冲砂工艺技术ppt课件

冲砂工艺技术 作业一分公司2012年3月 汇报提纲 一 概述二 直井冲砂技术三 斜井冲砂技术四 特殊井冲砂技术 冲砂 就是向井内高速注入液体 靠水力作用将井底沉砂冲散悬浮 并借助高速上返的液流将冲散的砂子带到地面的施工方法 冲砂的原因 1 由于油层胶结疏松或油井工作制度不合理 以及措施不当造成油井出砂 油井出砂后 如果井内的液流不能将出砂全部带至地面 井内砂子逐渐沉淀 砂柱增高 堵塞出油通道 增加流动阻力 使油井减产甚至停产 同时会损坏井下设备造成井下砂卡事故 2 由于作业工序需要 将地层砂人为的填入井筒 滞留后在井筒堆积成砂柱 影响到油井的正常生产或注水井的正常注水 3 压裂施工后的压裂砂返出沉淀 滞留 影响生产 一 概述 1 地层胶结疏松时 地层流体在生产压差作用下向井眼方向渗流 致使岩石颗粒间的胶结力不断消弱 地层结构破坏引起出砂 流体密度粘度越高 含气量越大 流动阻力越大 就越容易出砂 地层疏松与否主要取决于岩石颗粒间胶结力的强弱 胶结强度与胶结物的种类 数量及胶结方式有关 容易出砂的地层主要是接触胶结 胶结物数量少 而且泥质较多 一 井筒沉砂原因 1 地质因素 一 概述 2 当其他条件相同时 渗透率越高 岩石强度越低 地层越容易出砂 3 地层构造变化引起出砂 4 地层在构造上发生急剧变化的区域 例如在断层多 裂缝发育 地层倾角大及边水活跃的地区 由于地层岩石原始应力状态被复杂化 极易引起地层出砂 一 井筒沉砂原因 一 概述 1 在地层流体渗透过程中 大部分有效压强消耗在井壁附近 因此 井壁岩石受渗流冲刷的作用力量最大 也最容易变形和破坏 2 不恰当的开采速度及采油速度的突然变化 注水井的急剧放压等原因造成地层压力梯度发生急剧变化 致使岩层结构破坏引起出砂 3 频繁的增产措施会破坏地层岩石结构 引起地层出砂 例如压裂时高速流体冲击岩层 使岩石颗粒间胶结力削弱 酸化时酸液溶解部分岩石胶结物 使岩石骨架解体 密集射孔会破碎岩石甚至引起套管损坏 2 开发因素 一 概述 4 油井出水时 泥质胶结物水化膨胀并分散成细小颗粒 在地层压差作用下随着油 水流线向井眼方向运移 造成油井出砂 出泥 5 在油水井生产过程中 油 气层孔隙压力总体上是不断下降的 而上覆岩层对地层颗粒及其胶结物的有效应力则不断增加 致使颗粒间的应力平衡被破坏 胶结力下降引起地层出砂 6 在注水开发油田 当油井含水量上升时 为维持原油产量必须提高采液速度 加大了地层流体对岩石颗粒的拖拽力 引起地层出砂 7 当井壁附近的岩石结构破坏到一定程度时 就会出现流砂现象 这时即使井底压差很小 大批砂子也会无控制地流出 造成严重的砂堵或砂卡现象 一 概述 油水井出砂首先是由炮孔结构破坏引起的 根据地层胶结特性 炮孔失稳主要是由以下三种破坏造成的 1 压缩破坏 压缩破坏是由孔壁附近过大的剪应力引起的 过大的压力衰竭和生产压差均可能造成此种情况 2 拉伸破坏 拉伸破坏是由径向拉应力超过拉伸强度而产生的 主动作用力为油水井生产压差 3 滑移次生破坏 当流体作用在岩石颗粒表面上的拖拽力超过其粘结力时就会出现滑移次生破坏 这是一种特殊的拉伸破坏形式 是在孔眼表面逐渐产生的砂粒脱落现象 其中流体速度是一个重要参数 室内试验与理论分析表明 在未胶结地层中炮孔失稳以拉伸破坏为主 