常用防砂工艺讲座

常用防砂工艺技术清河工艺研究所一、油气井出砂的危害1、减产或停产作业2、地面和井下设备磨蚀3、套管损坏、油井报废地层砂分类骨架砂：一般为大颗粒地砂砾，主要成分为石英和长石等填隙物：是环绕在骨架砂周围的微细颗粒，主要成分为粘土矿物和微粒。二、出砂机理出砂机理套管水泥环地层炮眼压碎区岩石重塑区塑性损害区（组构改变联结破坏）应力改变（组构受损较少）CB2B1A炮眼周围地层受损情况压碎区岩石重塑区塑性损害区应力改变出砂机理剪切破坏机理拉伸破坏机理微粒运移与压力有关与流速有关三、油井出砂的原因影响地层出砂的因素：地质因素开采因素完井因素由地层和油藏性质决定指生产条件改变构造应力地质因素在疏松砂岩地层中只要完成钻井，则在井壁附近总是存在一个塑性变形地带，塑性带的稳定条件是：σ1-ρ0=2S0tanβ（1）β=α/2+π/4（2）构造应力由于在断层附近或构造部位，原构造应力很大，已经局部破坏了原有的内部骨架（已产生局部天然节理和微裂隙），故岩石固有剪切强度更低。换言之，这些部位是地层强度最弱的部位，也是最易出砂的部位和出砂最严重的地区。断层附近或构造顶部区域是出砂最剧烈的区域，而远离断层和构造低部区域出砂程度相对缓和，在胜利、中原及其他油田发现相似的规律。因此，在防砂治砂过程中，对这个区域要加倍重视，采用全面合理的防范措施。颗粒胶结性质地质因素颗粒胶结程度是影响出砂的主要因素，胶结性能是否良好又和地层埋深，胶结物种类、数量和胶结方式、颗粒尺寸形状密切相关。表示胶结程度的物理量是地层岩石强度。一般的说：地层埋藏越深，压实作用越强，地层岩石强度越高，反之亦然，这就是浅层第三系油气藏易出砂的原因之一。颗粒胶结性质钙质胶结为主的砂岩较致密，地层强度高；而以泥质胶结的砂岩较疏松，强度较低（此外泥质胶结物性能不稳定，易受外界条件干扰而破坏胶结）。胶结方式中以孔隙式胶结性能最好，其它如孔隙—接触式、接触式的胶结强度较低。颗粒的大小、形状及分选性也影响胶结强度，细的分选差而带有菱角的颗粒其胶结较好，反之粗颗粒分选好的圆颗粒则表现为弱胶结。颗粒胶结性质从岩石力学角度分析，地层的胶结性质直接影响了岩石颗粒固有的剪切强度，低的地层强度是造成地层出砂的主要内在因素。高岭石在地层的构造中多以自由状态存在，易于运移，是地层中自由颗粒的主要组成成分，因此，地层的这一特点应在认识出砂规律和进行防砂中高度重视。流体性质地质因素岩石的固结力还包括地层流体与颗粒之间的毛细管作用力。若含油饱和度越高，则胶结较好；若含油饱和度低，则胶结程度下降。当然原油粘度也对胶结强度产生影响，稠油的毛细管作用力小于稀油。毛细管作用力大小还受颗粒表面润湿性的影响。强亲水，则易与水牢固结合，内聚力就增加。原油性质较差，在生产中，施加在岩石颗粒表面上的拖曳力大，易造成出砂。地层压降及生产压差开采因素压降过大使岩石颗粒的负荷加大，造成岩石的剪切破坏，导致地层大量出砂；当油藏压力低于原油饱和压力后，将出现层内脱气，形成油气两相流，使地层对油相的相渗透率显著下降。此时，脱气还使原油粘度提高，两方面综合作用便增加了油流阻力（严重时会产生气顶），欲保持产量不变，必须提高生产压差，导致出砂情况更加恶化；油层压力的下降总是伴随边、底水（或注入水）的侵入，从而在层内出现油（气）、水多相流，同样使油相渗透率急剧下降，不得不放大生产压差来维持产量，势必产生出砂加剧的后果。流速开采因素对于疏松砂岩易出砂的地层，常常存在速敏问题，当油层内流体流速低于临界流速时，尽管也会生产微粒的运移，但它们会在弹孔入口处自然形成“砂拱”，可以进一步阻止出砂。但是随流速的增加，砂拱尺寸不断增大，稳定程度降低（砂拱越小越稳定），当流体流速等于临界流速时，砂拱平衡完全被破坏，无法再形成新的砂拱，砂粒可以自由流入井筒，开始出砂。如流速进一步增加，其带来的后果只能是加剧出砂。根据实验研究，在一定流速范围内，出砂量随流速线性增加。