机械防砂工艺技术研究现状及展望

机械防砂工艺技术研究现状及展望

国外石油气井机械防砂技术的研究正在开始。1932年，石膏填充法被用于预防和研磨。目前，该方法占国外油气井防砂处理的90%。其中，精细控制法得到了改进和发展，并成为一项成熟的技术。我国胜利、辽河、大港、中原和河南油田在油气井防砂方面做了许多工作,胜利油田在1982年就成立了防砂中心,开展防砂工艺技术的研究,在防砂工具器材及防砂工艺方面有较大发展,丰富和提高了我国油气井防砂工艺技术水平。生产经营保障绕丝筛管砾石填充防砂与其它防砂法相比,有许多特点:①工艺成熟,应用广泛;②可获得较高的产量;③能有效地保护地面及井下管线和设备,减少修井作业次数和设备修理费用;④一次性投资费用高于滤砂管,但有效期长。1.正循环填充工具目前的填充工艺有高密度砾石填充和常规低密度砾石填充。填充方式分反循环填充和正循环填充两种,正循环填充为国内外广泛应用。填充工具有皮碗式和封隔器转换总成类两种。前者特点是无卡瓦悬挂装置,靠皮碗单向密封,由转换总成实现填充作业,适用于浅井、低压井施工;后者特点是可以在套管内任一位置靠卡瓦悬挂,密封可以是机械式或水力式,耐压可达35MPa,适用于挤压填充。2.地层填充井施工该工艺是由美国开发的,原理是通过转盘驱动施工管柱旋转,井下振动装置对筛管中心管产生横向水平冲击,填充与振动同时进行,砾石象流体一样运动,挤入炮眼和套管外部,形成密实的填充层。由于有振动,可用较大的砾石及筛管来控制地层砂和油井产量。美国、委内瑞拉等进行了约300口井的施工,井深在270～3900m,最大井斜79°,没有出现“砂桥”现象。我国胜利油田也在孤东、滨南油田采用了这种工艺,填充效果较好。振动砾石填充工具主要有旋转填充式丢手工具、旋转振动器及密封总成。据胜利油田室内试验,振动砾石填充率可达112.5%,炮眼填充率可提高11.1%～24.5%。现场试验也收到较好效果。3.井内防砂工艺分层砾石填充防砂是针对多层分采和厚夹层油井有效防砂提出的。国外有两种技术工艺:①大井径可分层防砂井采用筛管和填充管柱一次下井,分段填充;②采用逐层射孔逐层防砂工艺,先下层射孔、清洗和填充,然后再射上层、清洗和填充。国内有一次管柱防砂和二次管柱防砂工艺。分层砾石填充解决了多层合采和厚夹层油井的防砂难题,适应性强,施工成功率高,作业成本低。4.动通道式填充法国外推出一种ALLLAKTM砾石填充法:在环空设置分流管或辅助管,这些独立的分流管接在筛管的外部,每隔几英尺都有一些小眼,形成设计合理的砂浆流动通道,能消除常规砾石填充法中的所有空隙,解决了长井段水平井和大斜度井的防砂问题。该法在美国墨西哥海湾海上油井应用中获得成功。美国1994年研制成功一种带快速接头的旁通砾石填充筛管。在由多元组成的整体式管状结构中,每个单体上的滤砂管之间、分流管之间通过咬合方式连接,组装简易而快速,同时使滤砂管结构的空白段(非过滤段)大大缩短,提高了管柱的渗流面积,也解决了单体与单体螺纹连接中单体间的相对转动,避免了分流管轴向对准难的问题。5.防砂东南角墙装式防砂设备陆上砾石填充一般不受场地限制,可任意摆设大型防砂泵车和辅助设施,而海上砾石填充则由于平台空间有限,只能采取船载防砂施工设备或结构紧凑的小型橇装式防砂设备,分开装运,现场用管线连接。美国的SANDCONTROL公司制造的BAKER防砂橇装设备有:BSC三缸泵橇、BSC动力橇、砂泵橇和砂罐橇等。我国南海油田所用的橇装式防砂设备有:主动力机橇、辅动力机橇、三缸泵橇、注砂泵橇、搅拌器橇和过滤器橇等。滤砂管防砂法以下几种滤砂管防砂的基本原理相似,即不同滤砂管配合防砂封隔器等下入井内,将滤砂管对准油层部位,坐封丢手。生产过程中,油流携带地层砂到滤砂管外缘,大于滤砂管滤体孔眼的地层砂随油流流出油井,达到防砂目的。滤砂管防砂不能有效防治粉细砂,且有效期短(与砾石填充法相比),但工艺简单,作业费用低,可进行油井先期和后期防砂。目前应用效果较好的滤砂管有如下几种。1.心管组成设计主要由外层筛管、内层筛管、预填充砾石层和中心管组成。