（石油与天然气工程专业论文）玉皇庙油田东二段携沙采油增产技术研究.pdf

玉皇庙油田东二段携沙冷采增产技术研究 h 文胜( 石油与天然气工程) 指导老师：李淑霞( 副教授) 王先礼( 高级工程师) 摘要 东二段区块具有地层埋藏浅、油层薄，油层胶结疏松、出砂严重以 及油稠等的特点，同时伴有储层敏感性强，在钻井、作业等环节上易污 染、易堵塞的诸多问题。对该油藏区块上实施携砂采油的地质条件进行 了可行性分析，并对部分井区有效实施了携砂冷采工艺，收到了明显改 善油井产能下降和增加产量的效果。该研究表明，螺杆泵携砂采油深抽 工艺技术是一套适合于玉争庙油田东二段油藏的工艺技术，该工艺成功 地解决了地层出砂、排砂和加深泵挂深度等难题，避免了多次防砂导致 油井产量下降而不能j 下常生产的问题，使难动用储量得以成功丌发。所 采用的技术和指标在国内同类稠油出砂油藏的开发中处于领先水平，对 储层物性差、层薄、多次防砂会造成产能严重降低的油井开发具有重要 参考价值。 与此同时，在研究实施过程中也发现了此配套工艺方法的一些局限 性，提出了相应的改进建议及措施，以便更充分发掘该技术的作用。 关键词：油藏螺杆泵携砂冷采 t h e y u h u a n g m i a o o i l - f i e l de a s t2h o l ds a n d c o l da d o p tt ob o o s tp r o d u c t i o na t e c h n i q u e r e s e a r c h b uw e n - s h e n g ( o i la n dg a se n g i n e e r i n g ) d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl is h u x i a s e n i o rt e c h n o l o g i s tw a n gx i a n l i a b s t r a c t t h ee a s to ft h ey u h u a n g m i a oo i l f i e l dt w oo i l sh i d eo ft h e s c r e wp u m ph o l dt h ep o i n tt ob ea t t e n d e dt ot h a tt h es a n do i l e x t r a c t i o nt a k e so u tt h ei t e mr e s e a r c ho ft h ec r a f tt e c h n i q u ed e e p l y t ol i ei ni n s i s t i n gt h et e c h n i q u ep r o g r e s s e ss t r a t e g i cp o l i c y u s i n g t oe n t e rf i r s tt om i n e ，p r o c e s sp r a c t i c a l l y ，s y n t h e s i z et om a k eu s e o fat e c h n i q u e ，t h ed e v e l o p m e n tw h i c hc a r r i e so u tar e s o u r c e s i n c r e a s e si nv a l u e ，t h er e s o u r c e sr e a s o n a b l ee x p l o i t a t i o na n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nu n i f ym u m a l l y ，h a v i n gi m p o r t a n tb u t p r o f o u n di n f l u e n c en e c e s s a r i l y t h i ss t u d i e si t e mi n ，e a s tt w oa r e ap i e c eh a sg e o l o g i cs t r a t at o b u r ys h a l l o w ，t h eo i ll a y e ri st 1 1 i n ，o i ll a y e rt h eg u mk n o ti sl o o s e ， t h ec h a r a c t e r i s t i c sw i t hs a n ds e v e r i t ya n dt h eo i ld e n s ee t c ，t h e c o m p a n i o nh a sa l r e a d yk e p tal a y e ro fs e n s i t i v i t yi nt h em e a n t i m e s t r o n g ，a ta r t e s i a nw e l l ，h o m e w o r ke t c 1 i n kt h et o pp o l l u t e se a s i l y a n ds t o p se a s i l yo fm