防砂法_百度百科
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学科石油工程
词目防砂法
英文protection against sanding up,protection against sandingup in well在采油过程中防止砂堵的措施由于油层的含油岩石孔隙大胶结差,原油稠时就容易使油层中的砂子和油气一同流入井内(称为出砂)当油气沿着井筒上升的速度不能完全把砂子带出井口时,井底将会造成堵塞防砂法一般可分为机械防砂法(在油层部位安装滤砂管)和人工井壁防砂法(在井壁上用人工办法制造滤油屏障)一般均采用后者地质因素指疏松砂岩地层的地质条件如胶结物含量及分布胶结类型成岩压实作用和地质年代等通常而言地质年代越晚地层胶结矿物越少砂粒胶结程度越差分布越不均匀的地层在开采时出砂越严重地层的类型不同地层胶结物的胶结力圈闭内流体的粘着力地层颗粒物之间的摩擦力以及地层颗粒本身的重力所决定的地层胶结强度就不同地层胶结强度越小地层出砂越严重根据地层胶结强度的大小把地层出砂分为三种类型
(1)流砂地层即未胶结地层颗粒之间无胶结物地层砂的胶结强度仅取决于很小的流体附着力和周围环境圈闭的压实力地层砂在一定的条件下可以流动
当遭遇此种地层时易发生井壁坍塌引起卡钻埋钻等井下事故用常规的裸眼砾石充填法完井时易出现地层吐砂现象造成油气层砂埋筛管下不到井底炮眼砂堵砾石与地层砂互混甚至还有地层砂通过筛管缝隙进入筛管内腔卡住油管造成的事故因此必须采用沉砂封隔器高密度且稠化的完井液等特殊的完井工艺措施
投产后立即出砂并连续不断井口含砂量相对稳定
(2)部分胶结地层这类地层胶结物含量较少地层砂部分被胶结胶结差强度低钻遇这种地层时可以在钻井液中加入适宜的暂堵剂来稳定井壁防止地层坍塌避免钻速剧降和井下事故发生在一定条件下可以采用裸眼砾石充填法进行完井
穿过这种地层的油气井在开采过程中地层会在炮眼附近剥落逐渐发展而形成洞穴剥落的小块地层砂进入井筒极易填满井底口袋堵塞油管掩埋油气层油井投产后出砂规律如图6-2所示表现为含砂量波动变化大如不及早加以控制那么产层附近的泥岩页岩夹层出会因空穴增大而剥落从而造成近井区域泥岩页岩和砂岩三种剥落物互混渗透率降低产量下降如任其发展有可能造成地层坍塌盖层下降套管损坏油气井报废的严重后果
(3)脆性砂地层此类地层胶结物含量较多地层砂之间的胶结力较强地层强度较好但因胶结物的脆性比砂粒强故这种地层易破碎钻遇这种地层时可在钻井液中加入适宜的护胶剂及暂堵剂来稳定井壁防止地层破碎垮塌保证顺利钻井
流体产出时能把砂岩表面颗粒冲刷带走出砂规律呈周期性变化这种规律是因为在出砂过程中导管外部地层冲蚀空穴突然增大过流面积成倍增加使地层流体的流速大幅度下降致使出砂量明显下降随着油井条件变化又会形成新的油砂环境而开始出砂周而复始任其发展洞穴越来越大到一定的时候就有可能形成灾难性的地层坍塌使油气井导管变形而报废开采原因指在油气开发时因开采速度以及采油速度的突然变化落后的开采技术(包括不合理的完井参数和工艺技术)低质量和频繁的修井作业设计不良的酸化作业和不科学的生产管理等造成油气井出砂大体归纳如下
(1)采油过程中由于液体渗流而产生的对砂粒的拖曳力是出砂的重要原因在其他条件相同时生产压差愈大渗透率愈高在井壁附近液流对地层的冲刷力就愈大
(2)油层见水油层胶结物以粘土为主一般占70%左右而粘土矿物成分中蒙脱石含量达80%左右的砂岩地层注水后注入水浸泡地层都会使粘土遇水膨胀变松散降低胶结强度进而发生颗粒位移大大加剧地层出砂程度
(3)频繁作业及不恰当的开采速度以及作业过程措施不当也是造成严重出砂的原因之一例如进行压裂酸化大修等特殊作业如果没有保护油层的措施就容易导致出砂加剧
(4)对油井管理不善频繁地开关井造成地层激动使稳定的砂桥破坏都会造成地层出砂
