油井機(jī)械防砂技術(shù)研究現(xiàn)狀

油井機(jī)械防砂技術(shù)研究現(xiàn)狀

機(jī)械防砂方法1932年，國外開始研究油氣井機(jī)械防砂技術(shù)，中國在20世紀(jì)80年代開始研究這一點(diǎn)。目前,機(jī)械防砂技術(shù)在國外約占油氣井防砂作業(yè)的80%。國內(nèi)外常見的機(jī)械防砂方法有篩管礫石充填防砂和濾砂管防砂。礫石充填防砂工藝為應(yīng)用最早的防砂工藝之一,其工藝技術(shù)成熟,防砂效果好,周期長,但存在易形成砂堵、充填效率低、近井地帶污染嚴(yán)重等問題。隨著石油開發(fā)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了振動(dòng)礫石充填防砂、分層礫石充填防砂、旁通礫石充填防砂、高壓充填防砂和壓裂-礫石充填防砂等新技術(shù)。其中,高壓礫石充填和壓裂-礫石充填是近年來應(yīng)用較廣泛的2種技術(shù)。濾砂管防砂方法具有施工簡單、作業(yè)成本低、易于操作等優(yōu)點(diǎn),但濾砂管脆性大、強(qiáng)度低、比礫石充填防砂方法的有效期短、防粉砂性能差。為綜合利用礫石充填防砂和濾砂管防砂兩者的優(yōu)點(diǎn),人們開發(fā)了雙層預(yù)填充篩管和可膨脹防砂篩管?，F(xiàn)有的各種機(jī)械防砂技術(shù)都有其自身的特點(diǎn)和適應(yīng)性,大都難以勝任中后期出砂較嚴(yán)重或經(jīng)過多次防砂作業(yè)油井的防砂任務(wù),相應(yīng)的防砂作業(yè)費(fèi)用也越來越高。因此,研究開發(fā)新的機(jī)械防砂工藝及相應(yīng)的防砂工具具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。地層砂體充填水岸帶高壓充填防砂技術(shù)的防砂管柱主要由篩管、安全接頭、可溶性扶正器、FS封隔器和絲堵等組成。該防砂技術(shù)的原理是:將礫石-石英砂用大排量攜砂液帶到油氣井產(chǎn)層套管外的空洞處,以及繞絲管與套管的環(huán)形空間,經(jīng)高壓壓實(shí)形成擋砂屏障。高壓充填工藝的優(yōu)點(diǎn):(1)地層填砂和繞絲管外環(huán)空充填一次性形成并縮短鉆井周期,可節(jié)約防砂成本。(2)可在井筒一定半徑內(nèi)形成密實(shí)的高滲透帶,減小流體對地層砂的沖刷及攜帶作用,井筒附近流體的流動(dòng)壓力梯度遠(yuǎn)低于原始地層壓力梯度,可有效地緩解地層出砂。(3)高壓充填對油層產(chǎn)生一定的壓裂作用,可以在一定程度上提高地層滲透率;同時(shí)充填砂體在井筒周圍形成一定半徑的高滲透帶,并有良好的連續(xù)性,可以起到一定的解堵作用,改善油井(尤其低產(chǎn)油井)供液能力,提高油井產(chǎn)量。存在問題:(1)高壓充填工藝對單層、短井段防砂效果較好,但對于多油層、長井段防砂效果不能保證,特別是對于存在上部封堵層、卡封層的井,對下部目的層進(jìn)行防砂時(shí),施工產(chǎn)生的高壓往往會(huì)對封堵層、卡封層有較大影響。(2)施工參數(shù)優(yōu)化和施工參數(shù)控制對作業(yè)人員的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)依賴性高。高壓充填技術(shù)的實(shí)質(zhì)是在地層及環(huán)空內(nèi)建立高滲透的充填砂體,達(dá)到防砂與增產(chǎn)的統(tǒng)一,井況不同,充填砂在地層內(nèi)堆積狀態(tài)及堆積機(jī)理、砂體狀態(tài)模式不盡相同,需依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對充填模式進(jìn)行判斷,以確保油套環(huán)形空間的砂體充實(shí),防止因環(huán)空砂體不實(shí),導(dǎo)致生產(chǎn)過程中地層砂及充填砂體發(fā)生移動(dòng)和混合,降低井筒周圍滲透率,影響供液。