含水上升及注入水开采因素含水上升使地层颗粒间原始的毛细管力下降，导致地层强度降低；由于胶结物被水溶解，特别是一些粘土矿物，如蒙脱石等，遇水膨胀、分散，大大降低了地层的强度；注水对地层的冲刷作用会导致地层强度降低。地层伤害开采因素主要伤害类型包括：弹孔及地层孔喉堵塞（固相颗粒堵塞）粘土伤害（粘土膨胀、分散和运移）产生二次沉淀和原油乳化伤害其他因素开采因素原油的粘度变化岩石表面润湿性变化油层激动蒸汽吞吐开采开采因素蒸汽开采对岩石破坏作用主要表现在以下几方面：蒸汽的冲刷作用对岩石产生了巨大的、持续的拉伸破坏。气体有着高的线流速度，对岩石颗粒的拉伸破坏作用高于液体。注蒸汽时的高压差对岩石破坏造成了剪切破坏，使岩石发生形变，这种破坏范围应局限在井周围。蒸汽对岩石颗粒产生溶蚀作用，降低了岩石的胶结强度。蒸汽中的水溶解了岩石颗粒的胶结物，降低了地层的毛细管力。射孔孔道填充物对出砂的影响完井因素弹孔尺寸对油流阻力会产生巨大的影响。弹孔压降可以用下式表达2)(AQLCKAQLB△P=弹孔流动阻力与弹孔尺寸及孔内充填物的渗透率有密切关系：弹孔内充填物渗透率是决定弹孔压降的关键因素，若其渗透率高，压降就小（阻力小），若弹孔畅通无阻（K=∞）则阻力最小，若其渗透率低则弹孔压降大，甚至完全堵塞（K→0）。射孔孔道填充物对出砂的影响对疏松易出砂地层了解这一点十分重要。地层经过射孔后，由于枪弹碎片、碎屑、地层微粒总不可能完全从弹孔中清除，对弹孔总有局部堵塞，会增加流动阻力。而且弹孔压降是生产压差的最主要的组成部分（约占80%），因而采取有效措施来消除弹孔堵塞是十分必要的，如弹孔清洗工艺、反冲洗工艺、负压射孔工艺等，只有弹孔畅通，才有利于减缓出砂（假如油井不采取防砂措施的话）。如果采取防砂措施，疏通弹孔同样重要，可以向地层内挤入渗透率极高的充填材料——砾石，保证畅通的流道。射孔参数对地层出砂的影响完井因素弹孔流通面积直接影响弹孔压降，对每个弹孔而言既要提高孔径，对整个井段而言，就要增加孔密。增大孔径、提高孔密的综合效果是提高了有效流动面积，从而降低流动阻力，也降低了流速，即在其他条件不变时，降低了生产压差，有利于减缓出砂。即使要采取防砂措施，高孔密、大孔径射孔也有利于减少因防砂带来的产量损失。计算表面：在孔径相同（孔径15mm），孔密32孔/m和16孔/m的弹孔压力梯度相差2倍多，孔径变化造成的压力梯度变化大于1.7倍。射孔参数对地层出砂的影响井斜当井斜小于45°时，仍可把它当作垂直井，不会对出砂生产重大影响。只有当井斜大于45°时，对高斜度井甚至水平井，由于与油层接触面积大大增加，在保持相同产量的条件下，将使出砂减缓。这就是为什么超长的水平井出砂轻微的原因（由于水平井渗流面积可提高几十倍，于是流速很低，低于临界流速，并且在弹孔周围由于砂粒堆积形成稳定的砂拱，阻止地层进一步出砂）。射孔参数对地层出砂的影响射孔相位研究表明90°时最好。软件优化计算发现产能比最高（即阻力最小），这是由于地层流线以井轴为中心，相对对称，减少了流线的弯曲和收缩，阻力最低，有利于减少出砂。螺旋布孔格式目的是减少因射孔带来的套管强度下降。对于高斜度井和水平井，为减缓出砂，要求在-90°～+90°相位角范围内射孔，可减少套管上方油层出砂的可能性。射孔参数对地层出砂的影响弹孔穿透深度只需要突破钻井液伤害半径即可。因为疏松砂岩地层为高渗透层，没有深穿透的必要，此外，过分追求孔深还会增加射孔成本费用。四、影响防砂效果的因素影响防砂效果和有效期的因素很多，从防砂设计到现场施工结束，期间每一个环节的疏漏或失误都可能给最后的防砂效果造成很大的影响。