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新版油井防砂工艺技术

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新版 油井 工艺技术
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2016/8/26 (七分册) 万仁溥 2000年 10月 石油工业出版社3 防砂手册 (美)乔治 查德 988年 10月石油工业出版社4 井下作业监督 吴奇、王林等 2002年 10月 石油工业出版社5 油气井防砂理论及其应用 何生厚 张琪 2003年 中国石化出版社6 防砂技术研讨会论文 2000年 山东石油学会参 考 资 、防砂概述二、机械防砂技术三、化学防砂技术四、防排砂工艺技术五、水平井防砂技术六、其它防砂技术简介七、防砂施工现场监督八、 防砂质量标准及效果评价提 、气井出砂是油田开发过程中经常遇到的问题之一,它直接影响到油井能否正常生产。是世界各国石油工业长期以来所面临的课题之一,每年投入了大量人力、物力和财力进行这方面工作的研究。我国的各油田都有出砂的问题,如辽河油田每年防砂方面耗资几千万元以上 ,美国的墨西哥湾地区、克恩河油田,每年在油井防砂上耗资上千万美元,委内瑞拉的英特甘博油田、加拿大的冷湖油田每年也都要投入大量的经费进行防砂。由此可见防砂工作的重要性和迫切性。一 ,美国的防砂技术较为先进。美国的贝克 — 休斯公司、道威尔 — 斯伦贝谢公司、哈里伯顿公司、沙龙公司、雪弗龙公司等都拥有自己专门的防砂研究机构,从施工设备、施工工艺到工具 (如砾石充填工具、封隔器、滤砂管、泵送设备、施工液体、化学药剂、技术咨询、现场服务等) 形式一条龙服务。一 ,随着科技进步,压裂防砂技术、各种新型筛管、固砂剂等防砂技术也迅速发展起来。六十年代 ,化学防砂在美国墨西哥湾地区曾占据防砂作业的主导地位,后来随着机械防砂技术的完善和发展,尤其各种新式筛管防砂技术、压裂防砂的快速发展,其主导地位逐渐被取代。进入九十年代后,随着性能良好的固砂剂、树脂砂的不断出现,化学防砂技术又有了新的发展。一 ,该地层沉积岩距今约 2500万年左右,尤其是中新世的地层,出砂尤为严重。世界范围内,美国墨西哥湾地区和洛杉机盆地,加拿大阿尔伯达重油区,委内瑞拉、 (原苏联 )阿塞拜疆等地区。我国东部地区的胜利油田的孤岛、孤东、大港油田、辽河油田、西部地区的玉门油田等,出砂也较严重。一 、气井出砂。这种防砂方法既影响产量,又较难操作和控制。后来逐渐被割缝套管及后来发展的门类繁多的防砂技术取代。一  20世纪初主要采用限产、简易砂锚防砂 1932年研制出砾石充填防砂方法 1947年研制出化学固砂方法 60年代出现热法固砂防砂方法 80年代,世界各国油井防砂技术日益发展起来。主要以机械方法为主,约占防砂作业总量的 85%。化学防砂技术的树脂、人工井壁防砂技术近年来发展较快。 90年代后期,压裂防砂逐渐成为防砂的主导技术。一 。 轻者造成卡泵 , 使油井不能正常生产 , 增加采油 、作业检泵和冲砂的工作量;严重的会造成砂埋油层和油管 , 使油井减产 、 停产 , 出砂过多会造成地层跨塌而套管损坏等 。 这些严重后果 ,不仅会直接影响油井的产能和油田的产量 , 而且由于地下注采的不平衡还会影响油田的最终采收率 。