油田完井防砂割縫篩管磨損問題的評(píng)估

油田完井防砂割縫篩管磨損問題的評(píng)估

油層砂是緩解砂巖油藏開采中的一個(gè)常見問題之一。油層出砂不嚴(yán)重時(shí)的直接危害是,形成砂堵影響油井產(chǎn)量,同時(shí),也會(huì)磨損抽油泵和抽油桿,增加清砂作業(yè)的工作量;油層出砂嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞油井,使油井停產(chǎn),也可能會(huì)使地層虧空,井壁坍塌,導(dǎo)致井下篩管或套管擠毀事故的發(fā)生。防砂可采用的完井方式有割縫篩管、繞絲篩管、預(yù)制篩管、礫石充填、壓差控制、地層膠結(jié)、壓裂-封堵等。其中,割縫篩管完井是一種較為簡(jiǎn)單而且實(shí)用的完井方式,具有井身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、完井速度快、滲流面積大、產(chǎn)能高等優(yōu)點(diǎn)。目前,油田常用的機(jī)械防砂方法有割縫篩管、繞絲篩管等方法。繞絲篩管易出現(xiàn)“跑絲”,因鋼絲與篩管的熱膨脹系數(shù)不一致,受熱時(shí)易出現(xiàn)“亂絲”,尤其在通過大斜度井和水平井的彎曲段時(shí),不可避免地要與井壁或套管發(fā)生碰撞、擠壓和摩擦,也容易出現(xiàn)“亂絲”現(xiàn)象,造成篩管損壞或縫隙變形,致使完井質(zhì)量和防砂效果降低或失效,且制造工藝比較復(fù)雜,造價(jià)相對(duì)較高(是割縫篩管的1.5~2.0倍)。相比之下,割縫篩管因?yàn)楣堋⒖p同體,具有剛性好、抗刮磨、強(qiáng)度高、耐腐蝕、間隙均勻、管徑大、流阻小、重復(fù)利用率高的優(yōu)點(diǎn),且其價(jià)格低廉,因而在油田采油防砂中得到了廣泛應(yīng)用。1切縫銷的總結(jié)1.1擋砂屏障防砂設(shè)計(jì)首先在近井地帶充填石英砂(或涂敷砂),形成第I級(jí)擋砂屏障,然后在油層部位下入割縫篩管,環(huán)空充填石英砂,在油層部位形成完整的擋砂屏障,阻擋地層砂進(jìn)入油井,從而達(dá)到防砂目的(如圖1)。1.2篩管割縫的參數(shù)設(shè)計(jì)a)縫形結(jié)構(gòu)割縫的大小和形狀對(duì)篩管的機(jī)械性能和防砂效果有著非常重要的影響。根據(jù)原油的粘度、砂粒的粒度等地質(zhì)狀況和油井投產(chǎn)后的產(chǎn)量等要求,可以對(duì)篩管割縫的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。表面縫形分為直線型、折線型和曲線型(如圖2)。斷面縫形結(jié)構(gòu)分為矩形縫、梯形縫、二次曲線縫和組合縫(如圖3)。b)布縫形式布縫狀態(tài)的設(shè)計(jì)不但要考慮地質(zhì)情況和產(chǎn)量的要求,還應(yīng)該滿足強(qiáng)度條件、穩(wěn)定條件等,以保證篩管的作業(yè)安全和使用壽命。布縫形式如圖4。2切割和鉆孔管破壞的原因和負(fù)荷分析2.1篩管的腐蝕和污水處理篩管破壞的原因一般有:隨著多孔介質(zhì)油藏的開采,孔隙壓力衰竭而導(dǎo)致地層壓實(shí),從而對(duì)篩管產(chǎn)生較大的圍壓而引起其破壞;地震或油藏壓力衰竭導(dǎo)致斷層滑動(dòng),篩管被剪斷;腐蝕性鉆井液、完井液或地層液對(duì)篩管的腐蝕破壞;地層下沉導(dǎo)致篩管彎曲變形;在油井的生產(chǎn)過程中,油井出砂或巖層下沉使篩管受不對(duì)稱載荷作用而受到破壞;由于井眼不規(guī)則而導(dǎo)致篩管下入遇阻,需要上下往復(fù)活動(dòng)篩管或旋轉(zhuǎn)篩管,以減小在下入時(shí)引起過大壓縮載荷、拉伸載荷或扭轉(zhuǎn)載荷等對(duì)篩管的破壞;溫度變化引起的溫度應(yīng)力對(duì)篩管的破壞;地層壓實(shí)作用導(dǎo)致篩管螺紋連接失效;設(shè)計(jì)不合理造成篩管強(qiáng)度小于其受力也是使其失效的原因。2.2地層壓力和彎矩的影響a)拉伸載荷篩管在下入過程中,自身重力會(huì)導(dǎo)致其受拉伸載荷的作用;井底溫度應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生拉伸載荷;在下入遇阻時(shí),上下往復(fù)活動(dòng)篩管也會(huì)產(chǎn)生拉伸載荷。