01002003004005006007000102030405060708090100混合物中砾石百分比（%）渗透率（达西）砾石层侵入细砂后的渗透率变化地层砂侵入影响地层胶结强度与地层砂粒径粘土与细粉砂的含量油藏流体物性地层垂向非均质性地层胶结强度与地层砂粒径粘土与细粉砂的含量油藏流体物性地层垂向非均质性地层温度井段长度多油层防砂地层温度井段长度多油层防砂射孔参数2)(AQLCKAQLB△P=井身状况砾石破碎影响砾石尺寸选择不当射孔参数井身状况砾石尺寸选择不当砾石破碎影响入井液的影响油井产能的影响含水率的影响入井液的影响油井产能的影响含水率的影响金属绕丝筛管砾石充填防砂一、防砂原理二、工艺特点三、适用范围及选井条件四、绕防施工设计五、防砂前施工准备及要求六、现场施工工艺七、常见问题处理一、防砂原理绕防是利用选定缝隙尺寸的绕丝筛管下入油井正对出砂油层，然后在绕丝筛管周围填入一定粒度的砾石，形成一个二级拦截过滤体系，较细的地层砂在充填砾石面上被阻留，而砾石本身（比筛缝大）又被阻隔在筛管周围，以保证让流体流过而阻挡地层砂进入井中，使油井既能获得产能又可控制出砂。二、工艺特点1、防砂强度高2、有效期长3、适应范围广4、具有一定的产能损失三、适用范围及选井条件不宜用于粉细砂岩和高泥质含量的地层；不适用于高压井；套管直径小于5in的小井眼施工困难，应慎用或不用；对于多层系油藏，若要经常调层开采的油井应慎用；进行火烧油层开采的特稠油油藏不适合。除了以上条件外，绝大部分油气井和地层有适宜采用砾石充填防砂技术。四、绕防施工设计1、设计原则2、设计步骤3、砾石用量的确定注重防砂效果恢复防砂井产能强调综合经济效益设计原则设计步骤防砂工艺选择→地层预处理→砾石设计→防砂管柱设计→携砂液设计→施工工艺针对地层条件及井况解堵处理粘土稳定处理解除钻井液、水泥浆和射孔完井或二次作业造成的损害。防止粘土颗粒膨胀和运移，既可减少渗透率下降，又可减缓地层出砂。具有足够的密度，以保证作业顺利实施；保护油、气层，尽量减少对油、气层的损害。井筒准备：射孔（对新井、新层）→气举吐砂→冲砂→刮管→查套→洗井；预处理：下管柱→试挤→挤前置液→挤酸或粘土稳定剂→挤顶替液→关井反应→起管柱；砾石充填：下防砂管柱→洗井（反洗、正洗）→加砂→顶替→反洗井→丢手起管柱；根据要求进行下步施工。实际使用时若地层砂砂粒粒度分布范围广，则采用：D50=（4～8）d50D50=（5～6）d5000.20.40.60.8102468101214161820砾石与地层砂粒度中值之比D50/d50充填前后砾石渗透率之比砾石绝对渗透率太低地层砂可以自由通过充填体渗透率急剧下降理想的粒径比八面河油田一般砾石直径为0.4～0.8mm。若需热采砾石直径为0.6～1.2mm。砾石的质量应该达到如下标准：超大或过小尺寸的颗粒含量不得超过砾石总质量的2%；砾石的圆、球度不低于0.6；在标准土酸中的酸溶度小于1%；砾石试样水浊度不大于50度；显微镜观察不能发现两个或两个以上的颗粒结晶快；抗破碎试验产生的细颗粒砂质量应符合要求。砾石尺寸的选择设计步骤筛缝尺寸是防砂管柱设计最重要的设计尺寸。原则上应能满足挡住最小充填砾石的要求。具体计算应等于最小充填砾石尺寸的1/2～2/3。根据八面河油田地层砂的粒径分布情况，选用的筛缝尺寸为0.3mm，对原油粘度较大的井，可选用0.35mm的缝宽。设计筛管直径的原则是既要尽可能加大以增加流通面积，又要在套管与筛管之间留出足够的环形空间以保证充填层有足够的厚度，使之具有良好的挡砂能力和稳定性。管内砾石充填的筛管外径应等于或小于套管内径减去50mm，即砾石充填环形空间的径向厚度不小于25mm。因此，7in套管井选用筛管外径为3in，51/2in套管井选用筛管外径为21/2in。防砂管柱设计设计步骤充填工具信号筛管生产筛管冲管丝堵灰面油层扶正器工作原理是砂浆利用水泥车从油管内腔泵入，到达充填工具经转换内管自皮碗下方的转换孔流出，由于皮碗（朝下）的单向密封作用，迫使砂浆沿筛管/套管环形空间下行，并在环形空间内逐渐堆积，而脱砂液通过筛缝流入返至充填工具内、外管之间的夹壁腔，并从皮碗上方旁通孔流出进入油管/套管环形空间，继续上行至井口，完成砾石的循环充填。信号筛管的作用是向地面施工人员提供井下充填情况的信号。当充填砾石堆积到生产筛管顶部后，地面充填压力相对稳定，直到砾石