油田水砂防砂技术研究

油田水砂防砂技术研究

油松和砂岩油的分布在中国广泛分布，产量和储量占很大比例。因此，做好防砂工作非常重要。油水井出砂带来的危害很大:出砂可能导致砂埋油层或井筒砂堵造成油水井不能正常生产或停产;出砂导致井下和地面设备磨损加剧;出砂导致井筒冲砂和地面设备清砂工作增加,使生产成本增加;出砂还可能造成油层部位亏空、井壁坍塌、套变加剧乃至使油水井报废。1人为因素影响油水井出砂原因可分为先天和人为两种因素造成的。先天因素主要是由于油藏埋藏浅,形成地质年代较晚,并且胶结矿物数量少、分布不均,因而油层胶结强度差,在地应力大于地层强度时,在流体冲刷之下油层即出砂。人为因素主要有:①钻井过程及开采前后,油层部位受破坏而应力失衡;②不合理的开采速度和油井工作制度突变或生产压差过大;③射孔、压裂、修井冲砂和酸化等措施不可避免造成对油层强度的负面影响;④油层进人中高含水开发期后,由于胶结物的被溶解和冲刷,油层强度降低;⑤地层压力下降,使油层受垂向应力增加,使砂粒间的应力平衡被破坏,造成出砂;⑥固井质量差,注蒸汽对胶结物的溶解软化;另外油层渗透率高,流体渗流速度大;油黏度大,携砂能力强都会使油层易出砂。对于注水井来说,注入水返吐卸压是造成油层出砂的主要原因。2防砂方法的分类和技术特点2.1防止中粗砂岩油层细砂地层出细砂机械防砂分2类:第一类是现场应用比较普遍的防砂管柱防砂技术,主要是采取在采油泵下挂接如绕丝筛管、割缝衬管、双层或多层筛管、各种防砂器等,原理是利用上述防砂管柱阻挡住地层砂,防止进入采油泵内。优点是简便易行,可以有效的防止中粗砂岩油层所出的大粒径砂。不足是对出细砂的井易造成堵塞,使采油泵不进液,而且寿命相对短;第二类机械防砂是第一类机械防砂方法的发展进步,它采取先下入防砂管柱后再进行充填,充填物常用砾石,还可用陶粒、果壳等。由于该类防砂方法应用较早,技术逐步完善提高,目前被认为是防砂效果最好的防砂方法之一。充填防砂具有施工可靠、成功率高、费用适中,而且目前已成功用于水平井的防砂的优点,缺点是不适用于防止细粉砂地层的出砂,且施工后井内留有工具,在对油层压裂改造等措施时常需大修取出。总之,机械防砂对地层的适应性强,无论产层薄厚、渗透率高低、夹层多少均可,缺点是不适应于细粉砂地层和高压地层防砂。2.2人工井壁防砂法化学防砂是向地层挤入一定量的化学剂充填于地层孔隙中,以达到充填和固结地层,提高地层强度的目的。一般分为人工胶结地层和人造井壁两种防砂方法。前者是向地层注入各类树脂或各种化学固砂剂,直接将地层固结,它对疏松油层出砂特别适用。后者是把具有特殊性能的水泥、树脂、预涂层砾石、水带干灰砂或化学剂挤入井筒周围地层中,这些物质凝固后形成一层既坚固又有一定渗透性和强度的人工井壁,达到防止油层出砂的目的,人工井壁法对由于出砂造成套管外油层部位坍塌所造成的亏空井防砂比较适宜。化学法防砂前题条件要求固井质量好,不能有套管外串槽现象,射孔炮眼畅通,它适用于渗透率相对均匀的薄层段地层防砂,而层内差异大的厚层化学防砂施工由于注入剂锥进不均和重力作用易造成固结不均,影响防砂效果。化学防砂优点是施工后井内无遗留物,并可用于异常高压井层的防砂;缺点是对地层渗透率有一定伤害,特别是重复施工时。另外注入剂存在老化现象,使其有效期有限,成功率不如机械防砂,化学防砂不适用于裸眼井防砂。2.3与化学防砂相结合复合防砂是吸取机械防砂和化学防砂的成功经验,将两者优势结合起来相互补充,一方面通过化学防砂在近井地带形成一个有一定渗透率固结良好的屏障带,再利用机械防砂形成二次挡砂屏障。3砾石充填的防砂工艺砾石充填防砂技术是一种应用较早,且技术趋于完善的防砂技术,目前也被认为是防砂效果最好的防砂方法之一,通过上述各种防砂方法的介绍,也不难看出砾石充填防砂工艺的优越性。