防砂技术及应用

封隔高压一次充填防砂技术及应用摘要：管内外充填是当前砾石充填防砂技术的发展趋向，封隔高压一次充填正是这样的一种防砂技术。介绍了高压充填技术原理、工具结构及工作原理、施工程序，阐述了排量、压力等主要参数设计方法，介绍了在Turkmenistan油田A层以及单层老井、多层大井段井、新井新层、斜井和粉细砂岩井的应用效果。该技术防砂有效期长，施工简单，施工周期短，充填效果好，能避免二次充填对油层的污染，能起到一定的解堵作用，便于后期处理，经济效益显著，值得推广应用。关键词：封隔；高压；砾石充填；防砂；油井出砂是石油开采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。出砂不仅会导致油井减产或停产及地面、井下设备腐蚀；甚至会使套管磨损、油井报废。随着油田的持续开发，注水不断加强，单井产液量不断上升，老油井的防砂越来越困难。粉细砂出砂油藏、稠油出砂油藏的开发，出砂斜井的增多又给防砂技术提出了新的课题。目前胜利油田已发展了各式各样的防砂技术，最具代表性的有金属绕丝筛管砾石充填防砂、敷膜砂防砂、复合防砂等。这些技术对疏松砂岩油藏的开发起到了重要的作用，但都有局限性。绕丝筛管砾石充填防砂在砂粒较粗、分选较好的地层使用，成功率高、有效期长，但由于充填砾石厚度小，难以挡住粉细砂，且在生产、作业过程中，充填层易被破坏，丧失防砂功能；敷膜砂防砂由于胶结强度高、挡砂效果好、不占井筒空间而得到广泛应用，但敷膜砂充填形成的人工井壁，与出砂岩层胶结部位脆弱，易老化，不利于大泵提液，防砂有效期短；复合防砂是一种很好的防砂方法，但成本高，施工复杂，液量降幅大。针对上述情况，胜利油田有限公司胜通新科技开发中心研制出一种封隔高压一次充填防砂技术，采用FS-115（150）封隔高压一次充填工具与割缝筛管配套，携砂液以大排量将砾石带到油气井产层管外空洞和筛管与套管的环形空间，经沉积、压实，形成高效能挡砂屏障，达到防止油层出砂目的。该技术采用高压大排量进行管内外砾石充填防砂，即砂砾不仅充填套筛环空，同时还充填套管外的射孔眼和空洞。现场应用结果表明，该技术施工简单、周期短、防砂有效期长，充填效果好。、封隔高压一次充填防砂技术介绍封隔高压一次充填防砂技术原理封隔高压一次充填防砂技术是将砾石一石英砂，用大排量携砂液带到油气井产层套管外的空洞处和绕丝管与套管的环形空间，经高压压实形成挡砂屏障。在需进行防砂作业的油井内，将防砂管柱下到预定位置，坐封封隔充填工具，打开充填通道。地面泵组提供的高压携砂流体，经封隔高压一次充填工具的充填通道进入油管、套管环形空间，最后进入油层。随着加砂量的不断增加，地层被充填压实，随后井筒也被充填压实，此时地面泵压升高，达到预定压力值后停止充填。从油、套环形空间泵入洗井液，经封隔高压一次充填工具的反洗通道，将油管内的砂子冲洗至地面。上提管柱正转倒扣丢手，充填通道自动关闭，中心管自动打开，完成封隔高压一次充填防砂作业。FS充填工具工具结构FS充填工具主要由封隔机构(包括液压、锁紧、密封、卡瓦锚定等部分)、充填机构、反洗机构、丢手机构4部分组成。工作原理FS—115(150)充填工具是封隔高压一次充填防砂的关键技术，具有封隔、充填、反洗、关闭充填孔、丢手等功能。工具下到预定位置后，从油管投球加压，封隔器坐封，密封油套环空。充填机构位于中心管下部，由充填筒和关闭机构组成。中心管下端圆柱面上开有充填孔，封隔器坐封后继续加压，充填孔打开，充填液从油管经中心管下端充填孔和充填机构的充填孔，进入油套环空实施充填。反洗机构在充填机构上部，由反洗接头和反洗环组成。充填完成后，从油套环空泵进去的反洗液，通过反洗接头的反洗孔，打开反洗环，进入油管充填孔，把充填孔以上的充填砂反洗干净。中心管下端为反扣螺纹，与连接头上螺纹相接而组成丢手机构。充填结束后正转油管，实现充填管柱丢手，中心管、球坐和上接头起出，并自行关闭充填孔，完成充填过程。