（石油与天然气工程专业论文）膨胀筛管防砂技术的研究及应用.pdf

膨胀筛管防砂技术的研究及应用 刘向明( 石油与天然气工程) 指导教师：张建国( 教授) 贾庆仲( 教授级高级工程师) 摘要 本文根据辽河油田稠油开发过程中出砂问题，开展新型防砂筛管 的研究与应用，以此来解决辽河油田稠油吞吐中后期地层出砂越来越 严重的问题。筛管防砂技术均是以地层砂为基础，通过调整防砂筛管 的挡砂缝隙来阻挡地层砂，使地层砂形成自然分选的人工砂桥来屏障 地层砂。但所有的筛管外径尺寸一定，始终存在。个筛套环空，由于 筛套环空的存在，砂环的渗透能力随生产的进行逐渐降低，最终导致 产能下降，直至停产。膨胀筛管防砂技术是针对稠油、超稠油油藏的 这一问题开展研究，可以实现筛管的径向膨胀和收缩，消除套管与筛 管之间砂环，延长筛管防砂有效期，解决打捞作业困难问题。室内试 验和现场试验证明了该技术具有良好的膨胀收缩性能，施工简便，打 捞作业容易，防砂生产效果明显，具有良好的应用前景。 两年来，通过现场1 3 井次的试验及其应用，防砂效果取得明显的 效果，解决了普通筛管防砂技术防砂后堵塞问题，产能下降问题和后 期打捞困难问题，此项研究填补了辽河油田筛管防砂领域的空白，使 筛管类防砂理论上和防砂工艺技术上又提高到一个新的水平。 关键词：防砂，膨胀筛管，胀锥，割缝，大通径悬挂器，膨胀，打捞， 试验，软件，力学分析 u t h es t u d ya n dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo ft h e e x p a n s i o ns a n ds c r e e n l i ux i a n g m i n g ( o i l & g a se n g i n e e r i n 9 1 d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gl i a n g u oa n dp r o f e s s o ro fe n g i n e e r i n gj i a z h o n g q i n g a b s t r a c t t h ep a p e rb a s eo nl i a o h e o i lf i e l dt h i c ko i ls a n d i n g ，s t u d ya n da p p l y n e wt y p es a n ds c r e e nt os e t t l em o r es e v e r es a n d i n gi ns t e a mh u f fa n dp u f f , t h es c r e e nu s e df o rs a n dc o n t r o li sb a s eo nf o r m a t i o ns a n d ；a d j u s ts c r e e n s l o ts i z et ob l o c ko f ff o r m a t i o ns a n do u t s i d ed i a m e t e rs i z eo fs c r e e nh a s s o v n ed e m a n d sf o rh o l ed i a m e t e ra n dj o be x e c u t i o nl i m i t a t i o n f o re x i s t i n g s c r e e nc a s i n ga n n u l u s ，p e r m e a b i l i t yo fs a n dr i n gd e c r e a s e sf o l l o w i n g p r o d u c t i o n ，a tl a s t ，s h u to f f t h ee x p a n s i o ns a n ds c r e e ni sd e v e l o p e df o r t h ep r o b l e m ，w h i c hc a n sr a d i a le x p a n s i o na n ds h r i n k a g eb l o c k sf o r m a t i o n s a n do f fc a s i n g ，s oe l i m i n a t es a n dr i n ga f f e c tp e r m e a b i l i t yo fw e l l ，a n di s w e l lf o rc a t c h i n g t h el a be x p e r i m e n ta n dt e s to ns p o ts h o wt h et e c h n i q u e h a se x p a n s i o nc a p a b i l i t ya n dh a v eg o o dd e v e l o p m e n tf o r e g r o u n d i nt w oy e a r s ，2 3w e l l so ft e s ta n da p p l i c a t i o n ，e f f e c to fs a n dc o