稠油油井防砂工藝技術(shù)研究-畢業(yè)論文

稠油油井防砂工藝技術(shù)研究摘要孤島油田屬于膠結(jié)疏松的砂巖油藏，隨生產(chǎn)壓差增大容易出砂。本文對影響出砂進(jìn)行了分析，研究了剪切、拉伸對砂巖的破壞機(jī)理，總結(jié)了出砂預(yù)測方法，進(jìn)而對防砂方法和相應(yīng)的配套工藝技術(shù)進(jìn)行了篩選和改進(jìn)。對于稠油熱采井，由于地層疏松以及高溫高壓蒸汽的注入和高強(qiáng)度的采液，對油層產(chǎn)生了極大的沖擊和破壞，造成稠油熱采井出砂。采用注汽前化學(xué)—機(jī)械復(fù)合防砂一次性工藝以及高孔密射孔和地層深部處理配套技術(shù)，降低了成本投入，提高了熱采效果。關(guān)鍵詞：油井,防砂,稠油熱采,孤島油田AbstractGudaoOilFieldisasandstonereservorecementinglooselywhichiseasytoproducesandunderlargerpressuredrops.Inthisarticle,wewillanalyzethereasonssuchasthegeologicalfactors,theexplortationfactorsandthewellcompletionfactorsandthewellcompletionfactorsthatleadstothesandproduction.Andwedosomeresearchtothedestroyingmechanismofsheraforceandtensileforce.Thenweconcludedsomemethodstoforcastthesandproductionandmimprovethesandconteolmethodsandmatchingtechnology.Duringthethermalrecoveryofheavy-oil,theinjectionlfsteamunderhighpressureandhightemperatureandtheproductionwithhighrate,thechemical-mechanicalsandingcontrolmethodbeforetheinjectionofsteamandmatchingtechnologywereselected.Usingsuchmethodscangreatlyreducethecostandimprovetheeffectofsteamsoak.Keywords:oilwells,sandcontrol,thermalrecoveryofviscouscrude,Gudaooilfield目錄第一章緒論……51.研究的目的和意義……52.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀……53.研究的目標(biāo)、技術(shù)路線及所完成的工作……73.1研究的目標(biāo)……73.2技術(shù)路線……73.3本文所完成的工作……8第二章出砂原因和出砂機(jī)理……91.出砂因素……91.1地質(zhì)因素……91.2開采因素……111.3完井因素……132.油層出砂機(jī)理……142.1剪切破壞機(jī)理……152.2拉伸破壞機(jī)理……152.3微粒運(yùn)移……16第三章稠油井防砂及配套工藝技術(shù)研究……171.孤島油田稠油熱采區(qū)塊開發(fā)概況……172.稠油熱采一次防砂工藝的研究……182.1稠油熱采一次防砂工藝防砂機(jī)理……182.2割縫管防砂工藝的研究……193.配套工藝技術(shù)研究……253.1高溫防砂劑強(qiáng)度及耐溫性能的研究……253.2射孔工藝……253.3深部處理油層技術(shù)……264.現(xiàn)場應(yīng)用效果分析……265.小結(jié)……27第四章結(jié)論及建議……281.結(jié)論……282.建議……28致謝……29參考文獻(xiàn)……30第一章1.研究的目的和意義緒論自1971年孤島油田投入開發(fā)以來，影響開發(fā)生產(chǎn)的主要矛盾一直是砂、稠、水。進(jìn)入90年代后，孤島油田主力油層進(jìn)入特高含水期開采階段，經(jīng)過長期的注水、大泵提液、強(qiáng)注強(qiáng)采以及Ngl+2油層、稠油低品位油藏的動(dòng)用，油層狀況發(fā)生了很大的變化，砂埋油層、砂卡油管、砂磨油泵等“砂害”更加嚴(yán)重和復(fù)雜化。常規(guī)的、單一的防砂工藝技術(shù)己難以滿足開發(fā)生產(chǎn)需要，造成很大一部分油井因防砂失敗而無法正常生產(chǎn)或長期停產(chǎn)。因此，及時(shí)進(jìn)行防砂技術(shù)研究與應(yīng)用，對孤島油田的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)具有重要的意義。針對孤島油田生產(chǎn)現(xiàn)狀，要維持油田的高效開發(fā)，需要對不同油井防砂及其配套工藝進(jìn)行分類研究，這主要包括：(l)粉細(xì)砂巖油井防砂及配套工藝技術(shù)研究：(2)稠油井防砂工藝技術(shù)研究；(3)套損油井防砂及配套工藝技術(shù)研究。