第六章 出砂机理及防砂.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,6.1,概述,6.2,出砂机理与预测,6.3,防砂方法与技术,6.4,防砂工具,本章内容,第六章 出砂机理及防砂,出砂是由于油气井开采和作业等综合因素造成井底附近地层破坏，导致剥落的地层砂随地层流体进入井筒，而对油气井生产造成不利影响的现象。,骨架砂,地层砂可以分两种,：,填隙物,6.1,概述,一、定义,二、影响地层出砂因素，三大类：,1,、地质因素,2,、开采因素,3,、完井因素,人为因素,自然因素,构造应力的影响,颗粒胶结性质,流体性质,地层压降及生产压差对出砂的影响,流速对出砂的影响,含水上升或注水对出砂的影响,地层伤害的影响,射孔孔道填充物对出砂的影响,射孔参数对出砂的影响,6.1,概述,1,、砂粒可能在井内沉积并形成砂堵，产量降低；,2,、砂粒将磨损井内和地表设备，卡抽油泵进出口凡尔、活塞、衬套等；,3,、出砂严重的井还可能引起井壁坍塌而损坏套管和衬管、砂埋油层导致油气井停产，使采油的难度和成本都显著提高等等。,4,、污染环境，尤其是海洋油气田。,6.1,概述,三、出砂的危害,出砂地层根据地层砂胶结强度大小分成三种类型，每一类型有各自出砂特征。,1.,流砂地层,指没有胶结的地层砂。流砂地层仅靠很小的流体附着力和周围环境圈闭的压实力来聚集。这种地层一旦开井投产便连续不断出砂，但产出液含砂量相对稳定，基本是一常数。,虽然累计出砂量不断增大，但套管周围不会出现地层空穴，只是地层越来越松。,6.1,概述,四、出砂地层类型及出砂特征,2.,部分胶结地层,含胶结物量少，胶结力弱，地层强度低。投产后地层砂会在炮眼附近剥落，逐渐发展成空穴，剥落的地层砂进入井筒极易添满井底，堵塞炮管。,其产出液含砂量变化很大。,6.1,概述,3,、脆性砂地层,也称易碎砂地层，较多胶结物，中等胶结强度砂岩。,开始投产时出砂几天或几周，随后出砂量大减，几乎无砂产出，到一定可能重新出砂。,因出砂过程中套管外部地层冲蚀空穴突然增大，过流面积成倍增长，地层流体流速大幅下降，导致出砂量明显下降。当单位面积流体流速达到一定值时，又会出现地层砂大块坍塌，过流面积倍增而停止出砂，出现另一个周期。,周而复始任其发展，洞穴将越来越大，最终形成灾难性地层坍塌，使套管变形而报废。,6.1,概述,1,、拉伸破坏机理,6.2,出砂机理与预测,随内外压差增大，流体流向井内的流速也增大，对岩石的拖曳力增大，岩石承受拉伸力也增大，当该力超过岩石抗拉伸强度时，岩石就会遭受拉伸破坏。,一、地层出砂机理,2,、剪切破坏,上覆岩层压力由孔隙压力与骨架应力共同平衡。随开采进行，油藏压力逐渐降低，施加在岩石骨架上的压力越来越大，当该力超过岩石的抗剪切应力，岩石就会被剪切破坏。,6.2,出砂机理与预测,一、地层出砂机理,地层中存在诸如粘土之类精细颗粒，会随产出液一起运移，造成井壁周围渗透率降低（地层损伤的一种），增加了流体的拖曳力，导致出砂。