抗压强度高,渗透率好,流通面积大,可对井筒内的流体分级过滤,防止地层砂进入生产井筒内,适用于直井和小斜度井防砂。2.碱土金属、金属棉等为充填材料的地层砂防砂剂主要由内外管和不锈钢丝压制的金属棉片组成,形成有效的挡砂屏障,抗压强度高,渗透性好,流通面积大。金属棉有很高的弹性,不同的生产压力会形成不同的孔喉通道,不同尺寸的地层砂通过相应的孔喉通道进入井筒内。可根据油层的地质结构压制相应的金属棉,具有良好的挡砂能力。胜利石油管理局采油工艺研究院研制的整体式不锈钢金属棉在埕岛油田应用,收到了很好的防砂效果。滤砂管采用一次性管柱,作业周期短,适用于大斜度井及水平井防砂。3.滤砂管防砂转换这种滤砂管在带孔中心管外缠绕钢丝网,钢丝网外均匀辅垫金属丝成毡状,然后在毡外缠扎钢丝网,套入带孔套管内,两端密封,中心管与套管焊接在一起,利用不锈钢丝网与金属毡阻挡地层砂的反吐,达到防砂目的。滤砂管通径大,渗流面积大,适应大注入量的要求。尤其是一次防砂失效后,可在中心管内再下入小直径滤砂管,不动原防砂管进行二次防砂。在双管注水防砂中,用配套管柱可同时进行两个层段的注水防砂。4.环氧树脂滤砂管这种滤砂管是利用烧结的陶瓷管阻挡地层砂的侵入,挡砂精度和渗透率可由选择陶粒尺寸来实现,其结构与环氧树脂滤砂管大致相同,不同的是在陶瓷管外面又加了一层割缝套管,避免下井时碰撞,提高了滤砂管强度。陶瓷滤砂管渗透性强,耐高温,耐酸碱,强度高,适用于注蒸汽热采井防砂,也可用于《178mm或《140mm常规井防砂。5.管井冲管的使用这是针对水平裸眼井完井这一特殊情况设计的、可用于清洁井底的新型筛管。其中心管装有暂时堵塞器。当筛管下井时,堵塞器暂时阻止任何井液流经筛管,以防筛管达井底之前被堵塞,因此可用较小外径的冲管进行水平井段漏失循环介质和泥饼的清洗。由于能使用较小的冲洗管,井底钻具组合的质量大大减轻,冲管的柔性更大。当底部钻具组合通过弯曲的水平井段时,对筛管的潜在危害也减少了。完井时,由底部钻具组合的质量引起的摩阻可以预测。当筛管下井时,尽管没有使用内冲洗管组合,在下井和裸眼清洗过程中仍能保持筛管前部的循环能力。漏失循环介质被移出裸眼井段后,起出工作管柱,下入生产管柱,安装好油管后,流过筛管的酸液将暂时堵塞器溶解掉,即可投产。6.筛管系统循环的情况下,下井时保持循环,管鞋循环管管不使用冲洗管沿预制筛管中心管整个内径安装中空型堵塞器,在使用冲洗管的情况下保持循环。当筛管下井时,通过管鞋循环,不使用冲洗管,使筛管组合更轻,更具柔性,因而减少了摩擦阻力。在安装采油树、更换生产油管后,用酸液或铣具将塞子去掉。7.筛管滤层井壁将堵塞器放在带孔预制筛管外层,以避免沉重的井下完井组合通过长的裸眼段或要求旋转时,循环介质或下侧井壁岩屑进入筛管滤层而堵塞。它允许在较清洁的条件下将筛管下入并放置在井底,也允许扰动的循环液通过裸眼井段。当工作管柱下入或起出井筒时,筛管的作用如同一个机械式液体滤失隔层。该设计不需下入冲洗管,水平井完井可用生产油管进行,仅需一次起下钻,暂时堵塞器由流过筛管的酸液腐蚀掉。8.成型筛管的制备放置于内径筛管之间的砾石被多孔烧结塑料材料替代,塑料小球可在400°F的温度下熔合制成筛管。其优点是:①烧结塑料材料耐酸;②孔隙通道均匀,如果砂粒细得足以进入填料,这些砂粒将一直通过预制筛管;③光滑的塑料球面可避免筛管结垢,因此特别适合于注水井防砂。9.膨胀细圆砂防砂剂和孔隙率好的地层砂模板设计1995年8月在Oman油田试验了可膨胀割缝管。它是在管体上割出一系列交错排列且相互重叠的轴向割缝,根据割缝的尺寸,可胀开原有直径的几倍,而长度的缩短与直径的增加相比是较小的,一般割缝管径向膨胀50%,轴向缩短不到10%。另外,割缝的几何形状、锥形角度和锥底直径的正确组合可使该工具的直径扩展到大于膨胀心轴自身直径的10%以上,而使其扩张所要求的力相对较低。它可应用于水平裸眼井防砂,并稳定井壁。其优点是:①可用于直井、斜井,对水平裸眼井防砂效果更理想;②将筛网压紧靠在套管射孔孔眼上,可防地层砂随油流流出,亏空地层,故可保持地层应力,收到很好的防砂效果,尤其适用于油井先期防砂;③后期处理简单,不管是砾石填充还是其它滤砂管,防砂失败后,拔滤非常困难,而此法只需从工具的一端拉拔,割缝管可收缩到原有直径,用捞矛便可将防砂管柱起出井筒。