(3)適用于出砂顆粒直徑為0.06mm及以上的油層中。壓裂-充填砂源壓裂-礫石充填技術(shù)是把縫端脫砂壓裂與礫石充填壓裂防砂技術(shù)結(jié)合起來的一種新的完井方法,是針對疏松油藏油、氣井出砂嚴(yán)重、粒度不均、分選不好的情況下采取的一項(xiàng)防、排綜合配套工藝。其防砂管柱如圖1所示。其工作原理是:壓裂車組將壓裂液泵入油層,在油層內(nèi)壓開一定尺寸的裂縫,然后再將優(yōu)選的人工礫石泵入壓開的裂縫、地層虧空和篩套環(huán)空之中。最終堆積成高滲透率的滲流通道(裂縫)和人工砂橋。人工砂橋與篩管共同構(gòu)成井下防砂屏障,有效地防止油層出砂和壓裂砂反吐,從而實(shí)現(xiàn)壓裂與防砂的目的。壓裂-充填防砂的優(yōu)點(diǎn):(1)改善原油的滲流條件,增大原油的滲流面積,能增加油井的產(chǎn)量;(2)壓裂造縫產(chǎn)生高導(dǎo)流能力的支撐帶,降低生產(chǎn)壓差,減小了地層砂的受力,從而起到穩(wěn)定地層砂的作用;而端部脫砂充填工藝?yán)每p面正壓力的提高及高濃度砂比的礫石充填進(jìn)一步穩(wěn)定地層結(jié)構(gòu),因此對于高滲透油田進(jìn)行壓裂充填改造,從理論上講具有增產(chǎn)和防砂雙重功效。(3)在特稠油、超稠油開發(fā)中試驗(yàn)應(yīng)用,對降低注汽壓力、改善注汽效果、提高周期產(chǎn)油量具有一定的積極意義。存在問題:(1)壓裂-礫石充填屬于小型作業(yè),但排量及壓力較高,因此,存在著對管線和井下設(shè)備的沖蝕問題。(2)壓裂-礫石充填技術(shù)關(guān)鍵在于對時(shí)間的控制和脫砂后的加砂量,施工工藝復(fù)雜,填砂施工中砂比不容易控制,砂比較低。正確選擇作業(yè)設(shè)備和材料,了解地層性質(zhì)和生產(chǎn)狀況對其有重要的影響。(3)壓裂礫石充填防砂管柱無法實(shí)施分層壓裂施工。(4)在清水壓裂充填、端部脫砂壓裂充填、膠液壓裂充填這3種方式中,前2種的增產(chǎn)效果相當(dāng),這是因?yàn)閮烧咝纬傻牧芽p較短;而膠液壓裂充填的增產(chǎn)效果最明顯,主要原因是膠液壓裂充填能形成長的裂縫,但成本高。雙滲篩管防砂機(jī)理雙層預(yù)充填篩管由外篩管、內(nèi)篩管和內(nèi)外篩管間充填的礫石形成3層防砂屏障,具有良好的濾砂和擋砂作用,同時(shí)又具有一定滲透性能。其防砂管柱組成見圖2。雙層預(yù)充填篩管防砂工藝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):(1)技術(shù)簡便,易于施工,對地層傷害小。(2)可用于常規(guī)套管完成的豎直井、斜井、定向井、水平井的防砂。存在問題:(1)篩管成本較高。(2)僅適用于油層不分采,粒度中值0.08mm以上的中粗砂巖地層;不適用于粉細(xì)砂地層、泥質(zhì)低滲透地層,以及高產(chǎn)油井。膨脹抗砂篩管可膨脹防砂篩管(ESS)是在殼牌石油公司可擴(kuò)展割縫管專利技術(shù)的基礎(chǔ)上形成的,其結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。ESS由可擴(kuò)展割縫中心管、過濾層和可擴(kuò)張式保護(hù)外套3部分構(gòu)成。過濾層是為可膨脹濾砂管特別研制的一種金屬絲網(wǎng),它以重疊的方式附在割縫管本體上,這樣直徑增大時(shí)可保持防砂性能。在篩管的擴(kuò)張過程中,由3層隔膜構(gòu)成的重疊式滲濾隔膜中間層發(fā)生徑向滑移,另外2層則發(fā)生軸向滑移,直到防砂篩管達(dá)到理想的直徑。