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出砂机理及防砂

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机理
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述砂机理与预测砂方法与技术本章内容第六章 出砂机理及防砂 出砂是由于油气井开采和作业等综合因素造成井底附近地层破坏,导致剥落的地层砂随地层流体进入井筒,而对油气井生产造成不利影响的现象。骨架砂地层砂可以分两种 :述一、定义二、影响地层出砂因素,三大类:1、地质因素2、开采因素3、述 1、砂粒可能在井内沉积并形成砂堵,产量降低; 2、砂粒将磨损井内和地表设备,卡抽油泵进出口凡尔、活塞、衬套等; 3、出砂严重的井还可能引起井壁坍塌而损坏套管和衬管、砂埋油层导致油气井停产,使采油的难度和成本都显著提高等等。 4、污染环境,尤其是海洋油气田。述三、出砂的危害根据地层砂胶结强度大小分三类,有各自出砂特征1. 流砂地层 指没有胶结的地层砂。 仅靠很小的流体附着力和周围圈闭压实力聚集。 一旦开井投产便连续不断出砂,但产出液含砂量相对稳定,基本是一常数。 虽然累计出砂量不断增大,但套管周围不会出现地层空穴,只是地层越来越松。述四、出砂地层类型及出砂特征2. 部分胶结地层含胶结物量少,胶结力弱,地层强度低。投产后地层砂会在炮眼附近剥落,逐渐发展成空穴,剥落的地层砂进入井筒极易添满井底,堵塞炮管。其产出液含砂量变化很大。述3、脆性砂地层 也称易碎砂地层,较多胶结物,中等胶结强度砂岩。 开始投产时出砂几天或几周,随后出砂量大减,几乎无砂产出,到一定可能重新出砂。 因出砂过程中套管外部地层冲蚀空穴突然增大,过流面积成倍增长,地层流体流速大幅下降,导致出砂量明显下降。当单位面积流体流速达到一定值时,又会出现地层砂大块坍塌,过流面积倍增而停止出砂,出现另一个周期。 周而复始任其发展,洞穴将越来越大,最终形成灾难性地层坍塌,使套管变形而报废。述 1、砂机理与预测随内外压差增大,流体流向井内的流速也增大对岩石的拖曳力增大,岩石承受拉伸力也增大当该力超过岩石抗拉伸强度时,岩石就会遭受拉伸破坏,而出砂。一、地层出砂机理 2、剪切破坏上覆岩层压力由孔隙压力与骨架应力共同平衡。随开采进行,油藏压力逐渐降低,施加在骨架上压力越来越大,当该力超过岩石抗剪切应力,岩石就会被剪切破坏,砂机理与预测一、地层出砂机理地层中存在诸如粘土之类精细颗粒 , 会随产出液一起运移 , 造成井壁周围渗透率降低 ( 地层损伤的一种 ) , 增加了流体的拖曳力 , 导致出砂 。砂机理与预测 3、精细颗粒的影响一、地层出砂机理二、油井出砂预测方法 有以下三种: 1、现场观测法 2、经验分析法 3、应力分析法岩心观察t 1 2 9 5%30%20%30  %20 M P aE c M P aE c 44 M P aE c 4102 M P 4 M 砂机理与预测1)裸眼井井筒附近应力分布( 1)裸眼井井筒附近应力分布的一般方法( 2)考虑孔隙流体的压力效应地层中任一点应力分布2)射孔完成井出砂预测方法( 1)沿最大水平主应力射孔,求孔眼周围地层应力分布( 2)沿最小水平主应力射孔,求孔眼周围地层应力分布 2c o s)31(2)()1(2)(2c o s)431(2)()1(2)(44222222442222)](1)21([2c os)(2)]()1()1(2)21([2c 1(2)()1(2)()]()1()1(2)21([2c 31(2)()1(2)(2224422222222442222砂方法与技术一、防砂方法二、各防砂方法防砂原理二、防砂方法优选油井防砂方法有以下几种 : 1、机械防砂法 2、化学防砂法 3、焦化防砂法 4、复合防砂法 5、其他防砂法仅下机械防砂管柱降低流速法一、防砂方法防砂管柱砾石充填人工胶结地层法人工井壁法增大油层径向应力向地层挤入树脂砂浆液、乳化水泥、预涂层砾石、水带干灰砂等向地层通入热能,使原油在砂粒表面焦化,形成具有胶结力的薄胶结层机械防砂法 化学防砂法+增加射孔段长度、增加射孔密度;控制产量。