化学防砂的方法与原理及其适用性

1、化学防砂的方法与原理及其适用性随着近年来油田各种出砂问题的出现，对原油生产产生了严重的影响，对于出砂油藏，防砂是油气藏开采不可缺少的环节，对原油的稳定开采起着重要的作用。进入20世纪90年代以来，随着加工工艺的不断进步以及防砂认识的深化，积极研发出了大量的新工艺、新方法，特别是在机械防砂方面，取 得飞速的发展。由于机械防砂较化学防砂价格便宜，且对地层无污染，目前国内外防砂是以机械防砂和化学防砂为主。化学防砂是向地层挤入一定量的化学剂充填于地层孔隙中以达到充填和固结地层提高地层强度的目的。一般分为人工胶结地层和人造井壁两种防砂方法。前者是向地层注入各类树脂或各种化学固砂剂直接将地层固结它对疏松油

2、层出砂特别适用。后者是把具有特殊性能的水泥、树脂、预涂层砾石、水带干灰砂或化学剂挤入井筒周围地层中这些物质凝固后形成一层既坚固又有一定渗透性和强度的人工井壁达到防止油层出砂的目的人工井壁法对由于出砂造成套管外油层部位坍塌所造成的亏空井防砂比较适宜。 总之化学法防砂前题条件要求固井质量好不能有套管外串槽现象射孔炮眼畅通它适用于渗透率相对均匀的薄层段地层防砂而层内差异大的厚层化学防砂施工由于注入剂锥进不均和重力作用易造成固结不均影响防砂效果。化学防砂还可适用于合采井上部地层防砂。化学防砂优点是施工后井内无遗留物并可用于异常高压井层的防砂缺点是对地层渗透率有一定伤害特别是重复施工时。另外注入剂存在老

3、化现象使其有效期有限成功率不如机械防砂化学防砂不适用于裸眼井防砂。 我国疏松砂岩油藏分布范围广、储量大油气井出砂是这类油藏开采的主要矛盾。出砂往往会导致砂埋油层或井筒砂堵或油气井停产作业、使地面或井下的设备严重磨蚀、砂卡及频繁的冲砂检泵、地面清罐等维修使工作量巨增既提高了原油生产成本又增加了油田管理难度。防砂是开发易出砂油气藏必不可少的工艺措施之一对原油稳定生产及提高开发效益起着重要作用全世界每年要花费几百万美元来研究有效的防砂措施除此之外还要花费几百万美元来修理因出砂而发生故障的油气井和注水井。 保证疏松砂岩油藏开发过程中防砂措施的成功是十分重要的。钻井过程中大多采用割缝衬管和预充填砾石来对

4、付地层出砂由于其使用寿命短砂子易堵塞缝口液流阻力大等缺点而且下井时操作困难不能填充射孔孔眼因此新的有效的防砂方法的研究与应用仍是世界石油钻采中亟待解决的难题。 通过防砂可以使地层砂最大限度的保持其在地层中的原始位置而不随地层流体进入井筒阻止地层砂在地层中的运移使地层原始渗透率的破坏降低到最低程度保护生产井和注水井的生产设备最大限度的维持生产井的原始产液能力及注水井的注排能力这是油气田防砂的目的。现阶段常用的防砂方法有机械防砂、化学防砂及砂拱防砂。近年来砾石充填防砂技术已取得了显著的可靠施工效果除井斜角较高的斜井之外砾石充填防砂技术已成为应用最广泛的防砂技术方法。 化学固砂方法是将化学胶结液挤入

5、天然松散的地层固结井眼周围出砂层段中地层砂的一种防砂方法。所形成的胶结地层具有一定的抗压强度和渗透性能地层是否出砂取决于颗粒的胶结程度即地层强度。一般情况下地层应力超过地层强度就可能出砂。油气井出砂的原因对于防砂及防砂剂的配方的选择有很大的影响总的说来油气井出砂的原因可以归结为地质和开采两种原因。1地质因素 地质因素指疏松砂岩地层的地质条件如胶结物含量及分布、胶结类型、成岩压实作用和地质年代等。通常而言地质年代越晚地层胶结矿物越少砂粒胶结程度越差分布越不均匀的地层在开采时出砂越严重地层的类型不同地层胶结物的胶结力圈闭内流体的粘着力地层颗粒物之间的摩擦力以及地层颗粒本身的重力所决定的地层胶结强度

