不等密度布縫的割縫篩管完井新技術(shù)

不等密度布縫的割縫篩管完井新技術(shù)

井砂的直接影響是堵塞井，影響井產(chǎn)量，導(dǎo)致地層浪費(fèi)，導(dǎo)致井壁坍塌，影響井篩和管道損壞，以及磨損泵和油桿。人們常常通過(guò)油氣井產(chǎn)量控制、篩管完井、礫石充填完井、人為膠結(jié)地層以及其它化學(xué)方法來(lái)防止或減輕油井出砂,以達(dá)到提高油井產(chǎn)量、延長(zhǎng)油井生產(chǎn)期和實(shí)現(xiàn)較好經(jīng)濟(jì)效益之目的。為此,國(guó)外石油公司投入大量資金研制各種新型完井設(shè)備,如G&LSlotoCo的割縫篩管、Petroline和Halliburton公司的膨脹式篩管以及Secure公司的繞絲篩管和MeshRite篩管等。針對(duì)欠壓實(shí)、膠結(jié)疏松的油藏尤其是稠油油藏特點(diǎn),并綜合考慮經(jīng)濟(jì)等因素,筆者研制成不等密度布縫的新型割縫篩管,解決了稠油開采中的油井出砂問(wèn)題。新雨棚設(shè)計(jì)1.砂堵和防砂效果差為了阻止砂礫并讓油氣流進(jìn)入油井內(nèi),割縫篩管縫形可選擇直縫或梯形縫。直縫簡(jiǎn)單、易制造,但砂礫可以自由通過(guò)縫隙進(jìn)入油井內(nèi)而不易形成砂橋,因此防砂效果較差,部分砂礫可能卡死在篩管的縫內(nèi),成為阻擋油氣流進(jìn)入油井的屏障。梯形縫較復(fù)雜,制造難度大,但砂礫可在縫處形成砂橋而阻止砂礫進(jìn)入油井內(nèi),不會(huì)出現(xiàn)由于砂礫卡死在縫內(nèi)造成砂堵的情況。因此,新型割縫篩管選擇梯形縫較好。2.砂體直徑、mm形成砂橋的條件是縫寬e不大于砂礫直徑的2倍,即e＜2D10(1)e＜2D10(1)式中e——縫寬,mm;D10——砂礫累計(jì)分布曲線上占累積質(zhì)量為10%所對(duì)應(yīng)的砂礫直徑,mm。砂礫直徑用巖心粒度分析方法確定。所謂巖心粒度分析是指確定巖石中不同粗細(xì)質(zhì)點(diǎn)的含量。篩分析法是最常用的方法,其步驟是:首先清洗掉樣品表面粘附的原油并進(jìn)行解集處理和烘干,使砂樣變成無(wú)油污、干燥、潔凈的單顆粒狀態(tài);再放入一組由不同孔眼尺寸篩網(wǎng)組成的頂部篩子中,把篩子放到聲波振篩機(jī)或機(jī)械振篩機(jī)上振動(dòng)一定時(shí)間,稱量每個(gè)篩子中的顆粒質(zhì)量;最后,根據(jù)稱得的質(zhì)量,計(jì)算篩目的累計(jì)百分比即可得出樣品的粒度分析數(shù)據(jù),圖1為某油藏的巖心粒度分布曲線,根據(jù)該圖可得知D10的值,從而確定縫寬。3.篩管的工藝設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)油藏砂礫粒度的分析,可確定縫的寬度e和長(zhǎng)度L,結(jié)合油藏特點(diǎn)或防砂要求,可以確定套管縫所占面積與套管本體表面積的比例C。已知套管外徑D、e、L和C,則每米所需的縫數(shù)目N為N=1000πCD/(eL)(2)Ν=1000πCD/(eL)(2)這里每個(gè)套管本體槽內(nèi)鑲嵌的不銹鋼條數(shù)為3,顯然在每個(gè)槽內(nèi)形成4條縫。已知每米內(nèi)縫數(shù)目N,則可計(jì)算出在套管本體上每米內(nèi)所需開槽數(shù)目n和槽寬Wn=N/4(3)W=4e(4)n=Ν/4(3)W=4e(4)對(duì)筆者設(shè)計(jì)的篩管,每米內(nèi)套管本體上開槽的數(shù)目為14條。