,6.2,出砂机理与预测,3,、精细颗粒的影响,一、地层出砂机理,二、油井出砂预测方法,有以下三种：,1,、现场观测法,2,、经验分析法,3,、应力分析法,岩心观察,DST,测试,邻井状态,岩石胶结物,声波时差法,地层孔隙度法,组合模量法,出砂指数法,6.2,出砂机理与预测,1,）裸眼井井筒附近应力分布,（,1,）裸眼井井筒附近应力分布的一般方法,（,2,）考虑孔隙流体的压力效应地层中任一点应力分布,2,）射孔完成井出砂预测方法,（,1,）沿最大水平主应力方向射孔时，求得孔眼周围地层的应力分布,2,）沿最小水平主应力方向射孔时，求得孔眼周围地层的应力分布,油井防砂方法有以下几种：,1,、机械防砂法,2,、化学防砂法,3,、焦化防砂法,4,、复合防砂法,5,、其他防砂法,仅下机械防砂管柱的方法,降低流速法,一、防砂方法,防砂管柱砾石充填的方法,人工胶结地层法,人工井壁法,增大油层径向应力,向地层挤入树脂砂浆液、乳化水泥、预涂层砾石、水带干灰砂等,向地层通入热能，使原油在砂粒表面焦化，形成具有胶结力的薄胶结层,机械防砂法,化学防砂法,+,增加射孔段长度、增加射孔密度；控制产量。,裸眼产层膨胀式封隔器,6.3,防砂方法与技术,1,、机械防砂,（,1,）滤砂器防砂原理,二、各防砂方法防砂原理,地层砂产出后，经过滤砂器才可到达地面，滤砂器具有高渗透性，但可以阻挡地层砂通过。,A,、绕丝筛管,B,、割缝衬管,不锈钢绕丝,筋板,基板,C,、双层预充填砾石绕丝筛管防砂,D,、金属棉滤砂管防砂,E,、陶瓷滤砂管,F,、树脂石英砂滤砂管防砂,6.3,防砂方法与技术,B,、割缝衬管,套管,割线,垂直于轴线的,(L=20-50mm),平行于轴线的（,L=50-300mm,）,C,、双层预充填砾石绕丝筛管防砂,内外绕丝筛管,砾石,中心管,D,、金属棉滤砂管防砂,带孔基管,金属棉,保护管,二、各防砂方法防砂原理,6.3,防砂方法与技术,二、各防砂方法防砂原理,E,、陶瓷滤砂管,外管,陶瓷管,密封F,、树脂石英砂滤砂管防砂,滤砂管,引鞋,中心管,G,、多孔冶金粉末滤砂管,由铁粉或铜粉烧结而成，然后用铜合金包覆金属粉末。,6.3,防砂方法与技术,（,2,）筛管砾石充填防砂机理,首先将筛管或割缝衬管下到出砂层段，用一定质量流体将一定粒度砾石携带到防砂段，充填在筛管与地层之间或筛管与套管之间，将地层砂挡在砾石层外，形成一个由粗到细的砂拱，良好流通能力，又能阻止油层出砂。,1,、先期裸眼绕丝筛管砾石充填防砂,2,、套管完井筛管砾石充填防砂,滤砂器管柱,砾石填充,油管,套管,水泥环,油藏,滤砂器管柱,砾石填充,射孔,管外充填,管内充填,先期,长期出砂的老井,6.3,防砂方法与技术,（,1,）人工胶结固砂方法,酚醛树脂胶结砂层,酚醛溶液地下合成防砂,（,2,）人工井壁防砂法,预涂层砾石人工井壁,水泥砂浆人工井壁,树脂核桃壳人工井壁,树脂砂浆人工井壁,2,、化学防砂的机理,适用在早期防砂,先期、早期防砂方法,苯酚,甲醛,催化剂,柴油作为增孔剂,+,施工简单,成功率高,胶结后的砾石的抗折强度大,渗透率可在原渗透率的,90%,以上,水泥,石英砂,水,油,+,出砂部位,+,粉碎的核桃壳颗粒,酚醛树脂,柴油,+,+,中性水,油,固化剂,早期防砂,后期防砂,酚醛树脂,+,石英砂,+,柴油,后期防砂,6.3,防砂方法与技术,（,1,）物理方法固砂,原油中重质部分尤其沥青，在低温下可凝固成半固态物质不再溶于原油，可以将疏松砂岩胶结在一起，形成具有一,定渗透性的挡砂屏障。,（,2,）低温氧化固砂,低温氧化：指氧气和烃类物质在,300,度以下条件中化学反应。,低温氧化固砂：利用原油和氧气在低温下反应，使原油中的沥青质析出，把地层胶结在一起。