一 、掩埋油层、磨蚀设备,增加作业工作量油井出砂,造成卡泵,使油井不能正常生产,不仅直接影响油井的产能和油田的产量,增加采油作业检泵和冲砂的工作量,而且还会对采油设备造成磨蚀。一 ,造成井下事故对于分层开采的油井,大量出砂会将井下封隔器及管柱埋住,造成砂卡事故或井下管柱被拔断。一 ,导致套管变形破坏油层出砂,地层中疏散的砂粒流失,造成地层应力的变化。当大量出砂时,会形成洞穴,最终引起地层坍塌,造成套管变形或损坏,甚至造成油井报废。一 (1)先天性的油层的地质因素取决于砂岩地层的地质条件 , 砂岩地层胶结矿物含量及分布 、 胶结类型 、 成岩压实作用 、地质年代等因素决定 。(2)后期开采过程的开发因素完井 、 采油及后期措施作业造成的油井出砂一 ,流体流动阻力克服了砂粒间的聚合力或岩石强度,使油井出砂。特别当原油粘度高,流速大,流动阻力也愈大,出砂也愈严重。一 、气井产水:以粘土为主要胶结物的地层中,当开始产水后,水溶解地层中的胶结物,降低了地层固结强度。有些油田在一次采油期间,不出砂。但在注水采油期间,尤其在油井产水后开始出砂。含水上升,加剧出砂。一 :地层内流体的压力支撑上覆岩层的压力 。当地层压力 , 即流体的压力降低后 , 则上覆岩层的压力转嫁给地层 , 增加了地层颗粒及胶结物的压力 。 在胶结差的地层中 , 随着地层压力下降 , 增长的压力会压碎胶结物甚至岩石颗粒 ,造成油井出砂 。 因此有些油田在一次采油后期才开始出现出砂现象 。一 ,油井大段窜槽 ,高压层封隔不良 ,高压油 、 气水乱窜造成油井出砂 井措施不当一 ( 方位 、 相位角 、 布孔方式 ) 不当 , 或射孔枪型 、 孔径 、 孔密应用不适当 ,导致油井出砂 。 最初射孔密度一般为 10孔 /米 ,后来发展为 12孔 /米 、 16孔 /米以至于现在的32, 国外有的实施 64孔 /米 。 对于出砂油藏射孔是一项不容忽视的重要问题 。一 、 抽汲过猛 , 强烈降压 , 或油井生产压差过大 , 排液速度过快;油井开关频繁 , 均会造成油井激动引起油井出砂 。一 , 除去地层中的钙质胶结物 , 或入井流体与地层不配伍 , 造成堵塞 , 加大油流阻力使油井出砂 。 注汽速度过高 , 高速蒸汽流强烈冲刷地层 , 冷凝水的高 致使油井出砂严重 。一 ,必须研究地层的出砂临界流速和临界压差,定量地分析地层的出砂程度。目前出砂预测方法有 现场观测法、 1)岩心观察( 2) 测试( 3)临井比较一 、组合模量根据声波时差及密度测井资料,应用下列公式计算:通过 组合弹性摸量 C — 岩石的组合弹性摸量 r — 地层岩石体积密度 g/c — 岩石纵波声波时差 μs/ 一 ①当 104 正常生产,不出砂。② 104 < 104 轻微出砂③ 104 严重出砂一 、 声波时差法近年来采用 声波 在地层中的传播时间△ 声波时差△ T> 295微秒 /米时,则应采取防砂措施。一 、孔隙度法 φΦ 大于 30%, 胶结程度差,出砂严重φ 20%~ 30%之间,轻微出砂Φ 小于 20%, 基本不出砂4、岩心室内实验法:包括抗压强度试验、流动破坏性试验。岩心流动破性试验等。一 ,利用高速的液体将砂冲散、悬浮,同时利用其速度和粘度将砂子携带到地面。冲砂液:水、钻井液、乳化液、气化液等冲砂方法:正冲、反冲、正反冲b 油井捞砂软捞、硬捞一 ,掌握施工设计及施工程序2 检查好进出口的阀门,防止憋泵。3 冲砂过程不能停泵,若必须停泵,应先循环一段时间,停泵后将防砂管拄上提 6~7m,以防卡管拄。