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国外防砂技术及发展趋势-邓广渝

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国外 技术 发展趋势 邓广渝
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2007 年第 6 期 石油科技论坛 39□ 中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院 邓广渝 衣春霞 张义刚 龙碧英国外防砂技术及发展趋势摘 要 : 本文主要介绍了近年来国外在防砂领域产生的几项新技术, 包括射孔防砂一体化技术, 砂筛管、 管和 层组合筛管等新型滤砂管防砂技术, 以及烷基聚硅酸酯固砂、 混纤维砂浆充填防砂等化学防砂技术, 并对各项新技术的原理、 应用范围和优越性作了说明, 对国内外防砂技术的发展趋势进行了预测。关键词 : 防砂 射孔 筛管 化学防砂“砂、 蜡、 水” 是采油工程技术工作者终身与之斗争的对象。 世界各国, 概莫能外。 “砂”, 骇然列在首位, 可见其属于重中之重了。 这里对此问题的发展现状和未来走向进行一些介绍, 以为同行讨论。一、 射孔防砂一体化技术射孔防砂一体化技术是射孔、 防砂和监测技术集成配套而形成的一种实用化的技术, 它在国外发展很快。 该技术应用于出砂油水井完井措施中, 一趟管柱完成射孔、防砂施工, 优点是减轻了油层污染, 降低了施工费用。 该技术目前在国内正处于起步阶段, 技术理论研究和小规模应用试验正在开展。1. 工艺原理射孔防砂一体化技术有射孔防砂一体化管柱和射孔防砂联作技术两种基本形式, 其原理分述如下 :——射孔防砂一体化管柱。油水井射孔防砂一体化管柱实现了射孔工艺和防砂工艺的有机结合, 即利用一趟管柱首先实施射孔作业, 再下放管柱实施防砂施工。 该技术的应用可以缩短射孔和防砂之间的施工时间, 减轻地层出砂和油层污染, 减少一趟管柱。——射孔防砂联作技术。环 球 石 油石油科技论坛 2007 年第 6 期图 1 射孔防砂一体化管柱施工流程图油层 油层校正短节防砂管柱射孔管柱校正短节防砂管柱射孔管柱(a) 射孔 (b) 防砂图 2 射孔防砂联作技术施工流程图(a) 下入 (b) 射孔 (c) 燃爆防砂 (d) 起出油层 油层 油层 油层砂定位器射孔防砂器材砂定位器射孔防砂器材砂定位器射孔防砂器材射孔防砂联作技术是在大孔径射孔弹前放置一个有助推火药及防砂材料的前仓, 利用射孔弹起爆射流产生的高温高压, 引燃助推火药, 将防砂材料在毫秒级范围推入射孔孔道, 并形成永久固结的防砂塞, 实现防砂射孔作业一次完成 [1] 。2. 适用范围——射孔防砂一体化管柱。本技术适于新井第一次射孔, 且射孔井段内无闭射夹层 ; 适用于老井 (试油井) 上返补孔, 且为单采、 单注(单试) 补孔段, 射孔段内无闭射夹层 ; 油井井筒斜度小于 60 ℃。 射孔防砂一体化管柱施工流程见图 1 。——射孔防砂联作技术。本技术适用于出砂情况较轻的防砂井, 需要射孔完井的油水井。 射孔防砂联作技术施工流程见图 2 。3 . 施工程序射孔防砂一体化管柱的施工程序是 : 在对油水井井筒试压合格后 , 下入油水井射孔防砂一体化管柱。 管柱下到位后, 下入磁定位器对管柱校深, 以达到射孔深度精度要求。 