CN111396001A - 出水气井和天然气水合物井防砂筛管及其防砂控水组合应用方法 - Google Patents

出水气井和天然气水合物井防砂筛管及其防砂控水组合应用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及石油与天然气开采行业的天然气井及天然气水合物井防砂完井技术领域，具体是一种出水气井和天然气水合物井防砂筛管，包括基管、水层筛管和气层筛管，所述水层筛管位于气层筛管的下方，所述水层筛管挡砂能力高于气层筛管的挡砂能力，所述水层筛管的阻水能力高于气层筛管的阻水能力，所述水层筛管的流通能力低于气层筛管的流通能力。本发明提高了水层挡砂效果，降低了产水量，同时提高了上部气体流通能力和产气量，实现了出水气井和天然气水合物井的高效防砂控水开采。本发明还提供了上述防砂筛管的组合应用方法，为不同地层砂条件、不同水气比生产条件的防砂控水提供了系统的参数设计方法和推荐参数，简单易行，便于应用。

Description

出水气井和天然气水合物井防砂筛管及其防砂控水组合应用 方法
技术领域
本发明涉及石油与天然气开采行业的天然气井及天然气水合物井防砂完井技术领域，具体是一种出水气井和天然气水合物井防砂筛管及其防砂控水组合应用方法。
背景技术
疏松砂岩气藏及天然气水合物藏开采和试采面临的主要棘手问题之一是气井出砂，造成生产设备损害及产量大幅降低。特别是天然气水合物藏，由于储层岩石颗粒的胶结物大部分是水合物，分解后失去胶结作用造成大量出砂。一般的天然气井和天然气水合物井在生产过程中均存在出水问题，产水量往往比较大(可高达每天几十方甚至上百方水)。对上述气藏的出砂问题，正常开采均需要采取防砂措施；对于石油与天然气疏松砂岩储层粉细砂(粒级50μm)，尤其是天然气水合物储层的超粉细砂(粒级达到10-15μm)，目前防砂十分困难。
机械防砂筛管是早期防砂完井或后期防砂中的关键井下设备，在井底正对生产层位悬挂机械筛管，筛管允许流体通过但可阻挡地层砂，从而达到防止地层砂进入井筒的目的。机械筛管防砂工艺技术简单，施工方便，在气井防控砂中应用广泛。但目前尚存在一些问题：
(1)天然气井和天然气水合物井一般均大量产水，目前对于垂直井的控砂和控水一般是单独治理，缺少控水控砂一体化的筛管或管柱。
(2)对于垂直井的气井和天然气水合物井，其储层向井底同时产出天然气自由气和地层水，由于井底条件下气水密度差异较大(井底条件下水密度接近1000kg/m3，天然气密度一般为几十公斤每立方米)，在近井地带及井筒中，会出现气水分层流动，即天然气倾向于在生产层上部通过筛管进入井筒，而地层水则倾向于在生产段底部通过筛管进入井筒。如果储层出砂，则地层砂会完全被水相携带，气相中没有砂或含砂量极少。但在目前的控砂设计中，是对整个储层进行笼统防砂，造成过度防砂和增加井筒流动阻力，不利于提高气井产量。
(3)对于细粉砂和极细粉砂，控砂筛管的挡砂能力、流通能力需要提高。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足，提供一种出水气井和天然气水合物井防砂筛管，根据气水分层流动和水流携砂的现象和原理，在生产层位下部水流携砂流动区域使用具有高阻水能力、高挡砂能力的水层筛管，在生产层位上部气流区域采用高抗堵塞能力、高流通能力的气层筛管，以明显提高水层挡砂效果，增大水流阻力，降低产水量，同时提高上部气体流通能力和产气量，实现出水气井和天然气水合物井的高效防砂控水开采，提高经济效益。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种出水气井和天然气水合物井防砂筛管，包括基管、水层筛管和气层筛管，所述水层筛管和气层筛管均安装在基管上并且水层筛管位于气层筛管的下方，所述水层筛管挡砂能力高于气层筛管的挡砂能力，所述水层筛管的阻水能力高于气层筛管的阻水能力，所述水层筛管的流通能力低于气层筛管的流通能力。
相对于现有技术，本发明出水气井和天然气水合物井防砂筛管的有益效果为：本发明提供的出水气井和天然气水合物井防砂筛管，根据气水分层流动和水流携砂的现象和原理，在下部水流携砂流动区域使用具有高阻水能力、高挡砂能力的水层筛管，在上部气流区域采用高抗堵塞能力、高流通能力的气层筛管，可以明显提高水层挡砂效果，增大水流阻力，降低产水量，同时提高上部气体流通能力和产气量，实现出水气井和天然气水合物井的高效防砂控水开采，提高经济效益。