n t r o l o b r a i n so b v i o u s l ye n h a n c e ，s e t t l i n gn o r m a ls c r e e ns a n dc o n t r o lp l u g g i n g ， d e c r e a s i n go fp e r m e a b i l i t ya n dd i f f i c u rc a t c h i n g t h es t u d ys u p p l y i n ga g a po fl i a o h e o i lf i e l ds c r e e ns a n dc o n t r o l ，i sm a j o rt e c h n o l o g yo fs a n d c o n t r 0 1 a n ds c r e e ns a n dc o n t r o li n c r e a s en e wl e v e l 1 1 i k e l ，w o r d s ：s a n dc o n t r o l ，e x p a n s i o ns a n ds c r e e n ，e x p a n d a b l ec o n e ，s l o t 、 l a r g ed i a m e t e rh a n g e r ，e x p a n s i o n ，c a l c h i n g ，t e s t ，s o f t w a r e ，t h e r m o d y n a m i c a n a l y s i s 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已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名： 驾鱼蜩 一f 年 ，7 月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、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。 学生签名：皇! i 塑堕旦州年 ，月如目 导师签名：i 生鱼! 蓟。r 年，月一日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第l 章前言 第1 章前言 辽河油阳是一个复杂断块油田，油藏类型多，稠油、超稠油油藏 占很大比例，目前开发普遍采用蒸汽吞吐开采方式，而且大多数区块 晌油井进入中后期开发阶段，出砂问题相当严重，统计到2 0 0 4 年底出 砂区块有2 2 个，占投入开发油田区块的( 4 5 个) 4 8 9 ，出砂井包括 稠油井、超稠油井、稀油井、水井和气井等。随着出砂区块的开发深 入，出砂已经成为制约油田开发的主要因素，治理难题是： 随着注汽轮次的增加，开采的加剧，地层亏空越来越严重，油井 压力下降，防砂后筛管堵塞现象严重，对产能影响较大；因出砂油井 套变越来越多，大井段出砂井增多，防砂难度加大；油井含水上升， 破坏了地层的胶结结构，加剧了地层的出砂：超稠油水敏地层，油井 火量出细粉砂。 针对以上问题，我们综合了目前各种防砂技术的优缺点，结合区 块的防砂难题，开展了膨胀筛管防砂技术研究与应用，以此来进行区 块砂害治理。 2 0 0 3 2 0 0 4 年通过对膨胀筛管防砂技术的开发和研究，使该技术 趋于完善并在现场得到成功应用。 1 1 出砂的危害 油气井出砂是石油开采过程中遇到的重要问题之一。每年要花费 大量的人力物力进行防治和研究。如果砂害得不到治理，油气井出砂 烙越来越严重，致使出砂油气藏不能有效开发。出砂的危害主要表现 1 1 ：i j 以下三方面“1 ： ( 1 ) 油气井减产或停产作业 p 巨h i 油大学( 华尔) l 一程硕士学位沦文第1 章前言 油气井出砂，最容易造成油层砂埋、油管砂堵、地面管汇和储油 罐积砂，因此，常常被迫起油管清除砂堵、冲洗砂埋油层、清理地面 管汇和储油罐。由于出砂十分严重，恢复生产不久，又要重新进行防 砂作业，周而复始，生产周期越来越短，使油气井的产量大减。 ( 2 ) 地面和井下设备磨蚀 由于油气井产出流体中含有地层砂，能使抽油泵阀座磨损而不密 封、阀球点蚀、柱塞和泵缸拉伤、地面闸门失灵、输油泵时轮严重冲 蚀。油气井不得不停产进行设备维修或更换，造成产量下降、成本上 引。 ( 3 ) 套管损坏、油井报废 油气井出砂晟严重的情况是随着地层出砂量的不断增加，套管外 的地层空穴越来越大，到一定程度，往往会导致突发性的地层垮塌。 套管受垮塌地层砂岩团块的撞击和地层应力变化的作用，受力失去平 衡而产生变形或损坏，这秘情况严重时会导致油并报废。 油气井出砂问题必须立足于早期防治，不能任其发展酿成后患， 此外，地层砂产出井筒，对环境造成污染，尤其是海洋油气田，更为 环境保护法规所制约，所以油气井防砂不仅是油气开采本身的需要， 也是环境保护的需要。 1 ，2 出砂原因 地层出砂情况十分复杂，出砂与油层深度没有明显的界限，一般 来说地层应力超过地层强度就可能出砂。从出砂原因分析，可分为先 天性原因和开发因素；从出砂类型分析，可分为充填砂和骨架砂；从 出砂机理分析，可分为宏观出砂和微观出砂【8 】【9 1 。 