海上防砂技術

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    油氣井出砂是疏松砂巖油氣藏面臨的重要問題之一，油井出砂會造成油氣井減產或停產，嚴重的可導致油氣井報廢，因此防砂作業是油氣井完井作業中的重中之重。

    1、出砂危害

    油氣井出砂是疏松砂巖油氣藏面臨的重要問題之一。出砂的危害主要表現在以下三個方面：
    1）油井減產或停產
    2）地面及井下設備加劇磨蝕
    3）套管損壞，油井報廢
    2、出砂機理
    地層是否出砂取決于顆粒的膠結程度—地層強度。一般說來，地層應力超過過地層強度就可能出砂。地層應力包括構造應力、上覆壓力、流體對顆粒的摩擦力、生產壓差的拖曳力等。而地層強度由顆粒的膠結類型、膠結物含量、孔隙內流體內聚力、顆粒之間的摩擦力來決定。

    3、出砂因素

    1）先天因素

    油氣井出砂的先天因素指砂巖地層的地質條件，如膠結物含量及分布，膠結類型，成巖壓實作用，地質年代等。一般說，膠結物含量高，分布均勻，地質年代早，埋藏深，成巖強度就高，越不易出砂，反之亦然。   
    2）開發因素

    ①采液速度突然發生變化或采油速度過高；

    ②低質量（指對地層傷害嚴重）和頻繁的修井作業；

    ③不合理的生產及作業措施造成油層傷害；

    ④地層壓力持續下降，油井含水上升； 
    ⑤開發中、后期油井提液，加劇了對顆粒的沖刷，泥質膠結的地層防膨措施不當；

    4、防砂方法

    防砂方法分類按防砂機理及工藝條件，防砂方法大致分為機械防砂、化學防砂、砂拱防砂及其他方法。 
    1）機械防砂

    ①第一類：僅下入防砂用的濾砂管柱，如割縫襯管、繞絲篩管、各類地面預制成型的濾砂器（如雙層預充填篩管、樹脂砂粒濾砂管、金屬棉纖維濾砂管、多孔陶瓷濾砂管等）。這種方法簡單易行，施工成本低，但是濾砂器易堵塞，不能阻止地層砂進入井筒，只宜用于中、粗砂巖地層。
    ②第二類：在下入繞絲篩管（或其他濾管）后，再用高滲透礫石充填于篩管和井壁之間的油井環空，并部分擠入井筒周圍地層，形成多級過濾屏障，阻止地層砂運移，是當今最流行的防砂方法，也就是大家常說得—礫石沖填防砂。
    2）化學防砂

    化學防砂是通過向套管外地層中擠入一定數量的化學劑或化學劑與砂漿的混和物，達到充填、膠固地層之目的，提高地層強度，減緩出砂。按工藝性可分為兩種：

    ①膠固地層：擠入樹脂或其他化學固砂劑，直接將地層砂固結； 
    ②人工井壁：用樹脂砂漿液、預涂層礫石、水帶干灰砂、水泥砂漿、乳化水泥等擠入井眼周圍地層中，固結后建立一個可滲透的人工井壁，阻止地層出砂。化學防砂一般適用于薄層短井段，若井段太長，視情況采取措施分段施工。此法對粉細砂巖的防砂效果優于機械防砂。

    3）砂拱防砂：

    砂拱防砂是一種在油氣井射孔完成后，不再下入任何機械裝置或擠入化學劑的防砂方法。它防砂的實質是要靠一種機械作用力強迫壓實出砂的裸眼井壁，以提高井眼周圍的地層應力水平達到甚至超過地層未鉆開前的原始應力。這樣可減少出砂的可能性，油井投產時，地層砂流入射孔處，可自然堆積，形成具有一定承載能勺的砂拱，類似于橋梁的橋拱，可進一步阻止地層出砂。

    5、礫石充填防砂

    礫石充填防砂技術是目前應用最為廣泛的一種防砂技術，該方法防砂可在井眼內（裸眼或套管內）正對出砂地層下入金屬全焊接的繞絲篩管，然后泵入礫石砂漿于篩管和井眼環空，如果是套管射孔完成井，還要將部分礫石擠入射孔炮眼和周圍地層空穴內，利用充填礫石的橋堵作用來阻止地層砂運移，而充填礫石又被阻隔于篩管周圍。這種多級過濾屏障，保證油流沿充填體內多孔系統經過篩管被源源不斷地舉升至地面，而地層砂則被擋在地層內不會進入井筒，實現油井生產不出砂或輕微出砂。 礫石充填防砂具有以下幾個特點：