本发明的技术方案还有：所述水层筛管包括由内向外依次套设在基管上的第一绕丝层、疏水型预充填陶粒层、第二绕丝层、第一金属编织滤网、第一金属烧结纤维和第一外保护罩；所述气层筛管包括由内向外依次套设在基管上的第三绕丝层、第二金属编织滤网、第二金属烧结纤维和第二外保护罩；所述第一绕丝层、疏水型预充填陶粒层和第三绕丝层的挡砂精度均为I级精度，所述第二绕丝层、第一金属编织滤网、第一金属烧结纤维、第二金属编织滤网和第二金属烧结纤维的挡砂精度均为II级精度，所述I级精度低于II级精度。本技术方案的有益效果为：(1)本发明提供的用于下部水流区域的防砂控水的水层筛管，采用第一绕丝层、疏水型预充填陶粒层、第二绕丝层、第一金属编织滤网、第一金属烧结纤维复合介质组合，其中，疏水型预充填陶粒层采用的是一种涂覆人造陶粒，即在常规人造陶粒的表面涂覆一层疏水化学材料，使涂覆陶粒具有当水流经过时阻力大的特性，起到阻水通气或通油的作用；在疏水型预充填陶粒层的外层使用挡砂精度为II级精度的第二绕丝层，以起到较高的挡砂作用，而位于疏水型预充填陶粒层的内层的第一绕丝层的作用主要是支撑稳定疏水型预充填陶粒层，因此第一绕丝层采用II级精度，以提高水层筛管的流通能力；第一金属编织滤网是一种使用金属丝通过纵横交错编织方式加工而成的规则孔隙过滤滤网材料，将其作为水层筛管挡砂层的第二层(从最外层算起)，可以增强挡砂效果；第一金属烧结纤维是一种使用金属纤维压实烧结而成的不规则过滤材料，经发明人实验测试，其挡砂效果较高，尤其对于天然气水合物储层的粉细砂，将其作为水层筛管挡砂层的最外层，可以确保挡砂效果；综上，本发明的水层筛管具有较高的挡砂能力和疏水特性，可以提高水流阻力，降低产水量，保证挡砂能力，起到水流区域的挡砂控水作用。(2)本发明提供的用于上部气流区域控砂的气层筛管，采用第三绕丝层、第二金属编织滤网和第二金属烧结纤维组成的三层复合介质组合，其中，第二金属烧结纤维作为气层筛管挡砂层的最外层，可以确保挡砂效果；第二金属编织滤网作为气层筛管挡砂层的第二层(从最外层算起)，可以增强挡砂效果；第三绕丝层作为第三层介质，起到最后一级较粗颗粒的挡砂屏障的作用，同时其挡砂精度较低，流通性较好，起到疏通介质，增强流通性的作用；综上，本发明的气层筛管具有高挡砂能力、高抗堵塞能力和高流通能力，起到气流区域的挡砂通气作用，显著提高挡砂能力和天然气流通能力，提高产气量。
本发明的技术方案还有：所述第一绕丝层、第二绕丝层和第三绕丝层均采用截面为圆形的金属丝制作。本技术方案的有益效果为：绕丝层上相邻两根金属丝之间形成流动通道，采用截面为圆形的金属丝，使流动通道的内、外侧均形成双侧弧形的端口，与传统的矩形和梯形缝相比，在保证挡砂能力的同时，能够显著降低流动阻力。
本发明的技术方案还有：
所述I级精度WI的计算公式：若d50≥0.05mm，则WI＝(0.85～1.0)×d50；若0.03mm<d50≤0.05mm，则WI＝0.05mm；若0.015mm<d50≤0.03mm，则WI＝0.04mm；若d50≤0.015mm，则WII＝0.03mm；
所述II级精度WII的计算公式：WII＝WI/1.5；
其中，d50为地层砂粒度中值，mm。
本发明的技术方案还有：
所述水层筛管长度Lw和气层筛管长度Lg的计算公式：
Figure BDA0002425926500000041
Figure BDA0002425926500000042
Figure BDA0002425926500000043
其中，L为生产段筛管总长，等于储层厚度加10-15m；B为天然气井底体积系数，无量纲；R为地面生产水气比，方/万方，m3/104m3；K为井底条件下水气体积比，无量纲；X为考虑气液滑脱的校正系数，无量纲。
本发明还提供了出水气井和天然气水合物井防砂筛管的防砂控水组合应用方法，包括以下步骤：
A、所述I级精度WI的计算公式：若d50≥0.05mm，则WI＝(0.85～1.0)×d50；若0.03mm<d50≤0.05mm，则WI＝0.05mm；若0.015mm<d50≤0.03mm，则WI＝0.04mm；若d50≤0.015mm，则WII＝0.03mm；
