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1、第八章复杂条件下的开采技术 主要内容 防砂与清砂 防蜡与清蜡 油井堵水 稠油与高凝油开采技术 低渗透油田开发技术 井底处理新技术简介 油层出砂是由于井底附近地带的岩石结构被破坏 储层中松散砂粒随产出液流向井底的现象 第一节防砂与清砂 出砂危害 砂埋油层或井筒砂堵造成油井停产 出砂使地面和井下设备严重磨蚀 砂卡 冲砂检泵 地面清罐等维修工作量巨增 出砂严重时还会引起井壁坍塌而损坏套管 一 油层出砂机理及出砂原因 一 油层出砂机理 井筒及射孔孔眼附近岩石受切向应力 压应力 与径向应力 r差过大 造成岩石的剪切破坏 离井筒或射孔孔眼的距离不同 产生破坏的程度也不同 1 剪切破坏机理 炮眼周围地层受损
2、情况 井壁附近地层中过高的压应力导致井筒附近剪切破坏 流体的高速运动 地层压力的衰减和含水量的增加 会加重油气井的出砂过程度 2 拉伸破坏机理 径向流动产生孔穴壁的拉伸破坏 生产压差过大 突然建立生产压差 开采速度过高 会加剧岩石拉伸破坏 一般来说 地层剪切破坏引发地层突发性大量出砂 而拉伸破坏引起地层细砂长流 开采时 井筒周围压力梯度及流体的摩擦携带 拖曳力 作用下 岩石承受拉伸应力 当此力超过岩石的抗拉强度时 岩石发生拉伸剥离破坏 二 油层出砂原因 1 地质因素 油层出砂因素可以归结为 地质因素和开采因素 其中地质因素是内因 开采因素是外因 应力状态 钻井前砂岩油层处于应力平衡状态 钻开油
3、层后 造成井壁附近岩石的应力集中 井壁附近岩石容易变形和破坏 井筒附近地层所受的应力主要包括岩石垂向应力 水平应力 构造应力 孔隙压力 钻井产生的井筒应变和产出液对地层的拖曳力等 岩石的胶结状态 胶结物类型 硅质 铁质胶结强度最大 碳酸盐次之 粘土最差 胶结物含量 同一类胶结物 胶结物含量越大 胶结强度越大 胶结类型 基底胶结强度最大 胶结物含量最多 孔隙胶结次之 接触胶结最差 a为基底胶结b为接触胶结c为孔隙胶结 出砂油层岩石以接触胶结 孔隙 接触式胶结为主 渗透率的影响 当其它条件相同时 油层的渗透率越高 其胶结强度越低 油层越容易出砂 老君庙油田L层统计资料 2 开采因素 由于固井质量差
4、 使得套管外水泥环和井壁岩石没有粘在一起 在生产中形成高低压层的串通 使井壁岩石不断受到冲刷 粘土夹层膨胀 岩石胶结遭到破坏 导致油井出砂 如果射孔密度过大 有可能使套管破裂和砂岩油层结构遭到破坏 引起油井出砂 射孔密度 固井质量 油层压力降低 增加了地应力对岩石颗粒的挤压作用 扰乱了颗粒间的胶结 油层含水后部分胶结物被溶解使得岩石胶结强度降低 其它因素 不适当的措施 降低了油层岩石胶结强度 使得油层变得疏松而出砂 流体渗流而产生的对油层岩石的冲刷力和对颗粒的拖曳力是疏松油层出砂的重要原因 油 水井工作制度的突然变化 压力梯度 使得油层岩石受力状况发生变化 也容易引起油层出砂 油井工作制度 二
5、 防砂方法 一 制定合理的开采措施 1 制定合理的油井工作制度 通过生产试验使所确定的生产压差不会造成油井大量出砂 控制生产压差 对于受生产压差限制而无法满足采油速度的油层 要在采取必要的防砂措施之后提高生产压差 2 加强出砂层油水井的管理 开 关操作要求平稳 对易出砂的油井应避免强烈抽汲等诱流措施 3 对胶结疏松的油层 酸化 压裂等措施要求慎重 4 正确选择完井方法和改善完井工艺 二 采取合理的防砂工艺方法 1 机械防砂 1 下入防砂管柱挡砂 如割缝衬管 绕丝筛管 胶结滤砂管 双层或多层筛管等 这类方法工艺简单 具有一定的防砂效果 但由于防砂管柱的缝隙或孔隙易被油层细砂所堵塞 一般效果差 寿