砾石充填工艺防砂效果的好坏与防砂筛管缝宽、充填砾石尺寸、砾石填充量、充填排量和充填压力等参数的设置有着密切的关系,因此防砂施工参数的优化显得尤为重要。3.1计算缝宽的计算公式挡砂精度是机械防砂筛管的重要参数,目前国内外常用的设计方法有Corly&Wagner法、Wilson&Gill法等。(1)Corly&Wagner法认为,绕丝筛管、割缝筛管的缝宽应略小于最小砾石尺寸;(2)Wilson和Gill提出的设计准则为:式中W—筛管的缝宽,mm;C一地层砂的均匀系数,d40/d90。实际应用中,2d10明显偏大,后来改进为:根据此方法计算出的筛管缝宽的尺寸仍很大,目前在筛管缝宽的设计中已经很少用到;(3)经过研究实验,上述2种方法均不适用于新疆油田,综合几种设计方法,采用下式计算缝宽,可以较好的满足新疆油田的现场需求。以红浅1开区h86033井为例,介绍新疆油田机械防砂管挡砂精度设计方法:根据h86033井砂样粒度分级表(表1),及砂样粒度分布曲线(图1),计算该井粒径中值d50=0.0884mm,由此计算防砂管缝宽W=0.1366×In0.0884+0.4187=0.087mm。现场选用了挡砂精度0.07mm的钢丝网保护套(图2、图3)进行防砂。防砂后,该井检泵周期由原来的90d左右,延长至600d以上,防砂效果非常好。3.2结构模拟法和筛析曲线法砾石尺寸设计方法有许多种,这些方法一般分为3类:简单模型、基于筛析曲线的设计方法和孔喉结构模拟法。简单模型是根据地层砂某一特征值即可完成设计,比如Saucier法;基于筛析曲线的设计方法是根据地层砂的筛析曲线完成的设计,比如Depriester等。孔喉模拟法则是基于砾石层孔喉尺寸的分布特征与地层砂尺寸分布特征相匹配,砾石层则可以起到很好的防砂效果。3.2.1地层砂胶结充填设计方法二Saucier法是目前普遍使用的砾石尺寸选择方法,它建立在完全挡砂机理之上,其设计原则是:D50—筛管缝宽;d50一地层砂的粒度中值。按此方法选用砾石充填,砾石充填带的有效渗透率/地层渗透率最大。砾石尺寸过大会造成砂侵,引起砾石层渗透率严重下降,一般在最佳范围内使用较小值。3.2.2颗粒直径Derpriester法,必须依赖地层砂筛析曲线才能使用。其设计步骤如下:(1)在地层砂筛析曲线上找到d50,d90对应的点;(5)该直线段对应的粒径范围即为选定的砾石尺寸范围。砾石层孔喉直径是指砾石层空袭中能够容纳的最大球形颗粒的直径。由于砾石颗粒的随机充填,砾石层的孔喉直径并不均匀,对于非等径的砾石更是如此。对于阻挡地层砂的砾石层而言,如果砾石孔喉结构分布与地层砂尺寸分布匹配相当,则砾石层可以起到很好的挡砂效果。3.3用砾石量计算填充量砾石充填量包括管外地层充填和管内井筒充填两部分。3.3.1充填砾石用量确定管外砾石充填量主要根据经验确定。一般根据区块油气井的作业历史,统计每米井段的管外砾石充填量及纵向充填强度,进而确定新井管外地层充填砾石用量。r0一管外砾石充填半径,m;ru一井眼半径,m;Ig—管外砾石充填强度,即每米充填量,m3/m.根据纵向砾石充填井段长度,可以计算总的管外砾石充填量:Vgu—管外砾石充填量,m3;h一充填地层厚度,m.3.3.2套管、筛管的计算管内砾石充填量主要包括井筒环空容积和井底口袋容积,主要根据套管、筛管参数来计算。井筒环空砾石充填量:式中dci一套管内径,m;dso—筛管外径,m.井底口袋砾石充填量:式中Lb—口袋长度,m.管内砾石充填量为:3.3.3计算额外砂石量式中Xgf—砾石充填量附加系数,一般取0.2。3.3.4总碎屑量3.4计算填充排水的成本砾石充填过程中的砾石运动过程可以分为两个过程即:在套管或环空中的流动以及通过炮眼的流动。3.4.1砂比和干扰沉降砾石充填防砂施工过程中,井筒或环空中的流动是液固两相流动,如果液体流速(充填排量)过低,砾石会在泵入过程中提前沉降,发生堵塞使充填失败,若砂比过高同样如此。