然后油管加压, 射孔启爆器工作, 完成射孔。 小排量试挤射孔液, 验证射孔弹是否发射。 射孔成功后, 立即下放管柱, 使防砂管正对油层, 最后进行防砂施工。射孔防砂联作技术的施工程序是 : 在对油水井做好射孔前期准备之后, 用电缆或油管下入射孔防砂联作器材。 器材下到井筒后, 磁性定位, 电缆或液压引爆射孔防砂器材, 在射孔的同时完成射孔孔道的固结工作, 达到射孔和防砂施工一次完成。二、 新型滤砂管防砂技术在机械防砂工艺技术中, 由于滤砂管防砂具有施工工艺简单, 不进行砾石充填作业, 无需大型防砂设备以及施工成功率高等特点, 近十年来发展很快, 新产品、 新技术不断涌现, 以适应不同地质条件和不同油井类型防砂的需要。 目前最新研制并在现场工业应用的防砂筛管有下面几种。1 . 强度防砂筛管砂筛管是专门为裸眼井在不必填充砾石的条件下进行防砂所设计的完井工具。砂筛管可用于油井、 气井和水井, 既可单独使用, 也可结合砾石充填和压裂充填完井使用 ; 可用于直井、 斜井和水平井的裸眼完井 ; 目前, 在裸眼井中下入单立柱防砂筛管完井已经成为水平井的重要技术之一。砂筛管的技术特点 : 独特的紧缩式绕丝加工 ; 中心管承力 ; 筛管承受扭矩、 拉伸、挤压和弯曲的能力与套管相当 ;所用绕丝是特种合金材质及剖面独特的异型不锈钢丝 ; 绕丝与中心管之间没有焊接 ; 作业时无需特殊工具 ; 可用于小曲率半径的402007 年第 6 期 石油科技论坛 41外罩保护管图 3 管结构基管焊接内衬管内层滤膜网图 4 外保护筛管 (a) 及内层滤膜网结构 (b)(a) (b)井眼, 在 90 ° /100曲率拐点条件下不影响防砂性能 ;筛管的缝隙大小均匀一致, 防砂性能优异 ; 中心管最小管径为 2 7 / 8 最大为 10 3 / 4 砂筛管现场使用充分体现了下述优点 : 下防砂管的作业时间短, 作业费节省 ; 作业成功率提高 ; 油井产能优化 ; 油井寿命增加。2 . 冲蚀防砂筛管司的产品, 坚固, 抗损坏能力强, 主要有保护罩、 单层滤膜网、 贝克焊接内衬管及基管,能够优化产量、延长筛管寿命,管还具有较好的抗冲蚀能力, 其结构如图 3 所示。管设计优良, 主要适用于水平井、 小井眼井、 重复作业井, 尤其是裸眼井效果更好。管的主要特点 :管的耐用矢量外罩能够在下入过程中起到保护作用。 在生产过程中, 则可以改变流向, 减小冲蚀, 从而延长筛管寿命, 提高产量。管的单层滤膜网可使流入面积比预充填筛管增大 10倍。 单层、 致密的金属网膜具有相同的孔喉和较大的流入面积, 容易形成渗透率好的滤饼, 并使流动颗粒改变方向,从而减小冲蚀(图 4 )。 使筛管更加耐用 ; 单层滤膜网使筛管寿命比预充填筛管提高 8 倍, 同时,单层结构可通过简单反洗将滤饼清除而进一步提高筛管寿命 [2] 。3 . 层充填组合筛管该新型滤砂管是美国 司研制成功的, 目前已广泛应用于现场。内至外的系列结构为 :2 3 / 8 6 5 / 8 础管, 每英尺有 108 个 3 / 8 一层正方孔金属丝网的泄油层并在孔处起支承 孔隙金属膜) 作用 ;4 层保尔 质单独缠绕在泄油网和管子外面 ;一根紫铜支承条保证各单独层不至于焊接在一起 ;一层正方孔金属丝网支承着 并分布流体的流动 ;一根厚薄为 13 号的管子并 1/4有的孔作为外管。