因此,在制造過(guò)程中,可以根據(jù)開發(fā)要求或油藏特點(diǎn),使一批篩管的縫寬e、槽寬W、每米內(nèi)槽數(shù)目n和每米內(nèi)縫數(shù)目N不同于另一批篩管。甚至在同一根篩管上,一部分篩管的e、W、n和N也可以不同于另一部分。這就實(shí)現(xiàn)了篩管不等密度和不等縫寬布縫的思想。4.新型割縫篩管根據(jù)以上設(shè)計(jì)的槽寬和每米開槽數(shù)目,新型篩管主要由鑲嵌條組件和帶臺(tái)階槽的套管組成。鑲嵌條組件由不銹綱V形直條和隔離片組成,其材料類型由井下流體的成分、地溫等因素確定。套管上槽的數(shù)量和寬度可由式(3)和(4)計(jì)算。其技術(shù)特點(diǎn)是:3根V形直條由2片隔離片分隔而組成鑲嵌條組件,兩根V形直條之間形成剖面為梯形、長(zhǎng)邊在套管內(nèi)表面的倒V形縫。鑲嵌條組件嵌入套管上帶臺(tái)階槽后,兩邊的V形直條與套管上臺(tái)階槽的邊形成兩個(gè)半邊倒V形縫。制造過(guò)程:先在套管本體上銑出一定數(shù)量的帶臺(tái)階槽,再將3根V形直條由2片隔離片分隔開而組成鑲嵌條組件,最后將鑲嵌條組件裝入套管上的帶臺(tái)階槽內(nèi),用點(diǎn)焊法將鑲嵌條組件固定在套管上的帶臺(tái)階槽內(nèi),如圖2所示。新型割縫篩管具有以下特點(diǎn):(1)防砂效果好,不阻隔油氣流,耐腐蝕,不易形成砂堵,使用壽命長(zhǎng);(2)可根據(jù)油藏油氣流的組分和特點(diǎn),選擇防腐材料制成的鑲嵌條組件,因此具有較好的防腐抗蝕性能;縫寬容易控制,便于實(shí)現(xiàn)篩管縫眼不等密度或不等縫寬布置。篩管破壞及受力分析篩管破壞的原因一般有:隨著多孔介質(zhì)油藏的開采,孔隙壓力衰竭而導(dǎo)致地層壓實(shí),從而對(duì)篩管產(chǎn)生較大的圍壓而引起其破壞;地震或油藏壓力衰竭導(dǎo)致斷層滑動(dòng),篩管被剪斷;腐蝕性鉆井液、完井液或地層液對(duì)篩管的腐蝕破壞;地層下沉導(dǎo)致篩管彎曲變形;在油井的生產(chǎn)過(guò)程中,油井出砂或巖層下沉使篩管受不對(duì)稱載荷作用而受到破壞;由于井眼不規(guī)則而導(dǎo)致篩管下入遇阻,需要上下往復(fù)活動(dòng)篩管或旋轉(zhuǎn)篩管以利于下入而引起的過(guò)大壓縮載荷、拉伸載荷或扭轉(zhuǎn)載荷等,都會(huì)破壞篩管;溫度變化引起的溫度應(yīng)力破壞篩管;地層壓實(shí)作用導(dǎo)致篩管螺紋連接失效。另外,因設(shè)計(jì)不合理造成篩管強(qiáng)度小于其受力也是使其失效的原因。但目前還未發(fā)現(xiàn)有關(guān)篩管破壞及受力分析研究成果的報(bào)道。在本研究中,將借用套管的工況和研究方法對(duì)新型篩管做安全性評(píng)價(jià)。1.地層壓力和彎矩的影響(1)拉伸載荷在篩管下入過(guò)程中,篩管自身質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致其受拉伸載荷的作用;井底溫度應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生拉伸載荷;在下入遇阻時(shí),上下往復(fù)活動(dòng)篩管也會(huì)產(chǎn)生拉伸載荷。(2)壓縮載荷井眼不規(guī)則和大斜度井、水平井中套管或篩管與井壁間的摩阻會(huì)使篩管下入遇阻,需施加較大的軸向載荷。