随着油气田开发期延续油气层压力自然下降油气层砂岩体承载力的负荷逐渐增加致使砂粒间的应力平衡破坏胶结破坏造成地层出砂另外地层注水可能使油气层中的粘土膨胀分散有的还会随着地层流体迁移使油气层胶结力下降注水开发中为了保持产量必定要提高采液量这就会增加地层流体的流速加大流体对地层砂的冲刷和携带能力(速敏效应)因此注水有可能造成地层出砂此外地层中的两相或三相流动状态能增加对地层砂的携带力生产条件下地层稳定性与地层基质所受应力场作用有关基质以复杂的方法适应应力场状态地层基质所受应力是上覆地层压力孔隙压力近井地带地层流体流动压力梯度界面张力流体通过基质颗粒间空隙流动时与颗粒摩擦而形成的摩阻地应力适应地层稳定性的方式是在一定条件下由地层介质本征强度和地层产能系数这两个相互关联因数所决定的这种条件下原地应力场在生产过程中因各种因数而破坏失稳后便形成了井眼周围的稳定砂拱和砂桥油气井出砂是疏松砂岩油气藏面临的重要问题之一出砂的危害主要表现在以下四方面
油气井减产或停产
油气井出砂极易造成砂埋产层油管砂堵及地面管汇和储油罐积砂从而被迫停产作业冲洗被砂埋的油层清除油管砂堵既费时又耗资问题还不能彻底解决恢复生产不久又需重新作业周而复始生产周期越来越短使油气田产量大减作业成本巨增经济损失严重
地面和井下设备及管线磨蚀加剧
油气流中携带的地层砂粒主要成分是二氧化硅硬度很高是一种破坏性很强的磨蚀剂能使抽油泵阀座磨损而不密封阀球点蚀杆塞和泵缸拉伤地面阀门失灵输油泵叶轮严重冲蚀从而被迫关井作业更换或维修设备造成产量下降成本上升
套管损坏使油气井报废
长期严重的出砂在套管外形成巨大的空穴内外受力不平衡导致突发性地层坍塌轻则造成套管变形重则套管被错断挤毁导致油气井报废
破坏地层的原始构造或造成近井地带地层的渗透率严重下降
油气井出砂后地层砂运移加剧近井地带地层砂沉积较多远井地带则变得结构疏松加剧近井地带地层渗透率显著下降引起油气井的产能下降
解决油气井出砂问题必须立足于早期防治以减少对油层胶结的破坏随着我国石油工业的高速发展防砂技术不断地趋于完善和成熟逐步形成了化学防砂和机械防砂两大类化学防砂在20世纪60年代开始研究应用并很快形成能力它大致可以分为三大类第一类是树脂胶结地层第二类是人工井壁第三类是其它化学固砂法用有机或无机化学剂挤入疏松油层或预充填砂层使砂粒与砂粒间胶结成具有一定强度渗透性好的砂层的固砂工艺它包括地面注入树脂溶液固砂地下合成树脂溶液固砂及水玻璃溶液固砂它的种类很多如预涂层砾石树脂砂浆水带干灰水泥沙浆 乳化水泥树脂壳等这些人工井壁材料都要经过管柱泵送到产层并挤入到导管以外的空穴中去形成密实充填使地层恢复或部分恢复原始应力待这些充填材料凝固形成具有一定强度的挡砂屏障后再把井筒中多余的充填物铣掉使油气井具备开井生产的条件人工井壁防砂是中的一大类属于颗粒防砂它是利用有特定性能的胶结剂和一定粒径的颗粒物质按比例在地面混合均匀也可以直接用可固结的颗粒用油基或水基携砂液泵入井内通过炮眼在油层套管外堆积填满出砂洞穴在井温及固化剂作用下凝固后形成具有一定强度和渗透性的人工井壁阻挡地层砂井进入井筒达到防砂目的此类方法适用油井已大量出砂井壁形成洞穴的油水井防砂其它化学固砂法制约条件较多使用不广泛主要有以下几种焊接玻璃固砂法 氢氧化钙固砂法四氯化硅固砂法水泥---碳酸钙混合液固砂法聚乙烯固砂法和氧化有机化合物固砂法机械防砂也可以分为两类一类是下防砂管柱挡砂如割缝衬管绕丝筛管胶结成型的滤砂管 双层或多层砂管等这类防砂方法简单易行但效果差寿命短原因在于防砂管柱的缝隙或孔隙易被进入井筒的细地层砂所堵塞另一类是下入防砂管柱后再进行充填它能有效地把地层砂限制在地层内并能使地层保持稳定的力学结构防砂效果好寿命长衬管防砂是一种使用最早简单而普遍的机械防砂方法也叫滤砂管防砂或筛管防砂该工艺是在出砂油层射孔井段对应下入防砂衬管当油井投入生产时在油层压力的驱动下液流克服各种阻力流入井筒如液流速度超过临界速度地层砂桥就会破坏带砂液流通过炮眼进入井筒开始有少量细粉砂通过滤砂套随液流排出地面还有一些堵塞于滤砂套的孔隙中较粗的砂粒在滤砂套表面堆积一直到堆满环形空间及炮眼形成砂桥才能阻止油井出砂起到防砂作用砾石充填防砂是重要的机械防砂方法已被世界各油田广泛采用该方法是在防砂油层部位放置型号和规格合适的筛管在筛管外面的空间填充并压实粒度合适的高质量砾石对套管射孔完成井筛管外的空间包括套管与筛管内的环形空间射孔孔眼及套管外油层表面之间的空间对裸眼完井则是指筛管外至扩孔井壁之间空间这样就形成了砾石阻挡油层砂而筛管保障形成稳定的砾石桥构成一个坚固的高渗透防砂屏障
