机械防砂技术优化与升级.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 3作者简介:吕祥斌(1 9 9 0-),男,黑龙江大庆人,本科,工程师,研究方向:油田压裂、采油、提高采收率、井下作业等工程技术。机械防砂技术优化与升级吕祥斌(中国石油 吐哈油田分公司 工程技术处,新疆 哈密 8 3 9 0 0 0)摘要:随着油田的开发,含水的不断上升,出砂越加严重,另外,部分井原本不出砂,但压裂后或(吞吐)作业、套损后地层开始吐砂,导致产量降低,地面及井下设备磨蚀加剧,维护费用增加,影响了油井的正常生产,制约着油田的正常开发,常规的机械防砂技术成本高、有效期短,已经不能完全满足生产的需要。鉴于此,就机械防砂技术优化与升级这一主题,重点从小井眼防砂、高矿化度井防砂、套变套损井防砂、水平井防砂这四个技术进行深入地剖析,旨在促进机械防砂技术的提高,满足油田开发需求。关键词:机械防砂;小井眼防砂;高矿化度井防砂;套变套损井防砂;水平井防砂中图分类号:T E 3 5 8+.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 6-0 0 8 4-0 41 出砂原因分析油层原始胶结强度低,原始结构较松散,油组只能达到半胶结,随着油井的开采时间的增长胶结疏松的砂粒脱落运移,引起地层出砂。粘土矿物含量以蒙脱石/伊蒙混层为主,在生产过程中由于含水上升,粘土矿物膨胀运移引起地层结构发生破坏,骨架砂转换为松散砂开始运移,被流体带出,造成油井大量出砂。2 机械防砂机理2.1 防砂机理机械防砂是通过在井筒内下入充填工具和防砂管,然后在管外充填砾石进行防砂的一种物理防砂技术。根据砾石充填方式,主要分为循环充填防砂和高压挤压充填防砂两种方式。循环充填防砂是通过在防砂管与套管环空中填入砾石并高压压实,形成环空砾石和金属绕丝筛管(或割缝管)两级挡砂屏障,防止油井出砂,从而延长油井生产周期。从井筒向地层建立了两级挡砂屏障:(1)防砂管与套管之间压实的砾石对陶粒的阻挡作用;(2)井筒内防砂管挡砂屏障。高压挤压充填防砂技术首先是采用高压大排量在地层内产生裂缝、解除近井地带的污染堵塞,然后对目的地层进行变排量、高砂比高压填砂,并采用端部脱砂技术,在近井带、射孔孔道、筛套环空形成均匀、密实、稳定的高渗透滤砂屏障,改善近井带导流能力,从而达到既防砂又增产的目的。其主要防砂机理是从井筒向地层建立了三级挡砂屏障:(1)充满砾石的通道对地层砂的桥堵作用,以及供油面积的增加降低了流速、减轻了流体对微粒的冲刷和携带作用;(2)井筒周围的砾石形成的人工井壁对陶粒的阻挡作用;(3)井筒内筛管、砾石充填层也是挡砂的屏障。2.2 机械防砂工具原理机械防砂工具主要由充填工具、防砂管、扶正器、安全接头等组成。(1)充填工具:一趟管柱即可实现工具座封、砾石充填、丢手等全部充填过程;工具设有正转倒扣丢手机构,可保证工具顺利丢手和起出。充填工具设计为液压座封,工作压差:坐封压差1 0-1 5 MP a,打开通道压差1 5-2 5MP a,密封压差3 5 MP a。(2)防砂管:48 内蒙古石油化工2 0 2 3年第6期 绕丝筛管:采用全绕焊生产工艺,应用特制梯形绕丝组在呈圆周式排列的一组支撑上焊制而成,全程式焊接,保证产品的连续整体性,并具备承受高压力的性能。基管采用钢级不低于N 8 0的A P I标准管保证强度。挡砂精度:0.1-0.2 5 mm。