◇遼河油田高升采油廠工藝研究所 張 碩

目前，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的急劇膨脹，石油短缺日益嚴(yán)重，石油資源勘探開發(fā)的質(zhì)量和效率已經(jīng)成為世界各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)。但是，由于各種因素的影響，石油開發(fā)過程中容易出現(xiàn)油井出砂的問題，不但會(huì)影響油井的正常生產(chǎn)，而且會(huì)影響油田企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，如何提高防砂工作的質(zhì)量和效率成為了石油工作者關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文從礫石充填防砂技術(shù)入手，主要探究了該技術(shù)的4種關(guān)鍵參數(shù)：①礫石尺寸；②填充量；③攜砂比；④機(jī)械篩管，以期提高油井防砂的質(zhì)量和效率，從而提高油井的采收率和產(chǎn)量。

石油俗稱“工業(yè)的血液”，對(duì)于人類社會(huì)的發(fā)展具有極其重要的作用和意義。隨著全球人口的急劇增加，石油的消耗不斷遞增，石油短缺問題日益嚴(yán)峻，在一定程度上影響了人們正常的生產(chǎn)生活[1-2]。據(jù)OPEC調(diào)查可知，全球平均每天要消耗約1.370×107噸石油，根據(jù)目前的地質(zhì)儲(chǔ)量和勘探開發(fā)技術(shù)水平來推算，地球上的石油只能供人們使用55～88年。石油是一種不可再生的自然資源，地球上的儲(chǔ)量是固定的，因此，必須提高石油勘探開發(fā)的質(zhì)量和效率，進(jìn)而提高石油的采收率和產(chǎn)量，從而為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供一定的能源支持。

在石油開發(fā)過程中，油井出砂就是十分常見的問題。據(jù)有關(guān)調(diào)查可知，每年由于油井出砂而造成的油井損壞、停產(chǎn)、減產(chǎn)高達(dá)20%，全球大約有40%的油井需要進(jìn)行防砂處理，而且這個(gè)比例仍在不斷增大。目前，我國(guó)大部分的油田都進(jìn)入高含水期，油井出砂的概率越來越大，嚴(yán)重影響了油田企業(yè)的正常生產(chǎn)。由此可見，對(duì)于油田企業(yè)而言，如何提高油井防砂的質(zhì)量和效率是一項(xiàng)極其重要和關(guān)鍵的工作。

1 油井出砂的危害

油井出砂通常是指在油井生產(chǎn)的初期，由于多種因素的影響，導(dǎo)致地下儲(chǔ)層的巖石結(jié)構(gòu)遭到一定程度的破壞，使得巖石出現(xiàn)脫落。這些脫落的巖石會(huì)進(jìn)入油井中，進(jìn)而嚴(yán)重影響油井的正常生產(chǎn)，從而降低了油田企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。具體而言，油井出砂的危害主要分為以下三個(gè)方面：①油井出砂會(huì)導(dǎo)致地層砂的流失，不但會(huì)損壞地下巖石的骨架以及結(jié)構(gòu)，而且會(huì)增大滲流的阻力，進(jìn)而使得產(chǎn)液層段出現(xiàn)大范圍的堵塞，最終減低油井的產(chǎn)量，情況嚴(yán)重的話，甚至?xí)?dǎo)致停產(chǎn)；②油井出砂會(huì)使柱塞和泵筒之間的摩擦力增大，破壞柱塞的皮碗，減小泵的效率，甚至?xí)褡【碌姆飧羝骱凸苤?，出現(xiàn)凡爾卡死現(xiàn)象，最終導(dǎo)致砂卡或者管柱拔斷，情況嚴(yán)重的話，可以使油井報(bào)廢；③油井出砂會(huì)磨損地面儀器的管件，降低地面儀器的使用壽命，增大危險(xiǎn)事故發(fā)生的概率。另外，油井出砂還會(huì)降低管路閥件的密封性能，從而影響油井的正常生產(chǎn)[2-3]。

2 礫石充填防砂技術(shù)簡(jiǎn)介

礫石充填防砂是目前國(guó)內(nèi)外油田開發(fā)中十分常見的防砂技術(shù)之一，該技術(shù)是利用相應(yīng)的充填工具，往篩管和井眼之間的環(huán)空中充填一定量的礫石，讓地層砂在礫石充填的表面上形成比較穩(wěn)定的“砂橋”，“砂橋”可以起到一定的屏障作用，進(jìn)而能夠有效防止地層砂進(jìn)入井筒內(nèi)[3]。具體而言，礫石充填防砂技術(shù)的基本原理主要分為兩個(gè)方面：①正循環(huán)充填；②反循環(huán)洗井。前者是指從油管中加入一定量的攜砂液，然后這些攜砂液通過轉(zhuǎn)換總成進(jìn)入到篩管與套管之間的環(huán)空之中，這時(shí)在皮碗的密封作用之下，攜砂液只可以往下通過篩管，而礫石則被擋在篩管的外面，最終形成礫石充填層[4]。同時(shí)，多余的液體會(huì)從篩縫中流入，經(jīng)過沖管流入回流通道，然后從皮碗上方的旁通孔進(jìn)入套管之中，最終返回地面；后者是指從套管中加入一定量的洗井液，這些洗井液會(huì)自上往下對(duì)皮碗進(jìn)行壓縮，經(jīng)過皮碗和套管之間的縫隙進(jìn)入下部環(huán)空之中，通過轉(zhuǎn)換孔流入到油管，然后將油管中剩余的礫石沖洗到地面。在礫石充填完之后，地層砂便不會(huì)繼續(xù)流動(dòng)，因?yàn)榈[石層的滲透性比較好，篩管的過流能力也比較高，因此，礫石充填防砂技術(shù)可以獲得良好的防砂效果。另外，礫石充填防砂技術(shù)操作簡(jiǎn)單、成功率高、應(yīng)用范圍廣，因此在我國(guó)各大油田中得到了廣泛應(yīng)用。

