油井出砂預(yù)測及防砂設(shè)計課件

1、油井出砂預(yù)測及防砂設(shè)計時間：9/7/2012 世界疏松砂巖油藏分布阿塞拜疆墨西哥灣英國北海委內(nèi)瑞拉尼日利亞羅馬尼亞洛杉磯盤地挪威油區(qū)加拿大阿爾伯達巴西油區(qū)印度尼西亞中國勝利、遼河、大港、渤海灣等油水井出砂危害 2主要防砂工藝技術(shù)4導(dǎo)致油水井的出砂因素分析31油水井出砂預(yù)測方法33防砂工藝設(shè)計理論35第一部分 導(dǎo)致油水井的出砂因素分析 油水井生產(chǎn)過程中產(chǎn)出的砂是地層巖石的一部分顆粒，對于疏松砂巖油氣藏，在原始狀態(tài)下，大部分的巖石顆粒被膠結(jié)物固結(jié)在一起，而部分砂粒則自由離散在多孔介質(zhì)的空隙中形成游離砂。 在生產(chǎn)過程中流體的流速高且?guī)r石基質(zhì)的膠接強度較差時流體的“拖曳”作用會使原來固結(jié)狀態(tài)差的顆粒剝

2、落下來形成游離砂。一、產(chǎn)出砂的來源 二、地層出砂機理1、拉伸破壞機理 隨內(nèi)外壓差增大，流體流向井內(nèi)的流速也增大，對巖石的拖曳力增大，巖石承受拉伸力也增大，當(dāng)該力超過巖石抗拉伸強度時，巖石就會遭受拉伸破壞。2、剪切破壞 上覆巖層壓力由孔隙壓力與骨架應(yīng)力共同平衡。隨開采進行，油藏壓力逐漸降低，施加在巖石骨架上的壓力越來越大，當(dāng)該力超過巖石的抗剪切應(yīng)力，巖石就會被剪切破壞。3、粘結(jié)破壞 粘結(jié)強度是任何裸露的地層表面被侵蝕的一個控制因素。這樣的位置主要包括：射孔通道、裸眼完井的井筒表面、水力壓裂的裂縫表面、剪切面或其它邊界表面。 4、微粒運移 出砂過程中，砂粒的運移會導(dǎo)致井底周圍地層的滲透率下降，增大

3、地層的拖曳力可能誘發(fā)固相顆粒的產(chǎn)出。5、化學(xué)作用 流體流動過程中，各區(qū)域的酸堿度不同可能會導(dǎo)致流體的不配伍，化學(xué)反應(yīng)可能會對膠結(jié)物產(chǎn)生溶蝕作用，從而破壞巖石強度。三、出砂地層類型及其出砂特征地層類型地層特征出砂特征流砂地層流砂地層僅靠很小的流體附著力和周圍環(huán)境圈閉的壓實力來聚集這種地層一旦開井投產(chǎn)便連續(xù)不斷出砂，但產(chǎn)出液含砂量相對穩(wěn)定，基本是一常數(shù)。雖然累計出砂量不斷增大，但套管周圍不會出現(xiàn)地層空穴，只是地層越來越松。部分膠結(jié)地層含膠結(jié)物量少，膠結(jié)力弱，地層強度低投產(chǎn)后地層砂會在炮眼附近剝落，逐漸發(fā)展成空穴，剝落的地層砂進入井筒極易添滿井底，堵塞炮管。其產(chǎn)出液含砂量變化很大。脆性砂地層較多膠結(jié)