6、就不同地层胶结强度越小地层出砂越严重。开采原因指在油气开发时因开采速度以及采油速度的突然变化落后的开采技术包括不合理的完井参数和工艺技术低质量和频繁的修井作业设计不良的酸化作业和不科学的生产管理等造成油气井出砂。大体归纳如下: 采油过程中由于液体渗流而产生的对砂粒的拖曳力是出砂的重要原因。在其他条件相同时生产压差愈大、渗透率愈高在井壁附近液流对地层的冲刷力就愈大。 油层见水。油层胶结物以粘土为主一般占70左右而粘土矿物成分中蒙脱石含量达80左右的砂岩地层注水后注入水浸泡地层都会使粘土遇水膨胀变松散降低胶结强度进而发生颗粒位移大大加剧地层出砂程度。 频繁作业及不恰当的开采速度以及作业过程措施不当

7、也是造成严重出砂的原因之一。例如进行压裂、酸化、大修等特殊作业如果没有保护油层的措施就容易导致出砂加剧。 对油井管理不善频繁地开关井造成地层激动使稳定的砂桥破坏都会造成地层出砂。 随着油气田开发期延续油气层压力自然下降油气层砂岩体承载力的负荷逐渐增加致使砂粒间的应力平衡破坏胶结破坏造成地层出砂另外地层注水可能使油气层中的粘土膨胀分散有的还会随着地层流体迁移使油气层胶结力下降。注水开发中为了保持产量必定要提高采液量这就会增加地层流体的流速加大流体对地层砂的冲刷和携带能力速敏效应因此注水有可能造成地层出砂。此外地层中的两相或三相流动状态能增加对地层砂的携带力。 油气井出砂的机理 生产条件下地层稳定

8、性与地层基质所受应力场作用有关。基质以复杂的方法适应应力场状态。地层基质所受应力是上覆地层压力、孔隙压力、近井地带地层流体流动压力梯度、界面张力、流体通过基质颗粒间空隙流动时与颗粒摩擦而形成的摩阻。地应力适应地层稳定性的方式是在一定条件下由地层介质本征强度和地层产能系数这两个相互关联因数所决定的这种条件下原地应力场在生产过程中因各种因数而破坏失稳后便形成了井眼周围的稳定砂拱和砂桥。出砂的危害主要表现在以下四方面 油气井减产或停产 油气井出砂极易造成砂埋产层油管砂堵及地面管汇和储油罐积砂从而被迫停产作业。冲洗被砂埋的油层清除油管砂堵既费时又耗资问题还不能彻底解决。恢复生产不久又需重新作业周而复始

9、生产周期越来越短使油气田产量大减作业成本巨增经济损失严重。地面和井下设备及管线磨蚀加剧 油气流中携带的地层砂粒主要成分是二氧化硅硬度很高是一种破坏性很强的磨蚀剂能使抽油泵阀座磨损而不密封阀球点蚀杆塞和泵缸拉伤地面阀门失灵输油泵叶轮严重冲蚀从而被迫关井作业更换或维修设备造成产量下降、成本上升。 套管损坏使油气井报废 长期严重的出砂在套管外形成巨大的空穴内外受力不平衡导致突发性地层坍塌轻则造成套管变形重则套管被错断挤毁导致油气井报废。破坏地层的原始构造或造成近井地带地层的渗透率严重下降 油气井出砂后地层砂运移加剧近井地带地层砂沉积较多远井地带则变得结构疏松加剧。近井地带地层渗透率显著下降引起油气井

10、的产能下降。 解决油气井出砂问题必须立足于早期防治以减少对油层胶结的破坏 随着我国石油工业的高速发展防砂技术不断地趋于完善和成熟逐步形成了化学防砂和机械防砂两大类。 化学防砂 化学防砂在20世纪60年代开始研究应用并很快形成能力它大致可以分为三大类第一类是树脂胶结地层第二类是人工井壁第三类是其它化学固砂法。 溶液型化学剂固砂 用有机或无机化学剂挤入疏松油层或预充填砂层使砂粒与砂粒间胶结成具有一定强度、渗透性好的砂层的固砂工艺。它包括地面注入树脂溶液固砂、地下合成树脂溶液固砂及水玻璃溶液固砂。 人工井壁防砂 它的种类很多如预涂层砾石、树脂砂浆、水带干灰、水泥沙浆、 乳化水泥、树脂壳等。这些人工井

11、壁材料都要经过管柱泵送到产层并挤入到导管以外的空穴中去形成密实充填使地层恢复或部分恢复原始应力待这些充填材料凝固形成具有一定强度的挡砂屏障后再把井筒中多余的充填物铣掉使油气井具备开井生产的条件。人工井壁防砂是化学防砂中的一大类属于颗粒防砂。它是利用有特定性能的胶结剂和一定粒径的颗粒物质按比例在地面混合均匀也可以直接用可固结的颗粒用油基或水基携砂液泵入井内通过炮眼在油层套管外堆积填满出砂洞穴在井温及固化剂作用下凝固后形成具有一定强度和渗透性的人工井壁阻挡地层砂井进入井筒达到防砂目的。此类方法适用油井已大量出砂井壁形成洞穴的油水井防砂。 其它化学固砂法 其它化学固砂法制约条件较多使用不广泛。主要有

