甚至造成油井 停产。另外，出砂的磨蚀作用会把井下和地面设备严重冲蚀或磨蚀，严重缩短设备的使 用寿命。 我国石油行业规定，当油井的液体体积含砂率超过0 3 ，便视为油井出砂啪。出砂 的程度与原始地层的胶结状态、流体的物性等因素有关。出砂粒径的大小取决于原始地 层颗粒的特征，如我国涩北油气田出砂粒径小于0 0 7 m m 。出砂的主要成分是二氧化碳 和硅酸盐b 1 。 1 1 1 油气井出砂的原因 井底附近地带岩层结构破坏会造成油水井出砂，各种因素能综合影响其结果，这些 因素可以归结为两个方面，一个是地质条件因素，是内因；另一个是开采因素，是外因 【3 】【7 】 o 1 1 1 1 砂岩油藏的地质条件一内因 ( 1 ) 钻井后的应力状态变化 砂岩油气层钻井前应力处于平衡状态。油气层钻开之后，井壁附近应力平衡状态就 破坏了，岩石容易变形破坏，致使生产过程中的油气层出砂，甚至井壁坍塌。 1 第一章前言 ( 2 ) 岩石的胶结状态 油气层出砂与岩石胶结物种类、胶结方式等有着紧密关系。黏土、碳酸盐和硅质、 铁质三种是砂岩的主要胶结物，硅质和铁质的胶结强度是最大的，次之是碳酸盐胶结物， 最差的是黏土胶结物。另外，同一类型的胶结物，数量如果越多，胶结强度就会越大。 ( 3 ) 渗透率的影响 油层岩石的颗粒组成及结构、孔隙结构及孔隙度等岩石物性综合反应渗透率的高 低。生产实践证明，其他条件相同的情况下，胶结强度如果越低，渗透率就会越高，油 层就越容易出砂。 ( 4 ) 流体性质 地层流体与颗粒之间的毛细管作用力也是岩石固结力的一种。油层含油饱和度如 果越高，胶结效果也会越好，反之亦然。油相颗粒界面张力较大是其主要原因。胶结强 度也受原油黏度的影响，稀油比稠油的毛细管作用力大。另外颗粒表面润湿性也能影响 毛细管作用力大小。假如强亲水，则易与水牢固结合，能增加内聚力。如果原油的性质 比较差，在岩石颗粒上施加的拖曳力就较大，出砂越平凡。由于这些原因，稠油油藏一 般比稀油油藏容易出砂，就如我国辽河油田，胜利孤岛油田。 1 1 1 2 开采因素一外因口1 ( 1 ) 固井质量 。 固井质量差可能会导致套管外水泥环和井壁岩石不能黏在一起，生产中容易高低压 层窜通，井壁岩石遭到不断冲刷，使得黏土夹层膨胀，岩石胶结状态遭到破坏，导致油 ， 气井出砂。 ( 2 ) 射孔密度 射孔完井是各油田目前采用比较普遍的沟通油气流通道的方式，射孔密度假如过 大，可能套管和砂岩油层结构都会遭到破坏，油气井就会出砂。 ( 3 ) 油气井工作制度 流体渗流对油气层岩石会有冲刷力，对颗粒会有拖曳力，疏松油层出砂的重要原因 就是这些。其他条件相同时，生产压差如果越大，流体渗流对岩石的冲刷力就会越大。 另外，油、水井工作制度不能经常性的突然变化，油层岩石受力状况会突然的跟着变化， 这也容易造成地层出砂。 ( 4 ) 其它 部分胶结物在油层含水后慢慢溶解，降低了岩石胶结强度和油层压力，岩石颗粒受 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 地应力的挤压作用增大，颗粒间的胶结也就破坏了，可能就会引起油井出砂。另外如压 裂和酸化等不适当的措施也会降低油层岩石胶结强度，油层疏松之后就会出砂。 总之，工程措施如果不合适、油井工作制度如果不合理，工作制度等的突然变化、 等等诸多原因都可能会引起油气井出砂。应当尽可能的避免这些人为原因。 油田开发过程中地层压力的变化会造成岩石应力状态的失衡和油气渗流冲刷力的 突然变化，这些虽说不可避免，但也应尽量减少它们影响出砂的可能性。胶结物中粘土 含量高并且易膨胀而会造成出砂的井须要采取必要的防膨措施，那样可以防止或减少油 层出砂。