i 1 困1 油大学( 华j 、) l 桦硕士学 l j ：沦文第1 章前言 油气井出砂，最容易造成油层砂埋、油管砂堵、地面管汇和储油 罐积砂。因此，常常被迫起油管清除砂堵、冲洗砂埋油层、清理地面 管汇和储油罐。由于出砂十分严重，恢复生产不久，又要重新进行防 砂作业周而复始，生产周期越来越短，使油气井的产量犬减。 ( 2 ) 地面和井下设备磨蚀 由r 油气井产出流体中含有地层砂，能使抽油泵阀座磨损而不密 封、阀球点蚀、柱塞和泵缸拉伤、地面闸门失灵、输油泵叶轮严重冲 蚀。油气井不得不停产进行设备维修或更换，造成产量l 、降、成本上 引。 ( 3 ) 套管损坏、油井报废 滴气井出砂最严重的情况是随着地层出砂量的不断增加，套管外 的地层空穴越来越大，到一定程度，往往会导致突发性的地层垮塌。 套管受垮塌地层砂岩团块的撞击和地层应力变化的作用，受力失去平 衡而产生变形或损坏，这种情况严重时会导致油井报废。 油气井出砂问题必须立足于早期防治，不能任其发展酿成后患， 此外，地层砂产出井筒，对环境造成污染，尤其是海洋油气田，更为 环境保护法规所制约，所以油气井防砂不仅是油气开采本身的需要， 也是环境保护的需要。 1 2 出砂原因 地层出砂情况十分复杂，出砂与油层深度没有明显的界限，一股 来说地层应力超过地层强度就可能出砂。从出砂原凼分析，可分为先 天性原幽和开发因素；从出砂类型分析，可分为充填砂和骨架砂；从 帛砂机理分析，可分为宏观山砂和微观出砂8 。 帛砂机理分析，可分为宏观山砂和微观出砂8 】嘲。 巾国石油人孑( 华东) 工程硕士学位论文 第1 章前言 ( 1 ) 先天性原因 先天性原因是指砂岩地层的地质条件，也就是砂岩地层含有胶结 矿物数量的多少、类型的不同和分布规律的差异，再加上地质年代的 因素，就形成了砂岩油气藏不同的胶结强度。般来说，胶结矿物数 量多、类型好、分布均匀、地质年代早，砂岩油气藏的胶结强度就大， 反之就小。 ( 2 ) 开发因素 人为的开发因素造成油气井出砂，有的可以避免，有的不可能避 免。不恰当的开采速度以及采油速度的突然变化，落后的开采技术( 包 括不合理的完井参数和工艺技术) ，低质量和频繁的作业修井，设计不 良的酸化作业和不科学的生产管理等造成油气井出砂，这些都应当尽 可能避免。 。随着油气田开发期延续，油气层压力自然下降，储层砂岩体承载 砂粒的负荷逐渐增加，致使砂粒间的应力平衡破坏，胶结破坏，造成 地层出砂。另外地层注水可能使储层中的粘土膨胀分散，有的还会随 地层流体迁移使地层胶结力下降。此外，地层中的两相或三相流动状 态能增加对地层砂的携带力。以上这些因素在开发过程中是难以避免 的。 1 3 出砂类型 一般油层出砂可分为充填砂和骨架砂。当流体的流速达到一定值 时，首先使得充填于油层孑l 道中的未胶结砂粒发生移动，油井开始出 砂。随着流速的增加、油井受力发生变化，油井出砂量增加。当流体 的流速和生产压差达到某一定值时，油井发生剪切破坏，造成岩石结 1 l | 重hf 油大学( 华j i ) 一 程硕士学位论文第1 章前言 构损坏、使骨架砂变为自由砂，被流体带着移动，引起油井大量出砂。 通常把使充填砂运动的流速称之为油层出砂的门限流速：把使骨架砂 变为自由砂移动的压力称之为临界压力8 “1 。 1 4 出砂机理 1 41 油井出砂的宏观机理 众所周知，处于地层深处的岩石，受到上覆岩层压力、水平地应 力及地层孔隙压力的作用，在井眼钻开前，地下岩层处于平衡状态。 但是油气井在生产过程中，岩石中的应力状态要发生变化，可能导致 岩石破坏，岩石的破坏形式主要有两种： ( a ) 剪切破坏是大多数现场出砂的基本机理。通常以岩石力学的 库仑一莫尔破坏准则为基础，认为出砂是由于地下油藏岩石发生了剪 切破坏，从而产生了破裂面，破裂面的产生降低了岩石承载能力并进 步破碎和向外扩张，同时由于产液流动的拖拽力，将破裂面上的砂 子携带出来，导致出砂。 剪切破坏机理主要受到以下的试验结果支持； 油气的采出速度对油井开始出砂的影响： 岩石的剪切强度和开始出砂有很好的关系； 影响出砂的其他因素直接关系到有效地应力的大小。 ( b ) 拉伸破坏是岩石出砂的另一个机理。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。 实际上两种机理同时起作用并相互影响。剪切引起地层破坏后， 地层颗粒更容易在产液拖拽力作用下发生运移。即使是在剪切破坏为 第1 章前言 基本机制时，流体流向井眼携带砂粒仍然是十分重要的。 1 4 2 油井出砂的微观机理 从微观上看，出砂是由于地层流体对岩石颗粒的冲蚀而引起的。 流体经砂体的小孔隙时，产生摩擦和压降。当压力很大且砂粒的胶结 物少或者缺少胶结物时，单个砂粒开始移动并进入井筒。 1 5 防砂技术现状 针对日趋复杂和严重的出砂问题，油田科研工作者研究应用了多 种防砂技术，每种防砂技术各有其特点及适应性，而且各项技术的研 发与完善都或多或少地相互关联。防砂技术的多样性，适应了我国各 油田出砂的复杂性，各种防砂技术在各油田大规模推广应用，为原油 产量持续稳定增长做出了重要贡献”1 。 1 5 1 防砂工艺研究 在6 0 年代开始了化学防砂技术的研究应用，很快形成生产能力， 发展了酚醛树脂溶液地下合成，水带干灰砂等多种工艺，成为当时的 主要防砂方法。