4 防止井喷,冲砂时注意观察泵压,在气井上冲砂时还应注意防止火灾事故。一 :油井的含砂量若油井的含砂量超过 重量 700mg/l)即为出砂 。 ( 5185接法:出砂所带来的影响和危害一 自然砂桥防砂 (自然砂桥)筛管防砂地层内固砂井筒排砂8防砂机理( 防止地层出砂)一 ,绕 丝 筛 管,双 层 筛 管,胶 结 滤 砂 管筛管 +预涂层砾石或陶粒充填防砂管柱+充填压裂防砂降 低 流 速控 制 产 量增大射孔段长度,增加射孔密度割缝筛管、绕丝筛管或衬管 +砾石充填增大地层径向应力(续表 1)一 ,树脂地下合成水 泥 钙混合液固砂四 氯 化 硅 固 砂聚 乙 烯 固 砂氧化有机化合物固砂法水 带 干 灰 砂乳 化 水 泥焊 接 玻 璃 固 砂树 脂 砂 浆水 泥 砂 浆树 脂 核 桃 壳氢 氧 化 钙 固 砂短期火烧油层固砂预 涂 层 砾 石(续表 2)(1)机械防砂:相对来说 , 机械防砂对地层的适应性强 , 无论产层薄厚 , 渗透率高低 、 夹层多少都能有效地实施 。 机械防砂成功率高 , 有效期长等优点 。缺点:井筒内有工具 , 后期作业及修井困难 。一 (2)化学防砂:适用于渗透率相对均匀的薄层段,井筒中不留任何机械物体,修井作业简单、对 粉细砂 地层防砂效果优于机械。缺点 :对地层渗透率有一定伤害,有效期短,在稠油注汽吞吐井防砂上,应用程度不如机械防砂广泛。一 、缺点比较防砂方法 优 点 缺 点 适用条件稳定砂桥 1 最 经 济 的防砂方法 。2 简单易行 。1 降 低 流 速及控制井底压降影响产能 。2 不 适 应 低产能井 。3 砂拱不稳1 高产能 ,出砂不严重地层2 多层段、直、斜井。一 。2 施工 、 作业简单 , 方便快捷 。3 可用于多层完井。1 不能防细砂 。2 衬管易堵塞 ,影响产能 。3 衬管、筛管受地层砂冲蚀,寿命短。中 — 粗砂、出砂不严重的地层。均匀系数< 3一 , 达80~90%,方法可靠 ,有效期长 。2 作业效果不受地层非均质及井段长短的影响 ,一般情况下也不受井温影响 。3 裸眼砾石充填完井产能高 ,为 射 孔 井 产 能 的120~130%。1 井内有留物 , 修井作业较复杂 , 修井费用大 。2 不适合于细砂层防砂 。3 多层 、 斜井以及异常高压井防砂费用高 。4 砾石充填施工较为复杂 , 施工参数不宜控制 。1 小 —中砂粒地层 。2 直井 、斜井 、水平井均适应 。一 ,井内无留物适用于单层 ,多层及小井眼防砂 。2 适用于包括细砂在内的不同砂粒直径的地层防砂 。1 作业后地层渗透率下降 ,对 地层渗透率 、油井产能有影响 。2 较昂贵 ,特别是长井段固砂费用较大 。3 树脂有毒 ,易燃 ,要求特别仔细的防护措施 。4 由于 注入多种流体 , 作业液易受污染 ,同时施工要求仔细控制注入速度及流体粘度 。5 作业效果受地层非均质及粘土含量影响 。1 洁净 、 均匀 、细 — 粗砂及垂向渗透性好的地层 。2 新井 、 未出砂井及小井眼井 。3 防砂井段小于 3米 。4 不适用于裸眼井一 ,可用现有管柱施工2 砾石可充填 井壁亏空 ,可用于已出砂的老井及含页岩 、 粉砂岩井段 。3 井内无留物 ,可用于多层 、 小井眼井防砂 。4 树脂涂层砾石强度大 , 渗透率高 ,可用于套管损坏井 。1 费用较高 。2 树脂有毒 、易燃 , 要求采取特别和仔细的防护措施 。3 不适用于裸眼井 。