疏松砂岩油层而言，工作制度必须合理之外，选择合理的完井方式和采取先期 防砂措施也是必要的。 1 1 1 3 中原油田油水井出砂原因探究 ( 1 ) 油井出砂原因 地层胶结疏松容易出砂 据微观结构特征，出砂储层可以划分为疏松砂层和中等致密砂层两大类。其中颗粒 相对较粗是疏松砂层岩石的主要特征，其平均值为o 3 5m m ；平均泥质含量为6 5 ，相 对也较低；面孔率可达2 0 相对较高；岩石颗粒基本还未胶结，颗粒松散。自由砂为这 类储层中的砂粒主要类型，出砂连续性强，流体沿井壁会携砂粒及泥质连续出砂，出砂 量大，具有相对稳定的含砂量，地层随着生产时间延长会变得疏松，随着渗滤作用的增 强，井壁附近的泥质也会增多。地层吐砂常在这类地层发生，油层会被砂埋，防砂工具 在后期生产中，砂粒泥质和地质颗粒的堵塞会造成生产压差过大，影响产量。 颗粒粒度较细是中等致密砂层岩石的主要特征，其平均值一般为0 0 3 - 1 1 0 m m ，填 隙物含量( 多为泥质) 多在1 5 以上，面孔率一般会低于1 0 ；岩石会胶结一部分。稳定 砂粒是这类储层的主体，出砂是间断性的，砂含量也不稳定，砂粒脱落是造成出砂的主 要原因，并常伴随有剥落的泥质填隙物；降低了储层的渗透率，空穴可能会出现在产层 附近，地层坍塌，套管损坏是其最严重的后果。 中原油田的大多地层属中等致密砂岩类型，颗粒粒度一般0 0 7 - 0 0 9 m m ，比较细。 填隙物含量( 多为泥质) 7 - - 1 0 ，面孔率一般低于1 0 ( 孔隙度2 3 8 以上) ；接触孑i 隙型胶结方式是其主要的胶结方式，比基底胶结强度低，流体流动的剪切力在生产过程 中会破坏砂砾间的聚合力，造成油气井出砂。原油粘度在生产过程中如果很高，与岩石 表面生产的切力也会很大，造成的出砂加重。 地层压力下降，导致油井出砂 3 第一章前言 油田随着不断生产，地层压力会逐渐降低( 中原油田文中油田原始地层压力2 6 8 3 9 2 m p a ，目前地层压力已降至1 6 - - - 2 0 m p a ) ，上覆岩层的压力会增加地层颗粒及胶结 物的应力，地层中如果胶结强度较低，随着地层压力下降，应力增大会造成岩石胶结层 形变，引起油井出砂。 油井进入高含水期后易出砂 地层岩石中的胶结物如果是以泥质为主的类型，当油井开始见水后，特别是进入中 高含水期后，由于胶结物受水的冲刷和溶解作用，地层强度降低、岩石骨架也遭到破坏， 引起油井出砂。像中原油田文中老三块在一次采油期间油井几乎不出砂，进入中高含水 期后，长期注水的原因会破坏储层骨架，油井出砂发生而且会越来越严重。文1 5 块的油 井普遍存在出砂问题，经粒径分析和矿物成份分析发现主要是骨架砂。 生产压差大导致激动出砂 1 9 9 0 年之后，在中原油田的很多油田区块采取了水井单体泵提压增注、油井深抽提 液等手段，客观上使得出砂加剧了。在放大压差生产情况下，胶结相对较差的层位在注 水溶蚀和冲刷作用后，地层骨架破坏更加严重，近井地带甚至会出现砂涌。 ( 2 ) 水井出砂原因 注水过程中频繁关、停井导致出砂 在注水过程中频繁的关停、间歇注水等很容易造成地层出砂。这部分井一般表现为 注水压力不断上升，注水量逐步下降，直至注不进、洗不通、检管作业时拔不动。如文 6 5 6 8 井，2 0 0 5 年1 - 7 月在注水压力2 1 5m p a 不变的情况下，日注水由年初正常时的 5 0 m 3 d 逐步降至7 月的1 4 m 3 d ；8 月8 日作业证实出砂严重，已砂埋大部分油层。资料表明， 该井1 7 月共关井2 7 次( 其中单体泵坏维修1 2 次，管线刺漏1 2 次，换水表3 次) ，分析 认为井底压力的频繁波动是导致地层激动出砂的主要原因。 