玻璃钢割缝防砂管:缝截面为梯形(梯形角度为3-8度),割缝边缘垂直度好,切边光滑、无毛刺,割缝均匀,整体进行防腐处理;基管采用钢级不低于N 8 0的A P I标准管保证强度;挡砂精度:0.2 5-0.3 mm;割缝布局:可采用平行布局、螺旋布局等布局方式,缝数可根据需要任意调整。(3)扶正器:扶正器多采用刚性扶正器和树脂扶正器。刚性扶正器强度高,不宜破坏,扶正效果好,树脂扶正器强度低,便于防砂管柱后期打捞。使用时两者相互组合。2.3 防砂级别优选(1)防砂管选择标准进行充填防砂作业时,要求筛管缝隙的宽度应能够阻挡1 0 0%的砾石,通常选择筛管的缝隙尺寸略低于充填砾石的最小尺寸,常取最小砾石尺寸的1/4-2/3,推荐采用2/3计算。(2)充填砾石粒径选择标准充填砾石粒度中值为地层砂粒度中值的5-6倍防砂效果最佳,即:D5 0=(5-6)d5 0其中:D5 0为砾石平均直径,d5 0为地层砂平均直径。3 对机械防砂技术的剖析机械防砂技术的剖析,从机械防砂工具、矿化度的影响、套变套损井防砂管、水平井常规循环充填防砂四个方面进行剖析。技术难点主要是小直径充填工具外径减小,无法采用锚定装置,胶筒密封性减弱;部分地区矿化度达到1 2 00 0 0 m g/L,现有金属防砂管,容易锈蚀、堵塞,金属防砂管受高矿化度影响,消除影响比较困难;套变井、套损井防砂管规格受限,常规防砂工具入井易卡钻、循环充填容易砂堵;水平井在循环充填时,砾石受重力沉降易形成砂桥;长水平段循环充填过程中、流速逐级减小、携砂能力减弱,循环时极易脱砂。4 机械防砂技术优化与升级4.1 小直径防砂技术为了解决侧钻井、加深井等小套管油气井防砂需求,研发小直径防砂技术。采用无卡瓦悬挂设计代替常规工具双向锚定装置,设计多级胶筒增加密封性 和 悬 挂 力,研 发 了 适 用 于5 i n、4 1/2 i n、4 i n、3 3/4 i n、3 1/2 i n的小直径系列防砂工具,成功解决小井眼防砂难题。主要特点一是坐封时,可不投球,依靠流量压差坐封;也可投球逐级蹩压坐封。二是适用性广,既可用于直井,也可用于大斜度井和水平井。三是设计有防中途坐封机构(平衡压差),操作简单,可靠性高。四是41/2 i n及更小级别的防砂工具无支撑卡瓦,采用胶筒悬挂坐卡(类似Y 3 4 1结构)设计,后期解封打捞更省力。图1 小直径防砂工具示意图4.2 高矿化度井防砂技术为了解决高矿化度对金属防砂管锈蚀、堵塞,研究高矿化度井防砂技术。金属腐蚀原因:金属腐蚀,是金属和周围介质接触时由于发生化学和电化学作用而引起的破坏作用,金属防砂管的孔隙会慢慢与地层的油泥、细粉砂及无机盐产生(静电)吸附、堵塞;腐蚀穿孔。特别是温度越高,溶质浓度加大,腐蚀越快。优选玻璃钢防砂管取代金属防砂管,玻璃钢防砂管是以不饱和树脂/玻璃纤维复合材料加工成的58 2 0 2 3年第6期吕祥斌 机械防砂技术优化与升级玻璃钢油管为基管,线切割0.3 mm的缝隙加工成为割缝防砂管。主要优点一是玻璃钢筛管脆性高、易磨钻,适合在套变井中使用,消减了后期大修作业的风险;二是玻璃钢筛管具有抗腐蚀性,适用于水井、酸化井、矿化度较高的井,避免了因防腐蚀而造成的防砂失效;三是玻璃钢筛管具有绝缘性,不产生静电,因此不会与地层油泥的静电荷产生吸附,避免了吸附阻塞现象;四是玻璃钢防砂管脆性高,后期容易钻磨、打捞。捞获后直接拉拔,也可使用磨鞋钻除,将玻璃钢防砂管、尼龙扶正器、胶结的地层砂一起钻掉。玻璃钢防砂管的优选成功地消除了高矿化度对普通金属防砂管影响。4.3 套变、套损井防砂技术为了解决套变、套损井常规工具无法入井实现循环充填问题,研究套变、套损井防砂技术。