砂方法与技术 1、机械防砂( 1)滤砂器防砂原理二、各防砂方法防砂原理地层砂产出后,经过滤砂器才可到达地面,滤砂器具有高渗透性,但可以阻挡地层砂通过。A、绕丝筛管B、割缝衬管不锈钢绕丝筋板基板C、双层预充填砾石绕丝筛管防砂D、金属棉滤砂管防砂 E、陶瓷滤砂管 F、砂方法与技术B、割缝衬管套管割线垂直于轴线的 (L=20行于轴线的( L=50、双层预充填砾石绕丝筛管防砂内外绕丝筛管砾石中心管D、金属棉滤砂管防砂带孔基管金属棉保护管固定销钉滤砂网基管中心管二、砂方法与技术二、各防砂方法防砂原理E、陶瓷滤砂管外管陶瓷管密封F、树脂石英砂滤砂管防砂滤砂管引鞋中心管G、多孔冶金粉末滤砂管由铁粉或铜粉烧结而成,然后用铜合金包覆金属粉末。砂方法与技术 ( 2)筛管砾石充填防砂机理首先将筛管或割缝衬管下到出砂层段,用一定质量流体将一定粒度砾石携带到防砂段,充填在筛管与地层之间或筛管与套管之间,将地层砂挡在砾石层外,形成一个由粗到细的砂拱,良好流通能力,又能阻止油层出砂。1、先期裸眼绕丝筛管砾石充填防砂2、套管完井筛管砾石充填防砂滤砂器管柱砾石填充油管套管水泥环油藏滤砂器管柱砾石填充射孔管外充填 砂方法与技术 ( 1)人工胶结固砂方法① 酚醛树脂胶结砂层② 酚醛溶液地下合成防砂 ( 2)人工井壁防砂法①预涂层砾石人工井壁②水泥砂浆人工井壁③树脂核桃壳人工井壁④树脂砂浆人工井壁2、化学防砂的机理适用在早期防砂先期、早期防砂方法苯酚甲醛催化剂柴油作为增孔剂+施工简单成功率高胶结后的砾石的抗折强度大渗透率可在原渗透率 90%以上水泥 石英砂 水油+ 出砂部位+粉碎的核桃壳颗粒酚醛树脂 柴油+ +中性水油固化剂早期防砂后期防砂酚醛树脂 + 石英砂 + 砂方法与技术 ( 1)物理方法固砂原油中重质部分尤其沥青,在低温下可凝固成半固态物质,不再溶于原油,可以将疏松砂岩胶结在一起,形成具有一定渗透性的挡砂屏障。 ( 2)低温氧化固砂低温氧化:指氧气和烃类物质在 300度以下条件中化学反应。低温氧化固砂:利用原油和氧气在低温下反应,使原油中的沥青质析出,把地层胶结在一起。 ( 3)沥青石油固砂3、焦化防砂的机理油井填砂 用沥青石油饱和砂粒 注溶剂 砂方法与技术 ( 1)常规机械 ( 2)高渗压裂充填防砂4、复合防砂机理化学剂在出砂层位固结地层后,再下机械防砂管柱(一般为双层预充填绕丝筛管)高渗疏松砂岩地层既水力压裂,又砾石充填,两工艺有机结合,油井既高产又控砂最佳效果。( 1)压后地层流体流动特征径向流 双线流( 2)水力裂缝可以避免和缓解岩石的破坏( 3)裂缝可以降低流动冲刷携带砂粒的能力( 4)裂缝内充填的砾石对地层砂粒有阻挡作用双线流 生产压差降低 流动压力梯度降低+双性流 裂缝表面积 流速大幅度降低+砂方法与技术5、其他方法-砂桥形成与稳定( 1)砂桥: 地层砂粒或充填砂粒在炮眼周围构成的圆拱结构。( 2)砂桥形成: 流速低于临界流速时,自然形成砂桥,高于临界流速会大量出砂,不能形成砂桥。为保证沙桥稳定性,最简单方法是把产量控制在临界流速以下;在一定采液流速下,可增大出油面积,降低生产压差,如增大射孔密度,增大孔径,甚至裸眼完井。( 3)砂桥稳定性: 砂桥形成前会出砂,形成后出砂渐少,甚至不出砂,即形成稳定砂桥。砂桥稳定性主要受 砂粒间摩擦力和孔隙间毛管力 支配。生产中,一旦流速过大,超过临界流速,流动压力大于砂粒间摩擦力和毛细管力,使得砂桥垮塌,油井出砂。砂方法与技术5、其他方法-投产与管理( 1)防砂后及时开井排液( 2)投产初期适当控制工作制度( 3)合理生产压差防砂后适当关井候凝或压力扩散,及时开井,尽快排液生产。