在弱胶结地层以压缩破坏为主 中等胶结强度的脆性砂 砾岩层主要以滑移次生破坏为主 二 出砂地层破坏机理及出砂规律 一 概述 1 未胶结地层 未胶结地层中没有有效的胶结物 地层的聚集主要依靠很小的流体束缚力及周围环境圈闭的压实力 这类地层一旦开井投产便立即开始长时间连续出砂 且地层产出液含砂量基本保持稳定 尽管累积出砂量越来越大 但套管周围不会出现地层空穴 只是地层越来越疏松 2 弱胶结地层 弱胶结地层胶结物数量少 胶结力弱 地层强度较低 油水井投产后 炮孔附近地层砂砾逐渐剥落 进而发展形成洞穴 如不及早加以控制 极易造成油层砂埋 油管砂堵及渗透率降低 产量下降 这类地层产出液含砂量变化较大 甚至每天都不一样 时多时少 随着产层压力递减 作用在承载骨架颗粒上的负荷逐渐增加 出砂情况会日趋严重 任其发展 有可能造成地层坍塌 盖层下沉 套管损坏 油水井报废的严重后果 地层出砂规律 一 概述 脆性砂 砾岩层易碎 但有较多的胶结物 中等胶结强度 地层流体产出时 能把地层面上的砂砾逐渐冲刷下来 这类地层开始投产时出砂一段时间 忽然出砂量大减 甚至无砂产生 此时 产量有可能会上升 但到一定时候有可能重新出砂 这种规律是因为在出砂过程中套管外部冲蚀空穴突然增大 过流面积成倍增加 使地层流体的流速大幅度下降 致使出砂量明显下降 随着油气井条件变化 又会形成新的出砂环境而开始出砂 当单位过流面积上的流体速度达到一定数值时 又会出现地层砂砾大块坍塌 过流面积倍增而停止出砂 最终可使油气井套管变形而报废 3 脆性砂 砾岩层 一 概述 对非均质 弱胶结或中等胶结砂砾岩油藏来讲 注水开发阶段是油水井严重出砂的开始 特别是当油井见水后 产出液含水量不断上升 胶结物逐渐膨胀疏松 致使地层胶结强度迅速下降并出现严重的出砂现象 出砂情况随开采时间的延续及开采强度的变化呈周期性变化 一般来说 开采时间越长出砂越多 造成的地下亏空也越大 当亏空后的生产层胶结强度不足以支撑生产液流所引起的冲刷强度时 就会出现更为严重的出砂现象 一 概述 1 原油产量 注水量下降甚至停产 停注2 地面和井下设备磨损3 修井工作量增加4 套管损坏 油水井报废 三 油水井出砂危害 一 概述 二 直井冲砂技术 冲砂方式主要可以分为正循环冲砂 反循环冲砂 正冲反洗冲砂 气化液冲砂 冲管冲砂等 一 冲砂方式 1 正循环冲砂 1 正冲砂是冲砂液从冲砂管内进入 携带沉砂沿冲砂管与套管环行空间返至地面的冲砂方式 2 通常在冲砂管最下端带斜尖 这样可以防止下放太快而憋泵 也可利用斜尖刺松砂堵 便于冲砂 3 正冲砂的优点是冲砂管直径较小 冲刺力大 易于冲散砂堵 缺点是套管特别是大直径套管与冲砂管环行空间面积比较大 使冲液上返速度小 携砂能力弱 大颗粒砂子不易带出 为了提高携砂能力 可以提高冲砂液的粘度或加大泵的排量 4 为了防止在接单根过程中砂子下沉而造成卡钻 在接单根前要进行较长时间的循环冲洗 并要求接单根速度尽可能快 1 反冲砂是冲砂液从套管与冲砂管的环形空间进入 携带沉砂由冲砂管内上返至地面的冲砂方式 2 冲砂液由套管和冲砂管的环形空间进入 冲起并携带泥砂沿冲砂管上返到地面 由于冲砂管内径小 冲砂液上返速度快 携砂能力强 泥砂不易沉淀 所以 当套管直径较大正冲砂冲不净时 改用反冲砂的方法可将砂冲洗干净 