a n yp r o b l e m s w eh i da na r e ap i e c eat o p i m p l e m e n tt oh o l dt h eg e o l o g yc o n d i t i o no fs a n do i le x t r a c t i o nt o c a l t yo nav i a b i l i t ya s s e s s m e n tt ot h a to i l ，a n dc a r r i e do u tt oh o l d s a n de f f e c t i v e l yt op a r t so fw e l la r e a sc o l da d o p tac r a f t ，r e c e i v e i i l o b v i o u s i m p r o v e m e n tt h e o i lw e l lp r o d u c t i v i t yd e s c e n da n d m c r e a s et h er e s u l to f y i e l d t h a tr e s e a r c he x p r e s s e st h a ts c r e wp u m p sh o l d i n gas a n do i l e x t r a c t i o nt ot a k eo u tac r a f tt e c h n i q u ed e e p l yi sas e to fc r a f t t e c h n i q u ew h i c hs u i t e df o rt h ey u h u a n g m i a oo i l - f i e l d e a s tt w o o i l st oh i d e ，t h a tc r a f ts o l v e sag e o l o g i cs t r a t as a n da n dl i n e su p s a n da n dd e e p e n sap u m pt oh a n gd e p t hs u c c e s s f u l l ye t c h a r dn u t t oc r a c k ，a v o i d e dd e f e n d i n gs a n dt oc a u s et h eo i lw e l ly i e l d d e s c e n df o rm a n yt i m e sb u tc a l l tp r o d u c en o r m a l l yo fp r o b l e m , m a k ed i f f i c u l tu s et ok e 印q u a n t i t yc a ns u c c e e dt od e v e l o p ，c o m e t oaf i r s tap u r p o s eo fl e a d i n gt h er e s e a r c hi t e m i tb ep l a c e di nt ol e a dl e v e li nt h ed e v e l o p m e n tt h a tt e c h n i q u e a n di n d e xs i g nt h a tt h a ti t e r na d o p t sh i d e si nt h ed o m e s t i cs a m e k i n dd e n s eo i ls a n do i l ，t ok e e pal a y e ro ft h i n gt od i f f e r , t h el a y e r i st h i n d e f e n ds a n df o rm a n yt i m e sw i l lr e s u l ti nt h eo i lw e l l d e v e l o p m e n t t h a tt h ep r o d u c t i v i t yl o w e r ss e r i o u s l yh a v ei m p o r t a n t r e f e r e n c ev a l u e a l s od i s c o v e r e dt h i sk i tc r a f tm e t h o di nt h ei t e mt h er e s e a r c h t h ei m p l e m e n tp r o c e s sa tt h es a m et i m eo fs o m el i m i ts e x ，p u t f o r w a r dh o m o l o g o u si m p r o v e m e n ts u g g e s t i o na n dm e a s u r e ，i n o r d e rt od i s c o v e rt h a tt e c h n i c a lf u n c t i o nm o r ew e l l k e y w o r d ：r e s e r v o i