随着油田的深入开发，7 0 年代开始了机械防砂的研究， 首先研制成功了环氧树脂砂粒滤砂管并广泛应用取得良好效果，进入 8 0 年代在学习国外技术的基础上，又研究发展了以金属绕丝筛管砾石 充填为主导的机械防砂技术。由于它强度高、适应性强，防砂成功率 高等优点，而得到迅猛发展，并成为当前防砂的重要手段。9 0 年代之 后出现了适用于注汽开发的高温固砂剂，高温人工井壁技术，而且机 械防砂技术继续蓬勃发展，出现了金属棉筛管，整体烧结金属纤维筛 管，由于它们防砂工艺简单，施工成本低，一时成为主导性防砂技术。 在2 0 0 0 年前后，随着老区和超稠油、特稠油区块防砂生产矛盾的日益 幽i i 油大学( 华尔) 工程硕士学位论文第1 章前言 突出，出砂问题更加复杂化，传统的防砂方法和防砂思想已不能满足 现代防砂的需要。油田科研人员开始了接替技术的研究和探索，通过 借鉴融合其它采油工艺技术，形成了新型复合防砂技术，如防砂排砂 技术、复合射孔防砂技术、压裂防砂技术。为解决筛管防砂后堵塞和 打捞问题，研制应用了膨胀筛管防砂技术。 1 5 2 防砂理论研究 翰砂理论研究国外起步较早，5 0 年代就开始应用现场经验法、计 算法来预测地层出砂。7 0 年代中期，利用声波测井资料检测地层强度 预测地层是否出砂。近年来利用声波数据回归岩石破碎压力，至此利 用测井资料预测地层出砂情况的方法已经成熟，另外还从砂体的结构 力学上分析出砂规律。 国内现场对油气藏出砂机理及出砂规律的研究较少，国内石油院 所及石油院校对出砂机理及出砂规律的研究主要是利用实验法和理论 汁算方法。在出砂预测上还是以原来的五种方法为主，而运用计算方 法预测地层出砂所需的岩石三轴实验资料因现场不易获得，实用性差a 6 巾同打油大学( 产东) ，l 程硕士学位论文第2 章膨胀筛管的研制 第2 章膨胀筛管的研制 膨胀筛管防砂技术是针对稠油、超稠油油藏研究的一种新技术，可 以实现筛管的径向膨胀和收缩，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，同时由于消除了套管与 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 1 技术概要 在储层胶结疏松砂岩油藏的开采过程中，特别是进入开发中后期时， 地层出砂变得越来越变严重，成为制约油井正常生产的主要原因之一， 为此油田科研工作人员逐渐加大了对防砂的研究力度。在机械防砂领域 曾先后出现了绕丝筛管、割缝筛管、金属棉筛管、t b s 筛管。这些筛管 的防砂机理基本相同：即地层砂进入井筒之后，较细的砂粒，经过筛管 过滤层，随油流排至地面，而一些较粗的砂粒滞留于井筒与筛管之内的 环套空间中，形成过滤砂桥，并起到防砂的作用。这些筛管共同存在以 下问题5 1 1 1 6 】= ( 1 ) 当地层砂分选性差时，细砂填充于粗砂孔隙之间，难以形成高 渗透率的油流通道。根据达西定律，油流通过时，造成很大的压力降， 增大了油流流动阻力，限制了油井的产量，所阻筛管防砂经常会出现早 期生产还正常，但经过不长时间后供液效果越来越差，最终停产。 ( 2 ) 由于环套空间存在砂环，筛管打捞作业时，砂环的磨擦力大， 7 ! 里! ! 垫查堂! 兰堡! 三堡堡主兰垡堡兰 蔓! 兰些鉴鳖堕盟 容易卡死筛管，经常造成大修，增加作业成本，所以筛管后期的打捞工 作是项不可忽视的问题。 针对以上缺点和不足之处，我们提出并研究试验了膨胀筛管防砂技 术，该技术的主要工作部件是膨胀筛管、大通径悬挂器及膨胀胀锥，三 者的合理设计和组合，有效绝解决筛套环空的堵塞和后期作业钓打捞问 题，并在现场的实际应用中收到了良好的效果。 2 2 膨胀筛管的结构 膨胀筛管( 见图2 - ) 由膨胀外管，膨胀基管，过滤层三部分组成。 当筛管与封隔器联接在一起下到设计位置时，通过一个水力式膨胀胀锥， 使其径向膨胀变径，筛管的外壁紧贴套管内壁，之间没有间隙，从而消 除砂环。 当打捞作业时，通过一个特制的捞锚，在轴向拉力作用下，筛管径 阳收缩+ 锯卡提出。膨胀筛管的技术指标见表z - l ， l 嘭胀外套2 澎胀基管3 过滤层 图2l 膨胀筛管结构原理 中国石油人学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章膨胀筛管的研制 表2i 膨胀筛管的技术指标 项目单位技术指标 外径1 4 5 内径 1 2 0 匠度4 0 0 0 挡砂粒径o 1 0 0 1 50 2 0 渗透率“m 22 6 03 0 03 4 0 径向膨胀量 2 4 膨胀拉力 k n5 0 6 0 最大径向收缩量 2 2 最大收缩拉力 k n4 0 0 2 3 大通径悬挂器 大通径悬挂器是实现筛管锚定的工具，它主要是确保筛管固定在套 管的预定位置，起锚定作用。另外一个作用是封堵筛管套环形空间实现 辅助防砂。 目前在油田应用的大部分筛管悬挂器的通径一般在9 0 - - 1 0 0 r a m 范围。 此范围的筛管悬挂嚣内径最大巾1 0 0 r a m ，如果应用2 。i n 油管冲砂时容易 砂卡管柱；用2 i n 油管冲砂，油管在管柱压力作用下，容易弯曲，甚至 折断，容易造成作业事故。