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采油工程原理与设计中国石油大学（华东）石油工程学院采油工程系主要内容：（1）防砂与清砂（2）防蜡与清蜡（3）油井堵水（4）稠油与高凝油开采技术（5）低渗透油田开发技术（6）井底处理新技术简介一、油层出砂原因第一节防砂与清砂出砂危害①砂埋油层或井筒砂堵造成油井停产；(1)内因—砂岩油层的地质条件②出砂使地面和井下设备严重磨蚀、砂卡；③冲砂检泵、地面清罐等维修工作量巨增；④出砂严重时还会引起井壁坍塌而损坏套管。(2)外因—开采因素(一)内因—砂岩油层的地质条件1.应力状态钻井前砂岩油层处于应力平衡状态。钻开油层后，井壁附近岩石的原始应力平衡状态遭到破坏，造成井壁附近岩石的应力集中。2.岩石的胶结状态油层出砂与油层岩石胶结物种类(粘土、碳酸盐和硅质、铁质三种)、数量(数量越多，胶结强度越大)和胶结方式(基底胶结、接触胶结、孔隙胶结)有着密切的关系。胶结强度渗透率3.渗透率的影响油层的渗透率越高，其胶结强度越低，油层越容易出砂。渗透率，10-3μm2100100～500500出砂井01042占总出砂井数比例％019.280.8(二)外因—开采因素由于固井质量差，使得套管外水泥环和井壁岩石没有粘在一起，在生产中形成高低压层的串通，使井壁岩石不断受到冲刷，粘土夹层膨胀，岩石胶结遭到破坏，因而导致油井出砂。如果射孔密度过大，有可能使套管破裂和砂岩油层结构遭到破坏，引起油井出砂。2.射孔密度1.固井质量4.其它油层含水后部分胶结物被溶解使得岩石胶结强度降低；油层压力降低，增加了地应力对岩石颗粒的挤压作用，扰乱了颗粒间的胶结；不适当的措施，降低了油层岩石胶结强度，使得油层变得疏松而出砂。3.油井工作制度流体渗流而产生的对油层岩石的冲刷力和对颗粒的拖曳力是疏松油层出砂的重要原因。油、水井工作制度的突然变化，使得油层岩石受力状况发生变化，也容易引起油层出砂。二、防砂方法(一)制定合理的开采措施(1)制定合理的油井工作制度：通过生产试验使所确定的生产压差不会造成油井大量出砂(控制生产压差)。对于受生产压差限制而无法满足采油速度的油层，要在采取必要的防砂措施之后提高生产压差。(2)加强出砂层油水井的管理：开、关操作要求平稳；对易出砂的油井应避免强烈抽汲的诱流措施。(3)对胶结疏松的油层，酸化、压裂等措施要求慎重。(4)正确选择完井方法和改善完井工艺。(二)采取合理的防砂工艺方法机械防砂衬管、筛管、滤砂管等防砂砾石充填防砂化学防砂人工胶结砂层人工井壁其它化学防砂法焦化防砂注热空气固砂短期火烧油层固砂其它降低流速增大油层径向力压裂防砂1.机械防砂(1)下入防砂管柱挡砂如割缝衬管、绕丝筛管、胶结滤砂管、双层或多层筛管等。这类方法工艺简单，具有一定的防砂效果，但由于防砂管柱的缝隙或孔隙易被油层细砂所堵塞，一般效果差、寿命短；充填物的种类很多，如砾石、果壳、果核、塑料颗粒、玻璃球或陶粒等。这种防砂方法能有效地将油层砂限制在油层中，并使油层保持稳定的力学结构，防砂效果好，寿命长。机械防砂对油层的适应能力强、成功率高、成本低，目前应用十分广泛。(2)下入防砂管柱加充填物2.化学防砂(1)人工胶结砂层防砂方法从地面向油层挤入液体胶结剂及增孔剂，然后使胶结剂固化，在油气层层面附近形成具有一定胶结强度及渗透性的胶结砂层，达到防砂目的的方法。如酚醛树脂溶液及酚醛溶液地下合成等。(2)人工井壁防砂方法地面将支护剂和未固化的胶结剂按一定比例拌和均匀，用液体携至井下挤入油层出砂部位，在套管外形成具有一定强度和渗透性的壁面，可阻止油层砂粒流入井内而又不影响油井生产的工艺措施。如水泥砂浆、树脂核桃壳、树脂砂浆、预涂层砾石等。相比较而言：化学防砂方法适用于渗透率相对均匀的薄层段，在粉细砂岩油层中的防砂效果优于机械防砂。但其对油层渗透率有一定的损害，成功率也不如机械防砂，还存在老化现象、相对成本较高等缺点，应用程度不如机械防砂。3.