端部有一个不锈钢环焊在基础管上, 然后将各分层分别焊在端环上。每根筛管的总长约 28 , 由两段 13 的滤网组成。 两段滤网之间留有 8203 的盲管, 以便安装扶正器。 筛管两端各留有 10 ~ 12 254 ~ 305 的盲管, 用于加工螺纹。技术核心是保尔 锈钢介质。 合片是由不锈钢粉末烧结成的薄片, 位于不锈钢丝编织网的孔隙结构内。 它把高孔隙体积的保尔末与有特殊刚度和韧性的保尔 织丝介质结合在一起, 是一种具有韧性和抗损坏的材料, 也是常规砂烧结金属或树脂胶结材料无法比拟的。该滤砂管的优越性主要表现在 :质、 内外泄流网和保护罩的总厚度不超过1/4 , 使得多层充填的 D 比很小, 因此, 可应用于小井眼防砂, 能够比常规的预充填筛管通过更大的流量。独立的层间结构及韧性组成材料即使在有严重机械变形情况下, 也不会影响其防砂效果。重量较轻, 具有较大的柔性, 抗弯曲能力好, 适合于水平井及大斜度井的防砂。环 球 石 油石油科技论坛 2007 年第 6 期42不易堵塞, 滤砂管渗透率高, 生产压差小, 生产能力强。抗腐蚀性能好, 可承受较高的拉应力, 适合不同类型的油、 气、 水井防砂。层充填滤砂管已在墨西哥湾、路易斯安那的海上, 以及陆地进行了大量的现场应用, 取得了良好的防砂效果 。三、 化学防砂技术1 . 烷基聚硅酸酯固砂常规的砾石充填技术在防止地层砂流入井筒方面是十分成功的, 但有时这种砾石充填不能阻止细粉砂的运移, 从而造成井底砂堵, 不得不进行修井作业, 开支昂贵的油井维修费用。采用烷基聚硅酸酯固砂能够解决上述问题。 该方法的工艺原理是 : 将含水有机铵硅酸盐、 碱金属或铵的硅酸盐溶液注入砾石充填层, 使硅酸盐水溶液饱和整个层段 ; 然后注入一定体积的烃段塞作隔离液 (烃段塞隔离液可以是石蜡和芳烃液体) ; 再注入含有烷基聚硅酸酯的可与水互溶的有机溶剂。 当该溶液与保留在砂粒上的以及滞留在砂粒之间接触点上的有机铵硅酸盐、 碱金属或铵的硅酸盐溶液接触时发生反应, 在充填层段形成硅化物水泥。 所形成的硅化物水泥在 7 时稳定, 且能耐约 1000 ℃的高温。 以上处理步骤可重复进行, 直至控制住细砂粒的位移。各种用剂的浓度、 用量及注入速度与地层特性有关,因此, 在施工前要从被处理的层段取岩心样品来进行试验, 以得出最佳参数。 为了获得较高的固结强度, 可以采取以下两种途径 :一是增大水段塞中硅酸盐的浓度, 或者增大水溶有机溶剂段塞中所含烷基聚硅酸酯的浓度来提高胶结强度的目的 ;二是降低硅酸盐水溶液及烷基聚硅酸酯溶液的注入速度来提高胶结强度。硅酸盐水溶液段塞及含烷基聚硅酸酯的水溶有机溶剂段塞的注入可以反复进行, 直到地层的胶结强度达到一定程度、 井壁不至于坍塌、 不至于造成地层伤害为止。具有 /M 2 O 摩尔比为 4 的硅酸盐适于生成稳定的碱性硅化物水泥。 其中 M 是 K 或 以 K 最好。 最好的 /M 2 O 摩尔比应大于 2 , 硅酸盐溶液浓度质量比为 0% ~ 60% , 最好为 20% ~ 50% , 精确的浓度视应用井况来定。 但一般情况下, 愈浓的硅酸盐水溶液愈黏,固含量愈高, 生成的硅化物水泥胶结强度也就愈高。以水溶液形式用的有机铵硅酸盐中的有机基团, 包括那些含 C 1 — C 8 烷基或芳基和杂原子的基团, 最好是四甲基铵硅酸盐酯。有机溶剂中的烷基聚硅酸酯 ( , 是烷基正硅酸酯的水解缩合产物,四甲基正硅酸酯也可以使用。 