2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外油氣井防砂工藝技術(shù)研究起步較早，最初采用限產(chǎn)的辦法來控制油氣井出砂，1932年開始采用礫石充填方法，目前國外在油氣井防砂方面主要以機(jī)械防砂為主，約占防砂作業(yè)的90%，其中繞絲篩管礫石充填經(jīng)過不斷的完善和發(fā)展，到八十年代己發(fā)展成為一項(xiàng)較成熟的技術(shù)，如美國的貝克一休斯公司，道威爾一斯倫貝謝公司，哈里伯頓公司等都擁有自己專門的防砂器材、施工設(shè)備和施工工藝，從礫石充填工具、封隔器、濾砂管、泵送設(shè)備到施工液、化學(xué)藥劑、技術(shù)咨詢、現(xiàn)場服務(wù)等形式一條龍服務(wù)。隨著油田的進(jìn)一步開發(fā)，為滿足其復(fù)雜性和多樣性的要求，減少油井作業(yè)成本和修井費(fèi)用，現(xiàn)在又相繼研究開發(fā)出各種類型的濾砂管、可膨脹性割縫篩管和壓裂防砂、過油管防砂等防砂工藝技術(shù)?；瘜W(xué)防砂六十年代在美國墨西哥灣地區(qū)曾占據(jù)防砂作業(yè)的主導(dǎo)地位，但由于機(jī)械防砂的完善和發(fā)展，其主導(dǎo)地位逐漸被后者所取代。進(jìn)入九十年代后，性能較好的固砂劑不斷出現(xiàn)，化學(xué)防砂的前景又趨看好。目前，國外化學(xué)防砂主要有樹脂防砂、樹脂深層礫石防砂、焊接玻璃固砂及四氯化硅固砂等方法，基本可滿足某些特殊出砂井的防砂需要。5中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)國內(nèi)防砂工藝技術(shù)的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，其中起步較早，防砂工藝技術(shù)比較配套，已形成規(guī)模的研究單位是勝利油田防砂中心，該中心是1982年在聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署資助下創(chuàng)立的，是全國唯一一所油氣井防砂技術(shù)研究中心。近幾年，遼河油田、大港油田在油氣井防砂方面也作了大量工作，使防砂工具器材及防砂工藝等有了進(jìn)一步發(fā)展，豐富和提高了國內(nèi)防砂工藝技術(shù)水平。國內(nèi)化學(xué)防砂在60年代開始研究應(yīng)用，很快形成能力，酚醛樹脂溶液地下合成、水帶干灰砂等多種防砂工藝，成為當(dāng)時(shí)主要的防砂方法。隨著油田的深入開發(fā)，70年代開始了機(jī)械防砂的研究，首先研制成了環(huán)氧樹脂濾砂管并廣泛應(yīng)用，取得了良好的效果；進(jìn)入80年代，在學(xué)習(xí)國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，又研制開發(fā)了以繞絲篩管礫石充填為主導(dǎo)的機(jī)械防砂技術(shù)；到了90年代，多種防砂工藝技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)己形成機(jī)械防砂、化學(xué)防砂工藝和復(fù)合防砂工藝三大體系的油氣水井防砂工藝技術(shù)。近年來，國內(nèi)機(jī)械防砂工藝技術(shù)發(fā)展較快，相繼研究開發(fā)、發(fā)展了繞絲篩管礫石充填防砂工藝、樹脂濾砂管防砂工藝、金屬棉濾砂管防砂工藝、雙層預(yù)充填篩管防砂工藝、金屬氈濾砂管防砂工藝等多種防砂工藝技術(shù)，可適用于常規(guī)井、熱采井等不同類型油氣水井防砂，僅勝利油田防砂中心在國內(nèi)陸上、海上十幾個(gè)油田現(xiàn)場應(yīng)用9000余井次，施工成功率達(dá)90%以上；化學(xué)防砂近幾年發(fā)展也很快，常用的化學(xué)防砂工藝主要有：酚醛溶液合成防砂、水帶干灰砂人工井壁防砂、水泥砂漿人工井壁防砂、酚醛樹脂核桃殼人工井壁防砂、脈醛樹脂核桃殼人工井壁防砂、樹脂涂層砂防砂等?；瘜W(xué)防砂由于其施工簡單，防砂后井內(nèi)無異物而受到現(xiàn)場施工人員的歡迎，目前該項(xiàng)技術(shù)已累計(jì)施工數(shù)千井次，成功率達(dá)到了75%以上，取得了良好的防砂和增油效果，對孤東、孤島等油田的高效開發(fā)發(fā)揮了重要作用。復(fù)合防砂是近幾年研究開發(fā)的一項(xiàng)新型防砂工藝，它是針對地層虧空的老井或地層砂較細(xì)的井而采用的一種綜合防砂工藝，是將化學(xué)防砂和機(jī)械防砂有機(jī)結(jié)合起來的一種復(fù)合防砂工藝。由于機(jī)械防砂和化學(xué)防砂的方法、種類繁多，由此形成的復(fù)合防砂方法也就多種多樣。目前應(yīng)用較廣的主要有涂料砂加濾砂管與涂料砂加礫石充填兩大類，該項(xiàng)技術(shù)在勝利、大港及青海油田進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，防砂效果良好，保證了油井的正常生產(chǎn)。隨著壓裂技術(shù)和連續(xù)油管、過油管技術(shù)的不斷進(jìn)步，近幾年，壓裂防砂和過油管防砂工藝技術(shù)在國外發(fā)展迅速，并己形成規(guī)模，大量進(jìn)入現(xiàn)場應(yīng)用，取得了較好的防砂與增油效果。