不等密度布缝的割缝筛管完井新技术

不等密度布缝的割缝筛管完井新技术

井砂的直接影响是堵塞井，影响井产量，导致地层浪费，导致井壁坍塌，影响井筛和管道损坏，以及磨损泵和油杆。人们常常通过油气井产量控制、筛管完井、砾石充填完井、人为胶结地层以及其它化学方法来防止或减轻油井出砂,以达到提高油井产量、延长油井生产期和实现较好经济效益之目的。为此,国外石油公司投入大量资金研制各种新型完井设备,如G&LSlotoCo的割缝筛管、Petroline和Halliburton公司的膨胀式筛管以及Secure公司的绕丝筛管和MeshRite筛管等。针对欠压实、胶结疏松的油藏尤其是稠油油藏特点,并综合考虑经济等因素,笔者研制成不等密度布缝的新型割缝筛管,解决了稠油开采中的油井出砂问题。新雨棚设计1.砂堵和防砂效果差为了阻止砂砾并让油气流进入油井内,割缝筛管缝形可选择直缝或梯形缝。直缝简单、易制造,但砂砾可以自由通过缝隙进入油井内而不易形成砂桥,因此防砂效果较差,部分砂砾可能卡死在筛管的缝内,成为阻挡油气流进入油井的屏障。梯形缝较复杂,制造难度大,但砂砾可在缝处形成砂桥而阻止砂砾进入油井内,不会出现由于砂砾卡死在缝内造成砂堵的情况。因此,新型割缝筛管选择梯形缝较好。2.砂体直径、mm形成砂桥的条件是缝宽e不大于砂砾直径的2倍,即e＜2D10(1)e＜2D10(1)式中e——缝宽,mm;D10——砂砾累计分布曲线上占累积质量为10%所对应的砂砾直径,mm。砂砾直径用岩心粒度分析方法确定。所谓岩心粒度分析是指确定岩石中不同粗细质点的含量。筛分析法是最常用的方法,其步骤是:首先清洗掉样品表面粘附的原油并进行解集处理和烘干,使砂样变成无油污、干燥、洁净的单颗粒状态;再放入一组由不同孔眼尺寸筛网组成的顶部筛子中,把筛子放到声波振筛机或机械振筛机上振动一定时间,称量每个筛子中的颗粒质量;最后,根据称得的质量,计算筛目的累计百分比即可得出样品的粒度分析数据,图1为某油藏的岩心粒度分布曲线,根据该图可得知D10的值,从而确定缝宽。3.筛管的工艺设计根据对油藏砂砾粒度的分析,可确定缝的宽度e和长度L,结合油藏特点或防砂要求,可以确定套管缝所占面积与套管本体表面积的比例C。已知套管外径D、e、L和C,则每米所需的缝数目N为N=1000πCD/(eL)(2)Ν=1000πCD/(eL)(2)这里每个套管本体槽内镶嵌的不锈钢条数为3,显然在每个槽内形成4条缝。已知每米内缝数目N,则可计算出在套管本体上每米内所需开槽数目n和槽宽Wn=N/4(3)W=4e(4)n=Ν/4(3)W=4e(4)对笔者设计的筛管,每米内套管本体上开槽的数目为14条。因此,在制造过程中,可以根据开发要求或油藏特点,使一批筛管的缝宽e、槽宽W、每米内槽数目n和每米内缝数目N不同于另一批筛管。甚至在同一根筛管上,一部分筛管的e、W、n和N也可以不同于另一部分。这就实现了筛管不等密度和不等缝宽布缝的思想。4.新型割缝筛管根据以上设计的槽宽和每米开槽数目,新型筛管主要由镶嵌条组件和带台阶槽的套管组成。镶嵌条组件由不锈纲V形直条和隔离片组成,其材料类型由井下流体的成分、地温等因素确定。套管上槽的数量和宽度可由式(3)和(4)计算。其技术特点是:3根V形直条由2片隔离片分隔而组成镶嵌条组件,两根V形直条之间形成剖面为梯形、长边在套管内表面的倒V形缝。镶嵌条组件嵌入套管上带台阶槽后,两边的V形直条与套管上台阶槽的边形成两个半边倒V形缝。制造过程:先在套管本体上铣出一定数量的带台阶槽,再将3根V形直条由2片隔离片分隔开而组成镶嵌条组件,最后将镶嵌条组件装入套管上的带台阶槽内,用点焊法将镶嵌条组件固定在套管上的带台阶槽内,如图2所示。新型割缝筛管具有以下特点:(1)防砂效果好,不阻隔油气流,耐腐蚀,不易形成砂堵,使用寿命长;(2)可根据油藏油气流的组分和特点,选择防腐材料制成的镶嵌条组件,因此具有较好的防腐抗蚀性能;缝宽容易控制,便于实现筛管缝眼不等密度或不等缝宽布置。