rs c r e wp u m ph o l d s a n dc o l da d o p t 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论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名 扣丝一 1 年j 月虮 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： 年f 月z 矿同 年，月i ar 1 堋 中国石油大学( 华东) 硕i 论文前言 前言 商河县大明石油科技开发有限责任公司目前管理着玉皇庙油田， e d 2 油藏为该区主力油臧，该油藏油稠，5 0 原油粘度在 1 3 3 1 - 5 6 0 6 m p a ，s 之自j ，地层温度为5 0 5 7 之问，地层埋藏浅，油层胶 结疏松，出砂严重，绝大部分井易出砂，堵塞严重，无法正常生产。1 9 9 2 年上报探明地质储量以来，一直不能正常开发，属胜利石油管理局难动 用储量之一。石油大明商河公司接管该区块后成功解决防砂、解堵问题， 根据所辖区块油藏特点成功采用了螺杆泵采油工艺技术，难动用储量成 功动用。 经过开发建设及技术改进，动用地质储量3 7 6 万吨，现区块日油能 力1 0 0 吨，年产油能力达3 2 万吨。有油井4 6 口，开井3 1 口，其中使 用螺杆泵采油井3 0 口，抽油机采油井l 口，螺杆泵采油成为商河公司 主要的机采方式。 这个区块地层埋藏浅、油层薄，油层胶结疏松、出砂严重以及油稠， 加之储层敏感性强，在钻井、作业等环节上易污染易堵塞。在该区块上 实施防砂措施，取得一定成效，大多数油井能够正常生产，但也存在多 次防砂造成油井产能下降，甚至出现不出油的情况。针对东二段储层的 特点，综合国内外先进的工艺方法，根据夏7 1 4 井开发历史，结合玉 阜庙油田东二段油藏地质情况，开展携砂冷采增产技术研究，制定了夏 7 1 4 井携砂冷采增产工艺技术方案，于2 0 0 6 年4 月3 0f 1 按施工设计作 业完井，投入生产。根据截至2 0 0 6 年l o 月1 8 日的生产数据，油井平 均产液量达到4 4 3 m 3 d ，平均产油量达到4 1 0 m 3 d ，累计产油量达到 7 0 0 2 0 m 3 。从该井投产后的生产情况来看，携砂冷采工艺已在该井取得 显著成效，明显改善了地层的渗透率，提高了产量。 在夏7 1 4 井携砂冷采成功的基础上，又进行了夏7 1 3 井和夏1 9 6 井的携砂冷采，其中，夏7 一1 3 井第一次作业施工投产不成功，经过改 进，第二次作业施工投产获得成功，夏1 9 6 井采用国产螺杆泵一次作 业施工投产获得成功。 中国石油大学( 华东) 硕士论文前言 通过该项目的实施，创出了一套防砂、解堵、螺杆泵深抽采油和地 面设施的配套工艺方法，成功地解决了地层出砂、排砂和加深泵挂深度 等难题，避免了多次防砂导致油井产量下降而不能正常生产的问题，使 难动用储量得以成功开发，该项目所采用的技术和指标在国内同类稠油 出砂油藏的开发中处于领先水平。 2 中国石油人学( 华东) 硕十论文第l 章稠油油藏携砂冷采增产技术 第1 章稠油油藏携砂冷采增产技术 稠油携砂冷采也称为稠油出砂冷采或稠油排砂冷采，英文为c o l d h e a v yo i lp r o d u c t i o nw i t hs a n d ( c h o p s ) 。稠油携砂冷采是从加拿大兴起 的一项稠油开采技术。2 0 世纪6 0 7 0 年代，加拿大石油公司在疏松砂 岩稠油油藏中采用了“不防砂的常规开采”方式，获得成功。稠油携砂 冷采属一次采油范畴，具有丌采成本低的特点。后来，随着出砂机理研 究的深入和携砂采油工艺技术的进步，国内外众多石油企业开始采用这 一技术。 胶结疏松的砂岩稠油油藏，不采取注蒸汽热采的方法，不采取完全 防止地层砂随原油产出措施，油层砂随着油流产出，使油层近井地带出 现出砂孔洞，增大了近井油层渗透率和油井有效泄油面积，从而增大油 井产量，使油井不采取热采也能具有足够的产能，采取能够适应较高含 砂量的螺杆泵采油工艺技术保持油井生产，这就是通常所说的稠油携砂 冷采。 随着对稠油携砂冷采技术研究的深入，对实施该项技术的认识也出 现了一些分化。早期在加拿大进行的稠油携砂冷采，是在埋藏深度较浅、 胶结疏松的砂岩稠油油藏上进行的，这种情况下采用的是螺杆泵采油技 术，油层和下泵深度不超过8 0 0 m 。受该技术成功的启发，随着螺杆泵 采油工艺技术的进步，国内外在许多油田开展了在上千米深度油层进行 携砂生产的研究和矿场试验，获得成功，许多油井原来采用抽油机采油， 采取了极为严格的防砂措施，油井产量很低，改为螺杆泵采油，并改变 防砂策略，降低了防砂要求，使油层粉细砂能够排出油层，随原油排到 地面，粉细砂的排出，导致地层近井地带油层污染被部分解除，渗透率 增加，使油井产量达到经济产量以上。深层稠油油藏携砂冷采，突破了 早期稠油携砂冷采的技术界限，使该技术能够适应于更多的油藏，受到 众多油田的重视。本课题属于稠油携砂冷采深抽技术。