    1）防砂強度高；

    2）有效期長；

    3）適應范圍廣；

    4）產能損失相對較小；

    在礫石沖填防砂井當中，人造砂粒被沖填到地層裂縫當中，形成一層人造砂層，當地層中的砂粒隨著產出液（產出液是地層中的流體，一般是油和水的混合）被帶出，人造砂層能夠起到過濾作用，產出液能夠通過砂層，到達生產管柱。而產出液中的砂就留在了這個人造砂層上，不能通過砂層，從而達到防砂的效果。可以把這個砂層想象成一張網，一張專門捕砂的網。

    螺桿泵是一種容積泵，主要由轉子和定子組成。由于定子和轉子的特殊幾何形狀，分別形成單獨的密封容腔，介質在軸向被均勻推行流動，液體以螺旋形方式從一個密封腔壓向另一個密封腔，最后擠出泵體。

    1、螺桿泵（screw pump）

    螺桿泵是按迥轉嚙合容積式原理工作的新型泵種，其主要工作部件是偏心螺桿（轉子）和固定的襯套（定子）。由于定子和轉子的特殊幾何形狀，分別形成單獨的密封容腔，介質在軸向被均勻推行流動，內部流速低，容積保持不變，壓力穩定，因而不會產生渦流和攪動。除此之外，螺桿泵的定子選用多種彈性材料糅合制成，在高粘度流體、含有硬質懸浮顆粒介質或含有纖維介質的輸送方面，與一般泵種相比具有明顯優勢，因此螺桿泵被廣泛應用在出砂井和稠油井當中。

    2、分類

    按照螺桿數目分：

    1）單螺桿泵——單根螺桿在泵體的內螺紋槽中嚙合轉動的泵；

    2）雙螺桿泵——由兩個螺桿相互嚙合輸送液體的泵；

    3）多螺桿泵——由多個螺桿相互嚙合輸送液體的泵。

    按螺桿吸入方式分：

    1）單吸式：介質從螺桿一端吸入，從另一端排出；

    2）雙吸式：介質從螺桿兩端吸入，從中間排出。

    3、按照泵軸位置分：臥式泵、立式泵。

    3、驅動及結構形式

    泵的驅動方式較多，一般有低速電機直聯（6級、8級）、齒輪減速電機驅動、無級變速電機驅動等方式。傳動可采用聯軸器直接傳動，或采用調速電機，三角帶，變速箱等裝置變速。

    4、工作原理

    當電動機帶動泵軸轉動時，螺桿一方面繞本身的軸線旋轉，另一方面它又沿襯套內表面滾動，于是形成泵的密封腔室。螺桿每轉一周，密封腔內的液體向前推進一個螺距，隨著螺桿的連續轉動，液體以螺旋形方式從一個密封腔壓向另一個密封腔，最后擠出泵體。

    電潛泵采油是為適應經濟有效地開采地下石油而逐漸發展起來日趨成熟的一種人工采油方式。它具有排量揚程范圍大、功率大、生產壓差大、適應性強、地面工藝流程簡單、機組工作壽命長、管理方便、經濟效益顯著的特點。自1928年第一臺電潛泵投人使用以來，經過20世紀70年的發展，電潛泵采油在井下機組設計、制造及油井選擇、機組選型成套、工況監測診斷及保護、分層開采和測試等配套工藝方面日臻完善，在制造適應高溫、高粘度。高含砂、高含氣、含H2S和CO2等惡劣環境的電潛泵機組方面也取得了很大進展。不僅用于油井采油，還用于氣井排液采氣和水井采水注水。 

    電潛泵是由多級葉導輪串接起來的一種電動離心泵，除了其直徑小長度長外，工作原理與普通離心泵沒有多大差別，其工作原理是：當潛油電機帶 動泵軸上的葉導輪高速旋轉時，處于葉輪內的液體在離心力的作用下，從葉輪中心沿葉片間的流道甩向葉輪的四周，由于液體受到葉片的作用，其壓力和速度同時增加，在導輪的進一步作用下速度能又轉變成壓能，同時流向下一級葉輪人口。如此逐次地通過多級葉導輪的作用，流體壓能逐次增高而在獲得足以克服泵出口以后管路阻力的能量時而流至地面，達到石油開采的目的。

    1、致密儲集層和裂縫性儲集層的完井
    致密性儲集層一般是指低滲透的砂巖層，其滲透率在 0.01~0.001μm2之間。儲集層是以孔隙-裂縫型和裂縫-孔隙型的居多，很少有單純的孔隙型的。裂縫性儲集層是指巖石中的裂縫提供了儲油空間和滲透率的儲集層，巖層可以是灰巖、泥、頁巖、硅酸鹽等沉積巖石。儲集層的滲透率受裂縫的控制，可在很大的范圍內變化，沉積巖石中的裂縫多為垂直發育。這兩種儲集層的完井方法與單純孔隙型儲集層的完井有許多不同，這是由儲集層的特點所決定的。
    1）致密儲集層的完井
    致密儲集層的特點是產層的巖石強度較高，滲透率很低、產能低，單靠儲集層的孔隙出油，采收率是極低的。采油中多需要進行壓裂和酸化處理以增加地層的孔隙，以增加產量。這種井的完井主要應考慮井身能經受酸化和壓裂。

