防砂新工藝的研究及效果目 錄第 1 章 前言 1第 2 章 防砂新工藝的探索 22.1 疏松砂巖油藏出砂機理探討 22.1.1 膠結(jié)強度的影響 22.1.2 地應力的影響 22.1.3 開采條件 32.2 目前防砂工藝原理及問題 42.2.1 防砂影響因素 42.2.2 防砂失敗影響因素 4第 3 章 新工藝防砂機理 63.1 高壓預充填 63.2 涂料砂人工井壁防砂 63.3 金屬繞絲篩管復合防砂 63.4 射流泵排砂工藝 6第 4 章 防砂新工藝的現(xiàn)場試驗及效果84.1 選井 84.2 現(xiàn)場試驗情況及效果評價 8第 5 章 排砂采油井的管理應注意的事項14第 6 章 結(jié)論15致 謝161第一章 前言濱南油區(qū)部分油藏膠結(jié)疏松，容易出砂。目前的繞絲管內(nèi)礫石充填防砂投產(chǎn)取得了較好的效果，但是還存在粉細砂防不住、篩管損壞防沙失效和不能進行分層注水、分層測試及分層改造等問題。本課題主要對疏松砂巖油藏的出砂機理和目前的防砂工藝進行研究，探索高壓預填砂、涂料防砂、人工井壁防砂、金屬繞絲管復合防砂和射流泵排砂等新的防砂工藝機理，優(yōu)選油井進行了防砂新工藝的現(xiàn)場實驗，以注水開發(fā)的常規(guī)井和注蒸汽吞吐的稠油熱采井為導向，在尚林地區(qū)和單家寺油田展開實驗，取得了較好的效果。2第二章 防砂新工藝的探索2.1 疏松砂巖油藏出砂機理探討濱南油區(qū)的各個油藏雖然差異很大，但出砂的原因基本類似。油層出砂是由于井底近井地帶的巖層結(jié)構(gòu)遭到破壞所引起的，即剪切破壞和拉伸破壞。它與巖石的膠結(jié)強度、應力狀態(tài)和開采條件有關(guān)。2.1.1 膠結(jié)強度的影響巖石的膠結(jié)強度取決于膠結(jié)物的種類、數(shù)量和膠結(jié)方式。通常砂巖的膠結(jié)物主要為粘土、碳酸鹽和硅質(zhì)三種。其中以硅質(zhì)膠結(jié)物的強度為最大，粘土膠結(jié)最差。對于同一類型的膠結(jié)物，其數(shù)量越多，則膠結(jié)強度越大，反之越小。膠結(jié)方式不同，巖石的膠結(jié)強度也不同，巖石的膠結(jié)方式可分為：（1）基底膠結(jié)：當膠結(jié)物的數(shù)量大于巖石顆粒數(shù)量時，顆粒完全浸沒在膠結(jié)物中，彼此互不接觸或接觸很少。這種砂巖的膠結(jié)強度最大，但由于孔隙度、滲透率均很低，所以很難成為好的儲油層。（2）接觸膠結(jié)：膠結(jié)物數(shù)量不多，僅存在于顆粒接觸的地方。這種砂巖膠結(jié)強度最低。（3）孔隙膠結(jié)：膠結(jié)物數(shù)量介于上述兩種膠結(jié)類型中間。膠結(jié)物不僅在顆粒接觸處，還充填于部分孔隙中。膠結(jié)強度也處于上述兩種方式的強度之間。濱南易出砂的油層主要以接觸膠結(jié)方式為主，其膠結(jié)物數(shù)量少，而且膠結(jié)物中粘土含量較高。但這種儲油層孔隙大、滲透性好。如單二塊油層是以稠油為膠結(jié)物，所以油層嚴重出砂。2.1.2 地應力的影響地應力是決定巖石原始應力狀態(tài)及其變形破壞的主要因素。鉆開巖層前，巖石在垂向和側(cè)向地應力作用下處于平衡狀態(tài)。垂向地應力大小取決于油層深度和巖石比重，側(cè)向地應力除與地層深度有關(guān)外，還與巖石的力學性質(zhì)及巖石中的流體壓力有關(guān)。鉆井后近井地帶的應力平衡遭到破壞，射孔使井筒周圍巖石產(chǎn)生不同程度的損壞，水泥環(huán)松動、炮眼周圍地應力作用使巖石剪切破壞，顆粒壓碎造成出砂，這與過低的井底壓力或過大的生產(chǎn)壓差有關(guān)在生產(chǎn)過程中，井壁巖石都將保持最大的應力值。以上是影響油層出砂的內(nèi)在因素。