目前國內(nèi)己開展了壓裂防砂的研究，除了國外常用的端部脫砂壓裂防6中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)砂工藝外，另外有所突破，現(xiàn)場應(yīng)用方面也取得了良好的效果。勝利油田井下作業(yè)公司研究開發(fā)的PS防砂工藝技術(shù)，吸取了國外壓裂防砂技術(shù)的長處，并有所創(chuàng)新，具備自己的特點(diǎn)，不僅在國內(nèi)占有了一席之地，在土庫曼司坦更是獲得了前所未有的成功。過油管技術(shù)目前國內(nèi)還未著手這方面的研究工作，但該項(xiàng)工藝對中后期低產(chǎn)井、海上油井和套管損害嚴(yán)重的井意義尤其重大，它不僅可以大大減少油井的修井費(fèi)用，而且可以解決常規(guī)防砂技術(shù)無法解決的難題，經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此，目前國內(nèi)迫切需要進(jìn)行過油管防砂工藝技術(shù)方面的研究和應(yīng)用。3.研究的目標(biāo)、技術(shù)路線及所完成的工作3.1研究的目標(biāo)疏松砂巖油藏在我國分布范圍廣、儲(chǔ)量大，其油井產(chǎn)量在原油總產(chǎn)量中占有十分重要的地位，如我國的勝利、遼河、華北、大港以及渤海、南海等油田，其疏松砂巖油藏儲(chǔ)量非常豐富。疏松砂巖油藏開采中的主要矛盾之一是油層出砂。油層出砂可分為游離砂和骨架砂，現(xiàn)場實(shí)踐與室內(nèi)試驗(yàn)均表明：游離砂隨流體進(jìn)入井內(nèi)的程度取決于井底壓差、儲(chǔ)集層物性和采出液的物理性質(zhì)，并隨壓差線性增大，這種類型的出砂在疏松油藏開發(fā)中不可避免地存在，一般屬于不穩(wěn)定出砂，量少且其它生產(chǎn)條件不變時(shí)遞減很快，對生產(chǎn)的影響較小。骨架砂破壞后成為自由砂是油氣井出砂的重要來源，這是防砂治砂的主要對象。由于油藏巖石的疏松程度以及油藏的溫度、壓力、流體性質(zhì)、鉆井完井措施等不同，各油藏及油井的出砂情況也不一樣，有的油井只要一開井生產(chǎn)就會(huì)出砂；而有的油井只是在作業(yè)強(qiáng)度、生產(chǎn)壓差、地層壓力、含水程度等參數(shù)超過某一限值時(shí)才出砂。因此，各個(gè)區(qū)塊或油藏都有其各自的出砂原因，只有有針對性地進(jìn)行相應(yīng)的研究，開展出砂機(jī)理和出砂原因的研究和分析，找出各區(qū)塊或油藏的出砂原因、出砂規(guī)律，確定防砂原則，進(jìn)行防砂方法優(yōu)化選擇，從而在此基礎(chǔ)上擬定切實(shí)可行的防砂措施。本文針對孤島油田開發(fā)過程中油井出砂和防砂存在的問題，通過室內(nèi)試驗(yàn)，對油井的出砂機(jī)理進(jìn)行了研究，對防砂方法和相應(yīng)的配套工藝技術(shù)進(jìn)行了篩選和改進(jìn)。3.2技術(shù)路線以油藏出砂的基本理論為藍(lán)本，充分運(yùn)用國內(nèi)外比較成熟先進(jìn)的防砂技術(shù)與工藝，圍繞孤島油田原有常規(guī)的，單一的出砂預(yù)測的方法研究和防砂方法的選擇。展開對稠7中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)油熱采井的研究與應(yīng)用。研究方法采用巖石力學(xué)，油藏工程，現(xiàn)代數(shù)學(xué)，現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)等方法開展。3.3本文所完成的工作孤島油田目前常用繞絲篩管、濾砂管、涂敷砂等防砂方法，但隨著油田的不斷開發(fā)和低品位油藏的動(dòng)用，這些常用的防砂工藝已經(jīng)不能滿足油井正常生產(chǎn)的需要，這就要求進(jìn)一步對防砂工藝進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)配套的工藝措施。根據(jù)調(diào)查研究表明，孤島油田防砂工藝目前存在的主要問題和下一步的研究方向?yàn)椋?l)粉細(xì)砂巖油井用繞絲篩管易堵塞，需要解決好防砂與產(chǎn)能的關(guān)系；(2)稠油熱采井需要防砂工藝耐高溫、高強(qiáng)度；(3)斜井、套管損壞井、側(cè)鉆井、水平井等，由于油水井的井身結(jié)構(gòu)及地層條件的差異，防砂工藝要有針對性；(4)開采多年的油井，近井地帶油層也發(fā)生了很大變化，油井出砂越來越嚴(yán)重，單一的防砂工藝難以達(dá)到油井防砂需要，防砂工藝從單一的防砂方法向復(fù)合防砂工藝發(fā)展；(5)注聚驅(qū)油井的防砂。針對以上問題，本文對防砂方法和相應(yīng)的配套工藝技術(shù)進(jìn)行了篩選和改進(jìn)。本文對稠油熱采一次防砂工藝機(jī)理及工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。