但是总的来说化学防砂适用于渗透率相对均匀的薄层段在粉细砂岩地层中的效果比在机械防砂更优而机械防砂对于地层的适应能力强无论产层厚薄渗透率高低夹层多少都能有效的实施在老井作业中还可以起到恢复地层应力的作用但是它不适用细粉砂岩地层和高压地层在无钻机或修井机的情况下也无法施工对于化学防砂它可以适用于双层完井作业中的上部地层防砂但对地层渗透率有一定的伤害作用同时它的成功率不如机械防砂还存在老化现象 相对成本较高等缺点其应用程度远不如机械防砂广泛因此研究一种新的无污染而且成本低的高效化学防砂方法是十分有必要的
从国内外现有的化学防砂方法的报道来看大多数人都采用在酸性或中性条件下进行实验如果在酸性条件下进行实验由于酸与树脂反应后会产生氢气在一定的温度下加上酸的挥发形成一种刺激性的气体不利于人的健康还会对环境产生污染因此考虑在碱性条件下的固砂不仅有利于防止对人的伤害还有利于防止对自然的污染
据国外文献报道在美国的加利福尼亚州的威明顿油田它是以碳酸钠的碱溶液为固化剂使用取自威明顿油田塔焦油区的砂样在250~260℃的高温下通过特殊的装置使砂样固结这一项目为威明顿油田上的出砂井节约成本为每口井美元获得了很好的经济效益向井眼周围地层和射孔孔眼中挤入一定数量的化学剂和固体颗粒(如预涂层砾石)以胶固地层砂运动减轻油井出砂实现长期生产的固砂技术称为化学防砂化学防砂最大优点是井筒内部不留下任何机械装备施工工艺简便只需泵入化学剂即可它对细粉砂尤为有效对未严重出砂的地层和低含水油井成功率较高化学固砂法最适于相对不含粘土和微粒矿物成分的厚度通常小于5m米且渗透率均匀的目的层段但化学防砂对地层渗透率有一定的伤害成功率不如机械防砂相对成本较高
油田化学防砂早在20世纪60年代就开始了研究和较广泛的应用到了70年代末随着砾石填充绕丝筛管防砂技术的不断发展和完善化学防砂的应用范围逐步缩小应用程度不如机械防砂广泛但是化学防砂的优越性是其他防砂方法所不能取代的在某些情况下仍为一种有效的防砂方法因此新的无污染且成本低的高效化学防砂方法的研究与应用是十分必要的
化学防砂可以分为三大类第一类是树脂固砂法第二类是人工井壁防砂法第三类是其它化学固砂法具体分类见图6-5树脂固砂法主要有两种一种是直接向近井疏松出砂层段挤注树脂以固结近井地带的砂粒另一种是在地面制备预涂层砾石即在经筛析后的石英砂表面通过物理或化学方法均匀涂敷一层极薄的树脂在常温下阴干形成分散的颗粒简称覆膜砂施工时用携带液泵入井内挤入油层和射孔孔眼内在一定温度和固化剂存在下使颗粒表面软化相互粘结成具有一定强度和渗透率的人工井壁作为挡砂屏障图6-6给出了树脂固砂示意图
挤树脂固砂法
(1)树脂性能要求
挤树脂固砂法所使用的树脂包括环氧树脂酚醛树脂脲醛树脂糠醇树脂及它们的混合物其中以糠醇树脂为最好固砂用树脂所必须具有的重要性能如下
①常温下树脂粘度低于20mPa·s这种粘度值充分允许施工时有合理泵注时间允许挤入后置液时可以很好地替出过多的树脂若树脂粘度过大就用稀释剂进行稀释达到理想的粘度对环氧树脂来说适合的稀释剂有苯乙烯化氧辛烯化氧糠醇苯酚等对酚醛树脂脲醛树脂糠醇树脂来说合适的稀释剂有糠醇糠醛苯酚和甲酚稀释剂用量一般为每一百份树脂用50~150份稀释剂
②树脂必须能润湿地层固相物质这是最基本的要求所挤入的树脂必须有毛细管力吸入砂粒间空隙中
③最终聚合树脂具有足够高的抗拉强度和抗压强度
④树脂聚合作用时间必须可控聚合时间短使后续过程中的顶替作业很困难而聚合时间过长则会增加施工成本
⑤最终的聚合物必须具有化学惰性该聚合物必须允许保持与原油和盐水长时间的接触
(2)挤树脂固砂工艺过程
利用树脂胶结疏松砂岩油层一般包括以下几个步骤