10.新型滤砂管生产中由于油砂不断侵入过滤体孔隙,使油井产能下降,生产压差变大,造成生产不经济而需重新进行拔滤防砂作业。1993～1994年,美国LeeF.Whitbay和NohuoMorita先后研制出两种有较大外表面积、延长油井防砂周期、增加油井产量的新型滤砂管。前者是在带孔中心管与带孔套之间填充预填充材料,带孔套外再套楔形绕丝筛管。由于带孔套的外表面有纵向槽,故外表面积大于外面筛管表面积,渗流面积增大,降低了生产压差。通过有自洁作用的楔形筛管和预填充层实现油井防砂。后者滤砂管有5层挡砂精度不同叠加在一起的滤层,做成褶皱状固定在带孔中心管上,其优点是:①滤层呈褶皱状与带孔中心管相结合,增大了渗流面积;②5个滤层挡砂精度不同,通过选择不同的孔隙,形成挡砂能力强而渗透率高的过滤屏障;③5个滤层增加了筛管强度,在一层被破坏的情况下不会导致防砂失败。11.中心管金属网保护作用它是美国Pall公司研制的,由带孔中心管、2层不锈钢网、4层孔眼涂有金属粉末且孔眼大小不同的金属网及带孔外管组成,外管起支撑保护作用。其优点是:①中心管金属网及外管之间零间隙紧凑结构使其外径较小,适合于侧钻小井眼防砂和过油管防砂;②独立的层间结构及组成的韧性材料,即使在严重机械变形情况下,也不会影响防砂效果;③有较大的柔性,抗弯曲能力好,适合于水平井及大斜度井防砂;④不易堵塞,滤砂管渗透率高,生产压差小,生产能力强;⑤抗腐蚀性能好,可承受较高的拉应力,适合不同类型的油、气、水井防砂。12.分井保护杆组接合式该结构由美国研制(US5355949A),主要用于大斜度井或水平井防砂。它由筛管主体和保护框架组成。保护框架由轴向延伸、周向排列在筛管主体外侧的保护杆和支撑各个组成部分的环形杆组成。其优点是:①当筛管下入油井,特别是在较大作用力下穿过油井弯曲部分时,保护框架与井壁弯曲部分滑动接触,可防止筛管变形或产生塑性破坏;②在筛管外部与保护框架之间有一特定间隙,通过调整间隙,可使筛管穿过油井弯曲段时,筛管主体不与保护框架接触,从而起到有效防砂作用。13.绕丝筛管内套层压结合为解决水平井或大斜度井砾石填充中筛管上部填充不密实而防砂失效的难题,Sparlin等研制出双层半剖面绕丝筛管,由中心管和两层环形套组成,环形套一半是绕丝筛管,另一半为实体管。外套与内套交错焊接在带孔中心管上,并沿内外环形套安置一块遮挡板,从而在交错体内产生一曲线流道,以减少地层砂的堵塞。筛管在完井中需用定向装置安放,以减少滤砂管的堵塞和流体的直接侵蚀,并在填充不完全的情况下提高砾石填充效果。减泥砂防砂装置(1)对于出砂严重、生产压差大的直井、小斜度井,多采用绕丝筛管砾石填充防砂;对于出砂不太严重或大斜度井、水平井,多采用滤砂管防砂。由于施工难度大,填充材料和携砂液还需优选和完善,正处于现场试验研究阶段。(2)砾石填充趋向于正循环挤压填充,尤其是高压大排量正循环挤压填充,反循环挤压填充已基本不用,以提高炮眼内和筛套环空砾石填充密实程度,减少对地层的污染。(3)适用于大斜度井、水平井裸眼或套管井的新型滤砂管不断出现,主要有膨胀割缝防砂管、双层半剖面绕丝筛管及多层滤砂管等。(4)水平井砾石填充防砂采用旁通砾石填充法,砂浆在筛套环空出现的“砂桥”前面的分流管进入,而从砂桥后面的分流管流出。现正致力于带快速接头的旁通滤砂管的研制开发。(5)为便于施工和移运,防砂设备向集成化、橇装化发展,以使装置结构紧凑。(6)研制新型高效防砂设备或装置,如多层组合筛管的研制等,以提高油井的防砂能力。振动砾石填充防砂施工技术(1)水平井砾石填充防砂的研究刚刚起步,而国外已经进入现场施工应用阶段。(2)国外已大规模现场应用振动砾石填充防砂,国内虽已开展过研究,但在设备、施工队伍及观念上仍存在许多问题。(3)国外海井防砂基本都有专门的防砂橇装设备,国内则没有,无法保证海上油井防砂施工的进度和质量。(4)国内研制的滤砂管主要是对直井和小斜度井,还没有专门为大斜度井、水平井设计的防砂筛管。加强水平井砾石填充