消除了冲砂过程中卡钻的可能性 3 反冲砂的缺点是液体下行速度较慢 冲刺力不大 且易堵塞冲管 二 直井冲砂技术 2 反循环冲砂 1 先用正冲的方式冲散沉砂 使其呈悬浮状态 随即改用反冲砂 将砂粒携带到地面的方式 2 正反冲砂可以提高冲砂效率 正反冲砂时 必须接总机关 以便使倒换冲砂方式方便 迅速 二 直井冲砂技术 3 正冲反洗冲砂 二 直井冲砂技术 4 气化液冲砂 1 采用泵车泵出的冲砂液和压风机压出的气混合而成的混合液进行冲砂的方式 2 在一些地层压力低的井中 冲砂时往往由于液柱压力过大而产生漏失 严重时会无法进行循环 因此常采用气化液冲砂 又称混气冲砂 3 气化液的液体可采用原油或清水 气化液冲砂的实质在于降低冲砂液的密度 从而降低液柱对井底产生的回压 以减少或防止漏失 气化液是用水泥车打出的油 或水 和压风机供给的气混合而成的 二 直井冲砂技术 4 气化液冲砂 4 气化液冲砂时 压风机与水泥车并联 要先开水泥车 后开压风机 使泵不受气体影响 保证上水正常 压风机出口与水泥车之间要装单流阀 以防液体倒流 接单根前要先停压风机 继续开泵5 10min 使液体充满冲砂管柱 液体的气化程度要按需要而调节 5 气化液冲砂时 返出管线要用硬管线固定好 以防管线跳动而发生事故 所谓冲管冲砂 就是用小直径的管子下入油管内冲砂 如小直径连续油管 以清除砂堵 其优点是操作轻便 不拆井口 不动油管 可以冲砂至人工井底 其他冲砂方式还有泡沫冲砂 连续装置冲砂等 二 直井冲砂技术 5 冲管冲砂 冲砂液指的是进行冲砂时所采用的液体 通常采用的冲砂液有油 水 乳化液等 为了防止污染油层 在液中可以加入表面活性剂 一般油井用原油或水做冲砂工作液 水井用清水 或盐水 做冲砂工作液 低压井用混气水做冲砂工作液 选择冲砂液有一定的标准 1 具有一定的粘度 以保证有良好的携砂性能 2 具有一定的密度 以便形成适当的液柱压力 防止井喷和漏失 3 与油层配伍性好 不损害油层 4 来源广 不损害油层 二 直井冲砂技术 二 冲砂液 冲砂时为使携砂液将砂子带到地面 液流在井内上返速度必须大于最大直径的砂粒在携砂液中的下沉速度 Vt 2Vd式中Vt 冲砂液上返速度 Vd 砂子的自由下沉速度 可以从相关资料直接查询 下式求出冲砂时所需要的最低排量Qmin 360F Vtmin式中Qmin 冲砂要求的最低排量 F 冲砂液上返流动截面积 为了提高冲砂速度应尽可能提高泵的排量 并减少液流返出截面 以保持高的液流上返速度 二 直井冲砂技术 三 冲砂的水力计算 三 斜井冲砂技术 1 斜度较小的井冲砂方式和直井基本一样 2 斜度较大的井 沙粒随流体上返时作用力情况分析为 在斜井中水力上返的力基本上是平衡于井壁的 假设砂粒垂直方向的受力是平衡的 在冲砂过程中 沙粒在井内受力 G F sin G 砂粒的重力与浮力的合力F 砂子所受的水力冲击力 井斜角度在实际冲砂中 砂子在垂直方向的受力是不平衡的 水平方向上分力 N F cos 垂直方向上的分力 N F sin G 三 斜井冲砂技术 在有一定斜度的井内 砂粒在水流里受力是不平衡的 水平方向和垂直方向均有分力 所以砂粒在井筒内部的轨迹与合力的方向一样也是不一定的 随着 角度减小 水平方向的分力在逐步增大 狭小空间内 很容易造成砂粒的堆积 