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章稠油油藏携砂冷采增产技术 1 1 稠油携砂冷采井增产机理 1 1 1 生产特征 稠油携砂冷采井的生产情况比较复杂，在不同油藏上所表现出来的 生产规律也有一些变化，其主要生产特征是：比不排砂油井产量大大提 高，开采初期采出液含砂量较高，高峰期体积含砂量可达1 0 以上，高 含砂维持一定时间，从一天到几十天，随着生产的延续，油井产量上升， 而含砂量逐渐下降，在0 5 1 0 之间。图1 1 是采用排砂冷采工艺的油 井在投产后产油、含砂与生产时间的关系曲线。 各个油藏的油井出砂情况差异很大，一般油粘度小的油藏，油井出 砂峰值小一些，油粘度大且溶解气多的油藏，油井出砂峰值大一些。 成功实施过携砂冷采的井，再次采用该技术时，会继续出现第一次 开采周期的含砂和产量规律，油井能够继续保持一定产量，但一般不会 再超过第一次。 生产时间d 图1 1 产油、含砂与生产时间的关系 1 1 2 增产机理 稠油携砂冷采井的生产规律与稀油井不同，与不排砂的稠油井也不 同，一般情况下，稠油携砂冷采井产量曲线有一个产量最高的时期，这 说明至少有两个相互关联的因素影响油井产量。油井出砂，近井地带孔 隙度和渗透率增加，导致油井产量增加，而油藏能量逐渐降低，导致油 井产量下降，两个因素相互作用，当后一个因素作用明显时油井产量开 4 中国石油人学( 华东) 硕士论文第1 章稠油油藏携砂冷采增产技术 始下降。稠油携砂冷采之所以能够大大地提高单井产量，主要依赖以下 机理： ( 1 ) 大量出砂形成“蚯蚓洞网络”，胶结疏松的砂岩稠油油藏，储 层孔隙度一般在3 0 左右，由于大量地层砂的产出，近井地带孔隙度提 高到5 0 以上，渗透率提高几十倍，这相当于有大量水平井和分枝水平 井向油井供液，极大地提高了稠油在油层中的渗流能力； ( 2 ) 携砂冷采井中的稠油通常都溶解一定量的天然气，当井底压力 大幅度降低时，低于饱和压力时，天然气将从原油中析出，这些气体不 会马上聚集形成连续的气相，在向井筒流动的过程中它们以微气泡的形 式存在。当压力不断下降时，气泡不断变大。这时，这些气泡形成一个 “内部驱动力”，驱动原油和地层砂由地层向井筒流动。稳定的泡沫油 还使原油密度变得很低，从而使粘度很大的稠油得以流动； ( 3 ) 由于油层中产出大量砂粒，使油层本身的强度降低，在上履地 层的作用下，油层将发生一定程度的压实作用，使孔隙压力升高，驱动 能量增加； f 4 1 远距离的边底水可以提供一定的驱动能量。 由于油层出砂形成“蚯蚓洞网络”，胶结疏松的砂岩稠油油藏，油 层能够大量出砂形成“蚯蚓洞”网络，增加储层孔隙度和渗透率，是提 高油井产量的先决条件，而采用大孔径、深穿透、高密度射孔技术能促 使油层出砂，适合高含砂和高原油粘度的螺杆泵采油工艺技术是稠油冷 采取得成功的关键技术。随着适合冷采油藏深度的加深，作为冷采举升 装置主力的螺杆泵将向着高扬程、大排量和低转速方向发展。电潜螺杆 泵随着性能的不断改进；将会越来越多地应用于稠油冷采。 1 1 3 稠油冷采油层出砂机理 稠油携砂冷采增产的机理之一是大量出砂形成蚯蚓洞网络。油层胶 结疏松，原油粘度高，携砂能力强，使砂粒随原油一道产出。油层中产 出大量砂粒，根掘砂粒来源位置不同，有以下三种情况：一是砂粒只来 自于井筒周围，在井筒周围形成砂拱，砂拱内孔隙度为1 0 0 ；二是沿 射孔孔道出砂，使射孔孔道向油层内部延伸，形成所谓的蚯蚓洞；三是 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第l 章稠油油藏携砂冷采增产技术 较细的砂粒微粒及其它矿物成分从油层中运移出来，使油层孔隙度提 高。 上述三种情况都是可能出现的，下面分别对其进行研究。 1 ) 砂拱的形成过程及稳定性 研究表明，不同的地层具有不同的出砂机理。对于胶结地层，油井 出砂主要由地层发生剪切破坏而引起的，因此，出砂的关键在于地层发 生了剪切破坏。在生产过程中控制某些参数，如产量，井底流压，压力 波动等，不让井底流压达到临界值。只要井底流压达不到发生剪切破坏 的临界值，就不会引起油井大量出砂。对于非胶结疏松砂岩，随着油流 入井筒，砂粒随原油由射孔孔道产出，一段时间后会在射孔孔道周围形 成砂拱，当砂拱达到一定尺寸和形状后，就会稳定下来，对胶结强度很 小或没有胶结强度的地层砂起到稳定作用7 】【8 1 ，因而保持砂拱的稳定性 是控制出砂的关键，而流速是影响砂拱稳定性的最敏感因素，因此，非 胶结疏松砂岩的出砂也可以通过控制原油产量来达到控制出砂的目的。 要研究砂拱的稳定性，首先必须知道砂岩中的应力分布，这是 一个十分复杂的问题。为了简化起见，我们建立如下模型，假设砂 拱呈对称的球形( 如图1 2 所示) ，内径为r 1 ，外径为r 2 ，内表面的 液体压力为p 1 ，外表面的液体压力为p 2 。可以把这个模型中r 2 看 成是油藏的泄油带半径( 在泄油带之外，油藏保持原始油减压力) 。 族 萝 图1 2 砂拱的力学模型 在球面上取一个分析单元，则有 6 中国石油人学( 华东) 硕i ：论j 第l 章稠油油藏携砂冷采增产技术 f = r o + 吒t a n a ( 1 1 ) 式中，r 为砂拱的剪应力；f 。为砂拱的内聚力；o n 为砂拱的正 应力；o t 为砂拱的内摩擦角。 