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高压挤压充填防砂工艺技术

一、概述
胜利油田地质构造复杂，油藏类型多。目前已开发的60余个油田中疏松砂岩油藏约占1/3，原油产量也占胜利油田总产量的30%以上，是胜利油田的主力生产油藏。疏松砂岩油藏一般地质年代新，埋藏浅，油层压实程度低，成岩性差，胶结疏松，开发过程中极易出砂，极大地影响了油田的正常开发和生产。因而，搞好疏松砂岩油藏防砂新技术的研发推广应用工作也就成为保持油井高产、稳产的重要措施之一。
胜利油田开发初期地层能量充足，地层颗粒间所受应力相对平衡；综合含水低，没有进行注水工作，地层粘土矿物不易分散运移，胶结相对较好；但有些油田，例如孤东油田，胶结特别疏松，开发初期即有出砂现象。基于这种油藏特点，为了有效地开发疏松砂岩油藏从七十年代初期开展了防砂工艺技术的研究攻关，到90年代中期逐步形成了三项成熟的主导防砂工艺：以绕丝筛管砾石充填、悬挂滤砂管为代表的机械防砂工艺技术；以涂料砂、固砂剂、干灰砂为代表的化学防砂工艺技术以及复合防砂工艺技术，这些技术的开发与应用基本满足了胜利油田开发初期的防砂的需要，确保了胜利油田自开发以来长期持续稳产。
随着油田随着油田的进一步勘探开发，油藏情况发生了新的变化：1）大量流体的产出，储层压力下降，储层砂体承载砂粒的负荷逐渐增加，砂粒间应力平衡受到破坏，胶结力降低，出砂日益严重；
2）地层亏空逐步增大。由于开采过程中油井不断出砂，地层亏空，长期下去造成井壁坍塌，甚至套管变形，防砂难度加大；
3）平均单井日产量递减迅速。为遏制这种情况的加剧，除采取注水等措施补充地层压力，提高油井产能外，从防砂角度讲应采取具有增产作用的防砂方法。
4）综合含水不断上升。含水的升高，加速了地层粘土矿物膨胀和运移，油层岩石胶结力进一步降低，这样不仅会堵塞油层孔隙，又加剧了油井的出砂。另外在高含水期，主要生产手段是靠大泵体液，提高采液强度。势必造成液流速度增加和生产压差增大，从而使油井出砂进一步加剧，高速含砂液流冲刷和放大生产压差对防砂挡砂屏障造成破坏，导致防砂失效，生产有效期也短。
5）注水开发使出砂进一步加剧。随着注水工作的进行，储层中粘土进一步膨胀分散，有的还会随地层流体的迁移使地层胶结力下降，而且在注水开发中为了保持产量必定要提高采液量，这样会增加地层流体的流速，加大流体对地层砂的冲拽力，增加了油井的出砂量。因此随着注水工作的深入，防砂难度越来越大。为了搞好油田开发进入中后期的防砂工作，研究并推广应用一种适应油田开发新特点的防砂技术十分必要。
自封封隔器
挤冲转换总称
冲 管
筛管
信号指示总称
挤压充填工具
二、高压挤压充填防砂工艺的研究
1、高压挤压充填防砂机理
高压挤压充填技术将大量石英砂挤进地层，在井筒附近形成多级挡砂屏障的高渗透带，大大增加了挡砂层的厚度，将地层砂和石英砂的混合面推向较远处，以扩大低渗透面的渗流面积，消除射孔孔眼附近的瓶颈阻流，降低生产压差，从而控制出砂，同时能有效地解除井筒附近的污染堵塞，并提高产能。
因此高压挤压充填防砂技术不但大大延长防砂有效期，而且具有良好的增产效果，是开发高含水期地层亏空井、污染井等有效的防砂技术手段。
2、高压挤压循环充填防砂工艺管柱
2.1单油层高压挤压循环充填防砂工艺管柱
1）管柱组成
该管柱由底部自封封隔器（皮碗、丝堵、桥塞）、挤充转换总成、绕丝筛管 、冲管、信号指示总成、高压挤压充填工具等组成，如图所示。