4、物，膠結(jié)力較強，中等膠結(jié)強度砂巖開始投產(chǎn)時出砂幾天或幾周，隨后出砂量大減，幾乎無砂產(chǎn)出，一段時間后重新出砂。周而復(fù)始 四、影響出砂具體因素分析1、地質(zhì)因素構(gòu)造應(yīng)力顆粒膠結(jié)類型流體性質(zhì)滲透率2、開采因素地層壓力流體速度含水率或注水地層傷害固井質(zhì)量油井工作制度3、完井因素射孔孔道的充填物射孔參數(shù)第二部分 油水井出砂的危害油層出砂危害極大，主要表現(xiàn)在以下幾方面：砂埋油層或井筒砂堵造成油水井不能正常生產(chǎn)或停產(chǎn)；出砂導(dǎo)致井下和地面設(shè)備沖砂檢泵、地面清罐磨損加劇、砂卡；出砂導(dǎo)致井筒沖砂和地面設(shè)備清砂工作量增加，生產(chǎn)成本增加；出砂還可能造成油層部位虧空、井壁坍塌、套變加劇乃至使油水井報廢等；影響油井生產(chǎn)產(chǎn)量

5、。第三部分 油水井出砂預(yù)測方法一、定性經(jīng)驗出砂預(yù)測1、聲波時差法 利用測試聲波在地層中的傳播時差來預(yù)測地層出砂情況一般采用縱波時差來預(yù)測出砂程度。2、組合模量法 根據(jù)聲波測井和密度測井資料，計算巖石的彈性組合模量，進而進行出砂可能性預(yù)測的方法。312s/ m 345s/ m 不出砂可能出砂極易出砂Ec值越小，地層出砂的可能性越差。3、出砂指數(shù)法 根據(jù)地層巖石的出砂指數(shù)判斷地層出砂程度的方法。4、斯倫貝謝比法 計算巖石的斯倫貝謝比并依此判斷地層出砂可能性。5、地層孔隙度法 反映的是地層的致密程度，利用測井和巖心室內(nèi)試驗求的孔隙度在井段縱向上的分布。20%30%不出砂可能出砂極易出砂6、巖心觀察法

6、 用肉眼觀察、手觸摸等方法判斷巖心強度，若一觸即碎，或停放數(shù)日自行破裂，或可在巖心上用指甲刻痕，則該巖心疏松、強度低，生產(chǎn)過程中易出砂。7、DST測試法 若在DST測試期間油氣井出砂，甚至嚴重出砂，則油氣井生產(chǎn)初期就可能出砂。有時DST測試未見出砂，但仔細檢驗井下鉆具 和工具，發(fā)現(xiàn)在接箍臺階處富有砂粒，或DST測試后，下探砂面，發(fā)現(xiàn)砂面上升，該井易出砂。8、厚壁圓柱筒（TWC）試驗法 采用巖心進行破壞試驗，測得巖心的破壞應(yīng)力。據(jù)此根據(jù)井筒周圍地層的實際能力判斷是否出砂。二、出砂臨界生產(chǎn)壓差預(yù)測 根據(jù)近井地帶彈性分布特征，垂向、切向和徑向應(yīng)力中的最大應(yīng)力1（一般為切向應(yīng)力）和最小應(yīng)力3（一般為徑

7、向應(yīng)力）差值在井壁上達到最大，根據(jù)莫爾-庫侖破壞準則，差值越大，巖石越趨于破壞，故巖石破壞造成出砂往往從井壁上開始。計算特征位置r=rx處井壁引力分布求解得到特征位置r=rx處應(yīng)力分布情況根據(jù)選取的破壞準則計算臨界生產(chǎn)壓差塑性應(yīng)變Durcker-PragerHoek-Brown產(chǎn)層巖石堅固程度判別指數(shù)“C”公式法 根據(jù)熊友明的研究成果,垂直井井壁巖石所受的切向應(yīng)力是最大張應(yīng)力。對于任意角度的定向井，最大切向應(yīng)力由下式表達： 根據(jù)巖石破壞理論，當(dāng)巖石的最大切向應(yīng)力大于其抗壓強度時，將會引起巖石結(jié)構(gòu)的破壞而出骨架砂。因此，防砂的判據(jù)為： 上式取等號可求得油井出砂的臨界井底流壓，進而轉(zhuǎn)化得到出砂臨界