可膨脹防砂篩管的防砂技術(shù)優(yōu)點(diǎn):(1)膨脹后緊貼井壁或套管,可防止地層砂的運(yùn)移,從而避免由于地層砂重新分布而形成近井眼低滲透帶。(2)防砂后的井下管柱內(nèi)徑大,過流面積大,減小了近井眼的壓降損耗和篩管沖蝕破壞的可能性,提高了膨脹篩管和單井壽命以及油氣藏的采收率。(3)同管外封隔器配合可實(shí)現(xiàn)分層開采,適用于水平井和大位移井等。(4)適應(yīng)于油層不分采,粒度中值0.07mm以上的砂巖地層。存在的問題:(1)若井眼極不規(guī)則,在井徑縮小處膨脹篩管會(huì)壓實(shí)近井地帶,生產(chǎn)時(shí)不易恢復(fù)地層原始狀態(tài);對于井徑擴(kuò)大處,無法實(shí)現(xiàn)篩管與井壁或套管環(huán)空的“零間隙”,影響防砂效果。(2)在篩管膨脹過程中,若遇井壁坍塌等復(fù)雜情況致使膨脹中斷,很難得到滿意結(jié)果。小變形縫篩管目前國內(nèi)外油田上使用的割縫篩管多為矩形或單梯形縫篩管,矩形縫的縫寬從管外到管內(nèi)是一致的,易造成砂粒堵塞,降低抽油效果。梯形微縫篩管克服了矩形縫篩管的砂堵現(xiàn)象,具有很強(qiáng)的“自潔”作用,還具有流壓損失小、產(chǎn)量高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。單梯形縫篩管由于角度較大,縫口較尖銳,在采出液及其攜帶的微細(xì)砂粒的擠摩作用下,易使縫口的尖角磨損、縫寬變大,從而降低割縫篩管的防砂效果和使用壽命。針對上述情況,筆者研制出具有復(fù)合縫腔的割縫篩管,應(yīng)用于油井防砂中取得了良好效果。1.分縫機(jī)所形成的內(nèi)縫口新型復(fù)合縫腔割縫防砂篩管的每條割縫都由管外至管內(nèi)依次連接的外窄內(nèi)寬角度較小的梯形縫、過渡圓弧和角度較大的梯形縫構(gòu)成。該篩管外層梯形縫的角度很小,近似于矩形,厚度為2～3mm,當(dāng)有微小的砂粒進(jìn)入縫腔時(shí),可以被采出液帶走,使縫腔保持暢通,由于該層梯形縫的角度很小,因此,縫口在原油和微細(xì)砂粒的摩擦作用下的磨損速度減慢,可有效地提高篩管的使用壽命;管壁內(nèi)層大角度的梯形縫可較大地降低縫對原油的流阻。2.本分布縫腔的防腐性能該種割縫篩管是采用筆者自行研制開發(fā)的等離子設(shè)備加工的。該種工藝方法是靠高頻的瞬時(shí)高溫、高壓作用進(jìn)行加工,切割過程在專用復(fù)合水基工作液中完成,其特點(diǎn)是:(1)縫的表面耐磨和耐蝕性高。專用復(fù)合水基工作液在瞬時(shí)高溫、高壓作用下,產(chǎn)生電離和熱分解,電離和熱分解的產(chǎn)物在高溫和電場的作用下與被切割的縫腔表面金屬材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),在被加工后的縫腔表面上形成1層厚0.1～0.2mm的淬硬防腐層,其硬度達(dá)管體硬度的2倍,且由外至內(nèi)逐漸減小,使淬硬層與管體的結(jié)合更加牢靠,如圖4所示。(2)該縫腔克服了矩形縫易造成砂堵的現(xiàn)象,且具有很好的“自潔”效應(yīng),由于原油從管外到管內(nèi)流經(jīng)的縫腔是逐漸加寬的,因此,其流阻小。(3)該種切割工藝加工出的縫寬尺寸一致性好、精度高,在縫的兩端不存在“火柴頭”現(xiàn)象,可以有效地提高篩管的強(qiáng)度和防砂效果。采用新型復(fù)合縫腔割縫篩管和外投礫石的防砂方法,以及雙層割縫篩管內(nèi)投礫石的防砂方法在勝利海洋石油開發(fā)公司海上CB22D-2油井、勝利油田樁西采油廠106-16斜17井、冀東油田M19-12井等60余口油井中得到應(yīng)用,均取得良好防砂效果好。防砂方法的局限性和研究方向任何一種機(jī)械防砂方法都有其各自的特點(diǎn)和適用性,對于特定的油井,防砂成功的關(guān)鍵是防砂方法的選擇,防砂方法選擇不當(dāng)是導(dǎo)致防