放溢流、洗井导致出砂 这钟类型得井一般表现为注水正常，但频繁放溢流后作业时发现出砂，甚至起管拔 不动，长期注水冲刷溶蚀已经破坏了岩石骨架是其主要原因，并在地层中形成了大量的 自由砂；洗井、放溢流时地层流体的快速反吐使得这部分自由砂随之涌入井筒，粒径较 小的细粉砂因悬浮性好可被排出地面，而粒径较大的中粗砂则沉降、堆积在井筒中，形 成砂堵、砂埋管柱和油层。如文1 0 c 4 8 井2 0 0 6 年1 月钻关前正常注水时油压1 6 9 m p a ， 日注水1 5 0m 3 d ；2 3 月因钻关影响多次放溢流、洗井，后恢复注水，日注水量降为 7 4 m 3 d ；5 月9 日作业发现出砂，砂埋油层3 6 m ，冲砂由2 3 5 8 2 5 m 冲至2 4 0 7 7 4 m ，冲 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 出地层砂0 4 2 m 3 。 1 1 2 油气井出砂的危害 1 1 2 1 油气井出砂的危害 出砂井对油气层及井底、井筒及举升设备、地面设备都有十分严重的危害，这些危 害会提高油气生产成本，增加油气田管理难度口1 。 ( 1 ) 对井底及地层的危害 油气层砂埋造成产量降低甚至停产是对地层及井底的主要危害，出砂严重时井壁 甚至会坍塌损坏套管或井筒砂堵，需要冲砂作业，生产成本就提高了。 ( 2 ) 对井筒举升设备的危害 流体携砂进入井筒举升设备会造成举升设备的严重磨蚀、砂卡，极大的缩短检泵周 期，生产成本就提高了。 ( 3 ) 对地面设备的危害 地层砂一旦被流体携带到井口和地面，含砂流体会磨蚀井口设备和地面管线，并最 终在油气处理罐中沉积，增大了设备更换及地面清罐等工作量阳1 。 ( 4 ) 使海上采油工作更加困难。 在海上平台采油，出砂是一个很难处理的问题，为了避免砂堵，在原油经泵送上岸 之前必须进行清砂处理，而清出的砂子必须经除去里面所含有的原、油才能倒入海中，这 就增加了处理出砂问题的难度。 1 1 2 2 中原油田出砂现状 截止2 0 0 9 年底，中原油田出砂井总计9 0 9 口，其中采油一厂3 8 3 口、采油二厂1 0 4 口、采油三厂1 2 5 口、采油五厂2 9 7 口。统计结果表明出砂井数逐年增多、出砂区块逐 年增加、出砂层位逐年增多，出砂井井况变差。为此各采油厂根据本厂油藏特点和油水 井出砂现状，采取了相应的治理措施，取得了一定的成效，但随着出砂井井况趋于复杂， 现有技术的应用受限。为此需根据中原油田油水井出砂的实际，研究新的防砂技术，以 满足油田油水井防砂的需要。由于地层出砂，严重影响油水井正常生产，缩短检泵周期， 影响原油产量，加之有的出砂井结盐、结垢，井况复杂，给防砂工作带来很大的难度。 5 第一章前言 表1 - 1 中原油田出砂状况 t a b l e1 - 1z h o n g y u a no i l f i e l ds a n dc o n d i t i o n s 厂别 油井开井出砂井 严重出砂 水井开井出砂井严重出砂 ( 口)( 口)( 口)( 口)( 口)( 口) 采油一厂 7 4 42 3 57 95 9 21 4 83 4 采油二厂8 7 41 0 4 采油三厂1 2 5 采油五厂 6 9 22 7 73 0 06 03 6 表1 _ 2 中原油田出砂区块及层位 t a b l e1 - 2z h o n g y u a no i l f i e l ds a n db l o c k sa n dl a y e r s 厂别 。 