油田完井防砂割縫篩管磨損問題的評估

油田完井防砂割縫篩管磨損問題的評估

油層砂是緩解砂巖油藏開采中的一個常見問題之一。油層出砂不嚴(yán)重時的直接危害是,形成砂堵影響油井產(chǎn)量,同時,也會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)重時會堵塞油井,使油井停產(chǎn),也可能會使地層虧空,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單而且實用的完井方式,具有井身結(jié)構(gòu)簡單、成本低、完井速度快、滲流面積大、產(chǎn)能高等優(yōu)點。目前,油田常用的機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,受熱時易出現(xiàn)“亂絲”,尤其在通過大斜度井和水平井的彎曲段時,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,造價相對較高(是割縫篩管的1.5~2.0倍)。相比之下,割縫篩管因為管、縫同體,具有剛性好、抗刮磨、強度高、耐腐蝕、間隙均勻、管徑大、流阻小、重復(fù)利用率高的優(yōu)點,且其價格低廉,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)計首先在近井地帶充填石英砂(或涂敷砂),形成第I級擋砂屏障,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a)縫形結(jié)構(gòu)割縫的大小和形狀對篩管的機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,可以對篩管割縫的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。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)計不但要考慮地質(zhì)情況和產(chǎn)量的要求,還應(yīng)該滿足強度條件、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,從而對篩管產(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,篩管被剪斷;腐蝕性鉆井液、完井液或地層液對篩管的腐蝕破壞;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)活動篩管或旋轉(zhuǎn)篩管,以減小在下入時引起過大壓縮載荷、拉伸載荷或扭轉(zhuǎn)載荷等對篩管的破壞;溫度變化引起的溫度應(yīng)力對篩管的破壞;地層壓實作用導(dǎo)致篩管螺紋連接失效;設(shè)計不合理造成篩管強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,自身重力會導(dǎo)致其受拉伸載荷的作用;井底溫度應(yīng)力會產(chǎn)生拉伸載荷;在下入遇阻時,上下往復(fù)活動篩管也會產(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)力會產(chǎn)生壓縮載荷;在下入遇阻時,上下往復(fù)活動篩管也會產(chǎn)生壓縮載荷。套管外壁圍壓變化會產(chǎn)生軸向力。c)扭轉(zhuǎn)載荷在下入遇阻時,旋轉(zhuǎn)篩管會產(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,地層是欠壓實的。隨著超高壓、欠壓實油藏的開采,孔隙壓力會逐漸減小,地層會被逐漸壓實并下沉,它對套管、篩管和礫石充填篩管的壽命有很大的影響。研究表明,地層壓實作用對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,也會對篩管產(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)時的篩管工況為例,對割縫篩管的強度進(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,最小屈服強度552MPa,最大屈服強度758MPa。割縫參數(shù):梯形縫,篩管長度700mm,管外縫寬1.5mm,管內(nèi)縫寬2.1mm,割縫長度80mm,每圈割縫數(shù)24條,每圈間距20mm。采用實體建模技術(shù)建立了該割縫篩管的實體模型,得到的計算模型如圖5。3.2約束施加及約束采用8節(jié)點的SOLID45單元,在柱坐標(biāo)系中對割縫篩管2個端面施加全約束,外表面施加y向約束。并對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度時,割縫篩管將發(fā)生屈服,割縫處將遭到破壞,割縫寬度會突然變大,此時,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)計算表明,當(dāng)對篩管施加擠壓載荷時,篩管表現(xiàn)出割縫處的應(yīng)力值相對較小,而割縫與管體連接處的過渡區(qū)域應(yīng)力值相對較大,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)