油井机械防砂技术研究现状

油井机械防砂技术研究现状

机械防砂方法1932年，国外开始研究油气井机械防砂技术，中国在20世纪80年代开始研究这一点。目前,机械防砂技术在国外约占油气井防砂作业的80%。国内外常见的机械防砂方法有筛管砾石充填防砂和滤砂管防砂。砾石充填防砂工艺为应用最早的防砂工艺之一,其工艺技术成熟,防砂效果好,周期长,但存在易形成砂堵、充填效率低、近井地带污染严重等问题。随着石油开发技术的发展,出现了振动砾石充填防砂、分层砾石充填防砂、旁通砾石充填防砂、高压充填防砂和压裂-砾石充填防砂等新技术。其中,高压砾石充填和压裂-砾石充填是近年来应用较广泛的2种技术。滤砂管防砂方法具有施工简单、作业成本低、易于操作等优点,但滤砂管脆性大、强度低、比砾石充填防砂方法的有效期短、防粉砂性能差。为综合利用砾石充填防砂和滤砂管防砂两者的优点,人们开发了双层预填充筛管和可膨胀防砂筛管。现有的各种机械防砂技术都有其自身的特点和适应性,大都难以胜任中后期出砂较严重或经过多次防砂作业油井的防砂任务,相应的防砂作业费用也越来越高。因此,研究开发新的机械防砂工艺及相应的防砂工具具有重要的技术和经济意义。地层砂体充填水岸带高压充填防砂技术的防砂管柱主要由筛管、安全接头、可溶性扶正器、FS封隔器和丝堵等组成。该防砂技术的原理是:将砾石-石英砂用大排量携砂液带到油气井产层套管外的空洞处,以及绕丝管与套管的环形空间,经高压压实形成挡砂屏障。高压充填工艺的优点:(1)地层填砂和绕丝管外环空充填一次性形成并缩短钻井周期,可节约防砂成本。(2)可在井筒一定半径内形成密实的高渗透带,减小流体对地层砂的冲刷及携带作用,井筒附近流体的流动压力梯度远低于原始地层压力梯度,可有效地缓解地层出砂。(3)高压充填对油层产生一定的压裂作用,可以在一定程度上提高地层渗透率;同时充填砂体在井筒周围形成一定半径的高渗透带,并有良好的连续性,可以起到一定的解堵作用,改善油井(尤其低产油井)供液能力,提高油井产量。存在问题:(1)高压充填工艺对单层、短井段防砂效果较好,但对于多油层、长井段防砂效果不能保证,特别是对于存在上部封堵层、卡封层的井,对下部目的层进行防砂时,施工产生的高压往往会对封堵层、卡封层有较大影响。(2)施工参数优化和施工参数控制对作业人员的现场经验依赖性高。高压充填技术的实质是在地层及环空内建立高渗透的充填砂体,达到防砂与增产的统一,井况不同,充填砂在地层内堆积状态及堆积机理、砂体状态模式不尽相同,需依据经验对充填模式进行判断,以确保油套环形空间的砂体充实,防止因环空砂体不实,导致生产过程中地层砂及充填砂体发生移动和混合,降低井筒周围渗透率,影响供液。(3)适用于出砂颗粒直径为0.06mm及以上的油层中。压裂-充填砂源压裂-砾石充填技术是把缝端脱砂压裂与砾石充填压裂防砂技术结合起来的一种新的完井方法,是针对疏松油藏油、气井出砂严重、粒度不均、分选不好的情况下采取的一项防、排综合配套工艺。其防砂管柱如图1所示。其工作原理是:压裂车组将压裂液泵入油层,在油层内压开一定尺寸的裂缝,然后再将优选的人工砾石泵入压开的裂缝、地层亏空和筛套环空之中。最终堆积成高渗透率的渗流通道(裂缝)和人工砂桥。人工砂桥与筛管共同构成井下防砂屏障,有效地防止油层出砂和压裂砂反吐,从而实现压裂与防砂的目的。压裂-充填防砂的优点:(1)改善原油的渗流条件,增大原油的渗流面积,能增加油井的产量;(2)压裂造缝产生高导流能力的支撑带,降低生产压差,减小了地层砂的受力,从而起到稳定地层砂的作用;而端部脱砂充填工艺利用缝面正压力的提高及高浓度砂比的砾石充填进一步稳定地层结构,因此对于高渗透油田进行压裂充填改造,从理论上讲具有增产和防砂双重功效。(3)在特稠油、超稠油开发中试验应用,对降低注汽压力、改善注汽效果、提高周期产油量具有一定的积极意义。存在问题:(1)压裂-砾石充填属于小型作业,但排量及压力较高,因此,存在着对管线和井下设备的冲蚀问题。(2)压裂-砾石充填技术关键在于对时间的控制和脱砂后的加砂量,施工工艺复杂,填砂施工中砂比不容易控制,砂比较低。正确选择作业设备和材料,了解地层性质和生产状况对其有重要的影响。(3)压裂砾石充填防砂管柱无法实施分层压裂施工。