32.1.3 開采條件采油過程中由于液體滲流而產(chǎn)生的對顆粒的拖曳力是出砂的重要因素。在其它條件相同時，生產(chǎn)壓差愈大，滲濾速度愈高，在井壁附近液流對巖石的沖刷力就愈大，如果液體的粘度再高一些就更容易出砂，因為粘度高，其拖曳力也大。另外在同樣的生產(chǎn)壓差下，地層是否易于出砂還取決于建立壓差的方式。所謂建立壓差是指以緩慢的方式建立壓差還是以突然（或急劇）的方式建立壓差。因為在同樣壓差下，二者在井壁附近油層中造成的壓力梯度不同所示。突然建立壓差時，壓力未能迅速傳播出去，壓力分布曲線很陡，井壁的壓力梯度很大，易破壞巖石結(jié)構(gòu)而引起出砂；當緩慢地建立壓差時，壓力可以逐漸地傳播出去，井壁附近壓力分布曲線比較平緩，壓力梯度比較小，不至影響巖石結(jié)構(gòu)。有些井強烈抽汲及氣舉之后往往會引起出砂，就是由于壓差過大，建立壓差過猛。此外，除了上述出砂機理，還有微粒運移和高含水的影響。微粒運移包括地層中粘土顆粒的運移，這會導致近井周圍地層滲透性的降低，從而增大流體的拖曳力且誘發(fā)地層出砂。油層含水后，由于部分膠結(jié)物被溶解，巖石強度降低或地層壓力降低，增加了地應力對巖石顆粒的擠壓作用，擾亂了顆粒間的膠結(jié)，都可能引起出砂。不適當?shù)夭捎盟峄却胧┦箮r石結(jié)構(gòu)遭到破壞時，也會造成出砂。對于均質(zhì)成巖性好的油藏，油層巖石抗剪切強度較強，射孔后能抵抗原始地應力作用形成的孔周應力場，不剪切破壞或輕微破壞，所以這樣的油層不出砂或輕微出砂。濱南油區(qū)出砂油藏為細砂巖、粉細砂巖、及含礫細砂巖，非均質(zhì)嚴重，膠結(jié)疏松且泥質(zhì)含量較高，抗剪切強度較弱，射孔后炮眼周圍的強度更弱，很容易被破壞。同時，由于流體流動在近井周圍產(chǎn)生強烈的壓力降，而粘土微粒運移形成表皮效應又加大了流動壓降，從而使徑向應力變?yōu)槔炝?，加劇了油層出砂，使地層橫向卸載，上覆層的塑性撓曲又使地層維持著高應力，地層結(jié)構(gòu)重新分布，伴隨產(chǎn)生剪切擴容，油層形成更高的孔隙度，在壓差和拖曳力的共同作用下，剝落的砂粒不斷被攜至井內(nèi)，使油層出砂越來越嚴重，這就是油層出砂的機理。根據(jù)油藏特征，濱南油區(qū)出砂油藏可分為細、粉砂巖油藏和含礫中細砂巖油藏。輕微出砂的包括濱南油田、利津油田、尚店油田的濱 30 塊、單 16 塊，嚴重出砂的包括尚南、林樊家及單家寺油田。4綜上所述，油層膠結(jié)疏松是油層出砂的內(nèi)在因素，而采油條件等外在因素將使油層出砂更加嚴重，對于膠結(jié)不疏松的油層，開采措施不當則是油井出砂的直接因素。所以，為了防止油層出砂，一方面要制定合理的開采措施，另一方面要選用滿足開采條件的防砂工藝技術(shù)。2.2 目前防砂工藝原理及問題無論哪一種防砂方法，都應該能夠有效地阻止地層中承載骨架砂隨著地層流體進入井筒。承載骨架砂是指那些組成地層力學結(jié)構(gòu)的固體顆粒物質(zhì)。游離于承載骨架砂孔隙之中的“非承載砂不是油、氣井防砂的治理對象，它們最好能夠隨著地層流體產(chǎn)出，起到疏通地層孔隙通道的作用；反之如果這些游離砂留在地層中，再雜以各種完井液、修井液中的固相傷害物，有可能堵塞地層孔隙，造成滲透率下降，產(chǎn)量降低。目前采用的防砂方法主要是機械防砂。機械防砂有金屬繞絲篩管及激光割縫管濾砂管礫石充填、金屬棉濾砂管等，其作用原理都是將防砂管下入井內(nèi)面對防砂層段，然后在套管與防砂管環(huán)空中填滿石英砂，形成一定的礫石層，將地層流體攜帶的砂粒阻擋在礫石層外，經(jīng)自然選擇形成一個里粗外細的濾砂器，起到擋砂作用。2.2.1 防砂影響因素對于嚴重出砂的尚林地區(qū)、單 6 斷塊用繞絲管礫石充填防砂工藝，低產(chǎn)停產(chǎn)井多，分析其影響因素有：（1）重復關(guān)井會惡化地層出砂。