出砂区块出砂层位备注 采油 文1 0 块、文1 5 块、文2 5 东块 s 3 中、s 2 下、s 3 上 一r 文3 8 块 采油 s 2 x 1 - 8 ，$ 2 s 4 - 7 ，$ 2 s 2 + 3 ，w 5 1 块 s 2 x 1 8 、$ 2 s 4 7 、 二厂s 2 s 2 + 3 、w 5 1 k 、 s 3 2 6 1 0 、$ 2 s 1 采油 卫7 、明一东、明一西、明6 块沙一下、沙二上、出砂的颗粒也由 三厂沙二下 粗变细，平均粒 径由0 3 5 m m 变 为0 1 5 r a m 采油 胡5 块，胡2 块，胡1 9 块，胡7 块， 五厂 胡7 - 9 4 块，胡1 2 块，庆祖 1 1 3 防治砂的目的和意义一 油气井防砂应该把重点放在早期防治，侧重防，不能任其随意发展以致酿成重患。 另外，地层砂一旦出井筒就会对周围环境造成污染，尤其是环海岸油气田更受环境保护 法规制约。因此，油气井防砂不仅是油气井开采的需要，更是保护环境的需要。 1 1 4 油气井出砂机理概述 ( 1 ) “渗流砂的流动 疏松砂岩油气藏在开发过程中，由于本身胶结较弱，大量细小、弱胶结的微粒存在 于储层中，这部分微粒易于启动，在产量很低的情况下在储层孔喉中也容易运移，这种 微粒称为“渗流砂 。实验发现颗粒的启动压差比较低，即使在0 1m p a 的启动压差条 件下，这种渗流砂也会发生渗流，这部分微粒的运移是不可避免的。渗流砂粒径分布在 0 0 1 - 0 0 3 5m m 之间，分布范围比较广。实际储层中渗流砂的含量为3 , - - 4 ，甚至更 低。不同岩石类型渗流砂颗粒含量不同。对于“渗流砂 而言，在油气藏开发过程建议 让其排出，且尽量慢慢排出，舫止因渗流砂过快堵塞架桥孔喉，使得产层渗透率降低； 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 同时可以通过改善完井方法和射孔方法及改变流场来减少渗流砂的集中。 ( 2 ) 弱胶结附着的颗粒 这部分颗粒很大一部分属于填隙物，产状呈分散状和粒间充填；其次是弱胶结婚埘 的骨架颗粒。如青海涩北气田储层岩性主要为泥质粉砂岩，骨架颗粒粒径与填隙物粒径 呈连续分布，这给气层的防砂和控砂增加了一定的难度，即填隙物颗粒出砂必然削弱骨 架颗粒的稳定性，从而形成“蚯蚓洞 。此类颗粒以速敏的方式伤害储层，控制产气量 大小可以防止其对储层的伤害和出砂。但如果遇上与地层不配伍的工作液、碱液或酸液 等，就肯定会破坏填隙物的微结构，以及它们与骨架颗粒间的附着力，变为易于运移的 砂粒，所以也称为“填隙物破坏型出砂 。预防弱固结颗粒出砂的办法有两个：_ 是通 过对完并方法、射孔方式的改进，二是控制产层产量。可采用的措施有：利用屏蔽暂堵 技术，在钻井过程中形成快速、牢固、致密、浅薄的污染层，阻止外来工作液进入储层： 提高工作液配伍性，减少滤液对侵入带胶结物的破坏，不增加外来沉淀堵塞孔喉。 ( 3 ) 骨架破坏型出砂 钻井、完井、射孔等工艺措施的合理性和参数的选择会影响这部分颗粒。主要原因 是施工过程中外来压力所引起的应力、应变，造成地层变形、滑动，使岩石成为( 或部 分成为) 散砂，引起地层严重出砂，甚至井壁不稳定。影响因素包括以下几个方面： 二次应力场分布；起下钻波动压力；高压水射流冲击；机械扰动；钻井过程中 的出砂；射孔过程中的出砂。 ( 4 ) 砂穴崩落型出砂 裸眼井在地层出砂后会形成洞穴，其顶部失去支撑，便不能形成稳定砂拱，易导致 块状脱落而出砂。套管井在地层首先沿射孔孔眼出砂形成“蚯蚓洞 ，然后会有洞穴出 现。减轻弱胶结砂和骨架颗粒的出砂量是预防此类出砂的主要办法，避免它们引起地层 岩石局部的变化，造成崩落型出砂。 1 1 5 油气井出砂预测概述 预测油、气井是否出砂或出砂量的多少，必须研究地层的出砂临界流速及临界压差， 定量分析地层的出砂程度。