根据库仑一莫尔准则：对于单相流而言，砂拱附近的孔隙压力 分布为 e 哪里4 x k 卜l r t7 1 j ( 1 2 ) 式中，p 为砂拱内某一点的孔隙压力； 只为砂拱内边界流体压力； r 为砂拱的内表面半径； r 为砂拱内某点的半径。 如果令蜀= a + 瓦q 泵, u i g z2 蕊- r 则式( 1 2 ) 为：p = g 。一一9 2 ( 1 2 a ) 如果孑l 壁上岩石处于剪切极限状态，那么，总的径向应力和切 向应力必须满足： s = 1 _ 地l + s i n a 耽j jl 1 + 1 - s i n s i n 矿a s _ 2 f 0c o s q ( 1 3 ) 将式( 1 2 a ) 代入式( 1 3 ) 得： 卟 篇 ( g l 一州也1 + s i n a h jo 而c o s o s a ， 由( 1 3 a ) 得到： 岛= 要满足力学稳定性，必须满足： 7 r 1 3 b ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章稠油油藏携砂冷采增产技术 盟+ 堑二墨2 ：o ( 1 4 ) 将式( 1 3 b ) 代入式( 1 4 ) ，可以得到： 盟；堑墨蚶型：型 m ；， 对式( 1 5 ) 积分可得： 驴 击一等 羔 + 爿丽 去一鲁 卜羔卜i 州 t = 母一只 ( 1 7 ) 将式( 1 2 ) 、( 1 7 ) 代入式( 1 6 ) ，可以得到： 田= 蒜 可4 s ，i 。n 试a - j - 击 + 陶丽岳一嚣 _ - 4 s ，i 咖n a 口 i 一棚 ( 1 8 ) 在孔壁附近，由于产液的流动，就会产生径向拉伸力。当径向 拉伸力等于砂粒间的粘附强度时，孔道壁上的砂粒就发生松动，从 而产生一剪切膨胀区( 简称剪膨区) ，在该区内存在下述关系： 志+ q 一器 一而4 s i n 叫。t 7 j l l l 慨4 s i n 叫a7 面d r = 。n 9 ， 对于完全没有胶结的材料，发生拉伸破坏时盯，= 咒，因此，在 剪膨区存在下述关系： 蒜- 击+ s 1 h + 3 s 岫i n 口 式( 1 1 0 ) 用压差的形式表示为 易母i 盖+ 疋8 等i ( 1 - 1 1 ) 上述公式( 1 1 - - 1 1 1 ) 中，为产液的粘度： 中国右油大学( 华东) 石贞十论文第1 章稠油油藏携砂冷采增产技术 e 为粘附强度； k 为渗透率； 口为单个炮眼的临界产量； 匕为储层压力； s 为砂拱内表面的径向应力： 为砂拱内表面的切向应力。 在润湿相饱和度比较低( 如束缚水饱和度) 时，粘附强度来自于 砂粒与产液间的表面张力。 由式( 1 1 0 ) 或式( 1 1 1 ) 可见：当孔的流量保持不变时，大砂拱比 小砂拱更稳定，但若井眼压降保持不变，保持砂拱稳定的流量与其 半径成币比，此时砂拱半径对其稳定性没有影响，这可由式( 1 1 1 ) 得到证明；在剪膨区内，岩石的内聚强度很小( 几乎为零) ，因此砂 粒问的粘附强度对于砂拱的稳定起到十分关键的作用。 2 ) 油层大量出砂形成蚯蚓洞网络 随着大量砂粒的产出，油层中产生“蚯蚓洞”网络，蚯蚓洞的 形成主要靠砂粒间结合力强弱的差异来实现，而蚯蚓洞的维持与稳 定，则靠砂粒间的结合力强弱、溶解气、岩石骨架膨胀来实现，使 油层孔隙度和渗透率大幅度提高，孔隙度可以从3 0 提高到5 0 以 上；渗透率从2 um 2 左右提高到数十至数百平方微米，极大地提高 稠油的流动能力。室内实验和矿场观察结果均证实了油层中能够形 成蚯蚓洞这一观点9 】【1 0 1 。 砂粒发生冲刷破坏的关键是拖曳力能克服砂岩基质的阻力，流 体流经砂岩基质( 达西流) 时，拖曳力主要是粘滞力( 体积力) 。砂岩基 质的阻力基本上为面积力，表现为胶结力、吸附力和接触力，这些 面积力联合起来与体积力抗衡。我们假设在蚯蚓洞壁上的一个受力 单元，厚度为，其大小根据分析研究时的需要而定，可以和平均 粒径一样小，也可以是几十或几百个砂粒大小，但要比所分析的蚯 蚓洞直径小。 如果忽略单个砂粒脱落的细节过程，当上面分析的面积力大于 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章稠油油藏携砂冷采增产技术 体积力时，蚯蚓洞表面才能保持稳定。 r ，则上述条件可以用下式表达： 呸了( 一考) 办 假设流体流入孔道的半径为 ( 1 1 2 ) 式中，盯，为砂粒的表面强度；p 为流体压力。 在孔道形状为球面形的情况下，如果假设流体是不可压缩的， 当然在稠油携砂冷采过程中，溶解气占有重要角色，这里，为了计 算方便，暂时假设流体是不可压缩的，这样，压力梯度反比于半径 的平方，我们可以对式( 3 1 2 ) 右边进行积分，用p 。表示油藏压力，p 表示孔道壁上的压力，r s 表示泄油带半径( 在泄油带之外，油藏保持 原始油藏压力) ，则可以得到下面的关系式： 且，一一，( r ，一) z 一4 l p , , - p ( r ) r , a r = 三l ( 1 1 3 ) 2 如上所述，选取的受力单元的厚度一般远小于孔道的半径， 而孔道的半径又小于泄油半径，即 r r s 。因此，可以用a ，r 。 对上述不等式进行变换，经过简化，可以得到近似式： r 虹二丛墨出 仃。 ( 1 1 4 ) 当不等式( 1 1 4 ) 成立时，孔道将发生冲刷破坏。反之，即当该不 等式不成立时，冲刷破坏作用就将停止，式( 1 1 4 ) 中等号成立时，詹 为发生冲刷破坏的临界半径。因此，位于会聚流中心的d , - i l 道将保 持继续生长，直到孔道半径达到临界值为止。在孔道形状为圆柱形 的情况下，流体流动方式为径向流，此时也可以得到与上式相似的 结果： 肛错 l 月 一般情况下，r 。约比r 大一个数量级。因此，l n ( r 。r ) 大于l ， 但是其值也不会很大。比较式( 1 1 4 ) 和式( 1 1 5 ) ，显然，可以认为， o 中国也油大学( 华东) 硕+ 论文第l 章稠油油藏携砂冷采增产技术 在相同的油藏条件和砂岩物性情况下，径向流的临界半径略小于球 面流的临界半径。半径大于临界半径时，冲刷破坏作用停止。 由式( 1 1 4 ) 和式( 1 1 5 ) 可以看出，孔道越小，拖曳力与阻力之间 的不平衡越大，孔道也就越不稳定，孔道会继续生长，直到达到临 界半径。蚯蚓洞的顶端的曲率半径更小，蚯蚓洞在此处生长的更快。 在圆柱状孔道处的压力梯度将降低到一个临界值，低于该值蚯蚓洞 将停止生长。 可以近似地把进入蚯蚓洞未端的流体流动方式看作半球面流， 而把进入蚯蚓洞主体部位的流体流动方式看作径向流。由此可以得 到这么一个结论，即先是蚯蚓洞主体部位的半径停止扩大，然后才 是蚯蚓洞未端停止生长。因此，蚯蚓洞的实际半径受两个临界半径 所限制。即然式( 1 1 2 ) 包含了流体冲刷破坏的机理，那么蚯蚓洞的大 小主要与蚯蚓洞生长的运动学特征有关。直观他说，蚯蚓洞半径应 该接近于那个较小的临界半径。 可以分别由式( 1 1 4 ) 和式( 1 15 ) 计算两个临界半径，如果假设油 藏与蚯蚓洞之问的压力降为3 m p a ，砂岩砂粒平均粒径为2 0 0 um ， 这样可以取= 2 0 0 pm ，基质强度为1 0 k p a ：在这种情况下，如果 r s r = 1 0 ，则由式( 1 1 4 ) 和式( 1 1 5 ) 可以得到两个临界半径分别为6 和2 6 e m 。因此，在上述条件下，蚯蚓洞的直径介于5 2 和1 2 c m 之 间。 尽管这种估算值可能没有所期望的那样精确，但是它给出了蚯 蚓洞直径的可能范围。而且，式( 1 1 4 ) 和式( 1 1 5 ) 还表明，当长度方 向向油层深处继续生长时，其未端压力逐渐增加而使压力梯度降低， 这样蚯蚓洞直径逐渐变小。 稠油携砂冷采油井的多个射孔孔道分别向油层深处生长，每个 蚯蚓洞在生长过程中的一个关键参数是压力梯度和地层基质应力， 只有压力梯度超过某一临界值时才会发生地层冲蚀。如果地层中应 力分布是均一的，那么蚯蚓洞就向压降最陡的方向生长；如果各方 向压降一样，蚯蚓洞就会沿基质最脆弱的方向生长。当蚯蚓洞延伸 一定长度而其未端与油减之间压差变得很小时，冲蚀作用停止，蚯 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章稠油油藏携砂冷采增产技术 蚓洞停止延伸，这时流体冲刷作用开始，带走洞内沉积下来的砂粒， 并使未端压力下降，从而使之与地层之间压差增大，当压差再次达 到临界值时，蚯蚓洞又开始生长，在这个过程中，如果蚯蚓洞壁上 有薄弱环节，蚯蚓洞就可能在这一点开始分裂，分裂的地点和方向 是由压力梯度和应力控制的，但宏观上生长方向与条数都不确定， 蚯蚓洞分叉的现象类似于植物根的生长机理。以此类推，越向远处 ( 相对于井筒) 分叉越多，且它们之间相互联系，形成蚯蚓洞网络。 3 ) 储层中微粒运移机理 由于地层砂的粒度是有一定分布，不同粒度的砂粒所受各种力 的比例就不相同，对于粒度大一些的，重力就是主要的，而对于细 粉砂，就必须考虑化学力的影响，因此，不同粒度的砂粒的运移规 律也不相同。 有关固体颗粒在多孔介质中运移实验的核心设备是微模型。这 种微模型由两块玻璃板组成。其中一块用化学蚀刻的方法把网状孔 隙结构刻成二维模型；另一块上面有进、出孔，以便液体和颗粒流 进和流出。在这种二维模型中，均布孔隙结构是一种理想化模型， 而非均布孔隙结构则是以真实岩心的孔隙结构为样板、经特殊处理 方法制成的。为了不同的实验目的，微模型还设计成层状模型和动 滤失模型。 当颗粒以悬浮状随携带液进入微模型后，携带液总是选择阻力 最小的路径流动。当孔隙通道的弯曲程度、形状、大小各不相同时， 就迫使携带液不停地急剧改变流速和方向。在这个过程中，颗粒在 重力作用下，一直有脱离携带液而沉降的趋势；同时，由于孔壁对 颗粒的阻力以及颗粒间的互相碰撞，使运动颗粒本身能量不断损 失，这就加速了颗粒从携带液中分离出来，并沉淀、堵塞在孔隙喉 道中的过程。 当颗粒在一个非均匀剪切速率流场里运动时，其上将作用一个 旋转力矩。特别当颗粒形状是非球形时，旋转力矩将迫使颗粒在运 动时不停地旋转。当颗粒一旦碰在孔壁上，决定它能否被孔隙介质 捕捉住的重要因素是颗粒本身的能量是否全部损失。如果颗粒本身 中国石油大学( 华东) 硕i ：论文第l 章稠油油藏携砂冷采增产技术 仍有足够的能量，尽管它在运动中已接触到孔隙壁，但它仍能摆脱 孔隙壁向孔隙介质的深处运动。