1 细 — 粗砂地层短井段防砂 。2 新井 、 老井 、 小井眼井及套管损坏井 。一 。2 能承受高温 。3 有热增产作用 。1 井身管柱应能承受高温 。2 短期火烧防砂使地下 原 油 储 量 损 失5~6%。3 注热空气固砂应严格控制操作 , 防止原油自燃 。1 适应超稠油疏松砂岩2原油比重大于 3 热采及热增产措施井 。4 含油饱和度大于 40%,含水饱和度小于 60%储层 。一 , 消除油藏污染3 有效期长1 不宜用于多油层和粉砂岩 。2 有效期后的修井作业困难 。3 防砂费用高 。1 适应超稠油疏松砂岩2油层近井地带污染严重的井 。一 :是把机械防砂(滤砂)装置下入井中,阻挡地层砂进入井内,而地层液体可以自由通过的防砂方式。包括:滤砂管防砂、绕丝筛管防砂、割缝筛管防砂、砾石充填防砂、压裂防砂以及排砂技术等。,种类繁多已成规模、系列化。典型机械防砂工艺技术:二 机械防砂技术套管内防砂 地层内固砂预充填筛管防砂技术 砾石充填防砂技术金属纤维筛管防砂技术 压裂防砂技术金属棉筛管防砂技术割缝筛管防砂技术 对于出砂严重、生产压差大的直井、小斜度油井,多采用筛管砾石充填防砂;而对于出砂不太严重或大斜度井、水平井则采用相应的防砂筛管防砂。砾石充填趋于正循环挤压充填,低粘度的充填携砂液发展较快,这是因为其砾石填层密实,防砂效果好。专门适用于水平井裸眼井或套管井的新型防砂管不断出现,由于其工艺简单、施工方便而日益受到现场欢迎。(一) 筛管砾石充填防砂技术通过泵车将混砂液填充于筛 其在炮眼及近井地层周围形成一道砾石屏蔽,紧固地层并阻挡地层出砂。它是目前世界上公认最有效的防砂方法之一。二 ,渗透面积大,油井采油指数高,适应性强,防砂效果好,有效期长等优点,应用范围十分广泛:a 适用于稀油井 , 稠油注汽热采井及水井 。B 适用于直井 、 斜井及水平井 。C 适用于单层一次充填或分层多次充填 。砾石充填防砂技术二 , 由于技术成熟 ,工具设备配套完善 , 现场应用井次多 , 因此成功率也较高 , 一般在 95%以上 , 有效期可以长达十余年 , 油井防砂后 , 不仅防砂效果好 ,而且油井的产能也有一定的提高 。砾石充填防砂技术二 。 它在砾石充填作业中起着非常重要的作用 。 性能优良的携砂液 ,不仅能提高砾石充填率 , 同时能减少对地层的污染 , 提高砾石充填防砂井的有效率 。携砂液按基液性质分主要有以下几种类型 , 水基携砂液 、油基携砂液 、 泡沫携砂液;按携砂液的粘度 , 分为高 、 中 、 低携砂液 。二 ( a) 高的携砂能力 (e)低摩阻 , 低流失( b) 低的污染程度 (f)与地层配伍性好( c)易破胶 ,返排容易 (g)性质稳定目前国际上在携砂液研究方面持有两种观点:一种是朝高质、高效及高粘方向发展。另外一种趋向于低粘或清水方向发展。二 , 人们一直选用较大的砾石作为充填砂 , 以获得高渗透率 。 可是 , 这样的砾石层不能阻止地层砂的运移 , 地层砂照样填满其孔隙 ,结果使砾石层的渗透率大大降低了 。 砾石和油层砂混合物的渗透率比油层砂体本身渗透率还低 。因此 , 所选砾石的直径必须充分的考虑到出砂层位的粒度中值 , 以求达到既能防止出砂 ,又能有较高的渗透率 。二 ( 索西埃 ) 研究成果:当中值比为 6~ 14时 , 由于地层砂侵入充层使渗透率下降 。 当砾石与地层砂粒度中值比大于 14时 , 由于充填层渗透率高 , 地层砂在充填层内不能形成砂桥 , 地层砂可不受限制地穿过充填层流动 。 