研发悬挂防砂工艺解决无法实施循环充填的难题。工艺原理:在油层段下入新型多层金属网布防砂筛管,上部采用特殊设计的坐封丢手封隔器,并配套扶正器、安全接头等工具,将封隔器及防砂管悬挂在套管内形成防砂屏障。防砂后可建立长期有效的大通径生产通道,有效阻止水平段井筒砂埋,保证油井产能。主要优点一是防砂精度高,防砂筛管由七层防砂和支撑材料组成,防砂精度达到0.1 5-0.2 mm,且根据出砂砂径可进行调整;二是防砂后通径大,防砂后管柱通径5 2 mm,不影响后期测试、冲砂 等 措 施;三 是 抗 套 变 能 力 强,防 砂 管 外 径8 9 mm,可下入通径9 5mm的套管。防砂管强度高,防砂时能承受一定的套变挤压。研发Y 4 4 5可丢手封隔器+可溶式单向坐封阀配合悬挂防砂,工作原理:下管柱时,坐封阀开启,环空液体可自由进入管柱中。坐封时,单流阀关闭,2 8 MP a完成封隔器坐封。上提1 3 0-1 5 0 KN封隔器丢手,封隔器及防砂管悬挂在套管内形成防砂屏障,可溶球可在地层液体内溶解。开始溶解时间1 2-1 5 h,溶解完毕时间1 2-1 5天。可溶球配合座封后溶解形成大通径产液通道,不影响后期测试、冲砂等措施。为配合悬挂防砂,优选多层金属网布防砂筛管,采用双层不锈钢金属密纹过滤网过滤结构,防砂可靠性高,抗破坏能力强;在双层过滤网中间增设了中间支撑泄流网,改善了流动特性;筛套式结构,过流面积大,产量高;外径小,重量轻,强度高,便于在长距离水平段上推动到位;耐酸碱、耐高温,寿命长;滤孔均匀,渗透率高,防堵能力强;抗变形能力强,直径变形5 0%后,性能仍然完好,满足水平井使用要求;加工工艺:过滤层无损焊接,强度高,抗破坏能力强;施工简单、操作方便,有利于降低施工费用、提高施工成功率。研发无接箍割缝管,以普通割缝管为基管,两端的接头等径设计。成功解决了常规工具无法入井的问题。主要优点一是这种防砂管可以根据井眼尺寸随时定制,特别适合套变井、套损井使用。二是后期打捞容易,焊接部分能承受不少于2 5 0 k N上提负荷;当割缝管卡死可继续拔钻从焊接处破断,再进行套铣打捞。4.4 水平井分段循环防砂技术为了解决长水平井无法实施循环充填防砂难题,研究分段循环充填防砂技术。水平井循环充填砾石沉降原因分析:(1)筛套环空砂浆流速降低;(2)防砂筛管滤失:筛套环空流量减小;(3)地层滤失:筛套环空流量减小。当充填砂堤升高到井筒顶部时,砾石到达其最大充填长度,在其前端就不能再充填上砾石,形成亏空区。通过砾石沉降原因分析表明:水平井在循环充填时,砾石受流速、流量影响在重力沉降易形成砂桥,常规循环充填无法满足。研究分段充填工艺。工艺原理:在常规的循环充填工具串下入分段充填工具,将长水平段分为若干小段,进行充填。当第一次充填结束压力上升8-1 0 MP a,内外压差剪断销钉滑套打开,露出分段充填工具分段充填孔,实施第二段充填。主要优点一是防砂效果好把井筒分成若干段充填,可以减小滤失流量,保证流速,有效防止提前脱砂,使在整个防砂井段均匀密实。二是节省防砂材料,把井筒分成若干段充填,可以在射孔层夹层使用基管代替防砂管,减少防砂管的使用,节省成本。改进分段循环充填工具,将以前分段充填工具的长度由1.1米改进成3.5米,防止因分层级数增大误差导致充填阀无法插入充填套。分段充填工具在其上下两端分别有传压孔,当第一次充填结束压力上升8-1 0 MP a,内外压差剪断销钉滑套打开,68 内蒙古石油化工2 0 2 3年第6期 露出分段充填孔自动实现分段充填的转换。