不同的地层其岩石力学性质是不同的，当外界因素超出了地 层固有的临界参数值，地层就会遭受破坏。因此，通过实验和计算求得地层的强度参数 和临界参数值( 如：泊松比、杨氏弹性模量、剪切模量、体积模量、内聚力、内摩擦角 等m 卜m 1 ) ，就可以对油气层的出砂情况进行预测。 7 第一章前言 出砂预测方法有现场观测法、经验分析法、应力分析法、实验室试验法等。其中出 砂经验预测法主要根据岩石的物性、弹性参数以及现场经验对易出砂地层进行出砂预 测。由于这种方法简单实用，国内外的学者对此法进行了大量的研究工作，现将目前常 用的几种经验方法综述如下n 射： 1 1 5 1 声波时差法 声波时差就是声波纵波沿井剖面传播速度的倒数，记为：a t ，1 圪一些国外公 司常常采用声波时差最低i 陆界值来进行出砂预测，若超过了这一临界值，则生产过程中 就会出砂，应采取防砂措施。缸以油田或区块的不同而有所变化，一般情况下，当 t 2 9 5 比s m 时就应采取防砂措施，有的文献把声波时差临界值定在2 9 5 - - 3 9 5 l l s m 。 1 1 5 2 地层孔隙度法 孔隙度是反映地层致密程度的一个参数，利用测井或岩心室内试验即可求得地层孔 隙度在井段纵向上的分布。一般情况下，在孔隙度大于3 0 时，表明地层胶结程度差， 出砂严重，而孔隙度在2 0 3 0 之间时，表明地层出砂减缓；当地层孔隙度小于2 0 时，则表明地层出砂轻微。 1 1 5 3 组合模量法 组合模量法预测地层出砂是根据声速及密度测井资料，用下面的公式来计算岩石的 弹性组合模量& ： e c 9 9 4 xl - 0 s p , r ( 卜1 ) 址，。 式中：e 一岩石的组合弹性模量，m p a ； 。 p 一地层岩石的体积密度，g c m 3 ； 缸c 岩石的纵波声波时差，声m 。 ， 根据胜利油田防砂中心用该方法在一些井中进行出砂预测，结果显示预测准确率在 8 0 以上。在对现场大量油、气井出砂统计结果分析之后，得出了如下结论：当e 2 0 1 0 4 m p a ，正常生产时，油、气井不出砂；当1 5 x 1 0 4 e c 2 0 1 0 4 m p a 时，正常 生产时，油、气井轻微出砂；当r 1 5 1 0 4 m p a 时，正常生产时，油、气井严重出 砂。 1 1 5 4 出砂指数法 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 出砂指数计算方法是一项较为复杂的处理、分析、计算过程。通过对声波时差及密 度测井等测井曲线进行数字化计算，求得不同部位的岩石强度参数，计算出油、气井不 同部位的出砂指数。 1 1 5 5 地层强度法 大多数作者都认为预测出砂需考虑底层岩石的强度，因为剪切强度同油井的生产压 降在本质上属同一物理单位，二者可以相互比较来确定某井的临界生产压差。2 0 世纪 7 0 年代初e x x o n 公司开始寻求二者之间的关系，发现当生产压差是岩石剪切强度的1 7 倍时，岩石开始破坏并出砂。例如，若地层剪切强度为7 0 m p a ，生产压差为1 1 7 m p a 时，油气井开始出砂。 1 1 5 6 双参数法 如以声波时差为横轴，生产压差为纵轴，把数口井的时差、压差数据点绘在坐标图 上，则出砂数据点形成一个出砂区。把要预测井的数据绘在同一坐标上，如果落在出砂 区，则该井出砂，否则则不出砂。 1 1 5 7 多参数法 建立一个出砂井与深度、开采速度、生产压差、采油指数、泥质含量、含水率等的 判别函数，用该函数判别油井是否出砂。 1 2 防砂发展概况 1 2 1 防砂方法分类 根据防砂原理及工艺特点，目前防砂方法可分为机械防砂、化学防砂、复合防砂三 类 幢1 m l n 町畸1 。