形成砂桥或砂堵 堵塞油管或砂埋油管 所以在斜井中冲砂 一般采用反循环冲砂 在斜井中冲砂时的下放速度一定要慢 排量尽可能增大 以便增大砂粒的上返速度 避免砂粒堆积 三 斜井冲砂技术 1 冲砂特点1 油层砂粒更易进入井筒 形成长井段的 砂床 严重时砂堵井眼 2 井内管柱贴近井壁低边 管柱受 钟摆力 和摩擦面积大的双重作用 管柱摩阻大 3 冲起的砂粒在造斜段和水平段容易再次沉积 4 修井液环空流速偏差很大 井眼低边的流速很低 携砂能力下降 易导致钻具被卡 四 特殊井冲砂技术 一 水平井冲砂技术 2 水平井冲砂施工方式 水平井冲砂施工过程中必须保证连续作业 杜绝意外造成停泵循环的现象 根据井身倾角的不同 排量设计和工具的运动有所不同 施工方式具体分为如下几个阶段 0 一30 时 基本与直井冲砂方式相同 冲砂过程中不要急于求成 以0 3m min稳定的速度下放管柱 冲洗排量不低于600L min 30 一60 时 上返的地层砂容易再次沉降形成砂卡 冲洗时宜将排量提高到1000一1200L min为宜 钻具要上下起放 一般下放50m 上提一次 没有负荷大幅度增加现象和憋压情况 才能继续冲洗 60 一90 时 冲砂管柱磨阻最大阶段 加压下放速度小于0 3m min 并每单根上下移动2一3次为宜 以破坏 固化的砂床 冲洗排量不低于1000L min 如遇憋压情况 上提活动管柱 四 特殊井冲砂技术 从油管注入冲砂液 旋转冲砂器将形成的砂床旋流冲起 进入套管环空 同时井口的连续冲砂装置实现了不停泵冲砂作业 缩短了接入单根循环时间 降低了劳动强度 避免了井场污染 管柱组合 51 2 套管内 89mm导锥 73mm 3 45 倒角油管 73mm油管 89mm旋流冲砂器 105mm扶正器 73mm倒角油管 73mm油管 四 特殊井冲砂技术 3 水平井连续正循环冲砂 从套管注入冲砂液 反循环冲砂器将形成的砂床旋流冲起 进入油管 同时井口的连续冲砂装置实现了不停泵冲砂作业 缩短了接入单根循环时间 降低了劳动强度 避免了井场污染 1 管柱组合 51 2 套管内 89mm反循环冲砂器 105mm扶正器 73mm倒角油管 73mm油管 四 特殊井冲砂技术 4 水平井连续反循环冲砂 原理 冲砂液通过冲洗管和中心管之间的环空 进入旋转喷头的内腔 再从旋转喷头的水眼喷出 在套管内形成高速旋流 对水平井段内的沉砂进行充分搅动 使砂子和杂质始终处于悬浮状态进入油管 四 特殊井冲砂技术 2 反循环冲砂器 水平井连续反循环冲砂实施 水平井连续反循环冲砂开展了英平4井 葡平5井等2井次的现场应用 获得了成功 施工成功率100 工艺有效率75 四 特殊井冲砂技术 水平井连续冲砂技术参数 冲砂排量的确定原则 冲砂时 为了使液流将砂粒带至地面 液流在井内的上升速度必须大于最大直径砂粒的自由下沉速度 因而保证将砂粒带至地面的条件是 V1 2Vt式中 V1 液流上返速度 m s Vt 砂粒在冲砂液中的自由下沉速度 m s Qmin 3600A V1式中 Qmin 冲砂洗井所需的最低排量 m3 h A 冲砂液上返流动时的最大截面积 反冲时为冲砂管柱内截面积 四 特殊井冲砂技术 密度2 65的石英砂在水中自由沉降速度 四 特殊井冲砂技术 石英砂在脱气无水原油中自由沉降速度 注 原油中粗砂平均直径0 96mm 