不等密度布縫的割縫篩管完井新技術

不等密度布縫的割縫篩管完井新技術

井砂的直接影響是堵塞井，影響井產(chǎn)量，導致地層浪費，導致井壁坍塌，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)地層以及其它化學方法來防止或減輕油井出砂,以達到提高油井產(chǎn)量、延長油井生產(chǎn)期和實現(xiàn)較好經(jīng)濟效益之目的。為此,國外石油公司投入大量資金研制各種新型完井設備,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。針對欠壓實、膠結(jié)疏松的油藏尤其是稠油油藏特點,并綜合考慮經(jīng)濟等因素,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題。新雨棚設計1.砂堵和防砂效果差為了阻止砂礫并讓油氣流進入油井內(nèi),割縫篩管縫形可選擇直縫或梯形縫。直縫簡單、易制造,但砂礫可以自由通過縫隙進入油井內(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),成為阻擋油氣流進入油井的屏障。梯形縫較復雜,制造難度大,但砂礫可在縫處形成砂橋而阻止砂礫進入油井內(nèi),不會出現(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——砂礫累計分布曲線上占累積質(zhì)量為10%所對應的砂礫直徑,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質(zhì)點的含量。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行解集處理和烘干,使砂樣變成無油污、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或機械振篩機上振動一定時間,稱量每個篩子中的顆粒質(zhì)量;最后,根據(jù)稱得的質(zhì)量,計算篩目的累計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.篩管的工藝設計根據(jù)對油藏砂礫粒度的分析,可確定縫的寬度e和長度L,結(jié)合油藏特點或防砂要求,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)這里每個套管本體槽內(nèi)鑲嵌的不銹鋼條數(shù)為3,顯然在每個槽內(nèi)形成4條縫。已知每米內(nèi)縫數(shù)目N,則可計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)對筆者設計的篩管,每米內(nèi)套管本體上開槽的數(shù)目為14條。因此,在制造過程中,可以根據(jù)開發(fā)要求或油藏特點,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)以上設計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)計算。其技術特點是: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階槽后,兩邊的V形直條與套管上臺階槽的邊形成兩個半邊倒V形縫。制造過程:先在套管本體上銑出一定數(shù)量的帶臺階槽,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階槽內(nèi),用點焊法將鑲嵌條組件固定在套管上的帶臺階槽內(nèi),如圖2所示。新型割縫篩管具有以下特點:(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;(2)可根據(jù)油藏油氣流的組分和特點,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,孔隙壓力衰竭而導致地層壓實,從而對篩管產(chǎn)生較大的圍壓而引起其破壞;地震或油藏壓力衰竭導致斷層滑動,篩管被剪斷;腐蝕性鉆井液、完井液或地層液對篩管的腐蝕破壞;地層下沉導致篩管彎曲變形;在油井的生產(chǎn)過程中,油井出砂或巖層下沉使篩管受不對稱載荷作用而受到破壞;由于井眼不規(guī)則而導致篩管下入遇阻,需要上下往復活動篩管或旋轉(zhuǎn)篩管以利于下入而引起的過大壓縮載荷、拉伸載荷或扭轉(zhuǎn)載荷等,都會破壞篩管;溫度變化引起的溫度應力破壞篩管;地層壓實作用導致篩管螺紋連接失效。另外,因設計不合理造成篩管強度小于其受力也是使其失效的原因。但目前還未發(fā)現(xiàn)有關篩管破壞及受力分析研究成果的報道。在本研究中,將借用套管的工況和研究方法對新型篩管做安全性評價。1.地層壓力和彎矩的影響(1)拉伸載荷在篩管下入過程中,篩管自身質(zhì)量會導致其受拉伸載荷的作用;井底溫度應力會產(chǎn)生拉伸載荷;在下入遇阻時,上下往復活動篩管也會產(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;井底溫度應力會產(chǎn)生壓縮載荷;在下入遇阻時,上下往復活動篩管也會產(chǎn)生壓縮載荷。套管外壁圍壓變化會產(chǎn)生軸向力。(3)扭轉(zhuǎn)載荷在下入遇阻時,旋轉(zhuǎn)篩管會產(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大于10.5kPa/m,地層是欠壓實的。隨著超高壓、欠壓實油藏的開采,孔隙壓力會逐漸減小,地層會被逐漸壓實并下沉,它對套管、篩管和礫石充填篩管的壽命有很大的影響。研究表明,地層壓實作用對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,同時水平應力增加33%。此外,在油井生產(chǎn)過程中,不能通過篩管孔眼的砂粒在其外壁形成砂拱,也會對篩管產(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.準濾劑用量及篩管尺寸計算(1)許用拉伸載荷確定由于英寸N80套管的管體屈服強度F為1633kN,當套管每周開14個槽后,其承載面積減少而使許用拉伸載荷也相應減小,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——套管體屈服強度,kN。(2)許用扭矩確定按理論計算,英寸N80套管發(fā)生剪切屈服時的扭矩T為T=τmaxIr(5)Τ=τmaxΙr(5)式中τmax——最大剪切應力,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)實驗確定。按材料力學簡化模型計算,將篩管從開槽處切斷,則槽間的部分形成14根矩形梁,設其扭矩主要由這14根矩形梁承擔,根據(jù)篩管尺寸,計算出系數(shù)a=0.263。所以每根梁單獨可承受最大扭矩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)設計(1)割縫篩管縫寬是決定