很多研究者在实验中发现p l l 4 ，当使 用不同尺寸和密度的颗粒，在其它实验条件相同时，小尺寸的二氧 化铁( 密度为5 7 9 c m 3 ) 颗粒大部分都随携带液流出了微模型，小部分 才沉淀在孔隙通道上；当颗粒尺寸为平均孔隙直径的1 4 以上时， 孔隙喉道的堵塞总是首先由一个或几个颗粒在孔隙通道上沉淀下 来，直接造成孔隙直径缩小，使颗粒难以通过。后来的颗粒经过几 次与孔隙壁和沉淀颗粒碰撞后，也沉淀下来。经过这样一个过程， 孔隙喉道才逐渐被堵塞起来。 颗粒堵塞孔隙喉道的过程，是一个随机而复杂的过程，因素很 多，如携带液流经孔隙时的流速，携带液的粘度，颗粒在携带液中 的浓度和级配，以及颗粒本身的性质对其都有影响，并不仅仅是与 颗粒尺寸有关。当携带液流入孑l 隙介质时，流动状态不仅随流速和 压力差而变化，而且也随颗粒在孔隙喉道中的堵塞状况而变化。当 颗粒在一个孔隙喉道中沉淀下来，使孔隙喉道的过流断面减小，造 成这个孔隙喉道中的流速增快，阻力增加，液体就会转向其它孔隙 喉道。这样，未堵塞孔隙中的流速自然增大。在这个过程中，液体 流动状态往往会发生改变，开始以层流状态流动的液流会改变成紊 流流动，而且在孑l 隙介质表面( 即被堵塞的部分) 往往出现涡流。这 些现象都说明，液体流入孔隙介质时，并不仅仅以层流状态流动。 由上面的分析可以看出，微粒在多孔介质中的运移一方面可以 增大多孔介质的孔隙度，另一方面，也可能发生堵塞。对于稠油冷 采来说，就必须促进油井出砂，使近井地带形成高渗透层。 使用微模型可见方法研究固体颗粒对油层的损害机理得到许多 有用的结果，而且是其它实验难以得到的结果。这些结果对研究固 体颗粒在油层中的运移，运移过程造成油层渗透率变化有着十分重 要的意义。 1 2 影响稠油油藏携砂生产的因素 稠油冷采技术适用的油藏范围较广，对于油层厚度、原油粘度和油 藏压力没有明显的限制，油藏的条件以满足螺杆泵采油工艺能够达到的 l3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章稠油油藏携砂冷采增产技术 水平为宜。只要油层能够出砂的稠油油藏均可采用该技术，目前，影响 该技术能够适应的油藏深度，主要是螺杆泵采油工艺技术下泵深度和排 量的限制。而地层原油中含有一定溶解气，油井距边底水较远则更能发 挥携砂冷采的作用。 1 2 1 储集层物理性质的影响 在油层特性中，胶结程度和粒度对携砂冷采效果影响最大。 ( 1 ) 油层胶结程度的影响。 油层胶结力越低，原油渗流过程越容易导致油层原生结构破坏，使 砂粒发生迁移，因此，携砂冷采最适宜于胶结疏松砂岩油藏，与此相适 应，要求油层泥质含量较低，钙质胶结物少或无，不适应胶结程度很高 的致密砂岩油藏。 有些油藏油层存在一定程度的胶结，如果加大生产压差，或通过适 当的激励措施，就可以破坏油层原生结构，流体渗流过程中使砂粒在相 对脆弱带发生崩落，蚯蚓洞网络可以延伸至这些区域，因此，在一些半 胶结油层，也可以采用携砂冷采技术。 稠油携砂冷采井一般采用射孔完井方式，射孔孔道呈圆柱形，末端 呈圆弧型。流体渗流过程中，射孔孔道末端压力梯度较高而岩石强度最 低，蚯蚓洞沿射孔孔道末端朝胶结力最小的方向发展，形成蚯蚓洞网络， 这是在疏松砂岩油层中能够形成蚯蚓洞的渗流力学和岩石力学机理。 ( 2 ) 砂粒粒径的影响。众多出砂机理研究结果表明，当孔眼直径小 于4 倍的砂粒粒径时，砂粒容易在孔眼外形成稳定的砂桥，不利于砂子 继续产出并形成蚯蚓洞；当孔眼直径大于6 倍的砂粒粒径时，则难以形 成砂桥，有利于出砂，促使蚯蚓洞的形成和发展。可见，稠油携砂冷采 应用于砂粒径小的砂岩油臧，采取大孔径射孔有利于携砂。而应用于砾 石含量很高的砂粒岩油藏则效果不理想。 1 2 2 原油性质的影响 ( 1 ) 原油粘度的影响。室内试验结果表明：当脱气原油粘度小于 3 0 m p a + j 时，不能形成泡沫油；当脱气原油粘度小于5 0 0 m p a s 时，泡 沫油持续时间短，稳定性差。另外，当脱气原油粘度小于5 0 0 m p a 。j 时， 1 4 中国石油丈学( 华东) 硕 ：论文第l 章稠油油藏携砂冷采增产技术 原油本身携砂能力低。因此，可以将脱气原油粘度5 0 0 m p a s 作为稠油 携砂冷采技术应用的粘度下限。但是，稠油携砂冷采技术适应的原油粘 度上限到底是多少，尚无明确答案。按照成功的报道，稠油携砂冷采技 术应用原油粘度范围为5 0 0 5 0 0 0 0 0 m p a 一。而且，如果原油含有胶质 沥青质较高，有利于形成稳定的泡沫油。 ( 2 ) 溶解气的影响 溶解气对于稠油携砂冷采的作用主要表现在三个方面，一是提供原 油从地层流向井底的能量。二是提高原油的携砂能力，三是降低井筒压 力梯度。 含溶解气原油从油层深处向井筒流动过程中，随着压力的降低，地 层原油中产生大量微气泡，形成泡沫油流动，且气泡不断发生膨胀，为 原油的流动提供了持续而稳定的驱动能量。 溶解气在稠油中脱出后，以微气泡形式存在，稠油中的微气泡与稀 油中的不同，由于稠油中胶质和沥青质含量较高，包裹气泡的油膜强度 大，气泡不易破裂。随着压力的降低，除了气泡本身发生膨胀外，由于 界面力和油粘度的影响，油气之间重力分离作用变得不明显，微气泡之 问聚并作用也不明显，含气的稠油将以比较稳定的泡沫油形式存在。微 气泡界面张力的存在，使产出液携砂能力提高。 