摩阻的大小取決于篩管的質(zhì)量、篩管所受的壓縮載荷、井壁粗糙度以及鉆井液的類型;井底溫度應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生壓縮載荷;在下入遇阻時(shí),上下往復(fù)活動(dòng)篩管也會(huì)產(chǎn)生壓縮載荷。套管外壁圍壓變化會(huì)產(chǎn)生軸向力。(3)扭轉(zhuǎn)載荷在下入遇阻時(shí),旋轉(zhuǎn)篩管會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)載荷。(4)外壁圍壓載荷上覆巖層壓力是由孔隙流體和孔隙介質(zhì)支撐,即上覆巖層壓力σ等于孔隙流體壓力p和孔隙介質(zhì)壓力τ之和。在正常壓力地層中,孔隙壓力梯度為10.5kPa/m,地層壓力梯度為22.6kPa/m。在超高壓地層中,孔隙壓力梯度大于或遠(yuǎn)大于10.5kPa/m,地層是欠壓實(shí)的。隨著超高壓、欠壓實(shí)油藏的開采,孔隙壓力會(huì)逐漸減小,地層會(huì)被逐漸壓實(shí)并下沉,它對(duì)套管、篩管和礫石充填篩管的壽命有很大的影響。研究表明,地層壓實(shí)作用對(duì)斜井中篩管的危害比直井中大,且隨著井斜角的增大而增大;孔隙壓力降低,篩管所受的圍壓增加,同時(shí)水平應(yīng)力增加33%。此外,在油井生產(chǎn)過(guò)程中,不能通過(guò)篩管孔眼的砂粒在其外壁形成砂拱,也會(huì)對(duì)篩管產(chǎn)生圍壓。(5)彎矩在造斜井段、井斜角或方位角急劇變化的井段,篩管都會(huì)受到彎矩的作用;井底斷層的滑移或巖層下沉也可能產(chǎn)生彎矩。2.準(zhǔn)濾劑用量及篩管尺寸計(jì)算(1)許用拉伸載荷確定由于英寸N80套管的管體屈服強(qiáng)度F為1633kN,當(dāng)套管每周開14個(gè)槽后,其承載面積減少而使許用拉伸載荷也相應(yīng)減小,即篩管的許用拉伸載荷F1為F1=Fπ4(D2?d2)LW14π4(D2?d2)=1063.6(kN)F1=Fπ4(D2-d2)LW14π4(D2-d2)=1063.6(kΝ)式中d——套管內(nèi)徑,mm;F——套管體屈服強(qiáng)度,kN。(2)許用扭矩確定按理論計(jì)算,英寸N80套管發(fā)生剪切屈服時(shí)的扭矩T為T=τmaxIr(5)Τ=τmaxΙr(5)式中τmax——最大剪切應(yīng)力,τmax=0.58×(σ1)max=319.58MPa;I——極慣性矩,I=π32(D4?d4)=1.297×10?5m4Ι=π32(D4-d4)=1.297×10-5m4;r——套管半徑,m。代入式(5),得T=59213.61N·m。則篩管許用扭矩T1為T1=aT(6)Τ1=aΤ(6)式中a——修正系數(shù),據(jù)實(shí)驗(yàn)確定。按材料力學(xué)簡(jiǎn)化模型計(jì)算,將篩管從開槽處切斷,則槽間的部分形成14根矩形梁,設(shè)其扭矩主要由這14根矩形梁承擔(dān),根據(jù)篩管尺寸,計(jì)算出系數(shù)a=0.263。所以每根梁?jiǎn)为?dú)可承受最大扭矩Mnmax為Mnmax=τmaxahb2=80.16N?m(7)Μnmax=τmaxahb2=80.16Ν?m(7)式中h——梁高,m;b——梁寬,m。則14根梁可承受扭矩(即篩管的許用扭矩)為T1=1122.24N·m。防砂劑的參數(shù)設(shè)計(jì)(1)割縫篩管縫寬是決定