筛管破坏及受力分析筛管破坏的原因一般有:随着多孔介质油藏的开采,孔隙压力衰竭而导致地层压实,从而对筛管产生较大的围压而引起其破坏;地震或油藏压力衰竭导致断层滑动,筛管被剪断;腐蚀性钻井液、完井液或地层液对筛管的腐蚀破坏;地层下沉导致筛管弯曲变形;在油井的生产过程中,油井出砂或岩层下沉使筛管受不对称载荷作用而受到破坏;由于井眼不规则而导致筛管下入遇阻,需要上下往复活动筛管或旋转筛管以利于下入而引起的过大压缩载荷、拉伸载荷或扭转载荷等,都会破坏筛管;温度变化引起的温度应力破坏筛管;地层压实作用导致筛管螺纹连接失效。另外,因设计不合理造成筛管强度小于其受力也是使其失效的原因。但目前还未发现有关筛管破坏及受力分析研究成果的报道。在本研究中,将借用套管的工况和研究方法对新型筛管做安全性评价。1.地层压力和弯矩的影响(1)拉伸载荷在筛管下入过程中,筛管自身质量会导致其受拉伸载荷的作用;井底温度应力会产生拉伸载荷;在下入遇阻时,上下往复活动筛管也会产生拉伸载荷。(2)压缩载荷井眼不规则和大斜度井、水平井中套管或筛管与井壁间的摩阻会使筛管下入遇阻,需施加较大的轴向载荷。摩阻的大小取决于筛管的质量、筛管所受的压缩载荷、井壁粗糙度以及钻井液的类型;井底温度应力会产生压缩载荷;在下入遇阻时,上下往复活动筛管也会产生压缩载荷。套管外壁围压变化会产生轴向力。(3)扭转载荷在下入遇阻时,旋转筛管会产生扭转载荷。(4)外壁围压载荷上覆岩层压力是由孔隙流体和孔隙介质支撑,即上覆岩层压力σ等于孔隙流体压力p和孔隙介质压力τ之和。在正常压力地层中,孔隙压力梯度为10.5kPa/m,地层压力梯度为22.6kPa/m。在超高压地层中,孔隙压力梯度大于或远大于10.5kPa/m,地层是欠压实的。随着超高压、欠压实油藏的开采,孔隙压力会逐渐减小,地层会被逐渐压实并下沉,它对套管、筛管和砾石充填筛管的寿命有很大的影响。研究表明,地层压实作用对斜井中筛管的危害比直井中大,且随着井斜角的增大而增大;孔隙压力降低,筛管所受的围压增加,同时水平应力增加33%。此外,在油井生产过程中,不能通过筛管孔眼的砂粒在其外壁形成砂拱,也会对筛管产生围压。(5)弯矩在造斜井段、井斜角或方位角急剧变化的井段,筛管都会受到弯矩的作用;井底断层的滑移或岩层下沉也可能产生弯矩。2.准滤剂用量及筛管尺寸计算(1)许用拉伸载荷确定由于英寸N80套管的管体屈服强度F为1633kN,当套管每周开14个槽后,其承载面积减少而使许用拉伸载荷也相应减小,即筛管的许用拉伸载荷F1为F1=Fπ4(D2−d2)LW14π4(D2−d2)=1063.6(kN)F1=Fπ4(D2-d2)LW14π4(D2-d2)=1063.6(kΝ)式中d——套管内径,mm;F——套管体屈服强度,kN。(2)许用扭矩确定按理论计算,英寸N80套管发生剪切屈服时的扭矩T为T=τmaxIr(5)Τ=τmaxΙr(5)式中τmax——最大剪切应力,τmax=0.58×(σ1)max=319.58MPa;I——极惯性矩,I=π32(D4−d4)=1.297×10−5m4Ι=π32(D4-d4)=1.297×10-5m4;r——套管半径,m。代入式(5),得T=59213.61N·m。则筛管许用扭矩T1为T1=aT(6)Τ1=aΤ(6)式中a——修正系数,据实验确定。按材料力学简化模型计算,将筛管从开槽处切断,则槽间的部分形成14根矩形梁,设其扭矩主要由这14根矩形梁承担,根据筛管尺寸,计算出系数a=0.263。所以每根梁单独可承受最大扭矩Mnmax为Mnmax=τmaxahb2=80.16N⋅m(7)Μnmax=τmaxahb2=80.16Ν⋅m(7)式中h——梁高,m;b——梁宽,m。则14根梁可承受扭矩(即筛管的许用扭矩)为T1=1122.24N·m。防砂剂的参数设计(1)割缝筛管缝宽是决定