2）工艺原理及施工过程
①坐封丢手防砂管柱
将管柱下入设计位置后，投球坐封，封隔器将油套环空密封，进一步提高压力，实现丢手。
②地层高压挤压施工
携砂流体由油管通过充填口进入地层，当压力升高到一定程度后，停止加砂，进行顶替；
③环空充填施工
地层挤压施工完成后，为使充填更加密实，还应进行环空砾石充填，将油管上提2m，再放回原位，实现环空充填。（4）起出丢手管柱，下泵生产。
3）主要技术指标
适用套管：7in
最大外径：152mm
留井工具通径：98mm
施工最小当量通径：50mm
封隔压力：≥35MPa。
4）技术特点
① 一趟管柱可完成打桥塞、挤压、充填、 下生产封隔器等多个工序；
② 可实现无套压施工，有利于保护油层以上套管；
③ 更换密封件后，可满足热采井的高压防砂施工；
④由于高压挤压充填工具通径大、封隔压力高，可应用于压裂防砂井的施工；
⑤ 采用先丢手后施工，提高施工安全。
2.2长井段多油层分层高压挤压循环充填防砂工艺管柱
1）管柱组成
该管柱主要有顶部主封隔器、中间封隔器、内、外充填总成、信号器、绕丝筛管、挤充转换总成、自封封隔器等组成。
2）工艺原理及施工过程
① 坐封丢手防砂管柱。将管柱下入设计位置后，坐封顶部分隔器，丢手防砂管柱，再坐封中间封隔器；
② 底部油层挤压施工
调整管柱，使得内充填总成充填口与底部油层外充填口相对，此时内外充填口互相密封，冲管尾部由挤冲转换总称密封，实现施工过程中防砂内外管柱密闭，中间封隔器坐封后使得底部油层与上层、油套环空形成密封，这样在高压挤压过程中油管、底部筛套环空、地层形成一系统，冲管与油套环空形成一个密闭系统，两系统相互独立，达到无套压高压施工目的；携砂流体由油管通过底部充填口进入地层，当压力升高到一定程度后，停止加砂，进行顶替；
③底部油层环空充填施工
地层挤压施工完成后，将冲管尾部循环通道打开，使得筛套环空与冲管连通，进行环空充填施工，携砂流体由油管通过充填口，充填石英砂在筛套环空中沉降，循环液经冲管流出。当泵压上升到一定程度后，信号指示总称循环口开启地面停止加砂，将油管内携带石英砂全部循环到筛套环空，不需要进行反洗井施工；
④进行上部更多层地施工
上提管柱，使得内充填总成充填口与其它油层外充填口相对后进行逐个油层的施工；
⑤起出丢手管柱，下泵生产。
3）主要技术规范
适用套管：7in；
工具最大外径：150mm；
留井工具通径：86mm；
层间封隔压力：≥25MPa；
夹层长度：≥15m；
4）技术特点
① 能封闭其它层而只对某一油层实行分层挤压，保证防砂效果；
② 一趟管柱可完成两层或三层以上所有的防砂工序；
③ 实现无套压高压施工；
④ 先丢手后挤压充填施工，安全可靠性；
⑤ 能够实现挤压与充填工序间的转换，确保环空填满、填实，进一步提高防砂效果；
2.3 高压挤压循环充填防砂工艺参数设计
① 施工排量的设计
为确保化学防砂过程中，充填砂能够进入地层，施工排量应确保在炮眼附近携砂液的流速大于充填砂进入炮眼携砂液的最小流速VC，最小流速VC确定如下：
建立环空液固两相牛顿流体紊流临界流速理论模型，作如下假定：
流场中的紊流是均匀的和定常的；
紊流的范围是空间无限的；
颗粒是球形的；
作用于颗粒上的任何外力来源于位势场，如重力场等；
颗粒运移期间，其周围领域内由同样流体包围。
在此假定下得出确保充填砂进入炮眼携砂液的最小流速VC 为：
式中：Vc——临界流速； Cv——颗粒平均浓度；