通過室內(nèi)研究和現(xiàn)場應(yīng)用可以看出，稠油熱采一次防砂工藝能夠很好地滿足孤島稠油田油熱采注汽生產(chǎn)需求，其實(shí)施后油井能夠?qū)崿F(xiàn)一次防砂兩(多)輪注汽生產(chǎn)，熱采效果明顯提高。對新井進(jìn)行大孔徑，高孔密射孔，對部分近井地帶堵塞嚴(yán)重的油井進(jìn)行深部處理，都能提高稠油熱采吞吐效果，增加原油產(chǎn)量，延長油井生產(chǎn)的有效期。8中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第二章出砂原因和出砂機(jī)理影響地層出砂的因素大體劃分為三大類[1]，即地質(zhì)因素、開采因素和完井因素。第一類因素由地層和油藏性質(zhì)決定(包括構(gòu)造應(yīng)力、沉積相、巖石顆粒大小、形狀、巖礦組成，膠結(jié)物及膠結(jié)程度，流體類型及性質(zhì)等)，這是先天形成的，當(dāng)然在開發(fā)過程中，由于生產(chǎn)條件的改變會(huì)對巖石和流體產(chǎn)生不同程度的影響，從而改善或惡化出砂程度；第二、三類因素主要是指生產(chǎn)條件改變對出砂的直接影響，很多是可以由人控制的，包括油層壓力及生產(chǎn)壓差，液流速度，多相流動(dòng)及相對滲透率，毛細(xì)管作用，彈孔及地層損害，含水變化，生產(chǎn)作業(yè)及射孔工藝條件等。通過尋找這些因素與出砂之間的內(nèi)在關(guān)系，可以有目的地創(chuàng)造良好的生產(chǎn)條件來避免或減緩出砂。1.出砂因素σ1?p0=2S0tanββ=（2—1）（2—2）απ2+4式中：σ1一最大主應(yīng)力，Mpa；p0一地層孔隙壓力，Mpa；S0一巖石固有剪切強(qiáng)度，Mpa；β一破壞角；α一內(nèi)摩擦角。對于疏松砂巖，一般地：S0≤0.5Mpa，α=60°～65°則(2—1)式右端≤2Mpa。左端表示巖石顆粒承受的有效徑向應(yīng)力，可見(2—1)式左端徑向應(yīng)力。σr>2MPa，9中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)—10中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)qμl4Ccosα=4πkl1?sinα(2—3)式中：q一為流量；l一為從球心到地層的距離；11中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)k一地層的滲透率；μ一流體粘度；α一為內(nèi)摩擦角；C一為巖石的膠結(jié)強(qiáng)度。對于疏松砂巖易出砂的地層，常常存在速敏問題，當(dāng)油層內(nèi)流體流速低于臨界流速時(shí)，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)盡管也會(huì)產(chǎn)生微粒的運(yùn)移，但是它們會(huì)在彈孔入口處自然形成“砂拱”12中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)13中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)p=0.888L×μqq+9.1×E?13lβρ()2kAA(2—4)另外，由于射孔時(shí)的振動(dòng)，使得炮眼周圍的地層強(qiáng)度明顯降低且周圍的滲透性也遭到破壞。這些地層對流阻和流速的突然改變很敏感，流速改變，出砂量突增。彈孔流道面積直接影響彈孔壓降，對每個(gè)彈孔而言既要提高孔徑，對整個(gè)井段而言，是要增加孔密。增大孔徑、提高孔密的綜合效果是提高了有效流動(dòng)面積，從而降低了流動(dòng)阻力，也降低了流速，即在其它條件不變時(shí)，降低了生產(chǎn)壓差，有利于減緩出砂。即使要采取防砂措施，高孔密、大孔徑射孔也有利于減少因防砂而帶來的產(chǎn)量損失。計(jì)算表明：在孔徑相同(孔徑15mm)，孔密32孔/米和16孔/米的彈孔壓力梯度相差2倍多，孔徑變化造成的壓力梯度變化大于1.7倍。關(guān)于井斜的影響。當(dāng)井斜傾角小于45°時(shí)，仍可把它當(dāng)作垂直井，不會(huì)對出砂產(chǎn)生重大影響。關(guān)于射孔相位角，研究表明90°時(shí)最好。軟件優(yōu)化計(jì)算發(fā)現(xiàn)產(chǎn)能比最高(即阻力最小)，這是由于地層流線以井軸為中心，相對對稱，減少了流線的彎曲和收縮，阻力最低，有利于減少出砂。2.油層出砂機(jī)理油井出砂通常是由于井底附近地帶的巖層結(jié)構(gòu)遭受破壞引起的，其中，弱固結(jié)或中等膠結(jié)砂巖油層的出砂現(xiàn)象較為嚴(yán)重。由于這類巖石膠結(jié)性差，強(qiáng)度低，一般在較大的生產(chǎn)壓差下，就容易造成井底周圍地層發(fā)生破壞而出砂。油井出砂與油藏深度、壓力、流速、地層膠結(jié)情況、壓縮率和自然滲透率、流體種類和相態(tài)(油、氣、水的情況)、地層性質(zhì)等有直接的關(guān)系。從力學(xué)角度分析油層出砂有兩個(gè)機(jī)理：即剪切破壞機(jī)理和拉伸破壞機(jī)理，前者是炮孔周圍應(yīng)力作用的結(jié)果，與過低的井底壓力和過大的生產(chǎn)壓差有關(guān)；后者則是開采過程中流體作用于炮孔周圍地層顆粒上的拖曳力所致，與過高的開采速度或過大的流體速度有關(guān)。