只有当中值比为 5~ 6时为最佳 。二 ,防砂有效地层砂进入砾石充填层造成堵塞地层砂自由通过砾石充填层 , 防砂失败图 1 砾石直径选择理想粒度比值区1 设计原则和依据二 < 6 6< 14 14二 ( 中值比为 5~ 6时 , 可绝对阻挡地层砂进入充填层 , 为理想的充填砾石尺寸 。 当中值比小于 5时 , 则砾石层的绝对渗透率太低 。 目前我国在砾石充填防砂中都遵照这个原则来选择砾石尺寸;根据上述原则 , 目前所选用砾石大小是按以下标准选取:二 — 表示地层砂累计重量百分曲线上的百分之五十点的地层砂直径 。目前国内外所采用砾石的大小 , 多采用地层砂粒度中值的 5~ 6倍 。即: D= 56D — 砾石直径d= = 5d= , 在砾石充填作业中 , 要求砾石的圆度和球度均应在 尽量防止含有扁平和带棱角的砾石 。 因为含有较多带棱角颗粒的砾石在负荷作用下容易破碎形成细粒 , 影响充填层的渗透率 。 超大或过小尺寸砾石颗粒含量不得超过总量的 2%。二 , 即砾石愈均匀 , 则充填层的渗透率越大 。 充填砾石的均匀系数 C≤ (颗粒棱角被磨圆的程度 )二 , 充填的砾石层应当有较强的耐酸性 。 其具体讲就是在 66℃ 砾石在浓度为 15%的盐酸中 , 经一小时后的溶解度< 66℃ 砾石在浓度为 12% 的盐酸 , 3%的氢氟酸中 , 经两小时后的溶解度<5%。二 。 响亲油砾石大大降低了原油的渗透率 。 所以如果砾石亲油 , 事先应用 1%亲水表面活性剂溶液清洗 , 可使亲油砾石转变为亲水砾石 。二 , 以免在充填过程中 , 在负荷作用下破碎 、 降低充填层渗透率 。 其莫氏硬度 ≥ 7,砾石的石英含量应 ≥ 98%。d 砾石的热稳定性因为在热采防砂井中注汽温度可达 350℃ , 因此 , 注汽热采井要求砾石具有热稳定性 , 使充填层免遭损坏 。二 。尽管石英砂在热采井应用时有热溶蚀 , 但从货源和成本方面考虑 , 在热采注汽井 , 采取相应的措施 ,尽量避免在地层中高 因此 , 石英砂仍可作为充填的砾石 。二 ( 1) 筛缝宽度的选择① 依据筛管的缝隙等于或小于最小的充填砾石尺寸的1/2~ 2/3。 即: σ≤( 1/2~ 2/3)D② 根据筛管的缝隙至少要以砾石的最小直径减去安全系数 另外还要减去一个附加公差 作为缝隙宽度 。 即筛管缝隙的宽度应比最小的砾石尺寸至少小 ( 2) 流通面积的大小;( 3) 内外径的大小;( 4) 强度大小 ( 抗拉 、 抗压 、 抗挤 ) ;( 5) 价格 、 后期的修井 、 效益等 。二 ,效果愈好,砾石渗透率与地层渗透率之比愈大,其效果越好 。砾石充填径向厚度(英尺)二 ,冲管外径与筛管内径之比大于 也就是说 , 在此比值之上 ,其充填效率好 。冲 /筛比与充填效率的关系二 — 筛管直径比示意图冲 /筛比与充填效率示意图二 , 其渗透率将急剧下降 , 也就是说在进行砾石充填防砂时 , 要杜绝与地层砂相混合 , 才能提高其防砂效果 。二 , 而呈直线上升的 , 即:充填防砂效果是随携砂比的提高而提高的 。 携砂比与填充效率的关系砾石充填防砂技术二 , 其填充效率是随填充排量的上升而呈直线下降的 , 也就是说防砂效果是随排量的上升而降低的 。填充排量与填充效率的关系二 , 其充填效率直井最好 , 当油井倾斜大于 45º时 , 其充填效率将会急剧下降 。