nv——颗粒沉降受阻指数； γ——动力粘度；
g——重力加速度，m/s2； dp——颗粒平均直径，m；
△ρ——颗粒与液体之间的密度差； ρl——液体密度
Do——套管内径； Di——油管外径。
计算得出：用污水携砂时，充填砂进入炮眼携砂液的最小流速为39.5m/min；用300 mPa.s的中粘携砂液，充填砂进入炮眼携砂液的最小流速为11.7m/min，然后再根据具体井中射孔段的过流面积即可完成挤压排量的设计。
② 施工泵压的设计
挤压施工过程中，泵压可用下式表示：
Pw=Pf+Pp+Pe-Ph
式中：Pw——泵压； Pf——管汇、管柱、工具摩阻；
Pp——射孔眼摩阻； Pe——油层阻力； Ph——液柱阻力。
Pf主要表现为油管摩阻，其值可从不同介质中油管流量与摩阻关系曲线查得。
射孔眼摩阻Pp可根据Crump公式计算，表达式为：

式中： q——施工排量； ρ——携砂液密度；
Np——孔眼数目； Dp——孔眼直径；
Cd——孔眼流量系数，水携砂液取值0.5。
油层阻力Pe由油层流体压力和注充填液时的流体流动阻力组成，由于流体阻力的影响因素很多，如稠油及油层污染等，致使Pe常随井的不同而不同，应用时，可通过试挤测量瞬时停泵压力的方法得到Pe的值。
在实际施工中，注清洗剂的稳定压力即代表正常情况下右侧各项压力的总和Pw。
③ 充填砂量设计
设计充填砂量计算公式如下：
V=n（Vi+Vo）
式中： V——充填总砂量； Vi——筛套环空体积；
Vo——管外充填体积； n——经验系数，取值1.2~1.5；
管外充填体积计算如下：
Vo=πR2Hξ
式中： R——地层充填半径； H——射孔油层厚度；
ξ—地层充填系数一般取0.3~0.5。
④ 充填砂粒径的设计
充填砂粒径的设计目前普遍应用的还是Saucier理论和方法。根据Saucier的推荐，充填砂粒度中值为地层砂粒度中值的5~6倍，即
Dmg=（5~6）Dmf
式中： Dmg——充填砂粒度中值， Dmf ——地层砂粒度中值。
3、无套压高压挤压循环充填防砂工艺技术的应用
3.1在长井段多油层油井中的应用
多油层分层挤压充填防砂技术完成室内充分的实验后，2003年6月进入现场试验应用，到目前为止完成了3口井的现场先导试验（其中海上1口，陆上2口），防砂一次成功率达到100%，取得了明显的防砂增油效果。
（1）滨南采油厂尚9-13井
尚9-13井是1989年完钻并防砂投产的一口老井，初期日产油5.2吨，生产3年后，日产油量降为1.1吨，2001年5月关井至今，为长期停产井。该井井段长（跨度80.4m），夹层大（长49.1m），出砂严重，防砂难度大。常规的防砂技术难以解决该井的防砂难题，因此采用多油层分层挤压砾石充填防砂工艺新技术，用一趟管柱完成2个油层的施工。2003年6月7日，尚9-13井多油层防砂施工一次成功，施工排量900l/min~1100l/min，最高泵压15MPa，地层累计填砂15.4立方米，环空累计填砂0.33立方米。施工投产后，日产液18.2立方米，日产油12吨，含水34%，增产防砂效果明显。
（2）海上埕岛油田CB6C-4井