所述II级精度WII的计算公式：WII＝WI/1.5；
按照上述I级精度的计算公式和II级精度的计算公式计算I级精度和II级精度；
B、获得生产条件下井底温度T和压力P的范围；
C、计算井底条件下天然气体积系数B；
D、根据地面生产水气比R和天然气体积系数B计算井下水气体积比例K，
Figure BDA0002425926500000051
E、计算水层筛管的使用长度Lw和气层筛管的使用长度Lg，
Figure BDA0002425926500000052
Figure BDA0002425926500000053
根据发明人前期关于筛管精度优化的大量实验研究结果及现场设计应用效果统计，本发明提出一种出水气井和天然气水合物井防砂筛管的防砂控水组合应用方法，其有益效果为：为不同地层砂条件、不同水气比生产条件的防砂控水提供了系统的参数设计方法和推荐参数，简单易行，便于应用，可以有助于显著提高出水气井和天然气水合物井的防砂控水生产效果。
附图说明
图1为实施例中出水气井和天然气水合物井防砂筛管的结构示意图。
图2为实施例中水层筛管的纵剖图。
图3为实施例中水层筛管的横剖图。
图4为实施例中气层筛管的纵剖图。
图5为实施例中气层筛管的横剖图。
图6为实施例中圆形绕丝层与现有梯形绕丝层的对比图。
图中：1、基管，2、水层筛管，3、气层筛管，4、第一绕丝层，5、疏水型预充填陶粒层，6、第二绕丝层，7、第一金属编织滤网，8、第一金属烧结纤维，9、第一外保护罩，10、第三绕丝层，11、第二金属编织滤网，12、第二金属烧结纤维，13、第二外保护罩，14、生产层位，15、隔层，16、扶正器，17、口袋，18、口袋沉砂，19、封隔器/桥塞人工井底，20、梯形金属丝，21、圆形金属丝。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面根据附图对本发明具体实施方式作进一步说明。
如图1-图6所示，一种出水气井和天然气水合物井防砂筛管，包括基管1、水层筛管2和气层筛管3，所述水层筛管2和气层筛管3均安装在基管1上并且水层筛管2位于气层筛管3的下方。
基管1由普通油管或套管钻孔而成，材质一般为N80或P110钢材，孔径5-10mm，孔密30-100孔/m。
所述水层筛管2挡砂能力高于气层筛管3的挡砂能力，所述水层筛管2的阻水能力高于气层筛管3的阻水能力，所述水层筛管2的流通能力低于气层筛管3的流通能力。
具体的，如图2和图3所示，所述水层筛管2包括由内向外依次套设在基管上的第一绕丝层4、疏水型预充填陶粒层5、第二绕丝层6、第一金属编织滤网7、第一金属烧结纤维8和第一外保护罩9。
如图4和图5所示，所述气层筛管3包括由内向外依次套设在基管1上的第三绕丝层10、第二金属编织滤网11、第二金属烧结纤维12和第二外保护罩13。
所述第一绕丝层4、疏水型预充填陶粒层5和第三绕丝层10的挡砂精度均为I级精度，所述第二绕丝层6、第一金属编织滤网7、第一金属烧结纤维8、第二金属编织滤网(11)和第二金属烧结纤维(12)的挡砂精度均为II级精度。
所述I级精度低于II级精度，具体的，所述I级精度WI的计算公式：若d50≥0.05mm，则WI＝(0.85～1.0)×d50；若0.03mm<d50≤0.05mm，则WI＝0.05mm；若0.015mm<d50≤0.03mm，则WI＝0.04mm；若d50≤0.015mm，则WII＝0.03mm；
所述II级精度WII的计算公式：WII＝WI/1.5；
其中，d50为地层砂粒度中值，mm。
所述水层筛管2长度Lw和气层筛管3长度Lg的计算公式：
Figure BDA0002425926500000071
Figure BDA0002425926500000072
Figure BDA0002425926500000073
其中，L为生产段筛管总长，等于储层厚度加10-15m；B为天然气井底体积系数，无量纲；R为地面生产水气比，方/万方，m3/104m3；K为井底条件下水气体积比，无量纲；X为考虑气液滑脱的校正系数，无量纲。
疏水型预充填陶粒层5采用的是一种涂覆人造陶粒，即在常规人造陶粒的表面涂覆一层疏水化学材料，使涂覆陶粒具有当水流经过时阻力大的特性，起到阻水通气或通油的作用。