投产初期,控制产液量,使地层砂在砾石充填体外沿形成“砂拱”或“砂桥”。较大砂粒能阻止外面较小地层砂,在井壁形成一个由粗到细粒滤砂器,具有良好渗透性,又能阻止油层出砂。防砂井存在人工井壁结构破坏而重新大量出砂可能。防砂后,要先保持防砂前生产压差,定期取样分析,观察油井出砂情况,经一段 时间证明油井不出砂,油层本身又具有潜力时可适当放大生产压差,增加采油量。砂方法与技术机械防砂管柱结构套管油管抽油杆抽油泵防砂丢手安全接头防砂衬管皮碗丝堵油层油层油层衬管悬挂器 : 防砂管柱悬挂在套管,封隔油套环空,使带砂流体只能通过防砂衬管滤砂套。丢 手 : 丢开上部油管,便于检泵、热洗清蜡等。(丢手在衬管悬挂器上)安全 接 头 : 悬挂器与衬管之间,打捞衬管时,先将安全接头倒开,捞出悬挂器,以免作业复杂皮 碗 : 防砂管底端,帮助衬管之间环空形成砂桥。扶 正 器 : 防砂衬管上下两端,保护衬管下井时偏磨套管壁。丝 堵 : 最底端,防皮碗损坏时,地层砂从底端进入管柱内。砂方法与技术1、防砂方法选择原则( 1) 立足于先期和早期防砂( 2) 综合技术现状、工艺条件和经济成本,合理选用防砂方法( 3) 立足油层保护,减少伤害,保持油气井最大产能为目标,结合有效期,选择防砂方法 。根据地质资料和试油试井资料,结合出砂预测,一旦判断地层必然出砂,则应先期防砂完井或短暂排液后早期防砂,以此为基础来选择防砂方法。如果在地层岩石骨架被破坏后才进行防砂,防砂难度将大大增加,而且也难保证防砂效果。1、选择原则2、基本思路三、砂方法与技术防砂方法选择中存在的问题( 1)难以兼顾各种因素,具有片面性( 2)防砂方法适应界限难以确定( 3)片面经验起主要作用( 4)注重防砂效果,忽略经济效果2、防砂方法优选基本思路建立一套综合防砂方法技术适应性和经济效果的优选模型。砂方法与技术( 1)现有防砂方法适应性归纳分析,建立适应条件数据库;( 2)根据专家和实践经验,建立各因素权重系数数据库,表达各因素权重;( 3)应用模糊数学原理建立防砂综合模糊评判模型(技术评价)( 4)不同防砂方法下油井产能预测。三、砂方法与技术 三、防砂方法优选( 1)地层砂侵入影响四、影响防砂效果因素地层粘土含量高时,会加剧渗透率下降趋势砾石破碎产生粉细砂,结果相当于砂侵01020304050607080901000204060801001201401601800 10 20 30 40 50 60 70 80 90 砂方法与技术(2)地层胶结程度与地层砂粒径( 3)粘土与细粉砂泥质的含量( 4)油藏流体物性粉细砂岩与高粘土地层,防砂效果差,因粉细砂和粘土易堵塞滤砂管,粘土遇水膨胀。 一般先预处理地层,防止粘土颗粒膨胀和运移。高粘液体与粘土、粉细砂一起易堵塞滤砂管,油井丧失产能。砂方法与技术 四、影响防砂效果因素( 5)地层垂向非均质性( 6)地层温度( 7)井段长度( 8)多油层防砂井段较长、垂向非均质性较强井,化学剂挤注效果较差,防砂效果不好,导致继续出砂。化学防砂方法影响较大,化学固砂剂一般对温度要求苛刻井段较长不适宜用化学防砂,会使化学剂挤注不均匀化学剂固砂与人工井壁法都不适用多层防砂,易挤注不均匀即使砾石充填,夹层超过一定厚度也要进行分级防砂。砂方法与技术 四、影响防砂效果因素( 9)射孔参数( 10)井身状况2221 )( 1v 2v 3v 4孔径提高渗透率 增大渗流面积 降低流速大径砾石充填高斜度井中砾石充填易亏空甚至 充填 失败。化学剂固砂不适合斜井,化学剂可能在井筒周围挤注不均匀。其他条件允许情况下,斜井常采用筛管防砂方法。砂方法与技术 四、影响防砂效果因素( 11)砾石尺寸选择不当( 12)砾石破碎影响考伯里:砾石尺寸为地层砂 玻夫: 砾石尺寸为 地层砂 层砂细时效果较好。