3 工藝參數(shù)優(yōu)選

3.1 礫石尺寸優(yōu)選

通常情況下，攜砂液中礫石的體積濃度與充填效率之間呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，礫石的體積濃度越小，則充填效率越高。其次，防砂的效果與油井的產(chǎn)量之間也是呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，并且二者都受到礫石尺寸的影響，因此，礫石的尺寸是礫石充填防砂技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。如果礫石尺寸過小，則能夠有效地過濾掉大部分的地層砂，但是可能會(huì)增大表皮系數(shù)，在一定程度上會(huì)降低油井的采收率和產(chǎn)量；相反，如果礫石尺寸太大，則油井能夠獲得較好的采收率和產(chǎn)量，但是防砂持續(xù)的時(shí)間段，效果比較差。在實(shí)際防砂工作中，經(jīng)常參照Saucier法，采用經(jīng)驗(yàn)圖的方式進(jìn)行礫石尺寸的優(yōu)選與設(shè)計(jì)（圖1）。當(dāng)D50/ d50≥14時(shí)，充填層的滲透率比較高，使其很難形成“砂橋”，地層砂可以不受約束地穿過充填層進(jìn)行流動(dòng)，這時(shí)的防砂效果比較差，油井會(huì)大量出砂；當(dāng)6

圖1 充填礫石尺寸優(yōu)選經(jīng)驗(yàn)圖

3.2 填充量和攜砂比優(yōu)選

礫石充填技術(shù)的關(guān)鍵是確保攜砂液可以通過水平射孔，并且最終到達(dá)炮眼的端部，從而進(jìn)入管外的虧空區(qū)域。攜砂液在射孔的孔眼中會(huì)進(jìn)行水平流動(dòng)，但是因?yàn)楣滔嗟[石具有一定的沉降特性，使得礫石在孔眼入口處出現(xiàn)大量的沉降，不但會(huì)堵塞孔眼，而且會(huì)使后續(xù)的礫石很難進(jìn)入管外的地層。為了使礫石能夠順利地進(jìn)入到地層之中，攜砂液應(yīng)該具有比較好的礫石攜帶能力，而攜砂能力的大小與攜砂基液的流速、砂比以及黏度密切相關(guān)。在其他參數(shù)不變的情況下，流速越大，發(fā)生堵塞的可能性就越小，但流速過大會(huì)導(dǎo)致地層出現(xiàn)二次損傷，這時(shí)就存在一個(gè)臨界流速。目前，臨界流速的計(jì)算方法主要有3種：①沉降時(shí)間法；②Durand方法；③Gruesbeck C方法，這三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際防砂過程中，工作人員應(yīng)該充分收集各種資料，并且借鑒油田的成功案例，嘗試使用多種方法，然后進(jìn)行對(duì)比篩選，優(yōu)選出最合適的臨界流速。另外，對(duì)攜砂比的優(yōu)選，實(shí)際應(yīng)用中基本都是采用經(jīng)驗(yàn)法：對(duì)于管外擠壓充填，通常使用的攜砂比為10%～15%；而對(duì)于管內(nèi)循環(huán)充填，通常使用的攜砂比為10%左右[3-5]。

3.3 機(jī)械篩管優(yōu)選

（1）縫寬設(shè)計(jì)。機(jī)械篩管的作用主要是對(duì)礫石層進(jìn)行支撐，并且其篩縫能夠給流體入井提供一定的通道。目前，常用的機(jī)械篩管主要有3種：①繞絲篩管；②割縫襯管；③金屬棉濾砂管。在確定礫石尺寸之后，就可以確定縫寬。每種篩管的縫寬都有對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算公式，計(jì)算出理論值之后，對(duì)不同的數(shù)值進(jìn)行優(yōu)選，一般選擇最接近的系列尺寸[5-6]。

（2）規(guī)格設(shè)計(jì)。由于環(huán)空厚度會(huì)直接影響防砂的質(zhì)量和效率，因此機(jī)械篩管的直徑也是一個(gè)十分關(guān)鍵的參數(shù)。經(jīng)過大量實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，增大環(huán)空厚度對(duì)產(chǎn)量的影響非常小，反而會(huì)改善防砂效果，并且還可以提高礫石充填的穩(wěn)定性。一般情況下，環(huán)空的徑向厚度最小為20mm，而篩管的直徑應(yīng)該盡可能小。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）油井出砂對(duì)油井的正常生產(chǎn)危害較大，油田企業(yè)必須重視油井防砂工作，深入研究油井出砂的機(jī)理，并且制定科學(xué)、合理、有效的防砂措施，提高防砂的質(zhì)量和效率，提高油井的采收率和產(chǎn)量。

（2）礫石充填防砂技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)較多，但是這些優(yōu)點(diǎn)都是基于合理的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)。因此，在實(shí)際防砂作業(yè)過程中，工作人員必須對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，以達(dá)到最佳的防砂效果，不但可以降低生產(chǎn)成本，而且可以提高油井產(chǎn)量，從而為油田企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

（3）防砂技術(shù)是一項(xiàng)比較繁瑣、系統(tǒng)的工作，并不是一時(shí)半刻就可以完成的。防砂技術(shù)眾多，如機(jī)械防砂、化學(xué)防砂、復(fù)合防砂等，在實(shí)際防砂工作中，工作人員絕不能只依靠單一的防砂技術(shù)，而應(yīng)該結(jié)合各種防砂技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，不斷提高油井防砂的質(zhì)量和效率。