技术参数见表1表1FS充填工具技术参数参数数据FS-115型FS-150型最大外径/mm115150留井部分最小内径/mm5270长度/mm13201320坐封刚球直径/mm3538坐封压差/Mpa10〜1510~15打开充填通道压差/Mpa15〜2515~25密封压差/Mpa<30<30工作温度/°c<120<120上端连接螺纹27/8TBG27/8TBG下端连接螺纹27/8TBG31/2TBG留井打捞螺纹27/8TBG母扣31/2TBG母扣重量/kg5692适用套管/mm139.7177.8充填防砂管柱组成充填防砂管柱自上而下由空心桥塞、油管、安全接头、扶正器、割缝管、油管、安全接头、FS充填工具、油管组成(见图1)。

图1防砂、完井管柱示意图FS充填工具和割缝筛管，空心桥塞既能在充填管柱下部密封油套环空，又能充分利用下部套管作为沉砂空间；安全接头的配备便于防砂管柱的后期处理;油管设计主要考虑降低充填摩阻及其与套管的合理组合。二、施工工艺及工艺特点施工工艺1）管汇试压接好地面管汇，开泵试压30Mpa,3min不刺不漏方可进行下部施工。2）坐封封隔高压一次充填工具工具下达预定位置后，用携砂液正循环洗井，记录此时管柱重量，从油管内投入钢球一只，用水泥车小排量加压坐封。3）开启充填通道继续加压至压力突降，此时中心管关闭，充填通道开启。4）验封打开套管闸门，试挤携砂液，观察套管出液情况，计算出单位时间的吸水量。5）确定施工排量可根据砂粒直径和射孔井段长度设计相应的排量，必须满足积压式充填要求。6）充填开泵进行充填，直到泵压升高到预定压力值，停止充填。7）反洗井从套管内泵入清洁携砂液，洗出油管内多余的砾石，洗净为止。8）丢手充填完成后，上提管柱至原负荷，正转油管倒扣丢手，确认倒开后上提管柱，此时充填通道自动关闭，中心管自动打开。9）按设计要求下入生产管柱。工艺特点1）施工简单，周期短封隔地层与高压充填结合在一起，一次管柱完成全部防砂工序，减少了起下管柱次数，减少了作业占井时间，节约了施工费用。大港油田2口井从刮套管到防砂施工完井，仅用3天时间，与其它防砂工艺相比，大大缩短了防砂周期，提高了油井开井时率，综合经济效益高。2）防砂有效期长由于大排量高压将地面充填与井筒充填结合在一起，确保了充填砾石与空洞、压裂裂缝周壁紧密相镶嵌，有效防砂半径大、形成了高效能挡砂屏障，有效期长，有较强的解堵作用，并提高了渗透率。2000年5月以来的有效井，除特殊井外，一直正常生产。3）适应性强、采液强度高不但适用于单层老井防砂，而且对多层大井段井、新井、斜井和粉细砂岩地层的防砂都有较好的适应性；套管内下入了高强度的绕丝管，地层与环空被砾石充填结实，滤砂效果好，能大量提液，适应高强度采液需要。可以加大压差抽油，甚至可以下电泵生产。4）保护油层地层充填与环空充填合二为一，降低了因携砂液更换带来的油层污染。5）便于防砂井的后期处理由于该防砂技术采用的是割缝筛管，且配套了安全接头和可溶性扶正器，便于解卡和套铣，减少了后期处理转大修的可能性。三、主要参数设计1.充填排量设计根据封隔高压一次充填防砂技术的特点，以挤压式充填模式设计排量，其关键在于合理确定射孔段的孔眼流速。表2提供了密度16孔/m、孔径14mm的孔眼在不同排量下的喷速数据，在封隔高压充填施工中，挤压式充填的喷射速度要在30m/min以上。如射孔井段为5m时，应选用1.2m3/min的排量。表2不同排量下的射孔眼喷速射孔段长/m孔眼总断面面枳/m2不同排量（m3/min）下的喷速/m・min-10.70.80.91.01.11.210.0077390.56103.47116.42129.37142.3155.2420.0154645.2851.758.264.771.277.630.0231930.1934.538.843.147.451.740.0309222.6425.929.132.335.638.850.0386518.1120.723.325.928.431.05充填施工压力设计充填施工中的井口压力可用下式表示Pw=Pf+Pp+Pe"Ph⑴式中Pw施工井口压力。