焦化防砂向油层提供热能，促使原油在砂粒表面焦化，形成具有胶结力的焦化薄层。主要有注热空气固砂和短期火烧油层固砂两种方法。4.其它防砂方法依靠油气层砂粒在炮眼口处形成具有一定承载能力的砂拱，达到防砂目的。该方法成败的关键在于砂拱的稳定性。保证砂拱稳定性必须考虑两个关键问题：一是降低并稳定油层流体速度；二是保持或提高井筒周围油层的径向应力。(三)砾石充填防砂方法砾石充填防砂方法是指将割缝衬管或绕丝筛管下入井内防砂层段处，用一定质量的流体携带地面选好的具有一定粒度的砾石，充填于管和油层之间，形成一定厚度的砾石层，以阻止油层砂粒流入井内的防砂方法。图8-4砾石充填防砂示意图砾石充填防砂施工设计应符合三条基本原则：防砂方法选择地层预处理设计砾石设计防砂管柱设计携砂液设计施工工艺设计防砂施工分步设计程序注重防砂效果，正确选用防砂方法，合理设计工艺参数和工艺步骤，以达到阻止油层出砂的目的；采用先进的工艺技术，最大限度地减少其对油井产能的影响；注重综合经济效益，提高设计质量和施工成功率、降低成本。施工设计要形成一套完整的程序，有利于方案的系统化和规格化，从而提高施工设计的质量。防砂施工设计具体步骤自学(四)化学防砂方法上述各种防砂方法均以化学胶固为基础，在一些油田分别获得了一定的防砂效果。但各种方法均有各自的适用条件，因此必须根据油层和油井的具体情况而选择应用。具体配方和用量，更应根据各个油田的油层条件通过实验室和现场试验来确定。人工井壁防砂胶结剂支撑剂携带液说明水泥砂浆水泥石英砂油后期防砂树脂核桃壳酚醛树脂核桃壳油或活性水早期防砂树脂砂浆树脂石英砂油后期防砂预涂层砾石树脂石英砂油或活性水较好后期防砂人工胶结砂层防砂主料增孔剂固化剂说明酚醛树脂胶结砂层酚醛或甲醛柴油盐酸早期防砂酚醛溶液地下合成酚醛或甲醛柴油油层温度早期防砂三、清砂方法冲砂：通过冲管、油管或油套环空向井底注入高速流体冲散砂堵，由循环上返液体将砂粒带到地面，以解除油水井砂堵的工艺措施，是广泛应用的清砂方法。捞砂：用钢丝绳向井内下入专门的捞砂工具(捞砂筒)，将井底积存的砂粒捞到地面上来的方法。一般适用于砂堵不严重、井浅、油层压力低或有漏失层等无法建立循环的油井。常用的清砂方法(一)冲砂液冲砂液的基本要求：(1)具有一定的粘度，以保证具有良好的携砂能力；(2)具有一定的密度，以便形成适当的液柱压力，防止井喷；(3)不损害油层；(4)来源广泛、价廉等。(二)冲砂方式（1）正冲砂：冲砂液由冲砂管(或油管)泵入，被冲散的砂粒随冲砂液一起沿油套环空返至地面的冲砂方法。相比较而言：正冲砂冲击力大，易冲散砂堵，但因管套环空截面积大，液流上返速度小，携砂能力低，易在冲砂过程中发生卡管事故，要提高液流上返速度就必须提高冲砂液的用量。反冲砂冲击力小，但液流上返速度大，携砂能力强。（2）反冲砂：冲砂液由油套环空泵入，被冲散的砂粒随冲砂液一起从油管返至地面的冲砂方法。（3）正反冲砂：利用了正冲砂和反冲砂各自的优点，其工艺过程为先用正冲砂将砂堵冲散，使砂粒处于悬浮状态，再迅速改为反冲砂，将冲散的砂粒从油管内返出地面的冲砂方式。这种方式可迅速解除较紧密的砂堵，提高冲砂效率。采用正反冲砂方式时，地面相应配套有改换冲洗方式的总机关。（4）联合冲砂：冲砂管柱距底端一定距离处装有分流器，用以改变液流通道，冲砂液从油套环空进入井内，经分流器进入下部冲砂管冲开砂堵，被冲散的砂粒随同液体先从下部冲管与套管环空返至分流器后，便进入上部冲砂管内返至地面。特点：这种冲砂方式可提高冲砂效率，既具有正冲砂冲击力大的优点，又具有反冲砂返液流速高、携带能力强的优点，同时又不需要改换冲洗方式的地面设备。(三)冲砂水力计算dlsVVV玉门油田石英砂与水所做的实验表明砂粒在上升液流中呈悬浮状态时：7.1~6.1dlVV保证砂粒能被带到地面的做法是使：dlVV2dlVV2minminminlFVQsVHT冲砂时砂粒上升速度：保持砂粒上升的最低速度：冲砂液的最低用量：冲砂过程中，砂粒从井底上升到地面所需的时间为：第二节防蜡与清蜡石蜡：16到64的烷烃(C16H34～C64H130)。