制得的烷基聚硅酸酯n > 最好 n >1 , 当 n 增加时, 含量增加, 胶结强度也越来越大。 烷基聚硅酸酯中 含量应大于 30% , 最好在 50% 左右, 为了和含在水中的硅酸盐充分反应, 其他聚硅酸酯在溶剂中的含量在 10% ~90% (质量浓度), 最好为 20% ~ 80% (质量浓度)。2. 混纤维砂浆充填防砂混纤维砂浆充填防砂最初是在压裂过程中应用的一项技术, 它能够防止压裂后返排时支撑剂大量回流 (吐砂), 并减少支撑剂在压裂过程中的破碎率。 将一定量的纤维材料混入支撑剂中, 随压裂液一起挤入地层, 使纤维在颗粒之间构成网络, 限制支撑剂的移动, 减少支撑剂之间的碰撞, 达到理想的压裂充填效果。 国外混纤维孙辉, 王登庆等 . 防砂工艺技术水平调研 . 中国石化胜利油田有限公司年情报调研课题, 2002 , 1 ~ 48 。112007 年第 6 期 石油科技论坛 43砂浆充填技术是水力压裂施工中防止返排过程中支撑剂大量倒流入井筒的一项主要技术。其作用原理如图 5 所示, 当纤维随充填砂进入地层后, 相互缠绕、 重叠, 形成一种三维网状结构, 将充填砂包裹、 拖曳住, 从而大大减少随产出液排出的砂量。 充填砂分为两种, 一种是普通陶粒或石英砂, 另一种则是覆膜砂, 其中混有纤维的覆膜砂在地下固结后形成的挡砂屏障与普通覆膜砂相比强度加大, 渗透率提高。四、 发展趋势目前 , 防砂技术总的发展趋势 :一是朝着技术集成、 采油技术一体化、 系统化方向发展, 如压裂防砂、 射孔防砂一体化、 防砂解堵一体化等 ;二是朝着解决油田开发后期开采高含水地层剩余储量和难动用储量 (如超稠油、 超深井等) 过程中防砂问题的方向发展 ;三是朝着深入研究水平井和特殊井身结构的水平井(台阶、 多分枝、 侧钻、 大井眼) 防砂的方向发展。根据防砂技术发展这一总的趋势, 目前研究的问题主要有 :射孔防砂一体化 ; 防砂解堵一体化 ; 防砂抽油泵一体化 ; 油田高含水期防砂规律和防砂措施 ; 超稠油油藏防砂工艺技术 ; 多轮次抽油井防砂工艺技术 ; 水平井分段防砂、 分段采油工艺技术 ; 特殊井身结构的水平井防砂技术 (台阶、 多分枝、 侧钻、 大井眼) ; 海上油田开发后期防砂工艺技术 ; 深井、 超深井防砂技术 ; 套管变型井的防砂技术等等。参考文献[1] 史慧生 . 复合射孔 - 防砂技术 [J]. 爆炸与冲击 ,2001,21(2):144 ~ 149[2] 4398, 2000图 5 形成的 3D 网状结构示意图以普通陶粒或石英砂作为充填砂的混纤维砂浆充填防砂技术主要使用在低渗透地层水力压裂后期要进行快速返排井筒脱砂的施工井中, 能够有效减少返排过程中支撑剂的倒流, 增加液流通道, 并能降低对循环系统造成的磨损。该防砂技术的施工程序是 :用地层预处理液处理目的层→挤入前置液造缝→加大砂比, 用压裂液携带混有纤维的支撑剂挤入裂缝, 进行充填→继续挤入携砂液, 砂比降为零, 顶替→压后关井。混纤维砂浆充填防砂在美国科罗拉多州的 渗透 ( 致密砂岩气层的水力压裂作业中应用, 排液过程中逐步放大油嘴, 返排速度高达 320L/无支撑剂返出, 压裂液返排量平均增加24% , 气井产量提高 55% ~ 60% 。
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