停井時孔眼周圍應力卸載，砂粒結(jié)構(gòu)因失去應力支撐聯(lián)結(jié)而進一步弱化。如停前生產(chǎn)壓差大，開后產(chǎn)量較小時便產(chǎn)生拉伸破壞，加劇油層出砂，造成油井低產(chǎn)或停產(chǎn)。（2）油層出砂嚴重時，對礫石充填層的影響。開發(fā)初期，地層壓力高，油層射開后，油砂同出，在充填砂到篩管環(huán)空前，就有部分細砂沉敷在篩縫里（0.1mm 的粉砂），致使礫石層充填不實，在生產(chǎn)過程中，地層粉細砂進入井筒，砂埋油層，產(chǎn)能下降。（3）油層非均質(zhì)嚴重，縫隙為 0.2mm 的篩管防不住細粉砂，它將隨液流經(jīng)過礫石層進入井內(nèi)。（4）繞絲管防砂容易造成地層污染，在近井地帶形成堵塞，礫石層減少泄油面積，又不能進行分層改造和注采，影響注水開發(fā)和效果。（5）油層出砂、探?jīng)_砂中心管落井造成停產(chǎn)停注，低產(chǎn)井多，加大了作業(yè)工作量，極大的影響5油井利用率和采油速度。2.2.2 防砂失敗影響因素對于高輪次、高強度吞吐階段含礫中細砂巖油藏繞絲篩管礫石充填防砂失敗的影響因素有：（1）由于射孔井段相對小，液流相對集中，使繞絲管防砂井段注采強度增加 36倍，加上多輪次的含砂流體由炮眼刺向篩管加速了繞絲變形損壞。（2）高輪次吞吐使近井地帶油層骨架遭到嚴重破壞，多次大量出砂造成地層虧空，管內(nèi)繞絲管礫石充填不能補充地層虧空，注汽時部分砂進入地層，使充填層受到破壞，上部充填砂不足，起不到擋砂作用，采油時地層細砂隨油流越過礫石砂屏點射沖刷加速繞絲管損壞，造成防砂失敗。（3）高強度注汽對繞絲管影響甚小，但對砂礫有溶蝕現(xiàn)象，石英砂高溫溶蝕，一方面沖刷、擴大了地層孔道，同時使充填砂顆粒變園變小，部分充填砂進入孔道，進一步破壞了礫石充填層，失去防砂能力。（4）含水上升過快。在開發(fā)初期油井含水低，稠油在礫石層中相滲透率低，稠油攜砂，大部分細砂都被阻擋在充填層外，隨著地層壓力下降，水淹加劇含水上升，流阻減小，高溫水攜帶細砂很快沖過充填層，使防砂管加劇損壞，防砂失敗。（5）地層油砂同出。在充填砂到達篩管之前，就有部分細砂沉在篩管上部或懸浮在篩縫里， （小于 0.1mm 的地層砂）致使充填礫石不到位或者量不足，注汽時會有重排現(xiàn)象，漏出篩管，回采時含砂流體直對防砂管沖刷，造成繞絲管短期損壞。（6）高強度注汽加速石英砂溶解和地層孔道擴大，把地層細砂推到深處，大泵提液回采使松散砂粒返回來，與地層彈性和液流水擊作用形成了地層砂來回搓動和短期油砂射流。濱南油區(qū)大部分油田是多層系開采，要求防砂不影響后期作業(yè)，而機械防砂很難實現(xiàn)井筒無落物，化學防砂也有局限性，針對這些問題，從防砂要治本的觀點出發(fā)，通過開展室內(nèi)實驗，制定切實可行的防砂工藝技術(shù)進行現(xiàn)場試驗，探索了一條適合濱南油區(qū)地層特點的主導防砂工藝。6第三章 新工藝防砂機理3.1 高壓預充填高壓預充填就是以較高壓力、用性能合適的攜砂液將礫石充填到套管周圍存在的炮眼和所有虧空部分。這種方法不僅可以有效地防止地層彈性和液流水擊作用造成的出砂，而且由于高壓作用可在一定程度上解除固相顆粒對近井地帶地層造成的污染，同時由于充填速度快，防止了地層砂與充填砂互混，保證了充填區(qū)域較高的滲透率。因而高壓預充填石英砂能提高擋砂強度和近井地帶的泄油能力，減小管內(nèi)充填礫石，降低井筒流阻，延長防砂有效期限，提高產(chǎn)能。對于熱采井，高壓預充填則能有效的防止地層砂隨蒸汽吞吐來回搓動而引發(fā)的地層出砂。 