,层砂 常为 5壳牌公司据地层砂筛析曲线选择砾石尺寸较大尺寸砾石,虽渗透率较大,但地层砂易侵入砾石层,反而降低渗透率,形成较大压降,降低产能。一般选尺寸较小砾石,最好选允许范围底限,减少砂侵。砾石输送和泵送过程颠簸振动, 泵入时活塞挤压和流体冲蚀, 可产生破碎。重新筛选,适当控制泵送流速,但流速过低会砾石沉淀堵塞。高产井高速携砂液对砾石层产生冲蚀,产生粉碎细砂,堵塞充填层,降低产量半对数筛析曲线上累积重量10%砂方法与技术 四、影响防砂效果因素( 13)入井液影响( 14)油井产能影响( 15)含水率影响砾石充填入井液最基本要求是 清洁 与地层有较好 配伍性 。不清洁会对地层造成堵塞,即使很细固粒和地层砂混合也会使渗透率降低到几个毫达西。另外入井液必须与地层相配伍,不能引起粘土膨胀、运移。产出携砂液流速高,对机械防砂管柱造成破坏。另外高产井不宜采用对产能有较大影响的防砂方法。高含水油井中采用与化学剂有关的防砂方法可能降低防砂有效期,因为高含水会降低化学剂固结作用。砂方法与技术 四、影响防砂效果因素分类 防砂法 优点 缺点 备注机械防砂绕丝筛管砾石充填( 1)成功率高达 90%以上( 2)有效期长( 3)适应性强,应用普遍( 4)裸眼充填产能为射孔完井 1)井内有防砂管柱,后期处理复杂,费用高( 2)不适用于粉细砂岩( 3)管内充填产能损失大按工艺条件和充填方式再细分滤砂管 ( 1)施工简单,陈本低( 2)适合多油层完井,粗砂地层( 1)不适用粉细砂岩( 2)滤砂管易堵塞使产能降低( 3)滤砂管易受冲蚀,寿命短按材料形成多种滤砂管割缝衬管( 1)成本低,施工简单( 2)适用于出砂不严重的中、粗砂岩,水平井常用( 1)不宜用于粉细砂岩( 2)砂桥易堵塞,影响产能化学防砂胶固地层( 1)井内无留物,易进行后期补救作业( 2)对地层砂粒度适应范围广( 3)施工简单( 1)渗透率下降,成本高( 2)不宜多层长井段和严重出砂井( 3)化学剂有毒,易造成污染树脂液、树脂砂浆、溶液地下合成、化学固砂剂人工井壁( 1)化学剂用量少,成本可下降 20 2)井内无留物,补救作业方便( 3)可用于出砂严重的老井( 4)成功率高达 85%以上( 1)不宜用于多油层、长井段( 2)不能用于裸眼井预涂层砾石、树脂砂浆、水带干灰砂、乳化水泥砂拱防砂套管外封隔器(1) 施工简单,费用较低( 2)可用于多层完井施工( 3)产能损失小,后期不久处理较容易( 1)不宜用于粉细砂岩及疏松砂地层( 2)砂共稳定性不好( 3)控制流速影响产能其他水力压裂砾石充填( 1)既防砂又高产( 2)消除油层伤害( 3)有效期长( 1)不宜用于多油层和粉细砂岩( 2)后期处理难原油焦化固砂( 1)特别适用于超稠油疏松砂岩(2) 井内无留物( 1)不宜用于多油层和长井段作业( 2)施工复杂,难度大,费用高主要防砂方法对比比较项目防砂方法衬管 筛管 +砾石充填 树脂固砂 树脂涂抹层砾石 套管外封隔器适应地层砂尺寸 中 粉 种尺寸 各种尺寸泥质低渗透地层 — — — — 适用非均质地层 适用 适用 — 适用 适用多油层 适用 适用 — 适用 适用井段长度 短 5m <10m 6~12m/层无钻机或修井机 — — 适用 — —高压井 — — 适用 — 适用高产井 — 适用 适用 — 适用裸眼井 — 适用 — — 适用热采井 — 适用 — 适用 —严重出砂井 — 适用 适用 适用 适用定向井 适用 适用 适用 适用 适用老油井 适用 适用 — 适用 适用套管完井 适用 适用 适用 适用 —套管直径 常规 常规 小 有 无 无 无费用 低 中 高 高 成功率 高 高 低 很长 中 中防砂方法筛选表油气井防砂总过程根据测井资料、试井资料等关于油气井资料进行预测油井是否出砂如果出砂,合理选择防砂方法防砂之后,各类又分哪几种具体方法 ?
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