這兩個(gè)機(jī)理相互作用，相互影響。除上述兩14中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)個(gè)機(jī)理外，還有微粒運(yùn)移出砂機(jī)理，包括地層中粘土顆粒的運(yùn)移，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致井底周圍地層的滲透率降低，從而增大流體的拖曳力，并可能誘發(fā)固相顆粒的產(chǎn)出。2.1剪切破壞機(jī)理在未打開油層之前，地層內(nèi)部應(yīng)力系統(tǒng)是平衡的；打開油層后，在近井地帶，地層應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，當(dāng)巖石顆粒承受的應(yīng)力超過巖石自身的抗剪或抗壓強(qiáng)度，地層或者塑性變形或者發(fā)生坍塌。在地層流體產(chǎn)出時(shí)，地層砂就會(huì)被攜帶進(jìn)入井底，造成出砂。圖2—1炮眼周圍地層受損情況圖2—1是射孔造成弱固結(jié)的砂巖破壞的示意圖。射孔使炮孔周圍往外巖石依次可以分為顆粒壓碎、巖石重塑、塑性受損及變化較小的較小受損區(qū)。遠(yuǎn)離炮孔的A區(qū)是大范圍的彈性區(qū)，其受損小，B1~B2區(qū)是一個(gè)彈塑性區(qū)，包括塑性硬化和軟化，地層具有不同程度的受損，C區(qū)是一個(gè)完全損壞區(qū)，巖石經(jīng)受了重新塑化，近于產(chǎn)生完全塑性狀態(tài)的應(yīng)變。緊挨炮孔周圍的巖石受到劇烈震動(dòng)被壓碎，一部分水泥環(huán)也受到松動(dòng)損害。從力學(xué)角度分析，這種條件下的油層出砂機(jī)理，為剪切(壓縮)破壞機(jī)理，力學(xué)機(jī)理是近井地層巖石所受的剪應(yīng)力超過了巖石固有的抗剪切強(qiáng)度。形成剪切破壞的主要因素是油藏壓力的衰減或生產(chǎn)壓差過大，如果油藏能量得不到及時(shí)補(bǔ)充或注水效果差或者生產(chǎn)壓差超過巖石的強(qiáng)度，都會(huì)造成地層的應(yīng)力平衡失穩(wěn)，形成剪切破壞。由于井筒及射孔孔眼附近巖石所受周向應(yīng)力及徑向應(yīng)力差過大，造成巖石剪切破壞，離井筒或射孔孔眼的距離不同，產(chǎn)生破壞的程度也不同，從炮眼向外可依次分為：顆粒壓碎區(qū)、巖石重塑區(qū)、塑性受損區(qū)及變化較小的未受損區(qū)。若巖石的抗剪切強(qiáng)度低，抵抗不住孔周圍的周向、徑向應(yīng)力差引起的剪切破壞，井壁附近巖石將產(chǎn)生塑性破壞，引起出砂。2.2拉伸破壞機(jī)理拉伸破壞是地層出砂的另一機(jī)理。在開采過程中，流體由油藏滲流至井筒，沿程15中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)會(huì)與地層顆粒產(chǎn)生摩擦流速越大摩擦力越大施加在巖石顆粒表面的拖曳力越大即巖石顆粒前后的壓力梯度越大。如下圖：圖2—2拉伸破壞微觀模型示意圖流體對巖石的拉伸破壞在炮眼周圍是非常明顯的，由于過流面積減小，流體在炮眼周圍形成匯聚流，流速遠(yuǎn)大于地層內(nèi)部，另外，近井地帶流體易脫氣，粘度增大，對巖石顆粒的拖曳力也會(huì)增加。實(shí)際上，剪切和拉伸兩種機(jī)理將同時(shí)起作用且會(huì)相互影響，受剪切破壞的地層會(huì)對流體的拖曳力更加敏感。當(dāng)剪切破壞是主要機(jī)理的情況下，流體流動(dòng)對攜帶顆粒進(jìn)入到井里也是很重要的。一般來說，地層剪切破壞引發(fā)地層的“突發(fā)性大量出砂”而拉伸破壞引起地層，“細(xì)砂長流”。出砂使孔穴通道增大，而孔穴增大又導(dǎo)致流速降低，從而使出砂有“趨停”趨勢。因此，拉伸破壞有“自穩(wěn)性”效應(yīng)。2.3微粒運(yùn)移在疏松砂巖油藏，地層內(nèi)部存在著大量的自由微粒，在流體流動(dòng)時(shí)，微粒會(huì)在地層內(nèi)部運(yùn)移，直至井筒。如果這些微粒在被地層孔喉阻擋后，會(huì)使流體滲流阻力局部增大，增大了流體對巖石的拖曳力，未被阻擋的更細(xì)微粒隨流體進(jìn)入井筒，造成出砂。16中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第三章稠油井防砂及配套工藝技術(shù)研究1.孤島油田稠油熱采區(qū)塊開發(fā)概況孤島油田的稠油主要分布在位于底部的Ng5—Ng6砂層組及邊部的Ng3—4砂層組，儲(chǔ)量豐富。該砂層組為河流相正韻律沉積，滲透性好，膠結(jié)疏松，非均質(zhì)性強(qiáng)，巖性以粉細(xì)砂巖和細(xì)砂巖為主，膠結(jié)物以泥質(zhì)為主，油藏埋深1200～1400m，油層厚度5～16m，平均孔隙度30.0～33.0%，空氣滲透率1.65～2.035×10-3μm2，含油飽和度60.0～61.5%，地面脫氣原油粘度(50℃時(shí))3000～35000mpa?s，原油相對密度0.98～1.00g/m3，地層水礦化度5000一35000mg/l，泥質(zhì)含量10—20%，凈總比0.63～0.82。