井斜与充填效率的关系二 (施工设计书前 )井液 、 冲砂液 、 暂堵剂对一口即将采取砾石充填的防砂井 , 最先考虑的压井液 、 冲砂液 。 尤其是对于低压漏失井的冲砂情况 , 还要准备泡沫冲砂剂 、 暂堵球或冲砂工具 。二 ,提高地层渗透率。因为有些井的油层在防砂前可能被严重伤害,有的老井死油等赃物造成炮眼及井筒附近严重堵塞,需要对炮眼赃物进行清洗或进行酸化解堵。二 (见图),对炮眼赃物进行清洗,同时冲出井筒附近的松散地层砂,为充填砾石提供清洁的通道与场所。炮眼冲洗工具二 , 在作业施工中有多种流体进入井内 。 但不论何种工作液 , 除了要求与地层流体相配伍以外 , 还必须要求十分清洁 , 以防止固相颗粒堵塞油层 、 炮眼和充填体 。 未经过滤的液体颗粒一旦侵入油层 , 渗透率会下降 70~ 80%, 所以 , 工作液的过滤是非常重要的 。 ( 2μm ~ 10 μm )二 ;防砂前日产油量、液量及累计产油量;防砂前含砂量、出砂量及砂面位置;防砂前工作制度;防砂前检泵周期;防砂前注汽量、注汽干度、 注汽压力;停产前生产状况。b 作业简史该井曾进行过何种作业 ? 是否进行过压裂 、酸化 、 降粘 、 调剖堵水等作业 ?二 、 接箍位置;井斜;油补距;防砂井段;孔密;人工井底;固井质量等 。d 地层砂样分析在出砂井段取出有代表性的砂样 , 然后进行砂样分析 ,确定地层砂粒度中值 、 泥质含量和润湿性等 。e 原油物性资料主要确定原油粘度 、 各组分含量和油气比等 。二 确定防砂工具及筛管的类型 、 筛管长度确定砾石的种类 、 大小及用量确定压井液 、 处理剂 、 携砂液 、 前置液用量及冲洗液的种类及用量 。二 确定填砂压力 、 填砂排量 、 砂比 、 挤注压力 、 挤注排量 、 挤注用量及丢手压力的控制范围 。确定填砂车组数量 、 类型及车辆的井场的摆放 。确定填砂车车组 、 管线的试压范围及其他附属配件的选择根据上述情况 , 编写防砂施工设计书二 , 并做技术交底 , 以便做好与之配合的准备工作 , 避免出现差错 , 影响施工正常进行 。b 井场正常作业所需要的各种车辆 、 工具应当准备齐全 , 且保证灵活好用 。c 所配备的压力表 、 指重表必须灵活 、 准确 。二 。e 下入井内的所有管柱、工具、筛管及其它配件一定要丈量准确,并记录其型号、名称。F 所有下井管柱及工具 、 下井前认真检查 , 如有损坏现象 , 不得下入井内 。 筛管在搬运及下井过程中避免碰坏 。 为了避免筛管被井口刮坏 , 大钩须调校 , 对正井口 , 作业人员要扶正筛管慢慢下入 。二 ,避免污染地层。b 入井流体必须按设计要求配制。c 装液体的车辆或其它设备,在灌装之前必须彻底清理干净,以防污染后装的液体。二 , 探砂面 ( 若是老井必须用 80~ 90℃的洗井液洗净井内稠油再压井探砂面 )砂至油层底界以下 8~ 10m。刮管器 , 刮掉井筒内稠油 、 水泥碎块及其它污物 。在下放过程中遇阻不得大于 30防卡死 。炮眼冲洗工具 、 彻底冲净炮眼 、 地层内各种堵塞物及近井地带松散地层砂 。二 , 提高地层渗透率 , 如果是粘土含量高的地层 , 还要进行防膨处理 。管柱:按设计要求把井下工具 、 信号筛管 、 盲管 、 生产筛管等部件连接完整 。 填砂前地面摆好施工车辆 , 车试好压 。二 机械防砂技术w
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