MPa；Pf管汇、油管、充填工具、油套环空摩阻，MPa；P射孔眼摩阻，MPa；pP油层阻力，MPa；Ph液柱压力，MPa。分析（1）式各项，Pf中的管汇、充填工具、油套环空摩阻都较小，油管摩阻是主要因素，其值可从不同介质中油管流量与摩阻关系曲线查得［1］。(2)射孔眼摩阻pp可根据Crump公式计算，表达式为p=228.8xq(p/ND2Cd)2式中q排量，，m3/min；p携砂液密度，kg/m3；Np孔眼数目，个；D孑L眼直径，mm；Cpd孔眼流量系数，水携砂液取值(2)计算得知，1.2m3/min的排量，通过32孔直径为14mm射孔眼时，压力损失0.0335Mpa；通过4孔眼时为2.145Mpa；2孔眼时为8.57Mpa；1孔眼时即达4.138Mpa。在充填施工过程中随充填砂量的增加，射孔眼自上而下逐渐被砂堵，进液孔眼逐步减少，因而阻力越来越大，井口压力p越来越高。所以，p值的变化是判断充填施工状况的重要依据。可w油层阻力pe由油层流体压力和注充填液时的流体流动阻力组成。由于流体流动阻力的影响因素很多，如稠油及油层污染等，致使p常随井的不同而异，应用时，可通过试挤测量瞬时停泵压力的方法得到p值。。在实际施工中，注清洗液的稳定压力即代表正常状况下等式右侧各项压力的总和pw。砾石和筛管的选择砾石与地层砂的匹配相当重要，Dm/Dmf比值过大过小都会影响防砂效果。砾石和筛管的选择，现在普遍使用的还是Saucier理论和方法［2］。根据Saucier推荐，充填砂粒度中值为地层砂粒度中值的5〜6倍，即TOC\o"1-5"\h\zDm=(5〜6)Dmf(3)式中'Dmg———充填砂粒度中值，mm；Df地层砂粒度中值，mm。根据(3))式，当已知防砂井地层砂粒度中值Df之后，可以算得充填砂粒度中值Dm，并据此决定充填砂粒径范围，以充填砂基小粒径Dsmin的三分之二选择筛管缝宽b，即b=2/3D.。Smm4.充填砂量设计Smn充填砂量以下式计算V=n(Vi+Vo)(4)式中V充填总砂量，m3；V.筛套环空体积，m3；V：管外充填体积，m3；n—经验系数，取值1，2〜1.5。充填砂量设计包括管内外两部分砂量设计。管内部分v.可从筛套环空体积算得。V的设计，可先确定管外充填半径，后根据射孔井段算得充填容积，但此值具有太多的经验因素，重要的是在充填防砂施工中根据施工压力的变化进行砂量调整，确保充填质量。四、现场应用与效果分析在Turkmenkenistan油田的A层上选了具有代表性的1231、239、1557和1668四口井，进行了封隔高压一次充填防砂施工，这四口井都是一次充填成功。投产后，基本都达到了预期的产量，且达到减少地层污染、提高油井产量的目的。迄今为止，该油田A层36口需防砂的井全部采用高压法一次充填，除1口一次充填失败又二次充填外，其余35口井都一次成功，这36口井都已投产。其效果比较明显。1）高压一次充填平均施工周期5天，二次充填法平均施工周期14天，不但节省占井时间9天，而且一次充填减少了候凝、钻塞、井筒充填、丢手封隔等主要工序，使施工简便易行。2）该油田A层防砂井射孔段一般在3~8m，施工排量0.9〜1.5m3/min，泵压6〜30Mpa，加砂量11〜14m3，充填半径0.67〜1.20m，均达到了挤压式充填的设计要求，防砂半径大，在近井地带形成了高效能的挡砂屏障。而且由于减少钻砂塞和井筒的二次充填工序，减少了因压井液进入地层而对地层的污染。3）采油强度高、渗透率高。表3为4口井施工前后生产情况对比。表34口井防砂前后生产情况对比表井号对比油压/套压MPa油嘴mm日产液m3日产油t含水%1231措施前8/421015.88.633措施后15/401045.624.335239措施前9/39104.53.212措施后13/401018.513.0141557措施前12/421222.311.735措施后16/401256.730.6341668措施前17/431034.212.356措施后18/431087.530.158由表3可以看出，防砂后日产液、日产油均增加，这是由于大排量的前置液和携砂液对油层的冲刷，对油层有一定的解堵作用，油层堵塞减小，渗透率得到恢复。