①用前置液预处理地层胶结之前需用前置液处理地层根据砂层需要预处理目的不同前置液也不同若要除砂粒表面的油前置液可用液态烃如柴油煤油原油矿物油和芳香油另一类是水基前置液一般是淡水盐水和海水其中尤以盐水为最好这种盐水是由一种或一种以上溶于水的无机盐构成再加上表面活性剂如烷基磺酸钠烷基苯磺酸钠聚氧乙烯辛基苯酚醚-10使砂粒表面由亲油反转为亲水由于极性的胶结剂能润湿亲水表面因而有好的胶结效果 水基前置液中不应含有堵塞地层的污染物
②树脂胶结剂的注入地层用前置液处理后再注入胶结液胶结液中最好要含有偶联剂使树脂和砂粒更紧密地结合在一起合适的偶联剂有氨基硅烷其分子结构通式为 式中的R是具有1~8个碳原子的直链侧链和环链烯烃基最好是1~4个碳原子的直链侧链烯烃基R是氢或具有1~8个碳原子(最好是1~4个碳原子)的烷基胺烷基R是甲基乙基丙基或异丙基(最好是甲基或乙基)m的数值为0~10最好是1~4
这种氨基硅烷有2-氨丙基三乙氧基甲硅烷N-β-(氨乙基)-r-氨丙基三甲氧基硅烷(这种偶联剂最好)N-β-(氨乙基)-N-β-(氨乙基)-r-氨丙基三甲氧基硅烷N-β-(氨丙基)-N-β-(氨丁基)-r-氨丙基三乙氨基硅烷双-N-(β-氨乙基)-r-氨丙基三乙氧基硅烷
氨基硅烷用量每一百份重的树脂加0.1~10份重的氨基硅烷
若地层的渗透率比较高则注入纯粹的胶结液(即不含携带液的胶结液)若地层的渗透率比较低可以把胶结液和水基携带液混合在一起注入到地层中
胶结液组分中应包括表面活性剂表面活性剂能改善砂粒对树脂的润湿性防止胶结液稠化和在水基携带液中出现聚集现象从而保证了胶结液的泵送性能
胶结液组分中还应有分散剂分散剂能使胶结液成雾滴状分散在携带液中合适的分散剂有糠醛和酞酸二乙酯的混合物由于砂层的不均质所以胶结剂将更多地沿高渗透层进入砂层影响防砂效果为了使胶结剂均匀注入在注胶结剂前可先注一段分散剂由于分散剂可减少高渗透层的渗透率使砂层各处的渗透率拉平这样胶结剂可以比较均匀地分散入砂层要提高防砂效果应注意分散剂的使用
③注入驱替液(增孔液)使地层砂粒表面涂上一层树脂材料由于对砂粒起胶结作用的胶结剂是粘在砂粒接触点处的胶结剂在砂粒空隙中多余的胶结剂固化后将引起砂层的堵塞减少胶结后砂层的渗透率因此要用驱替液把多余的胶结液顶替到地层深处例如用极性胶结剂胶结时就可以用煤油柴油做增孔液
使树脂固结形成具有渗透率的胶结地层可通过加热和与催化剂接触就能使树脂达到固化催化剂可以随胶结液一起注入到地层中(内催化法)也可以先注入胶结剂再注入催化剂(外催化法)使用内催化法时值得注意的是胶结液只有注入到地层后树脂才能发生固化反应最好的催化方法是外催化法对环氧树脂来说合适的催化剂有胺类酸酐类催化剂对酚醛树脂脲醛树脂糠醇树脂来说无机酸有机酸和成酸化学剂都是比较好的外催化剂
预涂覆树脂砂
即在树脂配方中加入催化剂或在砂浆液后顶替外固化剂促使预涂层砾石在低温地层中固化达到胶固地层的目的主要包括常温和高温覆膜砂两大类前者用于井温60℃的油井后者用于注蒸汽热采井(注汽温度300~350℃)近年来随着技术的进步又开发研制了低温覆膜砂(适用油井温度30~50℃)
(1)常温覆膜砂其树脂配方是石英砂:环氧树脂:丙酮:偶联剂=100:5:5.5:0.2(质量分数)
按配比将树脂溶于丙酮中再加偶联剂均匀混合配好后撒入石英砂中并均匀搅拌使颗粒表面涂上一薄层树脂待丙酮挥发后分散过筛备用
其质量标准参见SY 527491行业标准主要包括
①强度对20~40目常规涂层砂固化后要求
抗折强度不小于2.5Mpa
抗压强度不小于5 Mpa
②常温下保存为单颗粒分散状态分散率大于98%
③表面涂覆均匀颗粒涂覆率大于98%
④覆膜厚度
当石英颗粒为0.3~0.6mm时厚度不大于0.1mm,
当石英颗粒为0.4~0.8mm时厚度不大于0.2mm
⑤覆膜砂粒度
若石英颗粒为0.3~0.6mm时覆膜最大颗粒度不大于0.8mm
若石英颗粒为0.4~0.8mm时覆膜最大颗粒度不大于1.0mm
⑥渗透率不小于50
⑦耐温性常温砂小于100℃高温砂=350℃
⑧粉尘含量小于1%(质量分数)
(2)高温覆膜砂其防砂机理是将耐高温预涂层砾石用携砂液按一定砂比通过施工管柱泵送到井下并强迫挤入套管外周围地层中在井底温度或特定外界条件下固化形成一个具有一定强度又具有较高渗透率的人工井壁从而阻止地层出砂