纯石蜡为白色，略带透明的结晶体，密度880～905kg/m3，熔点为49～60℃。结蜡现象：对于溶有一定量石蜡的原油，在开采过程中，随着温度、压力的降低和气体的析出，溶解的石蜡便以结晶析出、长大聚集和沉积在管壁等固相表面上，即出现所谓的结蜡现象。油井结蜡的危害：（1）影响着流体举升的过流断面，增加了流动阻力；（2）影响着抽油设备的正常工作。一、油井防蜡机理(一)油井结蜡的过程（1）当温度降至析蜡点以下时，蜡以结晶形式从原油中析出；（2）温度、压力继续降低和气体析出，结晶析出的蜡聚集长大形成蜡晶体；（3）蜡晶体沉积于管道和设备等的表面上。蜡的初始结晶温度或析蜡点：当温度降低到某一值时，原油中溶解的蜡便开始析出，蜡开始析出的温度。(二)影响结蜡的因素1.原油的性质及含蜡量2.原油中的胶质、沥青质①原油中含蜡量越高，油井就越容易结蜡。②原油中所含轻质馏分越多，则蜡的初始结晶温度就越低，保持溶解状态的蜡就越多，即蜡不易出。胶质含量增加，蜡的初始结晶温度降低；沥青质对石蜡结晶起到良好的分散作用，且使沉积蜡的强度将明显增加，而不易被油流冲走。3.压力和溶解气油比4.原油中的水和机械杂质油井含水量增加，结蜡程度有所减轻。5.液流速度、管壁粗糙度及表面性质水和机械杂质对蜡的初始结晶温度影响不大。原油中的细小砂粒及机械杂质将成为石蜡析出的结晶核心，而促使石蜡结晶的析出，加剧了结蜡过程。二、油井防蜡方法（1）阻止蜡晶的析出：在原油开采过程中，采用某些措施(如提高井筒流体的温度等)，使得油流温度高于蜡的初始结晶温度，从而阻止蜡晶的析出。（2）抑制石蜡结晶的聚集：在石蜡结晶已析出的情况下，控制蜡晶长大和聚集的过程。如在含蜡原油中加入防止和减少石蜡聚集的某些化学剂—抑制剂，使蜡晶处于分散状态而不会大量聚集。（3）创造不利于石蜡沉积的条件：如提高表面光滑度、改善表面润湿性、提高井筒流体速度等。1.油管内衬和涂层防蜡作用：通过表面光滑和改善管壁表面的润湿性，使蜡不易在表面上沉积，以达到防蜡的目的。（1）玻璃衬里油管防蜡原理油管表面具有亲水憎油特性；玻璃表面十分光滑；玻璃具有良好的绝热性能。（2）涂料油管防蜡原理在油管内壁涂一层固化后表面光滑且亲水性强的物质。2.化学防蜡通过向井筒中加入液体化学防蜡剂或在抽油管柱上装有固体化学防蜡剂，防蜡剂在井筒流体中溶解混合后达到防蜡目的。（1）活性剂型防蜡剂：通过在蜡结晶表面上的吸附，形成不利于石蜡继续长大的极性表面，使蜡晶以微粒状态分散在油中易被油流带走；还可吸附于固体表面上形成极性表面，阻止石蜡的沉积。（2）高分子型防蜡剂：油溶性的，具有石蜡结构链节的支链线性高分子，在浓度很小的情况下能够形成遍及整个原油的网状结构，而石蜡就可在这网状结构上析出，因而彼此分散，不能聚集长大，也不易在固体表面沉积，而易被液流带走。3.热力防蜡：提高流体温度；采油成本高。4.磁防蜡技术（1）原油通过强磁防蜡器时，石蜡分子在磁场作用下定向排列作有序流动，克服了石蜡分子之间的作用力，不能按结晶的要求形成石蜡晶体；（2）对于已形成蜡晶的微粒通过磁场后，石蜡晶体细小分散，并且有效地削弱了蜡晶之间、蜡晶与胶体分子之间的粘附力，抑制了蜡晶的聚集长大；（3）磁场处理后还能改变井筒中结蜡状态，使蜡质变软，易于清除。三、油井清蜡方法(1)机械清蜡常用的工具主要有刮蜡片和清蜡钻头等。(2)热力清蜡热流体循环清蜡法电热清蜡法热化学清蜡法还有其它清防蜡方法，如：超声波、微生物技术等一、油井出水的危害(1）消耗油层能量，降低油层的最终采收率；a油层能量推动水向采油井前进；b油井见水后，在纵向和横向上推进很不均匀，造成油井过早水淹，波及系数降低；c出水后井内静水压头增大，影响低压气层的产气量，甚至不产气；d井底附近含水饱和度升高，降低油气相对渗透率，引起水堵。(2）降低抽油井的泵效；产水量增加，抽油井做大量无用功第三节油井堵水一、油井出水的危害(3）使管线和设备腐蚀和结垢；a产出水