6、命短 用油管连接防砂管柱直接下入井内正对出砂层段 阻止地层砂进入井筒 割缝衬管 衬管外自然分选形成 砂桥 示意图1 油层 2 砂桥 3 缝眼 4 井筒 允许一定大小的 能被原油携带到地面的细小砂粒通过 而把较大的砂粒阻挡在衬管外面 大砂粒在衬管外形成砂桥 达到防砂目的 缝眼形状 剖面呈梯形 衬管内表面为梯形大的底边 缝口宽度 梯形小底边的宽度不大于砂粒直径的两倍 e 2D10 割缝缝眼形状 平行割缝衬管的缝眼长度取L 50 300mm 垂直割缝衬管取L 20 50mm 绕丝筛管 绕丝为不锈钢丝 绕丝 截面为三角形 和纵筋的交叉点用电焊焊在一起 两端切平 焊上节箍 筛管套在带孔的中心管上 且两端
7、焊在中心管上 耐腐蚀 工作寿命长 筛缝外窄内宽 具有一定的 自洁 作用 缝隙最小可达0 1mm 在制造工艺上能达到防砂的各种缝隙要求 连续绕丝形成连续缝隙 流通面积大 施工中不宜堵塞 作业成功率高 优点 绕丝筛管剖面 绕丝筛管特点 耐腐蚀 工作寿命长 外窄内宽的筛缝具有一定的 自洁 作用 连续绕丝形成连续缝隙 流通面积大 在制造工艺上能达到防砂的各种缝隙要求 其缺点是造价高 通常为割缝衬管的2 3倍 割缝衬管特点 耐腐蚀差 缝隙尺寸易受腐蚀而增大使防砂有效期短 成本低 缝隙尺寸决定于铣刀的宽度和强度 0 30mm以下的割缝宽度加工困难 因而割缝衬管适用于中 粗油层砂 绕丝筛管与割缝衬管的比较
8、滤砂管防砂 双层预充填绕丝筛管 在地面预先将符合油层特性要求的预涂层砾石填入内外管之间 在一定条件下使其固结 形成预涂层砾石双层筛管 将筛管下入井内 对准油层 起到挡砂作用 适应条件 不分采 粒度中值为0 08mm以上的中粗砂岩地层 常规套管完成的垂直井 斜井 定向井和水平井 产出液粘度低于2000mPa s 双层预充填绕丝筛管 金属棉滤砂管 金属棉滤砂管由滤砂片镶嵌在滤砂管壁上制成 滤砂片内为堆积的金属纤维 纤维之间形成若干缝隙 允许流体通过并阻挡地层砂 其缝隙的大小与纤维的堆集紧密程度有关 1 不锈钢金属棉丝 2 保护套 3 中心管 4 扶正器 金属棉滤砂管耐高温 360 高压 18 9M
9、Pa 耐腐蚀 PH值8 12 渗透率高 导流能力好 金属纤维富有弹性 在一定驱动力下 小砂粒可以通过缝隙 避免金属纤维被填死 挡砂精度高 可防粒度中值大于0 06mm的地层砂 金属棉滤砂管防砂井下管柱 环氧树脂滤砂管 0 1mm 陶瓷滤砂管 0 1mm 冶金粉末滤砂管 0 03mm 砾石充填防砂方法是指将割缝衬管或绕丝筛管下入井内防砂层段处 用一定质量的流体携带地面选好的具有一定粒度的砾石 充填于管和油层之间 形成一定厚度的砾石层 以阻止油层砂粒流入井内的防砂方法 砾石充填防砂示意图 充填物 砾石 果壳 果核 塑料颗粒 玻璃球或陶粒等 2 下入防砂管柱加充填物 防砂效果好 有效期长 优点 D5
10、0 d50与砾石渗透率关系曲线 砾石尺寸设计普遍使用索西埃 Saucier 公式 D50 5 6 d50 砾石挡砂机理示意图 此时砾石充填带的有效渗透率 地层渗透率最大 砾石尺寸过大会造成砂侵 引起砾石层渗透率严重下降 一般在最佳范围内使用较小值 2 化学防砂 1 人工胶结砂层防砂方法 从地面向油层挤入液体胶结剂及增孔剂 然后使胶结剂固化 在油气层层面附近形成具有一定胶结强度及渗透性的胶结砂层 达到防砂目的的方法 化学方法适用于渗透率相对均匀的薄层段 在粉细砂岩油层中的防砂效果优于机械防砂 缺点 老化现象 成本较高 2 人工井壁防砂方法 地面将支撑剂和未固化的胶结剂按一定比例拌和均匀 用液体携
11、至井下挤入油层出砂部位 在套管外形成具有一定强度和渗透性的壁面 阻止油层砂粒流入井内又不影响油井生产 3 焦化防砂 向油层提供热能 促使原油在砂粒表面焦化 形成具有胶结力的焦化薄层 主要有注热空气固砂和短期火烧油层固砂两种方法 4 砂拱防砂 依靠油气层砂粒在炮眼口处形成具有一定承载能力的砂拱 达到防砂目的 该方法成败的关键在于砂拱的稳定性 保证砂拱稳定性必须考虑两个关键问题 一是降低并稳定油层流体速度 二是保持或提高井筒周围油层的径向应力 5 复合防砂方法 复合防砂效果比单一的机械防砂或化学防砂好 有效期长 一般用在单种防砂方法效果较差时 尤其用于粉细砂岩 渗透性差的地层 也用于地层亏空严重的