该方法最大优点是井底不留任何机械装置后期处理和补救作业十分方便技术关键在于解决耐高温树脂配方及预涂层工艺
经实验研究高温预涂层砾石已经在国内外市场商品化应用由于工艺简便可以作为传统绕丝筛管砾石防砂工艺补充手段该方法常用于严重出砂地层挤入量由累计出砂量确定但处理井段一般不超过20m
胜利油田的高温预涂层砾石产品技术性能指标见表6-2
耐高温树脂涂层的性能指标
液相渗透率
胶结介质pH值的影响
(3)应用条件及技术评价
①适用于每米地层出砂量大于50L的油气井后期防砂
②射孔井段不宜超过20m
③覆膜砂已形成温度系列对不同井温适应性强若地层温度大于60℃用常规覆膜砂若低于60℃选用低温覆膜砂(内催化系统)或常规覆膜砂加入外固化剂(可提高强度1.5倍)注汽井选用高温覆膜砂
④若地层吸收能力太低则应先解堵后再挤覆膜砂
⑤施工简便易操作无需特殊设备
⑥固化后抗压强度可大于5~9Mpa渗透率保持为原砾石渗透率的80%左右
⑦防砂成功率一般大于80%对油井的含水适应性好
⑧高孔密射孔(20孔/m以上)大直径孔眼(φ16mm~φ20mm)有助于改善覆膜砂在处理井段上的均匀分布是提高防砂成功率的重要措施人工井壁防砂是化学防砂中的一大类属于颗粒防砂它是利用有特定性能的胶结剂和一定粒径的颗粒物质按比例在地面混合均匀或风干后再粉碎成颗粒也可直接用可固结的颗粒用油基或水基携砂液泵入井内通过炮眼在油层套管外堆积填满出砂洞穴在井温及固化剂作用下凝固后形成具有一定强度和渗透性的防砂屏障即人工井壁这些人工井壁阻挡地层砂进入井筒达到防砂目的图6-8给出了人工井壁示意图此类方法适用油井已大量出砂井壁形成洞穴的油水井防砂
如需要把机械设备留在井筒里此方法用在较上部地层中
这种方法比砾石填充后再作固结处理要便宜在已大量出砂和套管损坏的井段有些作业者先挤入可固结的填充物再在套管内作普通砾石填充水泥砂浆人工井壁是以水泥为胶结剂以英砂为支撑剂按比例混合均匀拌以适量的水用油携至井下挤入套管外堆积于出砂部位凝固后形成具有一定强度和渗透性的人工井壁防止油层出砂
这种人工井壁适用于已出砂油井低压油井浅井(井深在1000m左右)薄油层油井(油层井段小于20m)的防砂水带干灰砂人工井壁防砂是以水泥为胶结剂以石英砂为支撑按比例在地面拌合均匀用水携至井下挤入套管外堆积于出砂层位凝固后形成具有一定强度和渗透性的人工井壁
这种方法适用于处于后期的低压油水井已出砂的油水井多油层高含水油井及防砂井段在50m以内的油水井的防砂以活性水配制水泥浆按比例加入柴油充分搅拌形成柴油水泥浆乳化液泵入井内挤入出砂层位水泥凝固后形成人工井壁由于柴油为连续相凝固后的水泥具有一定的渗透性使液流能顺利地通过人工井壁进入井筒达到防砂的目的
该方法适用于浅井地层出砂量小于500L/m的井油层井段在l5m以内的油水井和油水井早期的防砂该方法系以酚醛树脂为胶结剂以粉碎成一定颗粒的核桃壳为支撑剂按一定比例拌合均匀用油或活性水携至井下挤入射孔层段套管外堆积于出砂层位在固化剂的作用下经一定反应时间后使树脂固结形成具有一定强度和渗透性的人工井壁防止油井出砂
这种人工井壁适用于出砂量较小的油井射孔井段小于2Om的全井防砂和水井早期防砂以树脂为胶结剂石英砂为支撑剂按比例混合均匀用油携至井下挤入套管外堆积于出砂层位凝固后形成具有一定强度的渗透性人工井壁防止油井出砂
这种人工井壁适用于吸收能力较高的油水井网油层井段在20m以内的油水井后期的防砂
化学防砂选用参考表
配方(质量分数)
水水泥砂=0.51.04
原料来源广强度较低有效期较短
水带干灰砂
原料来源广成本低堵塞较严重
柴油水泥浆乳化液
柴油水泥水=110.5
原料来源广成本低堵塞较严重
酚醛树脂溶液
苯酚甲醛氨水=11.50.05
适应性强成本高树脂储存期短
树脂核桃壳
酚醛树脂核桃壳=11.5
胶结强度高原料来源少施工较复杂
胶结强度较高施工较复杂
酚醛溶液地下合成
苯酚甲醛固化剂=12(0.3~0.36)
溶液粘度低易于泵送可分层防砂
树脂涂层砾石