临界排量(临界砂比)即使砾石颗粒在泵入过程中刚刚不发生沉降的排量(砂比)。泵入砾石砂浆过程中的沉降为有限空间中的沉降即干扰沉降。直径为Dg的砾石颗粒在静止液体中因受重力作用而下沉:砾石颗粒在下沉时受到液体的阻力F为:在下沉开始时,砾石颗粒的运动速度较小,重力小于阻力,固体颗粒加速下沉,当速度增大到一定程度时,颗粒受到的阻力与重力相等后,颗粒开始等速下沉,这时得到沉降速度的一般计算公式:阻力系数Cd的计算方法如下:雷诺数:若Re≤1时,若1<Re<1000时,若1000<Re<2×105时,3.4.2携带砂液流速测定为了计算携砂液在炮眼处的临界流速,作了如下假定:(1)携砂液为牛顿流体;(2)流场中的紊流是均匀的和定常的;(3)颗粒是球形的;(4)作用于颗粒上的任何外力来源于位势场,如重力场等;(5)颗粒运移期间,其周围领域内由同样流体包围。式中Vc—进入炮眼携砂液的最小流速;HVTC—流态与单位换算无因次系数;CV—砂比;m—颗粒沉降受阻指数;μ一携砂液粘度;d—粒径;ρs—颗粒密度;ρ1—携砂液密度。当砂粒浓度很小时,颗粒沉降过程中彼此干扰很小,可以看作是自由沉降。当浓度达到一定程度后,会互相干扰,使得沉降速度低于自由沉降速度。颗粒沉降受阻指数选取见图6。挤压充填时用携砂液携带一定的砂比石英砂进入炮眼,砂粒沉降受阻指数取2,携砂液粘度可以测定,0.6～1.2mm粒径的石英砂粒度中值为8.9×10-4m,石英砂密度为1.7×103kg/m3,携砂液的密度可以测定或计算,将这些值代入临界流速公式得到石英砂进入炮眼时,携砂液的最小流速。现场施工中根据具体井中射孔段的过流面积即可完成挤压排量的设计。3.5摩阻pf挤压施工过程中,泵压可用下式表示:式中Pw—泵压,MPa;Pf—管汇、管柱、工具摩阻,MPa;Pp—射孔眼摩阻,MPa;Pe—油层阻力,MPa;Ph—液柱阻力,MPa。Pf主要表现为油管摩阻,其值可从不同介质中油管流量与摩阻关系曲线查得。射孔眼摩阻Pp按下式计算:油层阻力Pe常随井的不同而不同,应用时,可通过试挤测量瞬时停泵压力的方法得到。在实际施工中,注清洗剂的稳定压力即代表正常情况下右侧各项压力的总和Pw。3.6中心管渗流对管井管流口由于注汽热采井井底温度高达300℃以上,而筛管周围又被密实的砾石充填体掩埋,在高温时产生的巨大热应力可能使筛管结构破坏,因此本区块注汽井应采用中心管可以自由滑动、高温密封好、中心管渗流面积大的热采绕丝筛管。绕丝筛管的缝隙按1/2～2/3最小砾石尺寸选择,故推荐采用的筛管缝隙为:考虑到注蒸汽对砾石的冲刷和溶蚀,热采井采用与常规井相比筛缝较小的热采绕丝筛管,即缝隙为0.3mm的热采绕丝筛管。3.7管柱的刮削及洗井砾石充填工艺施工工序如下:(2)探冲砂:有砂冲砂至人工井底,等候一小时复探砂面;(3)通井:下入带通井规的通井管柱通井至井底;(4)刮管、洗井:下带刮管器的刮管管柱刮至井底,在封隔器封位处反复刮削3次,用热污水洗井1周以上;(5)下入防砂管柱结构;(6)试压:安装防喷器,连接好地面管线和车辆,试压5min不刺不漏为合格;(7)正循环洗井、挤前置液洗井;(8)填砂:泵压稳定后开始加砂。达到设计量或泵压明显上升时停止加砂;(9)反洗井:洗出管内多余砾石,直至返出液不含砂且为止;(10)丢手:投入钢球一枚,候球落入球座,打压12～15MPa,上提管柱负荷不增加,说明丢手顺利。起出丢手管柱,充填施工结束。4防砂筛管缝宽计算方法研究的基本认识砾石充填防砂工艺目前现场已成功应用9井次,并取得了良好的防砂效果。经过对防砂筛管缝宽、充填砾石尺寸、砾石填充量、充填排量和充填压力等参数的分析研究,并结合新疆油田的特点,我们取得了以下2点认识:(1)从实际情况出发:综合几种设计方法,给出了可以较好满足新疆油田现场需求的防砂筛管