12、老井防砂 利用机械防砂和化学防砂的优点相互补充 利用化学方法固结地层砂或注入涂料砂 水泥或树脂砂浆等 在近井地带形成一个渗透性较好较好的人工井壁 利用机械防砂管柱形成二次挡砂屏障 起到很好的防砂效果 PS稠油防砂工艺技术 PS防砂技术采用在油管中用粒径0 3 0 6mm石英砂 粒径0 4 0 8mm涂料砂挡砂 固砂 在井筒中用绕丝筛管防砂这三重挡砂屏障 油井生产周期延长 适用于稀 稠油气井 冷采井 蒸汽吞吐井 粉 细砂岩等各类地层 任意井深的疏松砂岩地层防砂 适用于出砂严重 地层亏空大的油气井防砂 特别适应于因油层套管变形破裂出砂严重而无法采用机械防砂的油气井 不同防砂方法适应性筛选表 三 清
13、砂方法 冲砂 通过冲管 油管或油套环空向井底注入高速流体冲散砂堵 由循环上返液体将砂粒带到地面 以解除油水井砂堵的工艺措施 捞砂 用钢丝绳向井内下入专门的捞砂工具 捞砂筒 将井底积存的砂粒捞到地面上来的方法 一般适用于砂堵不严重 井浅 油层压力低或有漏失层等无法建立循环的油井 1 冲砂液 冲砂液的基本要求 1 具有一定的粘度 以保证具有良好的携砂能力 2 具有一定的密度 以便形成适当的液柱压力 防止井喷 3 不损害油层 4 来源广泛 价廉等 2 冲砂方式 1 正冲砂 冲砂液由冲砂管 或油管 泵入 被冲散的砂粒随冲砂液一起沿油套环空返至地面的冲砂方法 2 反冲砂 冲砂液由油套环空泵入 被冲散的砂
14、粒随冲砂液一起从油管返至地面的冲砂方法 正冲砂冲击力大 易冲散砂堵 但因管套环空截面积大 液流上返速度小 携砂能力低 易在冲砂过程中发生卡管事故 要提高液流上返速度就必须提高冲砂液的用量 反冲砂冲击力小 但液流上返速度大 携砂能力强 不同点 3 正反冲砂 优点 可提高冲砂效率 既具有正冲砂冲击力大的优点 又具有反冲砂上返液流速高 携带能力强的优点 同时又不需要改换冲洗方式的地面设备 先用正冲砂将砂堵冲散 使砂粒处于悬浮状态 再迅速改为反冲砂 将冲散的砂粒从油管内返出地面的冲砂方式 缺点 采用正反冲砂方式时 地面相应配套有改换冲洗方式的总机关 冲砂管柱距底端一定距离处装有分流器 用以改变液流通道
15、 冲砂液从油套环空进入井内 经分流器进入下部冲砂管冲开砂堵 被冲散的砂粒随同液体先从下部冲砂管与套管环空返至分流器后 便进入上部冲砂管内返至地面 4 联合冲砂 优点 具有正冲砂冲击力大的优点 具有反冲砂携砂能力强的优点 不需要改换冲洗方式的地面设备 第二节防蜡与清蜡 石蜡 C原子个数从16到64的烷烃 C16H34 C64H130 纯石蜡为白色 略带透明的结晶体 密度880 905kg m3 熔点为49 60 结蜡现象 对于溶有一定量石蜡的原油 在开采过程中 随着温度 压力的降低和气体的析出 溶解的石蜡便以结晶析出 长大聚集和沉积在管壁等固相表面上 即出现所谓的结蜡现象 油井结蜡的危害 1 影
16、响着流体举升的过流断面 增加了流动阻力 2 影响着抽油设备的正常工作 一 油井防蜡机理 一 油井结蜡的过程 当温度降至析蜡点以下时 蜡以结晶形式从原油中析出 温度 压力继续降低和气体析出 结晶析出的蜡聚集长大形成蜡晶体 蜡晶体沉积于管道和设备等的表面上 蜡的初始结晶温度或析蜡点 当温度降低到某一值时 原油中溶解的蜡便开始析出 蜡开始析出的温度 二 影响结蜡的因素 1 原油的性质及含蜡量 2 原油中的胶质 沥青质 原油中含蜡量越高 油井就越容易结蜡 原油中所含轻质馏分越多 则蜡的初始结晶温度就越低 保持溶解状态的蜡就越多 即蜡不易析出 胶质含量增加 蜡的初始结晶温度降低 沥青质对石蜡结晶起到良好的分散作用 不易聚集长大 胶质 沥青质同时存在时 使蜡结晶分散得均匀致密 与胶质结合得较紧密 在管壁上的沉积强度明显增加 不易被油流冲走 3 压力和溶解气 蜡的初始结晶温度与压力 溶解气油比关系 高于饱和压力 随着压力的降低 蜡的初始结晶温度降低 低于饱和压力 随着压力的降低 蜡的初始结晶温度升高 焦耳 汤姆逊效应 气体膨胀是吸热过程 同一压力下 溶解气油比R越大 蜡的初始结晶温度越低 4 原油中