树脂砾石=1(10~20)
强度较高渗透率高施工简单
目前使用的化学固砂方法较多在本节主要介绍以下几种方法氢氧化钙固砂法四氯化硅固砂法聚乙烯固砂法和氧化有机化合物固砂法将氢氧化钙饱和溶液用于胶结砂岩地层胶结机理是氢氧化钙的饱和溶液在高于65℃的温度下与油层中的粘土矿物(蒙脱石伊利石等)反应生成铝硅酸钙(胶结物)把砂粒胶结在一起实现控制出砂胶结地层能耐高温适用于蒸汽驱和热水驱油藏固砂作业由于氢氧化钙的溶解度很低所以要多次循环注入氢氧化钙饱和溶液才能使胶结地层达到所需的强度
八十年代初提出了一种改进型的方法这种方法是向处理地层中注入含有氯化钙和氢氧化钠的氢氧化钙饱和溶液随着胶结反应的发生氢氧化钙从溶液中析出使溶液中氢氧化钙的浓度降低这时氯化钙和氢氧化钠发生化学反应又生成新的氢氧化钙保持氢氧化钙在水溶液中的浓度不变从而将未固结的地层胶结在一起形成挡砂屏障四氯化硅可以用来固结疏松砂岩油藏它是利用四氯化硅注入到地层中后和地层中的水发生化学反应生成无定形的二氧化硅生成的二氧化硅可以将地层砂粒胶结在一起达到固砂的目的这一机理可用化学方程式表示为
从上式可以看出用四氯化硅固砂地层中一定要有水地层含水饱和度越高防砂效果越好而渗透率损失不大为了提高胶结地层的抗压强度可以采取预处理和后处理的方法还可以在胶结剂中加入适量的中和剂把生成的氯化氢中和掉以提高胶结强度
用四氯化硅固砂工艺简单只需通过一般的注入工艺就能达到目的并且该方法成本低廉主要用于气井防砂聚乙烯是二烯烃或三烯烃通过聚合反应的产物聚乙烯固砂有两种工艺一是用聚丁二烯经稀释剂稀释后加入催化剂通过化学反应胶结疏松砂岩使用的催化剂有锆盐钴盐及锌盐二是利用聚丁二烯热聚合反应固砂采用含不饱和烯烃的有机化合物在氧化聚合反应过程中氧原子把双键打开在各分子之间形成氧桥从而使有机物生成网状的聚合物将疏松砂岩有效胶结在一起这种方法一般包括以下两个连续步骤
①一种或两种以上的能起聚合反应的有机物质和催化剂混合将混合物注入到地层中在地层温度下与氧化气体接触发生氧化聚合反应生成固态物质胶结砂粒而基本上不降低地层的渗透性能
②注入足够的氧化气体使已注入的有机物质充分固化使用的地层温度为150℃~250℃化学防砂的工艺设计直接关系到其施工作业的成败因此在设计前要充分掌握地层和油气井的资料数据全面考虑防砂效果防砂产能恢复和综合经济效益提高设计水平保证和提高施工的成功率进行化学防砂工艺设计时应根据地层性质完井方法油气井条件施工工艺和设备来设计不同的工艺参数与步骤包括以下四方面
选择固体颗粒的尺寸
选择固体颗粒的尺寸主要基于产层所含最细砂尺寸因此准确确定地层砂粒粒径和范围很关键砂粒直径确定方法常用的是泰勒(Tyler)标准筛分级表6-4中给出了泰勒(Tyler)标准筛目与对应的筛孔直径筛析数据通常以从最大孔径筛开始筛选并按筛号大小次序排列的筛网上所剩砂粒筛积百分比表示这种曲线标绘在半对数纸上如图6-8所示
筛目标号分类比较表
泰勒标准筛目系列
筛孔直径(㎜)
泰勒标准筛目系列
筛孔直径(㎜)
泰勒标准筛目系列
筛孔直径(㎜)
用于描述砂粒尺寸特征的数值方法有几种一般都以砂粒尺寸和砂粒分选系数来表示砂粒尺寸特征
分选是指砂粒的均匀度分选性度量特征参数是砂粒的均匀系数以Uc表示定义式如下
Uc =d40 / d90
d40砂粒筛积百分比曲线上标定的第40个百分点对应的直径数值mm
d90砂粒筛积百分比曲线上标定的第90个百分点对应的直径数值mm
将Uc5时则为非均匀砂或分选性差的砂
准确获取被胶结砂层的岩性和地层流体性质
根据达西定律计算防砂前后地层流体由地层流向井筒的流速对比防砂前后地层的渗透性改变情况
选择适宜的防砂胶结剂和防砂方法
确定防砂体系的注入速度施工压力固结时间和固结强度等参数不同的防砂方法其施工程序及参数不同这里重点介绍油田上常用的几种化学防砂施工程序及参数
酚醛树脂固砂施工参数及施工程序
(1)射孔负压射孔孔密度为20孔/m孔径不小于10mm
(2)洗井用加有粘土防膨剂和防乳化剂的无固相清洁液体洗井
(3)通井用小于套管内径4~6㎜的通井规通至油层低界以下20m无遇阻现象