8、生產(chǎn)壓差。三、出砂半徑和出砂速度預(yù)測出砂半徑預(yù)測 出砂總是從井壁巖石的破壞開始逐步向井筒遠處延深，直到不滿足巖石破壞條件為止，這個范圍為塑性破壞區(qū)域（即出砂區(qū)）所謂出砂半徑就是指在一定的生產(chǎn)條件下近井地帶塑性出砂區(qū)的半徑。出砂半徑預(yù)測就是根據(jù)油氣井的實際生產(chǎn)條件預(yù)測出砂情況，主要包括地應(yīng)力分布預(yù)測和出砂半徑的計算。 計算方法：根據(jù)選取的彈、塑性區(qū)應(yīng)力分布計算模型計算應(yīng)力分布，以彈、塑性邊界徑向應(yīng)力相等作為連續(xù)條件，采用數(shù)值計算或試算法求解出砂半徑。出砂速度預(yù)測 出砂速度表征油氣井出砂快慢或嚴重程度的大小，常用日出砂量、流體含砂濃度（率）等指標來衡量。出砂速度指根據(jù)生產(chǎn)條件、地層巖石及流體物性預(yù)

9、測油氣井含砂濃度和出砂速度。以此來確定合理的開采和防砂方案。根據(jù)液固多相滲流條件，應(yīng)用莫爾-庫侖破壞準則和達西定律，得到疏松砂巖油藏不同產(chǎn)液量下油井出砂量預(yù)測的數(shù)學(xué)模型。第四部分 主要防砂工藝及技術(shù) 油氣田現(xiàn)場使用的防砂工藝技術(shù)多達幾十種，但基本的防砂原理分為兩種：一是通過井底擋砂的手段將產(chǎn)出砂阻擋在地層或井底，阻止地層砂隨流體進入生產(chǎn)管柱；二是通過化學(xué)或者機械化學(xué)復(fù)合手段改善近井地帶的地層膠結(jié)條件，提高固結(jié)強度，從而避免生產(chǎn)中出砂。一、基本防砂原理1、機械防砂僅下入機械管柱篩管礫石充填2、化學(xué)防砂化學(xué)劑化學(xué)固結(jié)人工井壁焦化防砂3、復(fù)合防砂機械-化學(xué)復(fù)合方法高滲壓裂充填纖維復(fù)合無篩管 另外，有

10、些油田還采用降低流速和增大油層徑向應(yīng)力的物理方法防砂。二、機械防砂1、機械濾砂管（篩管）防砂 將經(jīng)過特殊工藝制成的具有濾砂功能的濾砂管（篩管）用管柱或和輔助工具直接懸掛在井內(nèi)出砂層位的防砂工藝。不僅可以阻止直徑大于濾砂器縫隙寬度（或孔隙網(wǎng)孔直徑）的地層砂，而且可利用“橋架”作用阻止小于濾砂器縫隙寬度的部分地層砂流入井筒。常見的機械濾砂管（篩管）全焊接不銹鋼繞絲篩管割縫襯管雙層預(yù)充填礫石繞絲篩管金屬棉濾砂管常見的機械濾砂管（篩管） 金屬氈濾砂管 陶瓷濾砂管樹脂石英砂濾砂管2、機械篩管礫石充填防砂1-油管；2-水泥環(huán)；3-套管；4-封隔器；5-襯管；6-礫石；7-射孔孔眼 常用的礫石充填方式有兩種

11、，即用于裸眼完井的先期裸眼繞絲篩管礫石充填左圖和用于射孔完井的套管內(nèi)篩管礫石充填右圖 。三、化學(xué)防砂1、化學(xué)劑固砂 包括酚醛樹脂膠結(jié)砂層和酚醛溶液地下合成防砂兩種工藝，適用于早期防砂，后者也用于油氣井先期防砂。此類固砂的特點：1）適用于出砂不太嚴重的薄層2）化學(xué)劑對溫度要求高3）化學(xué)劑固結(jié)區(qū)域地層滲透率明顯下降，影響嚴重4）有效期短，受高含水影響較大化學(xué)劑固砂意圖2、化學(xué)膠結(jié)人工井壁人工井壁類型工藝特點樹脂涂敷砂人工井壁該方法適用于地層虧空嚴重、吸收能力較大、溫度較高的油氣層防砂。施工簡單，成功率高，膠結(jié)后礫石的抗折強度可達5MPa左右，滲透率保持在原始值的90%以上。水泥砂漿人工井壁原材料來