3.2 涂料砂人工井壁防砂將涂料砂或高溫涂料砂從地面用液體攜至井下擠入地層，在近井地帶固結(jié)為新骨架，形成相對穩(wěn)定的高強度耐高溫流體沖刷的擋砂屏障，起防砂和保護管內(nèi)礫石層的雙重作用。3.3 金屬繞絲篩管復合防砂作為復合防砂工藝，金屬繞絲篩管礫石充填（或激光割縫、金屬棉濾砂管）由高壓預充填層或涂料砂層、管內(nèi)礫石層、繞絲篩管形成三道濾砂層，確保了注水開發(fā)和高輪次、高含水、高強度注蒸汽吞吐熱采疏松砂巖油藏防砂生產(chǎn)的需要，為濱南油區(qū)防砂開辟了一條新途徑。高壓預充填要采用大排量（800Lmin） ，高砂比（1520） ，攜砂液用采出水，高泵壓（大于 26MPa）,不論油層污染堵塞、巖石受損如何及砂粒粗細，都要預充填到油井周圍形成高滲流帶。使流動斷面恒定，阻力損耗小，有效驅(qū)油壓力高。另外，液流質(zhì)點改變流動途徑，減緩了地層砂運動速度，阻止了地層出砂，具有既能提高泄油面積又能防砂治本的雙重功效。3.4 射流泵排砂工藝該項工藝技術(shù)是以高壓水為動力液驅(qū)動井下排砂采油裝置工作，以動力液和采出液之間的能量轉(zhuǎn)換達到排砂采油的目的。動力液在噴咀處由高壓頭轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚兕^，噴射液流將地層流體攜地層砂從匯集室吸入喉管，在喉管內(nèi)形成混合液，地層流體由動7力液獲得充分的能量，由此混合液由速度頭轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫︻^，將地層流體(包括地層油、水、砂及其它)排至地面。由于井下排砂采油裝置的尾管處于油層下部，地層流體攜地層砂能夠及時的進入尾管，而不會滯留于尾管周圍，從而始終保證地層流體進入尾管暢通無阻。在地層液體被舉升過程中，由于排砂采油裝置具有阻止地層砂后沉的功能，從而保證了地層流體順利地排至地面。(見圖 3-1：工藝原理示意圖)圖 3-1 工藝原理示意圖8第四章 防砂新工藝的現(xiàn)場試驗及效果4.1 選井1、涂料砂防砂適用于：出砂量每米大于 0.05m3，射孔井段在 20 米以內(nèi)，油水層吸收能力較大的油水井防砂。2、復合防砂：應用范圍廣，適用于套管完好的各類出砂井的防砂。3、對于套變、套破井，應選用激光割縫濾砂管防砂。4、油層膠結(jié)物極少，地層砂近似為流砂，出砂極其嚴重的井以及地層虧空極為嚴重到上覆蓋層即將被破壞的井，需進行油層充填作業(yè)、以補充地層上覆蓋層的支撐力，充填砂粒徑可放大至足以使地層粉細砂流出的井。4.2 現(xiàn)場試驗情況及效果評價由于油藏類型和采油工藝不同，濱南油區(qū)的防砂井，包括常規(guī)井、熱采井、管內(nèi)側(cè)鉆井、水平井、側(cè)鉆水平井、裸眼井多種類型。因此，就以注水開發(fā)的常規(guī)井和注蒸汽吞吐的稠油熱采井為導向，2000 年在尚林地區(qū)和單家寺油田展開試驗，取得了較好效果。1、涂料砂人工井壁防砂 17 井次，有效率 66.7，累計增油 20184t，平均有效期為 7 個月。如：S46 X10 井為待產(chǎn)大修井，該井 96 年投產(chǎn)后最高產(chǎn)量為 5t/d，大修前日產(chǎn)液0.9t/d，綜合含水 44.4，2000 年 4 月 21 日大修后采用涂料砂防砂，開井初期日產(chǎn)液35.5 t/d，日產(chǎn)油 14.2 t/d，含水 60.4，日增油 13.7 t，目前日產(chǎn)液 31.6 t/d，日產(chǎn)油11.1 t/d，含水 64.9，開井 208d，增油 2058 t 仍有效。2、涂料砂 89mm 繞絲篩管復合防砂工藝現(xiàn)場施工 25 井次，成功率 100，累計增油 39298 t。如 S444 井，2000 年 2 月大修后復合防砂，投產(chǎn)初期日產(chǎn)液 16 t，