目前已形成了中一區(qū)Ng5、中二北Ng5等六個(gè)熱采區(qū)9個(gè)開發(fā)單元，蒸汽吞吐含油面積15.7Km2，地質(zhì)儲(chǔ)量2525×104t。表3—1列出了孤島油田六個(gè)稠油熱采區(qū)的基本情況。表3—1孤島油田稠油熱采區(qū)地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表孤島油田的原油對溫度非常敏感，原油溫度每上升10℃，粘度下降一半以上。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，孤島油田稠油油藏的開發(fā)采用了蒸汽吞吐熱采和井筒加熱采油的方式，取得了比較好的開發(fā)效果。從1991年8月開始稠油注蒸汽吞吐熱采試驗(yàn)，到已有六個(gè)區(qū)塊投入開發(fā)，現(xiàn)有注蒸汽吞吐井300口，開井252口，日產(chǎn)油1600噸。17中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)圖3—116X22井粘溫曲線孤島油田稠油層的地質(zhì)特征決定了稠油儲(chǔ)量的動(dòng)用必須以做好油井防砂為前提。注蒸汽吞吐開采時(shí)，高溫高壓蒸汽的注入以及高強(qiáng)度的采液，對油層產(chǎn)生了極大的沖擊和破壞，這給熱采防砂工藝提出了更復(fù)雜的技術(shù)要求。特別是隨著熱采井吞吐輪次的增加，油層狀況惡化，熱采井的成本效益矛盾更加突出。為此，對注蒸汽井熱采防砂工藝進(jìn)行研究和改進(jìn)，顯得非常必要和緊迫。2.稠油熱采一次防砂工藝的研究隨著稠油油藏開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，形成了注汽前高溫涂敷砂防砂、注汽后繞絲篩管防砂為主的稠油熱采配套防砂工藝技術(shù)。從油田的防砂現(xiàn)狀來看，現(xiàn)有防砂工藝技術(shù)基本能夠滿足生產(chǎn)要求，但也出現(xiàn)了一些難以解決的問題，如繞絲篩管防砂施工復(fù)雜，在斜井或套損井上防砂有效率低，在熱采井影響了熱采效率等。稠油熱采一次防砂工藝就是注汽前進(jìn)行化學(xué)一機(jī)械綜合防砂，注汽后直接下泵生產(chǎn)的稠油熱采防砂工藝。要使該項(xiàng)工藝能夠滿足稠油熱采高強(qiáng)度注汽和高強(qiáng)度采液的要求，實(shí)現(xiàn)一次防砂兩(多)輪注汽生產(chǎn)，就必須對其防砂機(jī)理及影響因素進(jìn)行全面地分析和研究，對工藝進(jìn)行有針對性的改進(jìn)和完善，才能滿足稠油熱采生產(chǎn)需求。2.1稠油熱采一次防砂工藝防砂機(jī)理稠油熱采一次防砂工藝的防砂機(jī)理是：首先在油層近井地帶充填高溫防砂劑(高溫涂敷砂、RC一G高溫防砂劑等)，形成第一級擋砂屏障，生產(chǎn)時(shí)阻擋地層砂運(yùn)移至近井地帶。然后在油層部位下入機(jī)械防砂工具(繞絲管、割縫管等)后進(jìn)行環(huán)空充填石英砂，在油層部位形成完整的擋砂屏障，生產(chǎn)時(shí)阻擋地層砂進(jìn)入井筒，達(dá)到防砂的目的。注汽時(shí)高溫防砂劑固結(jié)形成的高強(qiáng)度擋砂屏障能阻擋環(huán)空石英砂進(jìn)入地層，保證注汽正常進(jìn)行。圖3—2是稠油熱采一次防砂工藝機(jī)理示意圖。18中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)圖3—2稠油熱采一次防砂工藝機(jī)理圖在稠油熱采井一次防砂工藝機(jī)理圖上，把由機(jī)械防砂工具—環(huán)空充填砂—“縫”，現(xiàn)在一般采用激光來割縫。割縫端面的形狀可以是直槽形或梯形。梯形斷面的割縫管子外表面的縫寬比內(nèi)表面的縫寬稍窄。這種形狀割縫的橫斷面象倒置的“V”字，它不容易被堵塞，因此任何通過了割縫的外表面開口的砂粒都能繼續(xù)流入割縫襯管內(nèi)，而不會(huì)堵塞在割縫處。割縫篩管設(shè)計(jì)時(shí)，需要確定以下參數(shù)：(1)縫眼梯形夾角。一般取12°左右。(2)縫口寬度。梯形縫眼的小底邊寬度用下式計(jì)算：e≤2D1019（3—1）中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)式中：D10一地層砂篩析曲線重量累積百分?jǐn)?shù)為10%對應(yīng)的砂的直徑，mrne—縫口寬度，mm(3)縫眼排列方式。一般采用平行軸向方向交錯(cuò)排列方式。(4)縫眼長度。平行割縫襯管取L=50～300mm，垂直割縫取強(qiáng)度襯管取大值，大直徑低強(qiáng)度襯管取小值。(5)縫眼縱向間距。一般取0.7L。(6)縫眼數(shù)量。保證襯管強(qiáng)度的前提下盡量增大流通面積，管外表面積的2%。n=αFeL（3—2）式中：n一縫眼數(shù)量；Q一縫眼總面積和篩管外表面積的比值，一般取2%；F一每米割縫襯管的外表面積，mm2/m。