另外普通悬挂器锚定力小，内通径小，不能 满足膨胀筛管的使用要求，因此我们特别设计了大通径悬挂器。其特点 比普通悬挂器的内通径大，制造加工难度也大。普通悬挂器的外径1 5 2 r a m ， 内通径一般为1 0 0 m m ，悬挂力为1 5 t 。而膨胀筛管的悬挂器除满足上述技 术要求外，它还要保证膨胀胀锥最后从筛管中提出。如果通径小，胀锥 退不出的话，将造成严重的作业事故。所以，悬挂器的设计和加工非常 重要，关系到整个膨胀筛管防砂技术的成败。它与普通悬挂器技术性能 9 中国石汕大学( 华东1 工程硕上学位论文第2 章膨胀筛管的研制 指标比较见表2 - 2 。 表2 + 2 大通径悬挂器技术指标 指标 项目单位 普通悬挂器大通径悬挂器 外径 l n m1 5 21 1 4 1 5 2 i 1 4 内径 m m1 0 07 6l l o8 0 k度1 21 2j 512 座封压力m p a8 1 28 1 28 1 28 1 2 丢手压力 m p a2 0 2 515 1 82 0 2 51 5 1 18 锚定力 k n1 5 01 02 5 01 5 耐温 3 5 0 3 5 03 5 03 5 0 2 4 可变径胀锥 可变径胀锥是使膨胀筛管实现膨胀的关键工具，它可以通过地面泵 车的控制实现其变径，从而通过这个胀锥来改变筛管的径向尺寸。可变 径胀锥预先放置在膨胀筛管最下部，通过2 1 2 i n 油管与筛管悬挂器相连， 悬挂器联接在膨胀筛管最上部。 首先将悬挂器打压丢手，然后再打压使可交径胀锥径向膨胀的同时 上提丢手头，这样就通过可变径胀锥使筛管膨胀，并使其紧贴套管内壁。 当上提遇到筛管接箍时，停止打压，膨胀胀锥径向收缩，越过接箍，等 通过接箍后继续重复上述动作，直到将全部筛管胀开。胀锥外径可由 1 0 5 s n n 变至1 4 0 r a m 。它可以使膨胀筛管外径由1 4 0 r a m 变至1 6 1 m m 。目前该 技术可以实现悬挂器坐封丢手、筛管膨胀一次作业完成，可以越过内径 l l o m m 的悬挂器、1 2 0 m e n 的接箍。 2 5 防砂过滤材料的选择 本防砂机具采用不锈钢棉纤维为原料，将其制作成具有一定密集度 的防砂滤体，滤体中的不锈钢棉纤维以有序的束状排列形成大量毛细孔 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章膨胀筛管的研制 道，毛细孔道与钢棉纤维组成多重纤维栅栏，纤维栅栏与流体流动方向 垂直，当携砂流体来到滤体前时，大于毛细孔道的细粉砂被阻拦在纤维 栅栏外，形成砂桥，砂桥连片形成滤饼，滤饼对细砂具有防御作用；绝 大部分小于毛细孔道的细粉砂将随流体通过机具，极少一部分被滞留在 滤体内。 2 5 1 防砂等级的选择 我国出版的石油地质学对沉积颗粒性质的划分标准为： 沉积物分类颗粒直径( 1 l l l i i ) 极细粘土 1 0 1 粘 土 0 0 0 4 粉砂0 0 0 4 0 0 6 砂0 0 6 2 0 砾石 2 4 我国对深井泵活塞与缸套的间隙分为三级标准： 深井泵间隙标准间隙( m m ) 一级泵0 0 2 o 0 7 二级泵0 0 7 o 1 2 三级泵0 1 2 o 1 7 从以上划分标准可以看出，极细粘土和粘土对深井泵工作没有影响； 细粉砂( 0 0 0 4 0 0 1 6 m m ) 对深井泵基本没有影响；粗粉砂( 0 ，0 1 6 00 6 m m ) 对一、二级泵有影响；当含砂量较大时，对三级泵也有影响。 稠油油田采油一般使用三级泵，其原因是原油粘度大，用大间隙泵 漏失量也很小，其次是大间隙不容易造成砂卡。保证三级泵正常生产的 条件是进泵原油不含砾石和砂，不含粗粉砂或粗粉砂含量低。 | _ | 崮i 油大学( 华东) 工程顶十学位论文第2 章蟛胀筛管的研制 图外有关资料表明，防止细粉砂的风险很大，而且防砂机具的使用 寿命短，我国的防砂粒径控制在3 0 1 j m 以上，一般控制在1 0 0 , u m 左右。 图2 2 是辽河油田冷4 2 块冷3 7 8 15 9 8 井产出砂的粒度组成分布曲 线。可以看出，其粗砂含量为1 9 ，中砂以上占5 0 ，细砂以上占9 5 ， 如将防砂粒径限制在0 1 m m 时，可防止总砂量的9 5 ，但防砂机具的堵塞 风险很大；如果将防砂粒径限制在0 2 r a m ，则可防止总砂量的6 5 ，基本 防住中粗砂，这时防砂机具的堵塞风险变小，而且因油稠能保证三级泵 的携砂生产。从渗透率上看，防0 ，2 m m 砂的机具渗透率大于防0 1 m m 砂 机只的渗透率，稠油生产需要高渗透率大过流面积的防砂装置，综合考 虑以上两方面因素，我们选择的防砂粒径为0 2 1 a m 。 粒径 图2 - 2 加拿大s w c 防砂器过滤性能 2 5 2 机具的防砂实验 本实验的主要任务是实验测定评价某防砂工具的性能，即评价该工 县能否达到防止粒径在0 2 棚以上砂的目的。 ( 1 ) 实验模型的建立 油气藏开发过程中的出砂是油层岩石颗粒在地应力、热流体及其流 动等的物理化学因索综合作用下脱离骨架结构并随流体运移产出的一种 畔z 幽石油火学l 华东) 工程硕士学位沧文第2 章膨胀筛管的研制 自然现象，尤其是细粉砂稠油油藏的注汽开采、其粘性流体的作用更为 显著。