(4)下防砂管柱全井一次防砂用光油管完成于油层顶界以上5~10m装好井口进行施工多油层长井段分层防砂采用先下入封隔器从下而上逐段防砂每段控制井段长在20 m以内
(5)正挤活性柴油柴油中加入1%的聚氧乙烯烷基醇醚-8活性剂即活性柴油用量为每米射孔油层不少于500 L排量300 L /mim
(6)正挤盐酸盐酸浓度5%~7%每米射孔油层不少于200 L排量300L/min
(7)正挤柴油用量2m排量300L/min
(8)正挤酚醛树脂溶液每米射孔油层不少于200 L排量300L/min
(9)正挤增孔剂(柴油)用量为树脂量的2~3倍排量300L/min
(10)正挤固化剂(盐酸)盐酸的浓度为10%~12%其用量为树脂量的2~3倍排量300L/min
(11)正挤顶替液(柴油)将盐酸全部挤入油层排量300L/min
(12)关井侯凝48h以上
(13)压井探树脂面钻塞至人工井底
(14)下入生产管柱投产施工工艺程序主要包括
(1)压井通井探冲砂至人工井底或设计砂面位置
(2)补孔若有必要则进行孔径大于10mm孔密增加20孔/m以上
(3)光油管完成于油层顶界以上5~10m
(4)若油稠则用适量清洗液清洗近井地层表面便于以后挤入预涂层砾石
(5)若地层有潜在的粘土伤害应挤入粘土稳定剂处理液
(6)正替携砂液至套管出口返排液后关闭套管闸门
(7)正挤携砂液求地层的吸收能力调整好泵压排量当泵压稳定排量达到500L/min时开始出砂砂比控制为(5~10)100(体积分数)正常加砂要求一次加完设计砂量若中途发生泵压高于稳定值的50%时应停止加砂
(8)正挤顶替液(若低温地层又采用的是固化系统则先顶替固化剂)直至将覆膜砂顶替挤入地层不宜过量顶替欠量顶替时并筒内留下一段覆膜砂砂柱
(9)上提管柱50~100m关井候凝72h以上
(10)关井探树脂面钻塞至人工井底或设计井底
(11)下入生产管柱投产
6.4.2.3水泥砂浆人工井壁施工程序及参数
(1)压井探砂面冲砂至人工井底
(2)光油管完成至油层顶界以上10米左右
(3)连接施工车辆及地面管线清水试压
(4)正循环至返出口见液关套管闸门
(5)正挤砂液求地层吸收能力当泵压稳定排量达到500L/min时可开始加放已拌和好的水泥砂浆
(6)正挤顶替液至砂浆全部挤入地层
(7)关井侯凝48小时以上
(8)压井探砂面钻塞至人工井底
(9)下入生产管柱投产
(1)砂浆用量原则上以油井出砂量为准但出砂量小于0.5m,可设计砂量0.5m当砂量大于0.5m而小于2m时,可设计砂量与出砂量相等;当出砂量大于2m,其设计砂量可小于出砂量
(2)泵压的控制最终泵压不应超过正常挤入泵压的50%
(3)关井侯凝时间不少于48小时
(4)携砂液用量应包括充满井筒的液量前置液液量顶替液的用量及携砂液本身的用量还应有储液罐吸入口以下的液量再附加以上总液量的20%
(5)施工管柱除油管外不附加任何工具并将油管完成于油层顶界以上10m左右防止遇卡保证施工安全选择原则
(1)立足于先期防砂和早期防砂根据油藏地质研究和试油试采资料一旦判断地层必然出砂则立足于先期防砂完井或短暂排液后的早期防砂以此为基础来选用防砂方法在地层骨架被破坏后才进行防砂防砂难度将大大增加而且也难保证防砂效果
(2)结合实际综合考虑技术现状工艺条件和经济成本合理选用防砂方法
(3)立足于保护油层减少伤害以保护油(气)井获得最大产能为目标结合有效期进行方法论证和选择
防砂方法选择时必须考虑的因素
(1)完井类型常见的完井方式有裸眼完井和套管射孔完井对原油粘度偏高油层单一无水气夹层的部分胶结的砂岩可考虑用裸眼砾石充填先期防砂以提高渗流面积减少油层伤害获得较高的产能
对油气水层关系复杂有泥岩夹层的井应考虑用套管射孔完成可进行先期或早期的管内砾石充填防砂
(2)完井井段长度机械防砂一般不受井段长度限制如夹层较厚可以考虑分段防砂化学防砂主要用于短井段地层
(3)地层物性化学防砂对地层砂粒度适应范围较广尤其适用于细粉砂岩但在油井中高含水期防砂成功率下降ECP砂拱防砂适用于泥质含量较高的出砂不严重的中低渗透地层绕丝筛管砾石充填对粒度渗透率均质性要求不高但粉细砂岩不适用滤砂管防砂一般只对中粗砂岩有效