根據(jù)孤島油田稠油熱采井的生產(chǎn)現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)場填砂施工的合理性和處理的方便性，對割縫篩管進(jìn)行如下優(yōu)化設(shè)計(jì)。(1)管材選擇根據(jù)現(xiàn)有研究條件和孤島油田油井套管規(guī)格，對割縫篩管管材作如下選擇：139.7rnm套管，89.7mm油管；177.8mm套管，114.3mm油管。從采油技術(shù)手冊上查出，上述所有管材的抗拉載荷均在50kN以上，能夠滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。(2)割縫篩管篩縫寬度的確定A、地層充填砂礫粒度的確定地層充填砂礫的作用是通過穩(wěn)定井壁和抑制地層砂的運(yùn)移來防止地層出砂。選擇的原則是砂礫能完全阻擋住地層砂，即砂礫粒度中值為地層砂的4倍；最大粒徑為地層砂粒度中值的5～6倍；最小粒徑為地層砂粒度中值的2～4倍。孤島油田主力開發(fā)油層為館陶組油層，根據(jù)地層砂粒度的差別及油層位置可分為館1+2層段(地層砂平均粒度中值為0.12mm)、館3以下層段(地層砂平均粒度中值為0.15mm)。經(jīng)過計(jì)算，確定地層充填砂礫粒度為：館1+2層段粒度中值為0.48rnm，最大粒徑0.6mm，最小粒徑0.3mm；館3以下層段粒度中值為0.6mm，最大粒徑0.8mm，最小粒徑0.4mm。B、環(huán)空充填砂礫粒度的確定環(huán)空充填砂礫的作用是通過穩(wěn)定割縫篩管和抑制地層充填砂(及地層砂)的運(yùn)移來防止地層出砂，選擇的原則是砂礫粒度必須大于(或等于)地層充填砂粒度，因此可根據(jù)20中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)地層充填砂粒度確定環(huán)空充填砂粒度。確定環(huán)空充填砂礫粒度為：粒度中值為0.65mm，最大粒徑0.8mm，最小粒徑0.5mm；C、篩縫寬度的確定割縫篩管篩縫寬度選擇的原則是縫隙必須擋住充填的所有砂礫，即：b≤2D礫min3(3一3)式中：b一割縫篩管篩縫寬度，rnm；D礫min一環(huán)空充填砂礫最小粒徑，mm。經(jīng)計(jì)算，確定篩縫寬度為：館1+2層段b=0.3mm；館3以下層段b=0.35～0.4mm。(3)割縫篩管幾何形狀的確定根據(jù)研究，確定篩縫為矩形縫，單體縫長為80mm，軸向縫間距為20mm，89.7mmΦ割縫篩管的圓周縫分布為30條/周，Φ114.3mm割縫篩管的圓周縫分布為48條/周。圖3—3為割縫篩管實(shí)物圖。圖3—3割縫篩管實(shí)物圖(4)割縫篩管的防腐由于割縫篩管工作在井下高溫高壓的流體中，流體中含有腐蝕性物質(zhì)，為了延長割縫篩管的使用壽命，對割縫篩管進(jìn)行滲氮處理，可有效地防止地下流體的腐蝕。從孤島油田稠油熱采防砂現(xiàn)場采集地層砂樣和充填砂樣，在室內(nèi)濾砂流程(如圖3—4所示)中進(jìn)行割縫篩管防砂性能的檢驗(yàn)與評價(jià)。(l)試驗(yàn)原理通過室內(nèi)流程進(jìn)行滲流試驗(yàn)，其原理就是將一定玉力下的水(或帶地層砂)通過擋砂屏障，以出口返砂情況和流量變化情況驗(yàn)證其擋砂能力和滲流能力。21中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)圖3—4室內(nèi)濾砂試驗(yàn)流程圖(2)試驗(yàn)結(jié)果A、空白割縫管滲流試驗(yàn)將割縫篩管放入流程模擬套管中，泵入清水，觀察并記錄不同壓力下的出口沉量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，作滲流壓力一流量曲線(如圖3—5)。從圖3—5可以看出：曲線I、曲線II、曲線III的斜率依次減小，這說明0.4mm、0.35mm、0.30mm割縫篩管的滲流能力依次降低。圖3—5空白割縫篩管流量—壓力曲線B、充填滲流試驗(yàn)將己放入割縫管的模擬套管環(huán)空按要求填滿石英砂，泵入清水，觀察出口返砂情況，不同壓力下的出口流量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，作滲流流量一壓力曲線(如圖3—6)。22中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)圖3—6充填割縫篩管流量—壓力曲線圖3—6中曲線I、曲線II、曲線III、曲線IV分別表示0.4mm割縫管充填以0.5～0.8mm石英砂、0.35mm割縫管充填以0.5～0.8mm石英砂、0.35mm割縫管充填以0.4～0.8mm石英砂、0.30mm割縫管充填以0.4～0.8mm石英砂。從試驗(yàn)情況和圖3—6可以看出：試驗(yàn)中出口未出砂，說明充填砂與割縫篩管的匹0.30mm割縫篩管，0.35mm割縫篩管，0.35mm配合理可行，滲流能力從小到大依次為：割縫篩管，0.4mm割縫篩管。C、濾砂試驗(yàn)將己放入割縫篩管的模擬套管環(huán)空填滿石英砂后，泵入清水，攜帶地層砂通過模擬套管，觀察出口返砂情況，記錄不同壓力下的出口排量。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，作滲流壓力—流量曲線(如圖3—7)。