经统计，一次充填防砂的36口井累计增产98963t，而且目前仍稳定生产。从2000年5月第一口井防砂实验以来，到2001年5月底，已施工52井次，有效45井次，有效率86.5%。所有这些井，都是不防砂不能正常生产的油井。为了检验工具的适应性，探讨相应的防砂技术措施，选择河口、胜采、桩西、大港等多个油田的不同类型井进行了实验。结果表明：FS工具性能优良，工作可靠，充填排量可达1.5m3/min，压力可达30Mpa。该防砂工艺具有广泛适应性，适用于以下不同类型油井（典型井施工数据见表4）。表4典型井现场施工数据井号施工日期年•月・日排量/m3/min加砂量/m3施工前施工后有效期/d累计增油/t日产液/t日产油/t检泵周期/d日产液/t日产油/t检泵周期/d呈24-1322000.07.080.91347.397221.210.8>320>3202073呈27-922000.04.301.21113.639326.64.6>396>3961275呈24-1032000.09.110.94.850.641555.64.9>256>256896官46-322001.04.091.21112.75.83521.44.5>52>52234CZ15-X272001.05.251.22083.6164915>6>648胜3-X842000.11.261.23123.76.573208.8>185>1851139呈26-1322000.06.230.91.5------79.79.5>345>3452310呈26-1012000.11.260.95.8------32.23>180>180378呈25-C82001.04.040.910------20.514>135>1351890桩106-20-X122000.11.251.2188.637611.65.6>180>180705羊10-29-32001.02.171.52015615197>103>103540呈25-722001.02.021.01210.83.81515.76.9>116>116472单层老井这类井施工11井次，有效11井次，有效率100%,平均每口井加砂6.3m3。这些井中，有些投产时间长，曾采用过敷膜砂或绕丝筛管砾石充填等方法，因防砂失效需重防，由于过去已经填进数量不等的砂砾，现在防砂，是对新出砂通道或老空洞的充填，采用封隔高压一次充填防砂工艺，防砂有效率极高；也有一些如呈24-132这样的长期停产井，亏空大，填砂量大，用涂料砂和金属棉滤砂管防砂都不成功，采用封隔高压一次充填防砂施工，排量0.9m3/min，加砂13m3，泵压由10Mpa上升到18Mpa，防砂一次成功。多层长井段井此类井防砂一直很困难，用敷膜砂防砂难以对所有出砂层进行有效处理；用绕丝筛管砾石充填防砂，也存在难以保证充填质量的缺陷。利用封隔高压一次充填高压大排量既能进行地层充填又能进行油套环空充填的特点，在多层长井段井防砂中，取得了比其它防砂方法更好的效果。此类井施工20井次，有效17井次，有效率85%。官46-32井，12层32.8m，井段长58.6m，就是用封隔高压一次充填防砂成功的。像大港王官屯油田官46-32这样长期停产的准报废井共有5口，都是在2001年3~4月用该防砂工艺恢复正常生产的。多层长井段井防砂的一个显著特点是加砂量高，在统计的20口井中平均每口加砂12.7m3，是各种类型井中加砂量最大的，如CZ15—X27井，加砂20m3；胜3—X84井加砂达31m3。新井或补孔换层井新井、新层具有排液量少、地层吐砂量不大、管外孔洞基本保持射孔原状态的特点。防砂时既将射孔孔洞充填又将筛套环空充填。从16口新井或新层的防砂情况分析，平均单井加砂量8.2m3。可见由于大排量高压施工挤进孔洞中的砾石，既充填了孔洞，又由于挤入压力的原因压缩周围岩层，扩展了孔洞空间，甚至可能挤出微裂缝。因此，