圆度为0 685 细砂平均直径0 54mm 圆度为0 547 四 特殊井冲砂技术 石英砂在脱气乳化原油中的自由沉降速度 总上所述 可以计算出所有规格套管正返冲砂的最小排量 不记损失 四 特殊井冲砂技术 结论与认识1 正 反 连续冲砂装置可以使用于低压油 气 井 水平井连续冲砂 可以实现安全环保高效施工 该技术已经比较成熟 可以推广应用 2 针对水平井 漏失井的连续冲砂低伤害冲砂液体 工具与工艺在现有基础上可以推广应用 但还需要做大量的工作 进一步深入研究与配套 四 特殊井冲砂技术 优点 可实现连续冲砂 不会造成砂子回落 工人劳动强度低 缺点 只能实现正循环冲砂 单井施工费用高 排量低 在大直径套管中应用受限 四 特殊井冲砂技术 三 连续油管冲砂 四 特殊井冲砂技术 该技术可实现正向旋转冲砂 解堵同时进行 减少油层二次损害和污染 能够解决水平井冲砂作业沉砂 携砂 砂堵管柱的技术难题 该工艺中的喷头旋转及斜向旋转射流使得井底流场呈螺纹状上升 达到高效清砂解堵目的 冲砂液经喷嘴节流加速 喷射速度大幅度提高 形成紊流 使得液体上返速度超过砂粒滑脱速度10倍以上 解决了地面设备排量小的情况下水平段沉砂问题 可以实现限速旋转 紊流携砂 深层解堵 四 特殊井冲砂技术 四 压裂液未破胶冲砂技术 由于压裂后压裂液和陶粒胶结在砂面容易形成滤饼或胶结物 用常规工艺技术解决该问题 成本高 风险大 现场普遍采用的马蹄式斜尖 油管的管柱结构 在遇到压裂后压裂液未破胶井况的时候 只能采用顿击的方式 如果仍然不能取得冲砂进尺 就是起出冲砂管柱 下螺杆钻 油管的组合进行钻砂 钻除滤饼或胶结物后再次下斜尖冲砂 四 特殊井冲砂技术 旋转控制头 爪形斜尖 四 特殊井冲砂技术 1 旋转控制头 爪型斜尖组合 1 技术原理 利用旋转控制头组成循环系统 通过液压钳转动带动井下管柱旋转 把力矩传送给最下部的 爪形 斜尖 通过该工具的转动钻去压裂后在砂面形成的滤饼及胶结物 然后用水泥车冲洗带出地面 达到钻除滤饼和冲砂的目的 2 控制头简介 控制头主要用于地层测试作业 连接在测试管柱的最上部 分为旋转的和不旋转两种 根据其承压能力可分为35MPa 42MPa和70MPa三种 控制头既可让管柱内高压液流流出 也可向井内泵入流体 具有体积较小 重量轻 辅助设备少 故障率低的特点 剖面图 四 特殊井冲砂技术 规格及型号 现场应用旋转控制头27 8 90T 35MPA 27 8 外加厚 额定负荷90吨 压力35MPA 中心管有效长度0 7m 四 特殊井冲砂技术 3 施工准备及操作分析1 安装简易平台 调校指重表 检查大钩 吊卡 油管液压钳及其尾绳 清理井口小件物品 2 施工过程 将油管液压钳倒至低速挡 咬住油管 低速顺时针转动 边转动边下放管柱加压30 50KN 进尺8m 1m即可除去砂面滤饼 3 操作注意事项 钻砂前须检查液压钳运转稳定且尾绳固定牢靠无断丝 在钻砂过程中 如果出现管柱转不动或动力源故障 应立即上提或减小钻压 水龙带及活动弯头 必须拴好保险绳并挂在游动滑车大钩上 四 特殊井冲砂技术 4 现场试验及效果分析 S10 16现场试验 该井上修后完成了放压 压井 起原井管杆 通井 打印 压裂施工 各工序施工合格后 限速下 爪形斜尖 油管 探得砂面 2852 748m 缓慢下放管柱冲砂 