防砂工具的作用既要防止被破坏砂粒渗入井眼，又要维护岩石结 构不被破坏。因此防砂工具与地层之间的相互作用可由图2 3 来表示。 这样，在流体排出的过程中，图中质点a 、b 两处的砂粒，首先是a 点附近的细砂随流体一道排出，而粒径较大的砂粒被阻挡在工具处；而 离工具较远的b 点处的砂粒需经过a b 问的地层才能到达工具处，如粒径 较小则随流体排出，如粒径较大则被阻挡在地层内。 出 图2 - 3 防砂工具与地层相互作用单元示意图 根据上述地层出砂与工具防砂的物理过程，建立防砂工具性能评价 的实验模型，该模型的示意图如图2 3 所示。其既能模拟流体产出过程 中粉砂的产出，又能模拟防砂工具对粉砂的阻挡情况。由此设计的实验 装置如图2 - 4 所示。 根据所配模拟液及实际地层砂，我们开始实验，实验的装置略图如 图2 4 所示。在实验时，只要更换不同的模拟液、防砂工具，即可进行 测量。所有实验准备工作进行完备后，启动电机，调节流量调节阀，以 得到不同的流量和压力。通过压力表来读取压力读数，流量的测量是在 压力和排量稳定后，通过一定时间内的连续取样计算的。 通过彩色电视显微系统可监测防砂的出砂情况。该系统通过光学显 国f h m 人学( 华尔) ： 程硕士学位沦空第2 章膨胀筛管的研制 微镜实时监测防砂工具上微量出砂，在聚光无影灯的照射下，防砂工具 上的单砂粒都能清楚地观察出来。所观测到的光学信号通过光电信号转 换，能够清楚地反应在彩色监视器上，经计算从实际砂了的直径到监视 器上所观察到的直径相比，放大了约5 0 8 0 倍。 图2 - 4 实验装置简图 l 泵底座2 高压柱塞泵3 电机4 流量调节阀5 进液桶6 进液管线7 出液管线 8 压力表9 压力室1 0 支架1 1 液一固分隔器1 2 地层砂】3 防砂工具1 4 出液桶 1 5 显微镜1 6 光电信号转换器1 7 录象机1 8 彩色监视器 2 6 膨胀筛管室内试验研究 前面已经介绍了膨胀筛管的基本结构、防砂材料及相关的一些配套 技术。这一节将着重介绍膨胀筛管的机加设计、筛管本体的材料筛选、 装配工艺等室内试验。 膨胀筛管防砂技术通过大量室内试验和多次现场试验，我们发现以 下问题： ( 1 ) 膨胀筛管割缝较多，加工成本高，是其他筛管的2 倍，推广应 用困难。为降低加工成本，在室内试验研究时，减少割缝，增加缝长。 如果减少割缝，收缩拉力就会增加，造成收缩性能差，影响打捞；如果 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章膨胀筛管的研制 增加缝长，抗压强度就会降低，造成筛管抗压性差。 ( 2 ) 在现场试验过程中，由于试验井漏，静液面低，胀锥泄压困难， 径向不收缩。越接箍和悬挂器时遇卡，在上下活动管柱过程中，悬挂器 座卡力不足，防砂管柱被提出，防砂现场试验失败。 2 6 1 膨胀筛管 ( 1 ) 外管的设讨研究 膨胀筛管选用板料冲压加工方式，卷筒焊接，形成膨胀筛管外管。 之所以采用此方式，有两方面的因素： 外管作为保护层其厚度一般在3 5 4 5 m m ，在对其进行加工割缝 时，加工难度太大，到后期时j l 乎无法进行，工件剧烈颤动，损坏刀具， 缝的尺寸无法保证。 图2 - 5膨胀筛管外管 由于上述因素，导致加工成本昂贵，使得成品筛管在现场应用时 受到限制，采取板料冲压的方式，既解决了加工上的问题，又大大降低 了加工的成本。它的材质、厚度、布缝形式是设计的关键，既要满足筛 管的强度，同时膨胀时又不能对过滤材料造成挤压破坏，施工作业顺利 并保证不封堵射孔炮眼( 见图2 5 ) 。 中困“油大学( 华东) 工程硕七学位论文第2 章膨胀筛管的研制 外管的材料首选采用4 5 号钢板，冲压成长t o o n l i r l 、宽l oe n i n ，缝轴向 问距3 0 r a m ，周向间距1 5 r a m 卷筒焊接成1 4 3 m m 圆筒。我们对这种材料制 成的外管进行试验，当膨胀试验轴向拉力1 t 时，径向收缩8 m m ；2 t 时径 向收缩2 0 m m ；4 8 t 时拉断，收缩2 8 m m ：l m 试件轴向延长2 0 r a m ，满足生 产施工的要求。 2 62 膨胀筛管基管研究 我们连续进行室内试验，优化筛管技术参数，筛管强度的高低主要取 决丁_ 基管，因此，膨胀筛管的基管在设计加工时尤为重要，为了兼顾筛 管的强度和其膨胀良好的双重性能，一方i 面降低加工成本，扩大应用规 模，另一方面保证和满足其机械性能，为提高膨胀筛管膨胀收缩性能和 抗挤压强度，今年累计进行室内试验2 0 余次，试验样机长度l m ，内径 12 0 m m ，采用不同布缝及打孔方式( 见图2 - 6 、图2 7 ) 。 图2 - 6 割缝膨胀筛管基管( 膨胀后收缩的照片) 中国石油大学( 华东) 工程硕十学位论文 第2 章膨胀筛管的研制 图2 - 7 打孔膨胀筛管基管( 收缩困难) a ) 筛管的膨胀和收缩性室内试验 室内试验主要研究膨胀筛管的膨胀和收缩性能。采用长度l m ，内径 1 2 0 r a m ，a 、b 、c 、d 四种不同壁厚及割缝加工方式的试件，胀锥外径 1 4 0 r a m ，在1 0 0t 拉力机上试验。当预拉力达到5 6t 时，筛管开始膨 账，拉力不增加至全部胀开。增大的尺寸与膨锥锥角和拉伸的速度有关， 目前这项试验仍在进行之中( 见图2 8 ) 。 