,（,3,）沥青石油固砂,3,、焦化防砂的机理,油井填砂,用沥青石油饱和砂粒,注溶剂,注蒸汽使沥青固化,6.3,防砂方法与技术,（,1,）常规机械,-,化学复合防砂法,（,2,）高渗压裂充填防砂,4,、复合防砂机理,化学剂在出砂层位固结地层后，再下机械防砂管柱（一般为双层预充填绕丝筛管）,高渗疏松砂岩地层既水力压裂，又砾石充填，两工艺有机结合，油井既高产又控砂最佳效果。,（,1,）压后地层流体流动特征,径向流,双线流,（,2,）水力裂缝可以避免和缓解岩石的破坏,（,3,）裂缝可以降低流动冲刷携带砂粒的能力,（,4,）裂缝内充填的砾石对地层砂粒有阻挡作用,双线流,生产压差降低,流动压力梯度降低,+,双性流,裂缝表面积,流速大幅度降低,+,6.3,防砂方法与技术,5,、其他方法砂桥形成与稳定,（,1,）砂桥：,地层砂粒或充填砂粒在炮眼周围构成的圆拱结构。,（,2,）砂桥形成：,流速低于临界流速时，自然形成砂桥，高于临界流速会大量出砂，不能形成砂桥。,为保证沙桥稳定性，最简单方法是把产量控制在临界流速以下；在一定采液流速下，可增大出油面积，降低生产压差，如增大射孔密度，增大孔径，甚至裸眼完井。,（,3,）砂桥稳定性：,砂桥形成前会出砂，形成后出砂渐少，甚至不出砂，即形成稳定砂桥。砂桥稳定性主要受砂粒间摩擦力和孔隙间毛管力支配。生产中，一旦流速过大，超过临界流速，流动压力大于砂粒间摩擦力和毛细管力，使得砂桥垮塌，油井出砂。,6.3,防砂方法与技术,5,、其他方法投产与管理,（,1,）防砂后及时开井排液,（,2,）投产初期适当控制工作制度,（,3,）合理生产压差,防砂后适当关井候凝或压力扩散，及时开井，尽快排液生产。,投产初期，控制产液量，使地层砂在砾石充填体外沿形成“砂拱”或“砂桥”。较大砂粒能阻止外面较小地层砂，在井壁形成一个由粗到细粒滤砂器，具有良好渗透性，又能阻止油层出砂。,防砂井存在人工井壁结构破坏而重新大量出砂可能。防砂后，要先保持防砂前生产压差，定期取样分析，观察油井出砂情况，经一段,时间证明油井不出砂，油层本身又具有潜力时可适当放大生产压差，增加采油量。,6.3,防砂方法与技术,机械防砂管柱结构,衬管悬挂器,：,防砂管柱悬挂在套管，封隔 油套环空，使带砂流体只能 通过防砂衬管滤砂套；丢开 上部工作油管，便于检泵、热洗清蜡等。,丢 手,：,丢开上部工作油管，便于检 泵、热洗清蜡等。（丢手在 衬管悬挂器上）,安全 接 头,：,悬挂器与衬管之间，打捞衬 管时，先将安全接头倒开，捞出悬挂器，以免作业复杂。,皮 碗,：,防砂管底端，帮助衬管之间 环空形成砂桥。,扶 正 器,：,防砂衬管上下两端，保护衬 管下井时偏磨套管壁。,丝 堵,：,最底端，防皮碗损坏时，地 层砂从底端进入管柱内。,6.3,防砂方法与技术,1,、防砂方法选择原则,（,1,）,立足于先期和早期防砂,（,2,）,综合技术现状、工艺条件和经济成本，合理选用防砂方法,（,3,）,立足油层保护，减少伤害，保持油气井最大产能为目标，结合有效期，选择防砂方法,。,根据地质资料和试油试井资料，结合出砂预测，一旦判断地层必然出砂，则应先期防砂完井或短暂排液后早期防砂，以此为基础来选择防砂方法。如果在地层岩石骨架被破坏后才进行防砂，防砂难度将大大增加，而且也以保证防砂效果。,1,、防砂方法选择原则,2,、防砂方法优选基本思路,3,、影响防砂效果因素,三、防砂方法优选,6.3,防砂方法与技术,防砂方法选择中存在的问题,（,1,）难以兼顾各种因素，具有片面性,（,2,）防砂方法适应界限难以确定,（,3,）片面经验起主要作用,（,4,）注重防砂效果，忽略经济效果,2,、防砂方法优选基本思路,建立一套综合防砂方法技术适应性和经济效果的优选模型。