(4)井筒和井场条件小井眼异常高压层双层完井的上部地层宜用化学防砂此外化学防砂还要特别注意油层温度因它对化学剂固化有重要影响若现场无钻机(或作业机)也无法进行机械防砂
(5)产能损失无论哪种防砂方法都应在控制出砂的前提下使油(气)井产能损失最小相比而言砂拱防砂产能损失最小但防砂稳定性差裸眼砾石充填防砂产能最高只要条件允许应优先考虑选用细粉砂岩易引起普通滤砂管堵塞导致产能急剧下降不宜采用滤砂管防砂对绕丝筛管内砾石充填或化学防砂应在施工时采取合理的配套技术措施最大限度地维持油井产能
(6)成本费用施工成本是选择防砂技术的重要因素但也要考虑防砂的长期综合经济效益
表6-5表6-6分别列出了个主要防砂方法的适应性和优缺点供设计时参考
表6-5主要防砂方法对比
绕丝筛管砾石充填
(1)成功率高达90%以上
(2)有效期长
(3)适应性强应用最普遍
(4)裸眼充填产能为射孔充填的1.2~1.3倍
(1)井内留有防砂管柱后期处理复杂费用高
(2)不适用于细粉砂岩
(3)管内充填产能损失大
可按工艺条件和充填方式再细分
(1)施工简便成本低
(2)适合多油层完井粗砂地层
(1)不适宜用于细粉砂岩
(2)滤砂管易堵塞使产能下降
(3)滤砂管受冲蚀寿命短
按材料不同形成多种滤砂管
(1)成本低施工简便
(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
(1)井内无留物以进行后期补救作业
(2)对地层砂粒度适应范围广
(3)施工简便
(1)渗透率下降
(2)不宜用于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
(1)化学剂用量比胶固地层少成本下降20%~30%
(2)井内无留物补救作业方便
(3)可用于严重出砂的老井
(4)成功率高达85%以上
(1)不宜用于多油井长井段
(2)不能用于裸眼井
预涂层砾石树脂砂浆水泥砂浆水带干灰砂乳化水泥
套管外封隔器
(1)施工简便费用较低
(2)可用于多层完井施工
(3)产能损失小后期补救处理较容易
(1)不宜用于粉细砂岩及疏松砂地层
(2)砂拱稳定性不好
(3)控制流速影响产量
水力压裂砾石充填
(1)既防砂又获得高产
(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
原油胶化固砂
(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
表6-6防砂方法筛选表
筛管+砾石充填
树脂涂层砾石
套管外分割器
适应地层砂尺寸
泥质低渗透地层
非均质地层
无钻机或修井机
严重出砂井
防砂效果影响因素分析
影响防砂效果的因素很多归纳为以下几个方面
(1)地层条件这是自然因素如孔隙度和渗透率条件粒度大小及分布均质性泥质含量粘土矿物组成原油物性层段厚度及单层层数都会对方法的选择施工设计和作业难度产生直接的影响势必影响到工艺效果
(2)选用的防砂方法由于各种防砂方法只适用于某些地层和井况条件如方法选用不当则可能使防砂很快失效或造成较大的产能损失难于维持生产此外各种方法的有效期和施工成本也不相同对经济效果会带来直接的影响
(3)施工工艺设计方法一旦确定就需按地层条件进行防砂施工工程设计包括选用合理的施工程序和工艺参数以正确的工艺来满足防砂的需要保证防砂效果
(4)施工质量控制施工质量是保证防砂效果的关键应该建立严格的质量保证体系包括准备合理的原材料井下工具和化学剂保持设备工况良好充分的室内试验优选合理的工作液及处理剂配方施工前要反复研究施工设计考虑应变措施施工过程要有严格的技术质量监控保证施工质量全优争取最佳效果
只要紧紧围绕油井地层的实际情况从设计材料施工的各个环节进行全面研究和质量控制才能使防砂后实现既高产又控制出砂的目的
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