(4)在清水压裂充填、端部脱砂压裂充填、胶液压裂充填这3种方式中,前2种的增产效果相当,这是因为两者形成的裂缝较短;而胶液压裂充填的增产效果最明显,主要原因是胶液压裂充填能形成长的裂缝,但成本高。双渗筛管防砂机理双层预充填筛管由外筛管、内筛管和内外筛管间充填的砾石形成3层防砂屏障,具有良好的滤砂和挡砂作用,同时又具有一定渗透性能。其防砂管柱组成见图2。双层预充填筛管防砂工艺技术的优点:(1)技术简便,易于施工,对地层伤害小。(2)可用于常规套管完成的竖直井、斜井、定向井、水平井的防砂。存在问题:(1)筛管成本较高。(2)仅适用于油层不分采,粒度中值0.08mm以上的中粗砂岩地层;不适用于粉细砂地层、泥质低渗透地层,以及高产油井。膨胀抗砂筛管可膨胀防砂筛管(ESS)是在壳牌石油公司可扩展割缝管专利技术的基础上形成的,其结构原理图如图3所示。ESS由可扩展割缝中心管、过滤层和可扩张式保护外套3部分构成。过滤层是为可膨胀滤砂管特别研制的一种金属丝网,它以重叠的方式附在割缝管本体上,这样直径增大时可保持防砂性能。在筛管的扩张过程中,由3层隔膜构成的重叠式渗滤隔膜中间层发生径向滑移,另外2层则发生轴向滑移,直到防砂筛管达到理想的直径。可膨胀防砂筛管的防砂技术优点:(1)膨胀后紧贴井壁或套管,可防止地层砂的运移,从而避免由于地层砂重新分布而形成近井眼低渗透带。(2)防砂后的井下管柱内径大,过流面积大,减小了近井眼的压降损耗和筛管冲蚀破坏的可能性,提高了膨胀筛管和单井寿命以及油气藏的采收率。(3)同管外封隔器配合可实现分层开采,适用于水平井和大位移井等。(4)适应于油层不分采,粒度中值0.07mm以上的砂岩地层。存在的问题:(1)若井眼极不规则,在井径缩小处膨胀筛管会压实近井地带,生产时不易恢复地层原始状态;对于井径扩大处,无法实现筛管与井壁或套管环空的“零间隙”,影响防砂效果。(2)在筛管膨胀过程中,若遇井壁坍塌等复杂情况致使膨胀中断,很难得到满意结果。小变形缝筛管目前国内外油田上使用的割缝筛管多为矩形或单梯形缝筛管,矩形缝的缝宽从管外到管内是一致的,易造成砂粒堵塞,降低抽油效果。梯形微缝筛管克服了矩形缝筛管的砂堵现象,具有很强的“自洁”作用,还具有流压损失小、产量高、寿命长等优点。单梯形缝筛管由于角度较大,缝口较尖锐,在采出液及其携带的微细砂粒的挤摩作用下,易使缝口的尖角磨损、缝宽变大,从而降低割缝筛管的防砂效果和使用寿命。针对上述情况,笔者研制出具有复合缝腔的割缝筛管,应用于油井防砂中取得了良好效果。1.分缝机所形成的内缝口新型复合缝腔割缝防砂筛管的每条割缝都由管外至管内依次连接的外窄内宽角度较小的梯形缝、过渡圆弧和角度较大的梯形缝构成。该筛管外层梯形缝的角度很小,近似于矩形,厚度为2～3mm,当有微小的砂粒进入缝腔时,可以被采出液带走,使缝腔保持畅通,由于该层梯形缝的角度很小,因此,缝口在原油和微细砂粒的摩擦作用下的磨损速度减慢,可有效地提高筛管的使用寿命;管壁内层大角度的梯形缝可较大地降低缝对原油的流阻。2.本分布缝腔的防腐性能该种割缝筛管是采用笔者自行研制开发的等离子设备加工的。该种工艺方法是靠高频的瞬时高温、高压作用进行加工,切割过程在专用复合水基工作液中完成,其特点是:(1)缝的表面耐磨和耐蚀性高。专用复合水基工作液在瞬时高温、高压作用下,产生电离和热分解,电离和热分解的产物在高温和电场的作用下与被切割的缝腔表面金属材料产生化学反应,在被加工后的缝腔表面上形成1层厚0.1～0.2mm的淬硬防腐层,其硬度达管体硬度的2倍,且由外至内逐渐减小,使淬硬层与管体的结合更加牢靠,如图4所示。(2)该缝腔克服了矩形缝易造成砂堵的现象,且具有很好的“自洁”效应,由于原油从管外到管内流经的缝腔是逐渐加宽的,因此,其流阻小。(3)该种切割工艺加工出的缝宽尺寸一致性好、精度高,在缝的两端不存在“火柴头”现象,可以有效地提高筛管的强度和防砂效果。采用新型复合缝腔割缝筛管和外投砾石的防砂方法,以及双层割缝筛管内投砾石的防砂方法在胜利海洋石油开发公司海上CB22D-2油井、胜利油田桩西采油厂106-16斜17井、冀东油田M19-12井等60余口油井中得到应用,均取得良好防砂效果好。防砂方法的局限性和研究方向任何一种机械防砂方法都有其各自的特点和适用性,对于特定的油井,防砂成功的关键是防砂方法的选择,防砂方法选择不当是导致防