12、以下几种焊接玻璃固砂法、 氢氧化钙固砂法、四氯化硅固砂法、水泥-碳酸钙混合液固砂法、聚乙烯固砂法和氧化有机化合物固砂法。机械防砂 机械防砂也可以分为两类一类是下防砂管柱挡砂如割缝衬管、绕丝筛管、胶结成型的滤砂管、 双层或多层砂管等这类防砂方法简单易行但效果差寿命短原因在于防砂管柱的缝隙或孔隙易被进入井筒的细地层砂所堵塞另一类是下入防砂管柱后再进行充填它能有效地把地层砂限制在地层内并能使地层保持稳定的力学结构防砂效果好寿命长。 衬管防砂 衬管防砂是一种使用最早、简单而普遍的机械防砂方法也叫滤砂管防砂或筛管防砂。该工艺是在出砂油层射孔井段对应下入防砂衬管当油井投入生产时在油层压力的驱动下液流克服各

13、种阻力流入井筒。如液流速度超过临界速度地层砂桥就会破坏带砂液流通过炮眼进入井筒开始有少量细粉砂通过滤砂套随液流排出地面还有一些堵塞于滤砂套的孔隙中较粗的砂粒在滤砂套表面堆积一直到堆满环形空间及炮眼形成砂桥才能阻止油井出砂起到防砂作用。砾石充填防砂 砾石充填防砂是重要的机械防砂方法已被世界各油田广泛采用。该方法是在防砂油层部位放置型号和规格合适的筛管在筛管外面的空间填充并压实粒度合适的高质量砾石。对套管射孔完成井筛管外的空间包括套管与筛管内的环形空间射孔孔眼及套管外油层表面之间的空间对裸眼完井则是指筛管外至扩孔井壁之间空间。这样就形成了砾石阻挡油层砂而筛管保障形成稳定的砾石桥构成一个坚固的高渗透

14、防砂屏障。 但是总的来说化学防砂适用于渗透率相对均匀的薄层段在粉细砂岩地层中的效果比在机械防砂更优。而机械防砂对于地层的适应能力强无论产层厚薄渗透率高低夹层多少都能有效的实施在老井作业中还可以起到恢复地层应力的作用。但是它不适用细粉砂岩地层和高压地层在无钻机或修井机的情况下也无法施工对于化学防砂它可以适用于双层完井作业中的上部地层防砂但对地层渗透率有一定的伤害作用同时它的成功率不如机械防砂还存在老化现象 相对成本较高等缺点其应用程度远不如机械防砂广泛。因此研究一种新的无污染而且成本低的高效化学防砂方法是十分有必要的。 从国内外现有的化学防砂方法的报道来看大多数人都采用在酸性或中性条件下进行实验

15、。如果在酸性条件下进行实验由于酸与树脂反应后会产生氢气在一定的温度下加上酸的挥发形成一种刺激性的气体不利于人的健康还会对环境产生污染。因此考虑在碱性条件下的固砂不仅有利于防止对人的伤害还有利于防止对自然的污染。 据国外文献报道在美国的加利福尼亚州的威明顿油田它是以碳酸钠的碱溶液为固化剂使用取自威明顿油田塔焦油区的砂样在260的高温下通过特殊的装置使砂样固结这一项目为威明顿油田上的出砂井节约成本为每口井150000美圆获得了很好的经济效益。油田化学防砂技术 向井眼周围地层和射孔孔眼中挤入一定数量的化学剂和固体颗粒如预涂层砾石以胶固地层砂运动减轻油井出砂实现长期生产的固砂技术称为化学防砂。化学防砂

16、最大优点是井筒内部不留下任何机械装备施工工艺简便只需泵入化学剂即可。它对细粉砂尤为有效对未严重出砂的地层和低含水油井成功率较高。化学固砂法最适于相对不含粘土和微粒矿物成分的厚度通常小于5m米且渗透率均匀的目的层段。但化学防砂对地层渗透率有一定的伤害成功率不如机械防砂相对成本较高。 油田化学防砂早在20世纪60年代就开始了研究和较广泛的应用到了70年代末随着砾石填充绕丝筛管防砂技术的不断发展和完善化学防砂的应用范围逐步缩小应用程度不如机械防砂广泛。但是化学防砂的优越性是其他防砂方法所不能取代的在某些情况下仍为一种有效的防砂方法。因此新的无污染且成本低的高效化学防砂方法的研究与应用是十分必要的。 化学防砂可以分为三大类第一类是树脂固砂法、