12、源廣泛施工簡單，但用油量較大，膠結(jié)后礫石強度小于1MPa，有效期短，常用于后期防砂。樹脂核桃殼人工井壁適用于早期防砂，膠結(jié)后人工井壁滲透率較高，強度較大，具有良好的防砂效果，但材料來源較困難。樹脂砂漿人工井壁常見于后期防砂，適用于吸收能力較高的油、水層，其適應(yīng)性較強，不受井深限制。三、復(fù)合防砂 復(fù)合防砂利用機械防砂和化學(xué)防砂的優(yōu)點相互補充，一方面能在近井地帶形成一個滲透性較好的人工井壁，另一方面利用機械防砂管柱形成二次擋砂屏障，起到很好的防砂效果。機械-化學(xué)復(fù)合方法高滲壓裂充填纖維復(fù)合無篩管1、機械-化學(xué)復(fù)合方法繞絲篩管+涂層礫石（涂敷砂）復(fù)合防砂示意圖 首先進行管外涂敷砂擠壓充填，固結(jié)后鉆塞

13、，然后下入繞絲篩管。 化學(xué)劑固砂+雙層預(yù)充填繞絲篩管復(fù)合防砂示意圖，地層用化學(xué)劑固結(jié)后再下入雙層預(yù)充填繞絲篩管。 2、高滲壓裂充填防砂 核心技術(shù)為端部脫砂，即指在前置液造縫并使縫長達到設(shè)計要求后，使用大排量低砂比泵注，使得支撐劑不會在裂縫底部沉積而被攜帶到裂縫前端后脫砂沉積，裂縫長度方向的延伸減緩或停止，裂縫主要在寬度方向上增長，形成寬而短的填砂裂縫。高導(dǎo)流裂縫降低生產(chǎn)壓差增大滲流面積減少地層砂受力降低近井壓力梯度降低表皮系數(shù)提高單井產(chǎn)能裂縫閉合應(yīng)力地層砂排列穩(wěn)固防止地層出砂壓裂后，地層流體形成雙線性流模式裂縫可以避免和減緩巖石的破壞裂縫可以降低流動沖刷攜帶砂粒的能力裂縫內(nèi)充填的礫石對地層砂粒

14、有阻擋作用技術(shù)原理：雙線性流模式圖3、纖維復(fù)合無篩管防砂工藝 該技術(shù)在充填的礫石中摻入一定量纖維，利用纖維物理化學(xué)作用將裂縫中的礫石顆粒固結(jié)在一起，達到生產(chǎn)過程中，防止裂縫返吐砂的目的。 井筒中可避免使用機械篩管阻擋礫石層，便于后期井下作業(yè)。四、國內(nèi)外技術(shù)新進展1、可膨脹防砂篩管技術(shù) 可膨脹中心管重疊式過濾層可膨脹保護外管膨脹管串防砂管串盲 堵底部接頭懸掛封隔器頂部接頭膨脹篩管鉆桿扶正器液壓膨脹工具機械膨脹工具技術(shù)優(yōu)勢1、膨脹前剛體外徑小，井身結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強4、流通面積大，井眼附加壓降小，可提高作 業(yè)油井生產(chǎn)能力3、膨脹后與井壁直接接觸，增強井壁穩(wěn)定性5、與礫石充填相比，施工簡單，成本低2、膨脹