b)壓縮載荷井眼不規(guī)則和大斜度井、水平井中套管或篩管與井壁之間的摩阻會(huì)使篩管下入遇阻,需施加較大的軸向載荷,摩阻的大小取決于篩管質(zhì)量、篩管所受到的壓縮載荷、井壁粗糙度和鉆井液的類型。井底溫度應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生壓縮載荷;在下入遇阻時(shí),上下往復(fù)活動(dòng)篩管也會(huì)產(chǎn)生壓縮載荷。套管外壁圍壓變化會(huì)產(chǎn)生軸向力。c)扭轉(zhuǎn)載荷在下入遇阻時(shí),旋轉(zhuǎn)篩管會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)載荷。d)外壁圍壓載荷上覆巖層壓力是由孔隙流體和孔隙介質(zhì)支撐,即上覆巖層壓力σ等于孔隙流體壓力p和孔隙介質(zhì)壓力τ之和。在正常壓力地層中,孔隙壓力梯度為10.5kPa/m;地層壓力梯度為22.kPa/m。在超高壓地層中,孔隙壓力梯度大于或遠(yuǎn)大于10.5kPa/m,地層是欠壓實(shí)的。隨著超高壓、欠壓實(shí)油藏的開采,孔隙壓力會(huì)逐漸減小,地層會(huì)被逐漸壓實(shí)并下沉,它對(duì)套管、篩管和礫石充填篩管的壽命有很大的影響。研究表明,地層壓實(shí)作用對(duì)斜井中篩管的危害比直井中大,且隨著井斜角的增大而增大;孔隙壓力降低,篩管所受的圍壓增加,同時(shí)水平應(yīng)力增加33%;在油井生產(chǎn)過程中,不能通過篩管孔眼的砂礫在其外壁形成砂拱,也會(huì)對(duì)篩管產(chǎn)生圍壓。e)彎矩在造斜井段、井斜角或方位角急劇變化的井段,篩管都會(huì)受到彎矩的作用;井底斷層的滑移或巖層下沉也可能產(chǎn)生彎矩。3抗擠壓失效形式在采油防砂中,由于割縫篩管長(zhǎng)期處于井底,原油的靜壓以及由于地層塌陷而產(chǎn)生的壓力均作用在割縫篩管上,因而抗擠壓失效為篩管主要失效形式之一。因此,本文以采油作業(yè)時(shí)的篩管工況為例,對(duì)割縫篩管的強(qiáng)度進(jìn)行分析。3.1割縫參數(shù)分析載荷:大地靜壓(外壓)15MPa;流體靜壓(內(nèi)壓)為自由靜壓10MPa。材料性能:泊松比μ=0.3;楊氏模量E=2.06×105MPa;以N-80管為例,最小屈服強(qiáng)度552MPa,最大屈服強(qiáng)度758MPa。割縫參數(shù):梯形縫,篩管長(zhǎng)度700mm,管外縫寬1.5mm,管內(nèi)縫寬2.1mm,割縫長(zhǎng)度80mm,每圈割縫數(shù)24條,每圈間距20mm。采用實(shí)體建模技術(shù)建立了該割縫篩管的實(shí)體模型,得到的計(jì)算模型如圖5。3.2約束施加及約束采用8節(jié)點(diǎn)的SOLID45單元,在柱坐標(biāo)系中對(duì)割縫篩管2個(gè)端面施加全約束,外表面施加y向約束。并對(duì)割縫篩管外表面施加15MPa的均勻外壓,內(nèi)表面及割縫表面施加10MPa的均勻內(nèi)壓。3.3割縫篩管應(yīng)力集中現(xiàn)象計(jì)算得到的割縫篩管Von-Misses應(yīng)力云圖如圖6。可以看出,割縫篩管的最大應(yīng)力值發(fā)生在割縫過渡部位,出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力值為157.261MPa;最大位移發(fā)生在縫條中部,其值為0.060494mm。4割縫篩管抗擠壓作用下的應(yīng)力值1)采用割縫篩管防砂,其防砂失效形式分為2種,一種是縫隙太寬,不能有效防砂;另一種是篩管變形使縫隙距離變小,堵塞流體通道。本文中的割縫篩管失效形式為第2種。割縫寬度變小將導(dǎo)致割縫篩管內(nèi)外壓壓差變大,加劇割縫篩管的變形。當(dāng)擠壓力達(dá)到割縫篩管的抗擠壓強(qiáng)度時(shí),割縫篩管將發(fā)生屈服,割縫處將遭到破壞,割縫寬度會(huì)突然變大,此時(shí),無論是從材料的屈服還是從防砂效果來考慮,割縫篩管都已經(jīng)失效。2)計(jì)算表明,當(dāng)對(duì)篩管施加擠壓載荷時(shí),篩管表現(xiàn)出割縫處的應(yīng)力值相對(duì)較小,而割縫與管體連接處的過渡區(qū)域應(yīng)力值相對(duì)較大,這種現(xiàn)象由應(yīng)力集中引起,過渡區(qū)域的材料將首先達(dá)