5 现场应用效果自2 0 1 9年机械防砂技术优化与升级以来,机械防砂工艺技术累计施工2 6井次。(1)小直径防砂技术在MC 2 6井应用,MC 2 6井是一口侧钻井,采用51/2 套管内悬挂33/4 小套管(内径8 4.2 3 mm)完井,新投压裂后出砂严重,需在33/4 小套管内实施防砂措施,恢复油气井生产。由于套管限制,采用M I N I-7 7充填工具及配套小直径防砂工具进行施工。MC 2 6井下入工具到位后,配合循环充填程序正常施工结束,有效的防止了地层出砂,恢复该井的产量,初始产油5.8 m3,日产气4.5万方,达到了预期的施工效果。目前仍日产油2吨,产气1.3万方。(2)高矿化度防砂技术在Y 6-5 5井应用,雁木西区块因高矿化度(1.21 0 5 m g/L)导致吸附阻塞、锈蚀影响油井正常生产。Y 6-5 5井2 0 1 8年8月采用循环充填+玻璃钢防砂管作业后至今正常机抽生产,效果良好。(3)套变、套损井防砂技术在M 5 6-2 5 1 H井应用,M 5 6-2 5 1 H井套管破损后出砂,在冲砂后地层再次出砂掩埋井筒2 2 0米。需要进行防砂施工。根据井况,该井采用悬挂防砂施工。按照管柱结构下入预定位置后丢手,完成施工。从2 0 1 9年6月防砂施工后先自喷生产,日产油1 2.4吨,后机抽生产至2 0 2 0年5月底已经产油2 2 8 0方,防砂效果明显。(4)分段循环充填技术在Y 2水平井应用,英2水平井位于鲁克沁采油厂东二区的库木塔格沙漠边沿,采用割缝筛管完井投产,前期因出砂严重导致停产,两次冲砂、检泵作业均无效果,决定采用水平井专用防砂工具进行分段循环充填防砂作业。该井防砂1 6 5米,分4段充填,刷新了分段级数以及工具串长度的最高记录。该井防砂前是停躺井无产量,防砂后日产油3吨,使死井复活。Y 1 2-P 1井多元热采后筛管套损停井,配套水平井精密防砂管充填防砂1 5 4米,分4段充填(复合滤砂管8 6.4 m),填砂2.3 m3,防砂成功后实施二氧化碳吞吐。表1 机械防砂技术应用情况统计表序号井号套管尺寸(i n)出砂类型防砂方式防砂管1MC 2 63-3/4 小井眼产层出砂循环充填无接箍割缝防砂管2Y 6-5 55-1/2 产层出砂循环充填玻璃钢割缝管3L 2新7 产层出砂高压充填普通绕丝筛管4Y B 1 6-1 2 15-1/2 压裂后产层出砂循环充填普通绕丝筛管5M 5 6-2 5 1 H5-1/2 水平段产层出砂悬挂防砂复合滤网式防砂6Y 1 2-P 27 水平段产层出砂分段循环充填普通绕丝筛管7M 5 6-3 2 1 H5-1/2 水平段产层出砂水平悬挂防砂复合滤网式防砂8Y 1 8 H7 水平段产层出砂水平井分段防砂普通绕丝筛管9L 1-1 07 产层出砂循环充填普通绕丝筛管1 0Y D 4-2 17 产层出砂循环充填普通绕丝筛管6 结束语机械防砂技术的优化与升级成功地解决了目前各种复杂井筒治理防砂难题,为老井复产、油田增产提供了一定技术支撑。今后将持续开展研究,根据油田开发需要进一步优化防砂技术。参考文献1 蔡云.油井出砂机理分析及防砂措施研究J.中国 石 油 与 化 工 标 准 与 质 量,2 0 2 0(1):1 8 4-1 8 5.2 赵洪瑞.出砂井原因分析及治理工艺J.化学工程与装备,2 0 2 0(6):1 4 6-1 8 5.3 王希玲,朱春明,康敬水等.机械完井防砂方式优选研究与应用J.新疆石油天 然气,2 0 1 2,8(3):4 2-4 4.78 2 0 2 3年第6期吕祥斌 机械防砂技术优化与升级