15、后內(nèi)徑大（僅縮小25.4mm），提高 井徑利用率2、水平井裸眼充填技術(shù) 井底循環(huán)壓力保持技術(shù)：防止壓開地層及流體漏失；裸眼水平井段根部到指部篩管/裸眼全環(huán)空循環(huán)洗井功能；濾餅清除技術(shù)；充填效率保持措施：BJ阻流器、Schlumberger分流篩管;充填工具置于套管段。管柱結(jié)構(gòu)充填總成安全裝置分流篩管技術(shù)優(yōu)勢1、在篩管/裸眼環(huán)空形成高滲透擋砂屏障有利于減緩或避免篩管堵塞，對稠油、粉細砂巖油藏防砂 優(yōu)勢明顯防砂有效期長，充分發(fā)揮水平井增產(chǎn)優(yōu)勢，延長油井壽命有利于流體均勻流入篩管內(nèi)部，延緩底水錐進3、簡化完井管柱結(jié)構(gòu),提高完井速度,節(jié)約完井成本2、提高油井完善程度，降低近井表皮系數(shù)，增大井筒流通面積

16、，最大程度的水平井增產(chǎn)優(yōu)勢 但從現(xiàn)場應(yīng)用成功率來看，由于水平井裸眼充填實施難度較大，總體上一次成功率還不到50%，主要原因是由于井壁不穩(wěn)定使得管柱下不到位、建立不起循環(huán)以及過早形成砂橋等。 分層擠壓充填技術(shù)以一次可以完成多油層分層防砂的技術(shù)優(yōu)勢，較好的解決了非均質(zhì)油藏井段長、夾層大、多油層的防砂難題，施工工序簡單、作業(yè)成本低。因此成為世界各大石油公司開發(fā)攻關(guān)的新技術(shù)。3、分層擠壓充填技術(shù)QUANTUM充填工具總成安全接頭分流篩管MZ封隔器分流篩管 橋 塞下入管柱充 填洗 井投產(chǎn)管柱結(jié)構(gòu)技術(shù)特點一趟管柱完成多層防砂施工可以實現(xiàn)上部油層的壓裂充填及下部油層的礫石充填分流篩管的應(yīng)用使得整個管柱和施工

17、工序更為簡單可靠雖然在管柱設(shè)計中增加了安全接頭，但分流篩管大的外 徑和MZ皮碗式層間封隔器，后處理困難4、射孔防砂一體化技術(shù)一趟管柱可以完成射孔、防砂、監(jiān)測所有工序，簡化施工工序，縮短施工周期， 節(jié)約施工費用，減小了地層結(jié)構(gòu)破壞，降低了完井液損失，增加了儲層產(chǎn)率水力驅(qū)動油管運輸射孔體系：使射孔精確、快速、高效實時射孔測試系統(tǒng)：可迅速清理射孔以及井眼破壞形成的碎片管柱結(jié)構(gòu)射 孔測試裝置防 砂管柱總成射 孔管柱總成防砂封隔器防砂濾砂管射孔封隔器射孔槍下入集成管柱坐封射孔封隔器射孔解封射孔封隔器，下放管柱至防砂設(shè)計位置坐封封隔器礫石充填防砂施工起出丟手管柱射孔測試裝置防砂管柱總成射孔管柱總成技術(shù)優(yōu)勢

18、1、將射孔技術(shù)與防砂工藝有效集成提高了完井速度，縮短了施工周期，降低了作業(yè)成本；縮短完井液與油層的接觸時間，減小漏失，有利于油層保護2、將射孔、防砂與監(jiān)測技術(shù)集成配套，提高了油井完善程度與油井產(chǎn)率第五部分 防砂工藝設(shè)計理論防砂工藝參數(shù)設(shè)計的基本原則：1、有效地防止地層出砂2、獲得盡可能高的防砂產(chǎn)能比3、能夠順利施工一、地層砂特性分析 地層砂特性分析是所有防砂工藝參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)。其任務(wù)是分析各粒徑地層砂的分布特征，通常使用半對數(shù)累重篩析曲線。 地層砂篩析曲線以及基于該篩析曲線的地層砂特性參數(shù)（d10、d25、d40、d50、d75、d84.1、d90、均勻系數(shù)、分選系數(shù)、偏差系數(shù)）是進行防