图28 基管膨胀和收缩性室内试验 中国石油人学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章膨胀筛管的研制 当筛管膨胀之后，把两端连结在1 0 0 t 拉力机上，做径向收缩试验。 这早采用的最大试验拉力为油井小修所能允许的最大拉力4 0t 。在收缩 试验过程中，a 、b 、c 、d 四种试件收缩程度不同，见表2 3 ，这说明壁 厚及加工方式起决定作用。只有试件c 满足设计要求，当拉力3 0t 时， 最大径向收缩量为1 8 r a m 。当拉力达到4 0t 时，最大径向收缩量为2 2 r a m ， 托力与径向收缩量之间变化关系见图2 - 9 。 在膨胀试验时，试件轴向尺寸变化很小。在收缩试验时，试件轴向 伸长】5 m m 。整个试验过程之中，管壁均匀光滑，筛管和过滤层没有破损 情况，达到设计要求( 图2 1 0 ) 。 表2 3试件拉伸收缩量试验数据表 、群萨 试件径向收缩量( m m ) 拉力( t 卜abcd 5oo1o 1ool2o 150141 2 01 36 1 3 02 41 8 5 4 0 472 2 o c d ， 多 b a 一 ：7 寸一 图2 - 9 轴向拉力与径向尺寸变化曲线 中国石油大学( 华东) 工程硕十学位论文第2 章膨胀筛管的研制 图2 1 0 割缝基管膨胀情况 b ) 抗压性能室内试验 1 ) 割缝管抗压性能试验 分别采用缝长1 5 1 5 0 m m ，不同缝间距、缝宽和缝数，共计l o 个试 件，试验结果发现不同布缝方式筛管的膨胀拉力2 5 t 不等，液压胀锥泵 压i o m p a ；膨胀性能都能达到设计要求，收缩拉力3 0 6 0t 不等；抗挤 压力试验采用8 5x8 5 m m 方盘径向挤压，抗挤压力o 8 3t 不等，另外盲 管的抗挤压力为1 2 t ( 2 0 m p a ) ( 见图2 1 1 、图2 - 1 2 ) 。 通过以上试验，认为4 号试件综合性能最优，膨胀拉力5 t ，收缩力 5 0t ，抗挤压力3t ( 5 m p a ) 。国外同类产品抗挤压力7 0 0 p s i 即5 m p a 。径 向拉力与径向收缩量之间变化关系见图2 1 3 。 9 j 国ds 油大学( 华东) 二程硕士学位论文第2 章膨胀筛笔的研烈 圉2 - i 】割缝基管抗压室内实验 图2 一1 2 割缝基管压缩情况 中国杠油大学( 华东) r 程硕士学位论文第2 章膨胀筛管的研制 图2 - 1 3 径向压力与收缩量之间变化关系 2 ) 打孔管抗压性能试验 第一阶段采用由6 m m 、咖1 2 n 1 i n 孔，孔距为1 8 x3 0 、1 2 1 2 、3 0 1 8 、 2 4 2 4 ，膨胀压力2 0 3 0 m p a 左右，拉力8 x 1 6t ，有部分孔间拉断，收 缩勘2 0 2 9t 时，拉断收缩3 5 嘲，抗挤压力3 4 t ，由于轴截面5 0 左右为打孔部分，轴向拉断力较弱，且抗挤压力提高不大，不满足现场 要求( 见图2 一1 4 、图2 - 1 5 ) 。 图2 1 4 打孔基管膨胀情况 中国t - 油大学( 华东) 4 - 程硕士学位论文第2 章膨胀筛管的研制 图2 1 5 打孔基管抗压室内试验 第二阶段试验，增大打孔直径和孔距，采用中1 5 m m 孔，孔距5 2 x 3 0 ， 寸) 1 6 m m 孔，孔距3 5 6 0 ，胀拉压力6 0m p a ，且胀锥胀爪挤压破坏，试验 压力过高，不满足现场要求( 见图2 - 1 6 ) 。 图2 1 6 大孔距打孔基管膨胀情况 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第2 章膨胀筛管的研制 最终认为打孔膨胀基管的综合性能不能满足目前油井小修作业中压 力3 0 m p a ，拉力8 0 t ，悬挂器坐卡力3 0t 的极限条件限制，所以不宜在小 修作业条件下采用打孔方式，但今后可以在钻井及大修条件下进一步试 验探讨。 3 ) 收缩方式研究 原先采用碳钢钢管，布缝为1 2 0r n n 8 0 m m x5 m m ，2 5 组缝。在拉 力机上直接拉伸使膨胀筛管收缩，收缩力4 0t ，抗挤压力5 m p a 。若模仿 井下砂环卡紧膨胀筛管井下工矿，采用卡箍套在膨胀筛管基管之上，试 验其收缩拉力，收缩拉力将大大减小。这样将可以进一步减少割缝，增 圳壁厚，提高本体钢级，从而提高膨胀筛管强度。 膨胀筛管基管试验过程如下： 试件为合金钢管，布缝为8 0i n n 6 01 t 1 1 t i x 5 r m n ，2 0 组缝。卡箍内 径13 5m l r a ，通过17 7 8 m m 套管套在膨胀后的筛管上，试验其收缩拉力。 ( 1 ) 膨胀试验：液压胀锥泵压2 0 m p a ，筛管钋径膨胀到1 5 0 m r n 。上 提萨1 0t ，整根筛管膨胀到1 5 0 一1 5 2 m m ，膨胀完好。 ( 2 ) 收缩试验：卡箍内径1 3 5 m i l l ，1 ：5 锥角，通过1 7 7 8 m m 套管套 在膨胀后的筛管上试验其收缩拉力。收缩拉力3 t ，筛管外径1 3 5m m ，收 缩完好。 ( 3 ) 挤压试验：为试验膨胀的筛管抗挤压能力，将收缩后的筛管再 次膨胀，液压胀锥泵压1 8 m p a ，上提8 - 1 0t ，筛管外径膨胀到1 5 2 m m 。 采用8 5 m m x 8 5 m m 方盘径向挤压，并与合金钢管及以前的碳钢钢管筛管 和盲管抗挤压能力对比。 碳钢管钢材屈服强度2 5 0 m p a ，计算碳钢筛管抗压强度为2 5 0 x 6 x 2 13 2 2 4m p a ，发生1 0 变形时压力2t 。碳钢盲管膨胀筛管发生1 0 中国_ ；f i 油大学( 华东) 工程硕士学位沦文第2 章膨胀筛管的研镪 变形时压力9t ，折算其抗压强度为2 4 2 9 5m p a 。合金钢管钢材屈 服强度3 7 5 m p a ，计算抗压强度为3 7 5 7 5 2 1 2 7 4 5m p a ，发生1 0 变形时压力1 5t 。合金钢筛管发生1 0 变形时压力5t ，折算其抗压强 度为4 5 5 1 5 = 1 5 m p a 。 合金铜膨胀筛管强度是碳钢嘭胀筛管强度3 倍有较大强度提高， 见图2 一1 7 。 图2 1 7 基管玉缩情况 2 6 3 过滤材料研究 在筛管的强度试验，膨胀试验完全满足现场需要的同时。防砂过滤 材料就显得尤为重要，对防砂效果的好坏，关键取决于防砂过滤材料的 i i i _ | 丁与制作。过滤材料为高强度不锈钢金属纤维，为保证其膨胀效果， 最初采用多片叠加装配方式，或波纹管整体组装方式。前者用料较多， 或本高；装配要求高且困难，防砂性能难以保证过滤材料( 见图2 8 ) 。 雁者加工制怍工艺复杂，但不漏砂，装配要求低”1 ( 见图2 一1 8 、2 - t g ) 。 2 4 r r 国石油大学( 华东) 工程硕士学位沦文 第2 章膨胀筛管的研制 图2 1 8 片状金属纤维图2 1 9 波纹管金属纤维( 膨胀后) 金属纤维波纹管防砂材料是由l m 长金属纤维片轴向焊接成4 m 长制 成圆筒，再折波成所需形状金属纤维波纹管( 图2 - 2 0 ) 。金属纤维波纹管。 套在内管及上述外管之间，试验管长4 m ，在拉力机上整装试验应用膨胀 胀锥，通过液压泵，当压力1 2 m p a 时，外径由o1 4 3 m m 变为中1 5 9 m m ， 拉办4 5 5 3 t 时完成膨胀过程。收缩时，拉力4 0 t 时径向未收缩、轴向未 延长、轴向剖开后发现内管、波纹管基本展开没有破损。整装试验表明， 内、外管过滤件试验满足要求( 图2 2 1 ) 。 过滤材料选用波纹管整体组装方式试件试验成功，4 m 试件需要重新 改进折波装置，折波工艺和金属毡焊接工艺，技术难度较大。 图2 2 0 金属毡波纹管焊缝 中国“油大学( 华东) 工程硕十学位泛文 第2 章膨胀筛管的研制 匮2 2 l 膨胀后的金属毡波纹管焊缝 26 4 整装性能试验 过滤材料夹在内外管之间，并与内管焊接在一起。通过小型试件室 内试验，调整改进设计方案，保证膨胀筛管的整体强度、膨胀收缩性能 和防砂性能满足现场使用要求( 图2 2 2 、2 2 3 、2 - 2 4 、2 - 2 5 、2 - 2 6 ) 。 中国石油大学( 华东) r 程硕士学位论文第2 章膨胀筛管的研制 图2 2 2 膨胀筛管性能室内试验 2 7 中囤“油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章膨胀筛管的研制 图2 2 3 膨胀前的膨胀筛管 图2 2 4 膨胀后的筛管 2 9 中国i i 油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 誓瞳竖堕筻! ! ! 型 图2 2 5 膨胀筛管截面 图2 2 6 膨胀筛管波纹管和基管 膨胀筛管截断之后，断面处略有缩小。波纹管基本展开，焊接处及金属 毡没有破损，基管和外管完好。 ，吲f l 油夫学( 华东) 工程硕十学位论文第3 章可变膨锥及大通径悬挂器的研制 第3 章可变胀锥及大通径悬挂器的研制 可变径胀锥是使膨胀筛管实现膨胀的关键工具，它可以通过地面泵 车的控制实现其变径，从而通过这个胀锥来改变筛管的径向尺寸。可变 径胀锥预先放置在膨胀筛管最下部，通过2 1 2 i n 油管与筛管悬挂器相连， 悬挂器联接在膨胀筛管最上部。 3 1 可变径胀锥研制 图3 - 1 膨胀管防砂管柱示意图 在室内试验中可变径胀锥无水眼，试验压力2 0 m p a ，压力过高危 险性+ 高，也不便于施工。采用双液缸结构，压力可以降低4 0 ，即1 2m p a 。 由于膨胀筛管整体强度提高，膨胀力增大，对胀锥锥体挤压力增大，锥 中国石油大学( 华东) 上程硕士学位论文第3 章可变膨锥及大通径悬挂器的研制 休表面被胀爪刮伤，影响收回。钢材采用表面淬火代替4 5 号钢，提高表 【自i 硬度。在现场试验中可变径胀锥通过油管与地面泵车连接，打压时胀 锥径向膨胀，停泵时径向收缩，可以跨越接箍和套变位置，便于操作。 当油井静液面较低时胀锥泄压慢，跨越接箍困难，提放管柱遇卡。胀锥 弹簧、张爪和水眼是设计的关键。 胀锥弹簧最大压力由5 0 0 n 提高1 2 0 0 n 有利于收回，胀锥悬臂缩短 1 2 0 m m ，提高强度，以防下井时轴向扭转时变形破坏。采用a 、b 、c 3 种水眼分别用水泥车l 档打压，压力为5 m p a