    致密儲集層的完井原則是：套管強度要高，固井質量要良好，水泥返高達到要求，水泥石強度高。應當采取的措施是：使用套管扶正器和刮泥器，性能良好的前置液、頂替液、高速頂替水泥漿，頂替時活動套管，套管絲扣密封良好。選用優質絲扣密封油或絲扣粘和。用N80以上的厚壁套管，其抗內壓強度應是地層破裂壓力的1.2倍以上，套管柱的壁厚盡量一致，防止壁厚的突變，套管盡量無變形。盡量避免在套管內進行套銑等有害作業，壓裂時要用上下封隔器封隔壓裂井段。
    2）裂縫性儲集層的完井
   裂縫性儲集層的特點是裂縫的展布及發育不是均勻的，裂縫具有方向性，井眼與裂縫相交，井才能出油，相交越多，井的產量越高。這種井的鉆井特點是應使井眼盡可能的多與裂縫相交。完井的特點是應使裂縫與井眼很好地連通，防止鉆井完井過程中裂縫的閉合與堵塞。

    裂縫性儲集層的完井原則是使井眼盡可能多地穿過儲集層的裂縫，采用水平鉆井使水平井眼與垂直發育的裂縫盡量多地相交是目前應用較多的技術。在完井過程中采用裸眼完井最普遍，這是由于在采用射孔完井時，要下套管用水泥封固，然后射開儲集層。水泥漿會堵塞裂縫使產層的滲透率大為下降；射孔孔道與分布不均勻的裂縫相交的可能大為減少。要使井眼與裂縫盡量多地連通，最好的完井方法就是采用裸眼完井及其變種的完井方法。當儲集層比較堅固時，可采用裸眼完井，儲集層強度稍差時，可采用篩管、襯管完井法；也可在篩管、襯管的適當部位加封隔器封隔弱地層，或使用礫石充填完井，盡量不用射孔完井。

    2、水平井完井
    鉆水平井的目的是使井眼在近似水平的產層中多裸露或是使井眼盡量多的與大傾角的產層相交，使油井多出油。近幾年來，水平井已是增加儲量、恢復老油田產能的有效手段，并在國內外各油田廣泛采用。由于水平井的井身特點，水平井的完井具有與直井不同的地方。水平井的完井方法分為敞開類和封閉類兩大類八種，包括裸眼完井、篩管或襯管完井、篩管或襯管帶封隔器完井、襯管或套管固井完井等。具體結構見下圖。水平井的完井方式不僅取決于儲集層的性質，也取決于井眼的曲率半徑。由于套管在彎曲段的受力，影響到套管的下入，使一些井無法下套管完井。

    1）長中曲率半徑水平井完井

    長曲率半徑水平井其造斜段的造斜率為，(2°~6°）/30m，曲率半徑在280m以上，鉆進的方法和常規鉆井是一樣的，完井方法可采用直井的所有方法。中曲率半徑的水平井其造斜段的造斜率為，(6°~20°）/30m，曲率半徑在85~280m，由于造斜段半徑小，需要用撓性鉆桿或普通鉆桿、彎接頭、井下動力鉆具等造斜鉆具組合鉆進造斜井段。由于造斜段的半徑小，鉆具起下時的摩阻增大，在下套管時，應當校核套管的彎曲應力，保證套管的下入。完井方法可采用直井的所有方法。
    在套管能順利下入井內時，可采用常規的固井方法。為了提高水平井的固井質量，用多下扶正器的方法來改善套管在水平井眼中的居中程度，通常是在水平井段每一根套管加一個扶正器。通常大流量洗井和上下活動套管會破壞水平段的巖屑床。在注水泥過程中加強活動套管，在頂替水泥漿時采用輕質頂替液，利用水泥漿與頂替液的密度差產生的漂浮作用使套管上浮居中，俗稱“套管漂浮接箍下入法”。可采用輕柴油為頂替液，水平井射孔時，為了使射孔槍順利下入，通常用鉆具或油管送入。
    2）短曲率半徑水平井完井
    短曲率半徑的水平井造斜段的造斜率為，(30°~150°）/30m，曲率半徑10~60m。鉆進時只能采用柔性鉆桿、彎外殼井下動力鉆具、彎接頭等造斜工具鉆進斜井段。受曲率半徑的限制，套管在通過造斜段時要急劇彎曲，會受很大的彎曲應力，套管往往會卡在井壁處不能下入。如果強行下入，會使套管受損。因此，短半徑水平井一般是難以用套管固井完成的，多采用裸眼、篩管等方式完井。

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