由于溶解气的存在，同样质量的泡沫油体积相对不含气原油体积增 大，使井筒流体平均密度大大降低，从而降低了井筒压力梯度，减小了 螺杆泵工作压差，同时使产出液体积含砂率降低，降低了携砂采油难度。 多数实施稠油携砂冷采的油田都有一定溶解气，但个别没有溶解气 的油田也成功地实施了稠油携砂冷采，而某些溶解气量过大的油田却不 能实施稠油携砂冷采，这说明需要正确理解和运用溶解气对于稠油携砂 冷采的作用。 1 2 3 油层压力及深度的影响 在常规开采中，油层压力及其变化对开发指标的影响很大。按照矿 场实践经验，油层压力对稠油携砂冷采产油量和丌采动态的影响如下： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章稠油油藏携砂冷采增产技术 油层压力高，能够为原油流向井底提供充足能量。而油流能够流到 井底是油井能够生产的先决条件，因此，实施冷采的油层，要有足够的 压力，有一些油层深度很浅，油层压力很低，无法放大生产压差，实施 携砂冷采比较困难。 按照常识，油层较深，上覆地层对油层的压实作用大，油层砂岩胶 结强度较高，油层强度还与粘接物质有关。国内外也有些埋藏深度超过 3 0 0 0 m 的油层，胶结强度很低，一旦射孔生产，出砂非常严重，说明深 层油藏也有胶结强度很低的油层。 油层深度在8 0 0 米以内，现有的螺杆泵携砂生产工艺较易实现，当 油层深度超过8 0 0 米，需要对螺杆泵携砂生产工艺进行适当的调整，以 解决抽油杆容易断脱、螺杆泵压头不够、砂埋泵以后打捞等技术问题。 目前，已经有多个报道，螺杆泵携砂生产下泵深度达到1 5 0 0 m ，不过， 仍有许多工艺技术需要改进，如抽油杆的耐扭强度和扶正技术等。 1 2 4 边水和气顶的影响 油井所处构造部位不同，开采效果差异很大。位于构造低部位或近 气顶的油井，面临着出砂形成的蚯蚓洞与边水或气项连通的危险。一般 要求实施携砂冷采的油井，远离边水和气顶。远距离的边水压力能够向 油井传递，为原油流向蚯蚓洞提供比较均匀的动力，因此，国内外成功 实施携砂冷采的油藏，一般具有边水条件。 1 3 稠油油藏携砂生产关键技术 1 3 1 螺杆泵 1 ) 螺杆泵的选择 稠油携砂冷采技术实施的主要设备是螺杆泵，螺杆泵要具有以下一 些特殊要求： ( 1 ) 携砂能力强，要求能够达到短时间携砂6 0 的能力，而长时间 携砂生产要求定子橡胶耐磨寿命高。 ( 2 ) 过盈扭矩小，这要求泵在同样单转排量的情况下，采用大偏心 距的结构。 ( 3 ) 单转排量适当减小，这有利于提高泵的携砂能力。 2 1 螺杆泵的下泵深度 1 6 中国石油人学( 华东) 硕 ：论文第1 章稠油油藏携砂冷采增产技术 稠油在携砂冷采过程中，如果泵下得太浅，套管内径远大于油管内 径，产出液流速达不到携砂要求，则油层可能会在很短的时间内被砂粒 埋住，抑制砂粒和流体的进一步产出，严重降低开采效果，而且泵下得 太浅时，生产压差也较低，不利于激励油层出砂：如果泵下得过深，则 在泵携砂不及时的情况下，泵可能被砂粒埋住而使油井被迫停产作业。 因此，下泵位置是携砂冷采井很关键的一个参数。 稠油携砂冷采井比较普遍的作法是将泵下入油层底部，即泵下尾管 进油口位于油层射孔部位底部，而泵的位置由进油口到泵的距离而定。 在开始采油最初几天，为了避免螺杆泵抽空，也为了加大液量提高 携砂能力，可以从环空注入一定量的原油和化学剂。在观察产出液含砂 情况和动液面变化情况后，逐步调整注入量，直至停止注入。 为了避免砂埋油层，在丌始采油最初几天要特别谨慎，尽可能避免 停泵。 螺杆泵排量应根据油臧地质参数和试采资料进行确定。一般来说， 油井大量出砂后，每米油层日产油能力可以达到l 3t ，这可作为螺 杆泵排量设计的初步依据 1 。 1 3 2 抽油杆 早期螺杆泵采油系统使用的抽油杆是常规的抽油机采油系统使用 的抽油杆，这种抽油杆比较耐拉，但不耐扭，普遍采用2 5 4 m m 的一级 杆柱设计。为了能够增大抽油杆的抗扭强度，部分油田采用空心抽油杆， 由于空心抽油杆接箍壁厚只有5 5 m m ，抽油杆在旋转运动的同时还有横 振，容易造成接箍损坏，有些油田对空- 1 5 , 抽油杆的接箍进行了改进，增 加壁厚到6 o m m ，取得了好的效果。 为了适应螺杆泵携砂采油以及下泵深度增加导致扭矩增大的需要， 稠油携砂冷采井采用更高抗扭得抽油杆，一种是连续抽油杆，另一种是 高抗扭抽油杆。前者除与泵和光杆连接部位有接箍外，其余部分没有接 箍，抗扭强度只决定于杆体直径和机械性能。后者是仿照钻柱的接箍设 计，采用椎形螺纹，由于锥形螺纹公扣顶端直径小，根部直径大，而母 扣的丌口部位壁厚小，根部壁厚大，使得接箍抗扭强度大大增加，根据 测试，这种结构的接箍抗扭强度已经能够达到抽油杆杆体的抗扭强度。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章稠油油藏携砂冷采增产技术 椎形螺纹接箍抽油杆的抗扭强度比较大，在作业施工中可以用比较大的 上扣扭矩，卸扣扭矩与上扣扭矩成正比，因此这种抽油杆具有较好的防 倒扣性能。 1 3 3 电机变频调速 不采取变频调速的螺杆泵采油系统，一般采用大小皮带轮匹配的方 法调速，调速时必须停机。由于停井造成油井生产的中断，使井底压力