加压50KN 泵压6 8MPa 排量450 500L min 历时0 8小时 冲砂无进尺 判断压裂后砂表面形成滤饼 四 特殊井冲砂技术 4 现场试验及效果分析 安装旋转控制头 用地层水大排量反循环脱气至油套平稳 用液压钳边旋转边下缓慢下放管柱冲砂 加压40KN 泵压3 6MPa 排量500 550L min 进尺8米 悬重恢复正常 停止转动管柱 充分循环后卸去旋转控制头继续加单根冲砂至设计要求 四 特殊井冲砂技术 5 现场应用认识及建议 爪形 斜尖 旋转控制头组合冲砂 操作简单 效率高 根据现场施工分析总结 水泥车的排量应控制在500L min以上 钻压控制在30 50KN为最佳 爪形 斜尖的材料 爪 的强度有待于改进和提高 依靠液压钳传递的扭矩较小 如果遇上胶结比较严重的井 旋转会比较困难 四 特殊井冲砂技术 五 捞砂技术 1 捞砂泵的结构由底阀总成 防砂管 泵筒 活塞 活塞杆 顶阀总成等几大部分组成 2 管柱结构 底阀 储砂油管 内置式防砂管 抽砂泵 动力油管 四 特殊井冲砂技术 3 工作原理 它的工作原理基本上和管式泵的工作原理相同 都是通过活塞的运动 在泵筒内实现一段真空 使泵筒与套管环空建立一定的压差 随着活塞的上移 压差增大 泵筒底端的活门被打开 促使井底的液体带动沉砂一起进入泵筒 进入油管内的液体不断增多 液体到达一定高度的时候 压井液通过滤网和卸压孔返排到井筒 而沉砂继续停留在油管内 捞砂结束后 井底砂粒静沉在油管内被带到地面 四 特殊井冲砂技术 4 抽砂泵使用条件和技术参数 1 无套变 落物 无严重结垢 2 井斜小于20 3 储砂油管长度 一定要在容得下井下全部砂子之外再加100米 给抽捞时混砂液足够的空间 4 砂泵必须在液面以下工作 5 70mm泵抽吸速度不小于20米 分 6 井深2500米以上 由于管柱重 受作业机功率限制 只能用低速挡抽吸时 应采用 83mm抽砂泵反之采用 70mm抽砂泵 四 特殊井冲砂技术 5 捞砂工艺方案 1 探砂面 2 探液面 由于砂泵必须在沉没度大于200m条件下工作 若不能确定液面是否高于砂面700m时 需探液面 从而计算储砂管长度和单次捞砂量 四 特殊井冲砂技术 3 计算储砂油管长度 储砂油管的长度 139mm套管 塞面位置 探砂面油管位置 3 83 100 为了防止砂子卡泵至少需要附加100m 单位 m 储砂油管的长度不超过500m 捞砂泵每趟捞砂深度不得超过40m 多于40m须分多趟捞砂 其中系数3 83 51 2 套管面积 沉砂管面积 11 567 3 019液面深度小于700m时 储砂油管的长度 液面深度 200 单位 m 每趟捞砂量 储砂油管的长度 100 3 019 11 567 单位 m 四 特殊井冲砂技术 4 通井 用 115 3 6m通井规通井 5 下捞砂管柱 6 捞砂1 底阀接触砂面后 储砂油管全部重量加在砂面上 指重表悬重为动力油管的重量 这时捞砂泵活塞处于上止点 2 砂泵活塞下行 活塞下行的过程中 指重表悬重稳定 其悬重仍为动力油管的重量 砂泵活塞行至下止点后 指重表悬重稍有下降 四 特殊井冲砂技术 3 上提动力油管 动力油管上提的过程中 其指重表悬重为动力油管的重量 当上提至指重表悬重大于动力油管悬重时 说明活塞已经到了上止点 4 重复以上过程 砂子不