海上油田油井钻遇层数多、油层井段长、夹层大，油藏埋藏浅、胶结疏松，注水开发期出砂程度进一步加剧，防砂难度加大，进行分层砾石充填防砂显得尤为重要。CB6C-4井钻遇4个小层，油层跨度110.1米，夹层最大长度达83.2米，油井出砂严重，停产前日产液57.1吨，日产油56.8吨，含水0.5%。根据要求，采用多油层分层砾石充填防砂技术，对该井分2层进行施工。2003年7月19日，CB6C-4一趟管柱分层砾石充填防砂一次获得成功，施工排量500l/min～600l/min，最高泵压12MPa，下层循环填砂0.75m3，上层循环填砂0.72m3。防砂后下电泵生产，目前（9月28日），日产液52.3t，日产油50.5t，含水3.5%。在海上应用过程中，突出地显示了该技术井下定位显示精确、密封性能好、操作简单方便，施工周期短、成本低等优点。与传统砾石充填防砂相比，节约了3趟施工管柱，降低了作业强度，施工周期也缩短了三分之二；与国外同类技术在埕岛油田防砂情况相比，施工成本呈几十倍地降低，管柱结构更为简单合理，风险系数得到大幅度降低，防砂效果满足了设计要求。
该技术在海上CB6C-4井施工的顺利完成，为今后在海上埕岛油田及我国其它海上同类油田实现规模化应用奠定了基础，也为海上埕岛油田开发中后期防砂方法的优选提供了方向，为低成本高效益开发海上油田提供了有力的技术支撑。
3.2在亏空大含水高油井中的应用
孤东7-39-355井是1989投产的一口老井，生产井段1311.9m～1320.9m，先后采用涂料砂＋滤砂管复合防砂，干灰砂＋滤砂管防砂；抑砂剂＋滤砂管防砂，绕丝筛管砾石充填防砂等技术，该井地层亏空严重，含水高，防砂难度大，本次防砂前日产液39.7t，日产油3.0t，含水92.3%，2002年11月对该井重新进行高压挤压充填防砂，施工排量900 l/min~1100l/min，最高挤压泵压19MPa，地层挤砂量20.0m3，地层污水携砂，最大砂比33.3％，平均砂比26.5％，防砂后，日产液66.8t，日产油18.0t，含水72.9%，取得了良好的增产防砂效果。
3.3 压裂防砂施工中的应用
由于高压挤压充填工具通径大、封隔压力高，悬挂能力强，满足疏松砂岩油藏压裂防砂施工需要，因此我们在清河采油厂面120-4-10井大胆尝试了压裂充填热采防砂一体化工艺技术，并一次获得成功。
面120-4-10井油层埋藏浅，原油粘度高，地层砂粒度中值小，以前采用砾石充填后日产液4.6 m3，产油3.7t。为提高该井产量，并考虑防砂后的热采工作，胜利采油院及清河采油厂有关技术人员通过周密的方案论证，大胆尝试了压裂充填热采防砂一体化工艺技术。为确保施工一次成功，双方相关领导从设计到施工都进行严格把关、亲临现场指导，技术人员对工艺程序精心设计，对施工器材严格检验，对施工过程严密监督，排除一切不安全因素。由于一切工作精细，于2003年3月28日，压裂充填热采防砂一体化工艺技术在面120-4-10井现场试验一次成功，地层压裂填砂16.8m3，环空循环填砂0.5m3。施工后该井日产液量上升14.4 m3，日产油量上升8.3t，动液面上升102m。
据了解，该工艺目前国内未见同类实用文献及报道，属国内首创，达到了国内先进水平，填补了国内空白。
4、结论
4.1高压挤压充填防砂工艺技术具有增产、防砂双重作用，是解决油田开发中后期防砂问题的有效技术手段。
4.2分层能封闭其它层而只对某一油层实行分层挤压，杜绝了层间互窜，保证防砂效果，是多油层油井防砂的必选方式；
4.3 一趟管柱可完成两层或三层以上所有的防砂工序，缩短了施工周期；
4.4 无套压高压挤压充填防砂工艺技术在施工过程中保护了油井以上套管；
4.5 现场应用结果表明：高压挤压充填防砂工艺技术防砂成功率高、施工周期短、作业成本低、增产作用明显，防砂综合效果好。是目前国内领先的一种防砂技术。