,6.3,防砂方法与技术,（,1,）现有防砂方法适应性归纳分析，建立适应条件数据库；,（,2,）根据专家和实践经验，建立各因素权重系数数据库，表达各因素权重；,（,3,）应用模糊数学原理建立防砂综合模糊评判模型（技术评价）,（,4,）不同防砂方法下油井产能预测。,三、防砂方法优选,6.3,防砂方法与技术,三、防砂方法优选,（,1,）地层砂侵入影响,四、影响防砂效果因素,地层粘土含量高时，会加剧渗透率下降趋势,砾石破碎产生粉细砂，结果相当于砂侵,混合物中砂子的百分数,6.3,防砂方法与技术,(2),地层胶结程度与地层砂粒径,（,3,）粘土与细粉砂泥质的含量,（,4,）油藏流体物性,粉细砂岩与高粘土地层，防砂效果差，因粉细砂和粘土易堵塞滤砂管，粘土遇水膨胀。,一般先预处理地层，防止粘土颗粒膨胀和运移。,高粘液体与粘土、粉细砂一起易堵塞滤砂管，油井丧失产能。,6.3,防砂方法与技术,四、影响防砂效果因素,（,5地层垂向非均质性,（,6,）地层温度,（,7,）井段长度,（,8,）多油层防砂,井段较长、垂向非均质性较强井，化学剂挤注效果较差，防砂效果不好，导致继续出砂。,化学防砂方法影响较大，化学固砂剂一般对温度要求苛刻,井段较长不适宜用化学防砂，会使化学剂挤注不均匀,化学剂固砂与人工井壁法都不适用多层防砂，易挤注不均匀即使砾石充填，夹层超过一定厚度也要进行分级防砂。,6.3,防砂方法与技术,四、影响防砂效果因素,（,9,）射孔参数,（,10,）井身状况,高孔密,大孔径,提高渗透率,增大渗流面积,降低流速,大径砾石充填,高斜度井中砾石充填易亏空甚至,充填,失败。,化学剂固砂不适合斜井，化学剂可能在井筒周围挤注不均匀。其他条件允许情况下，斜井常采用筛管防砂方法。,6.3,防砂方法与技术,四、影响防砂效果因素,（,11,）砾石尺寸选择不当,（,12,）砾石破碎影响,考伯里：砾石尺寸为地层砂,d,10,13,倍。,卡玻夫：,砾石尺寸为,地层砂,d,50,5-10,倍，地层砂细时效果较好。,，,Saucier,：地层砂,d,50,4-8,倍（通常为,5-6,）。,壳牌公司,Schwartz,：根据地层砂筛析曲线选择砾石尺寸,较大尺寸砾石，虽渗透率较大，但地层砂易侵入砾石层，反而降低渗透率，形成较大压降，降低产能。一般选尺寸较小砾石，最好选允许范围底限，减少砂侵。,砾石输送和泵送过程颠簸振动，,泵入时活塞挤压和流体冲蚀，,可产生破碎。,重新筛选，适当控制泵送流速，但流速过低会砾石沉淀堵塞。,高产井高速携砂液对砾石层产生冲蚀，产生粉碎细砂，堵塞充填层，降低产量,半对数筛析曲线上累积重量,10,的砂粒直径,6.3,防砂方法与技术,四、影响防砂效果因素,（,13,）入井液影响,（,14,）油井产能影响,（,15,）含水率影响,砾石充填入井液最基本要求是,清洁,与地层有较好,配伍性,。,不清洁会对地层造成堵塞，即使很细固粒和地层砂混合也会使渗透率降低到几个毫达西。,另外入井液必须与地层相配伍，不能引起粘土膨胀、运移。,产出携砂液流速高，对机械防砂管柱造成破坏。,另外高产井不宜采用对产能有较大影响的防砂方法。,高含水油井中采用与化学剂有关的防砂方法可能降低防砂有效期，因为高含水会降低化学剂固结作用。