19、砂工藝參數(shù)選擇礫石尺寸和機械篩管擋砂精度所必須的基礎(chǔ)參數(shù)依據(jù)。 篩析法：即得到粒徑與累積重量百分數(shù)的關(guān)系曲線為一條S形曲線，即篩析曲線。它基本反映地層砂的特性，可以作為選擇充填礫石尺寸的依據(jù)。二、礫石尺寸選擇 礫石尺寸設(shè)計是礫石充填、人工井壁類防砂工藝參數(shù)設(shè)計的核心內(nèi)容和步驟。礫石充填層為擋砂屏障和油氣入井通道，礫石尺寸主要影響生產(chǎn)動態(tài)和防砂效果。需要考慮地層砂特性、滲透率對產(chǎn)能的影響、地層細砂的侵入特性以及強度等諸多因素。 礫石尺寸設(shè)計方法有多達十幾種，每種方法具有不同的適用性。這些方法分為兩大類：簡單模型和基于篩析曲線的設(shè)計方法。前者一般僅根據(jù)地層砂某一特征值即可完成設(shè)計；后者則基于地層砂

20、特性曲線，充分使用了盡可能多的地層砂信息，屬于比較科學(xué)的設(shè)計方法。了盡可能多的地層砂信息，屬于比較科學(xué)的設(shè)計方法。1）Tausch和Corley方法 Tausch和Corley方法是建立在半對數(shù)篩析曲線的基礎(chǔ)上，它建議最小礫石直徑應(yīng)等于4，最大礫石直徑應(yīng)等于6，即2）Saucier方法 Saucier方法是目前普遍使用的礫石尺寸選擇方法，它建立在完全擋砂機理之上。即選用工業(yè)礫石的粒度中值為防砂井地層粒度中值的56倍，此時礫石充填帶的有效滲透率/地層滲透率最大。礫石尺寸過大會造成砂侵，引起礫石層滲透率嚴重下降，一般在最佳范圍內(nèi)使用較小值。 3）Depriester方法Depriester方法可以

21、有效地防止地層砂侵入礫石充填層。先在半對數(shù)篩析曲線求出的 的點A，然后求出 的點B，最后通過A、B兩點畫出充填礫石的分布曲線，得到 ，過A、B兩點得到的直線范圍便為充填礫石的尺寸范圍。 4）Schwartz方法 Schwartz方法考慮地層砂的均勻程度和流體通過篩逢的流速來確定充填礫石的尺寸。它將半對數(shù)地層砂累積重量百分數(shù)曲線上礫石直徑/砂粒徑為6作為礫砂的臨界比值，根據(jù)不同的均勻系數(shù)和縫眼流速采用不同的準則選擇礫石尺寸。 三、機械篩管縫寬（擋砂精度）設(shè)計 通常使用的機械篩管主要有繞絲篩管、割縫襯管和金屬棉濾砂管。1.繞絲篩管縫寬（擋砂精度）設(shè)計 繞絲篩管縫隙的寬度應(yīng)能夠阻擋100%的礫石，通常選擇繞絲篩管的縫隙尺寸略低于充填礫石的最小尺寸，常取最小礫石尺寸的1/22/3，推薦采用2/3計算。2.對于割縫襯管,縫寬確定式為3.對于金屬棉濾砂管,縫寬確定式為1.管內(nèi)理論礫石充填量 管內(nèi)理論礫石容量包括三部分：盲管段環(huán)空容積、篩管（包括生產(chǎn)篩管和信號篩管）段環(huán)空容積與口袋容積之和。如果井底打橋塞，口袋長度應(yīng)算到橋塞深度。2.管內(nèi)設(shè)計充填量 設(shè)計管內(nèi)充填量為在理論充填量的基礎(chǔ)上增加20%50%