圖中I為0.4mm割縫管濾砂曲線、II為0.35mm割縫管(充填0.5～0.8mm石英砂)濾砂曲線、III為0.35mm割縫管(充填0.4～0.8mm石英砂)濾砂曲線、IV為0.30mm割縫管(充填0.4～0.8mm石英砂)濾砂曲線。圖3—7濾砂割縫篩管流量—壓力曲線從試驗(yàn)和圖3—7可以看出：試驗(yàn)中出口未出地層砂，說明0.30mm、0.35mm割縫篩管與0.4～0.8mm充填砂，0.35mm、0.40mm割縫篩管與0.5～0.8mm充填砂配伍性較好，具有良好的擋砂性能，能滿足現(xiàn)場防砂生產(chǎn)需要；0.4mm割縫篩管滲流能力稍23中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)24中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)3.配套工藝技術(shù)研究3.1高溫防砂劑強(qiáng)度及耐溫性能的研究在整個(gè)稠油熱采一次防砂擋砂屏障當(dāng)中，近井地帶高溫防砂劑固結(jié)形成的人工井壁要承受高強(qiáng)度注汽和高強(qiáng)度采液的雙重沖擊，它的強(qiáng)度高低和耐溫性能直接決定著稠油熱采井防砂成功與否。因此，重點(diǎn)要提高高溫涂敷砂固結(jié)強(qiáng)度和耐溫性能。高溫涂敷砂是通過在石英砂表面采用物理化學(xué)的方法均勻地涂敷上一層高溫粘合劑而制成的。影響其固結(jié)強(qiáng)度的主要因素有高溫粘合劑石英砂、偶聯(lián)劑的性能及配比、固結(jié)時(shí)間及固結(jié)溫度等。而其中石英砂、高溫粘合劑的選擇受到很大限制，固結(jié)時(shí)間及固結(jié)溫度隨高溫粘合劑的選擇而定。只有通過合理選擇偶聯(lián)劑和合理調(diào)整配方，才能有效提高高溫涂敷砂固結(jié)強(qiáng)度。通過大量的室內(nèi)研究和試驗(yàn)，篩選出一種高溫性能較好的偶聯(lián)劑，并對高溫涂敷砂的配方進(jìn)行了合理的調(diào)整，見到了明顯的效果。60℃條件下高溫涂敷砂膠結(jié)巖芯的抗折強(qiáng)度由20.MPa提高到3.5MPa以上，330℃高溫下膠結(jié)巖芯的抗折強(qiáng)度由1.2MPa提高到2.2MPa以上。此外，還對強(qiáng)度更高、高溫性能更好的RC—G高溫防砂劑進(jìn)行了研究。RC—G高溫防砂劑是通過在特制的TL顆粒表面采用物理化學(xué)的方法均勻地涂敷上一層帶有潛伏性固化劑的高溫粘合劑而制成的。通過大量的室內(nèi)研究和試驗(yàn)，篩選出了性能滿足要求的高溫粘合劑、TL骨架顆粒及偶聯(lián)劑，確定了合理的化學(xué)配方。60℃條件下膠結(jié)巖芯的抗折強(qiáng)度大于2.5MPa，330℃高溫下膠結(jié)巖芯的抗折強(qiáng)度大于4.0MPa。RC—G高溫防砂劑在孤島油田進(jìn)行了現(xiàn)場推廣試驗(yàn)，應(yīng)用36口井，防砂有效率85.8%，平均有效期176天。表3—6RC—G高溫防砂劑現(xiàn)場應(yīng)用情況及效果表3.2射孔工藝孤島油田稠油熱采井過去一般都采用89槍、89彈射孔，孔徑為12mm，孔密為16孔/米，孔徑小，孔密低，炮眼滲流面積小，在高強(qiáng)度注汽和高強(qiáng)度采液條件下，液流阻力很大，容易造成防砂有效期的降低和防砂不成功。如果加上射孔完善程度較差，25中國石油大學(xué)勝利學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)甚至?xí)斐删路郎肮ぞ弑桓邏阂毫鞔檀Ｈ缰?7—506井金屬棉濾砂管被刺穿就是一個(gè)明顯的例子(見圖3—8)。以增大炮眼滲流面積，減小液流阻力為目的，對射孔工藝進(jìn)行了改進(jìn)，這樣也有利于地層充填。圖3—837—506井失效金屬棉實(shí)物圖(1)新井對新井，采取89槍—127彈與127槍—89彈大孔徑、高孔密射孔工藝，增大炮眼滲流面積，減小液流阻力。(2)老井對已經(jīng)投產(chǎn)的老井，主要根據(jù)其生產(chǎn)情況確定其射孔完善程度，對那些射孔完善程度較差的油井，采取復(fù)射孔工藝，增大炮眼滲流面積，減小液流阻力。3.3深部處理油層技術(shù)從埃利斯計(jì)算公式可以看到，近井地帶滲透率是影響液流阻力的重要因素，滲透率越高，液流阻力越小。孤島油田稠油層泥質(zhì)含量高，易于近井地帶形成細(xì)顆粒堵塞，液流阻力增大，影響注汽與生產(chǎn)的正常進(jìn)行。為了在近井地帶形成一個(gè)面積較大的高滲透帶，應(yīng)用深部處理工藝對油層進(jìn)行深部處理，累計(jì)處理稠油井12口，有效率100%，與處理前相比，這些稠油井的周期生產(chǎn)天數(shù)和周期產(chǎn)油量都有了較大提高。4.現(xiàn)場應(yīng)用效果分析孤島油田現(xiàn)場應(yīng)用稠油熱采一次防砂工藝共50井次，有效率94%，平均有效期242.3天，注汽后生產(chǎn)情況良好。表3—8孤島油田一次防砂工藝現(xiàn)場應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)表26中國石油大學(xué)勝