,6.3,防砂方法与技术,四、影响防砂效果因素,分类,防砂法,优点,缺点,备注,机,械,防,砂,绕丝筛管,砾石充填,（,1,）成功率高达,90%,以上,（,2,）有效期长,（,3,）适应性强，应用普遍,（,4,）裸眼充填产能为射孔完井,1.2-1.3,倍,（,1,）井内有防砂管柱，后期处理复杂，费用高,（,2,）不适用于粉细砂岩,（,3,）管内充填产能损失大,按工艺条件和充,填方式再细分,滤砂管,（,1,）施工简单，陈本低,（,2,）适合多油层完井，粗砂地层,（,1,）不适用粉细砂岩,（,2,）滤砂管易堵塞使产能降低,（,3,）滤砂管易受冲蚀，寿命短,按材料形成多种滤砂管,割缝衬管,（,1,）成本低，施工简单,（,2,）适用于出砂不严重的中、粗砂岩，水平井常用,（,1,）不宜用于粉细砂岩,（,2,）砂桥易堵塞，影响产能,化,学,防,砂,胶固地层,（,1,）井内无留物，易进行后期补救作业,（,2,）对地层砂粒度适应范围广,（,3,）施工简单,（,1,）渗透率下降，成本高,（,2,）不宜多层长井段和严重出砂井,（,3,）化学剂有毒，易造成污染,树脂液、树脂砂,浆、溶液地下合,成、化学固砂剂,人工井壁,（,1,）化学剂用量少，成本可下降,20-30%,（,2,）井内无留物，补救作业方便,（,3,）可用于出砂严重的老井,（,4,）成功率高达,85%,以上,（,1,）不宜用于多油层、长井段,（,2,）不能用于裸眼井,预涂层砾石、树脂砂浆、,水带干灰砂、乳化水泥,砂,拱,防,砂,套管外封,隔器,(1),施工简单，费用较低,（,2,）可用于多层完井施工,（,3,）产能损失小，后期不久处理较容易,（,1,）不宜用于粉细砂岩及疏松砂地层,（,2,）砂共稳定性不好,（,3,）控制流速影响产能,其,他,水力压裂,砾石充填,（,1,）既防砂又高产,（,2,）消除油层伤害,（,3,）有效期长,（,1,）不宜用于多油层和粉细砂岩,（,2,）后期处理难,原油焦化,固砂,（,1,）特别适用于超稠油疏松砂岩,(2),井内无留物,（,1,）不宜用于多油层和长井段作业,（,2,）施工复杂，难度大，费用高,主要防砂方法对比,比较项目,防砂方法,衬管,筛管,+,砾石充填,树脂固砂,树脂涂抹层砾石,套管外封隔器,适应地层砂尺寸,中,-,粗,细,-,粗,细粉,-,中,各种尺寸,各种尺寸,泥质低渗透地层,适用,非均质地层,适用,适用,适用,适用,多油层,适用,适用,适用,适用,井段长度,短,-,长,短,-,长,5m,10m,612m/,层,无钻机或修井机,适用,高压井,适用,适用,高产井,适用,适用,适用,裸眼井,适用,适用,热采井,适用,适用,严重出砂井,适用,适用,适用,适用,定向井,适用,适用,适用,适用,适用,老油井,适用,适用,适用,适用,套管完井,适用,适用,适用,适用,套管直径,常规,常规,小,-,常规,小,-,常规,小,-,常规,井下留物,有,有,无,无,无,费用,低,中,高,高,-,中,低,成功率,高,高,低,-,中,中,-,高,中,-,高,有效期,短,很长,中,-,长,长,中,防砂方法筛选表,油气井防砂总过程,根据测井资料、试井资料等关于油气井资料进行预测油井是否出砂,如果出砂，合理选择防砂方法,防砂之后，对防砂效果进行评价,根据选择原则,考虑各种影响因素,选择合理的防砂方法,井口含砂量,产能损失,有效期,6.4,防砂工具,Homework,1.,油气井出砂的机理及其危害,2.,防砂方法有哪五类,?,各类又分哪几种具体方法,?,3.,油气井防砂的原则和基本思路,?,