， 1 2 1 1 机械防砂方法 机械防砂方法可以分为两类，第一类是仅下入机械管柱的防砂方法，如下入绕丝筛 管、割缝衬管、各种滤砂管等。这种方法简单易行，施工成本也低。缺点是地层砂容易 堵塞防砂管柱，只能阻止地层砂产出到地面而不能阻止地层砂进入井筒，有效期短，只 适用于地层砂粒度中值大于0 1 m m 的中、粗砂岩地层。 第二类机械防砂方法为机械管柱砾石充填防砂方法，即在井筒内下入绕丝筛管、割 缝衬管等机械管柱后，再用砾石或其他类似材料充填在机械管柱与套管的环形空间内， 并挤入井筒周围地层，形成多级滤砂屏障，达到挡砂目的。这类方法设计及施工比较复 杂，成本较高，但挡砂效果较好，有效期长，成功率高，适用性广。可用于细、中、粗 砂岩地层，垂直、定向井、热采井等复杂条件井况。砾石充填防砂的主要缺点是施工复 9 第一章前言 杂，一次性投入高；若砾石尺度选择不当，地层砂侵入砾石层后会增加原油流入井的阻 力，影响防砂后的油气井产能。研究结果表明，砾石充填井筒附近主要压降损失在填有 砾石的射孔炮眼内。因施工过程较长，必须注意减少作业过程中对油层的伤害。 1 2 1 2 化学防砂 化学防砂是向地层中挤入一定数量的化学剂或化学剂与砂浆的混合物，达到充填、 固结地层、提高地层固结强度的目的。化学防砂主要分为化学剂固砂和人工井壁两种方 法。化学剂固砂是向地层注入树脂或其他化学固砂剂，直接将底层砂固结；人工井壁是 将树脂砂浆液、欲涂层砾石、水带干灰砂、水泥砂浆、乳化水泥等挤入井筒周围地层中， 固结后形成具有一定强度和渗透性的人工井壁。 化学防砂方法使用于薄层短井段，对粉细砂岩地层的防砂效果好，施工后井筒内不 留下任何机械装置，便于后期处理。缺点是有机化学剂材料成本高，对油藏温度的适应 性较差，易老化，有效期也短，固结后地层渗透率明显下降，产能损失大。 1 2 1 3 复合防砂 复合防砂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。滤砂管和绕丝筛管是复合防砂通常使用的机械防 砂管柱，与之配合使用的化学方法常为化学固砂和涂敷砂防砂。 表1 - 3 主要防砂方法对比 t a b l e1 - 3t h ec o m p a r i s o no ft h em a i nm e t h o d so fs a n dc o n t r 0 1 分 类 防砂方法优点缺点备注 1 成功率高达9 0 以上： 1 井内留有防砂管柱，后期处理 绕丝筛管 2 有效期长： 复杂，费用高； 可按工艺条件 砾石充填 3 适应性强，应用最普遍；和充填方式再 机 4 裸眼充填产能为射孔 2 不适用于粉细砂岩； 完井的1 2 - 1 3 倍 3 管内充填产能损失大 细分 械 防 滤砂管 1 施工方便，成本低； 1 不适用于粉细砂岩： 按材料不同形 2 滤砂管易堵塞使产能下降； 砂 2 适合多油层完井，粗砂地层成多种滤砂管 3 滤砂管受冲蚀，寿命短 1 成本低，施工方便； 1 不宜用于粉细砂岩； 割缝衬管2 适用于出砂不严重的中、粗砂 2 砂桥易堵塞，影响产能 岩，水平井常用 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 表1 - 3 主要防砂方法对比( 续) t a b l e1 - 3t h ec o m p a r i s o no ft h em a i nm e t h o d so fs a n dc o n t r o l 1 井内无留物，易1 渗透率下降，成 进行后期补救作本高； 树脂液，树脂砂 胶固地层 业：2 不宜于多层长井 化学防砂2 对地层砂粒度适段和严重出砂井； 浆，溶液地下合 应范围广：3 化学剂有毒，易 成，化学固砂剂