在疏水型预充填陶粒层5的外层使用挡砂精度为II级精度的第二绕丝层6，以起到较高的挡砂作用，而位于疏水型预充填陶粒层5的内层的第一绕丝层4的作用主要是支撑稳定疏水型预充填陶粒层5，因此第一绕丝层4采用II级精度，以提高水层筛管2的流通能力。
第一金属编织滤网7是一种使用金属丝通过纵横交错编织方式加工而成的规则孔隙过滤滤网材料，将其作为水层筛管2挡砂层的第二层(从最外层算起)，可以增强挡砂效果。
第一金属烧结纤维8是一种使用金属纤维压实烧结而成的不规则过滤材料，经发明人实验测试，其挡砂效果较高，尤其对于天然气水合物储层的粉细砂，将其作为水层筛管挡砂层的最外层，可以确保挡砂效果。
第二金属烧结纤维12作为气层筛管3挡砂层的最外层，可以确保挡砂效果。
第二金属编织滤网11作为气层筛管3挡砂层的第二层(从最外层算起)，可以增强挡砂效果。
第三绕丝层10作为第三层介质，起到最后一级较粗颗粒的挡砂屏障的作用，同时其挡砂精度较低，流通性较好，起到疏通介质，增强流通性的作用。
绕丝层是指利用圆形金属丝通过径向缠绕形成的一种规则缝隙类挡砂介质。所述第一绕丝层4、第二绕丝层6和第三绕丝层10均采用截面为圆形的金属丝制作，金属丝使用的材质为316L钢，金属丝直径为1-2mm，相邻的两根金属丝之间的缝隙即为流动通道，其缝宽即为绕丝缝宽或挡砂精度。采用圆形金属丝21，使流动通道的内、外侧均形成双侧弧形的端口(如图6所示)，与传统的矩形和梯形缝相比，在保证挡砂能力的同时，能够显著降低流动阻力。
第一外保护罩9和第二外保护罩13均为市场常用的标准式外保护罩，材质为304钢，厚度0.3-1.0mm，冲缝加工而成。
综上，本发明的水层筛管2具有较高的挡砂能力和疏水特性，可以提高水流阻力，降低产水量，保证挡砂能力，起到水流区域的挡砂控水作用。本发明的气层筛管3具有高挡砂能力、高抗堵塞能力和高流通能力，起到气流区域的挡砂通气作用，显著提高挡砂能力和天然气流通能力，提高产气量。
本实施例还提供了一种出水气井和天然气水合物井防砂筛管的防砂控水组合应用方法，包括以下步骤：
A、所述I级精度WI的计算公式：若d50≥0.05mm，则WI＝(0.85～1.0)×d50；若0.03mm<d50≤0.05mm，则WI＝0.05mm；若0.015mm<d50≤0.03mm，则WI＝0.04mm；若d50≤0.015mm，则WII＝0.03mm；
所述II级精度WII的计算公式：WII＝WI/1.5；
按照上述I级精度的计算公式和II级精度的计算公式计算I级精度和II级精度；
B、获得生产条件下井底温度T和压力P的范围；
C、计算井底条件下天然气体积系数B；
D、根据地面生产水气比R和天然气体积系数B计算井下水气体积比例K，
Figure BDA0002425926500000091
E、计算水层筛管2的使用长度Lw和气层筛管3的使用长度Lg，
Figure BDA0002425926500000092
Figure BDA0002425926500000093
相对于现有技术，本实施例提供的出水气井和天然气水合物井防砂筛管的防砂控水组合应用方法，为不同地层砂条件、不同水气比生产条件的防砂控水提供了系统的参数设计方法和推荐参数，简单易行，便于应用，可以有助于显著提高出水气井和天然气水合物井的防砂控水生产效果。
上面结合附图对本发明的实施例做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种出水气井和天然气水合物井防砂筛管，其特征在于：包括基管(1)、水层筛管(2)和气层筛管(3)，所述水层筛管(2)和气层筛管(3)均安装在基管(1)上并且水层筛管(2)位于气层筛管(3)的下方，所述水层筛管(2)挡砂能力高于气层筛管(3)的挡砂能力，所述水层筛管(2)的阻水能力高于气层筛管(3)的阻水能力，所述水层筛管(2)的流通能力低于气层筛管(3)的流通能力。
2.根据权利要求1所述的出水气井和天然气水合物井防砂筛管，其特征在于：所述水层筛管(2)包括由内向外依次套设在基管上的第一绕丝层(4)、疏水型预充填陶粒层(5)、第二绕丝层(6)、第一金属编织滤网(7)、第一金属烧结纤维(8)和第一外保护罩(9)；所述气层筛管(3)包括由内向外依次套设在基管(1)上的第三绕丝层(10)、第二金属编织滤网(11)、第二金属烧结纤维(12)和第二外保护罩(13)；所述第一绕丝层(4)、疏水型预充填陶粒层(5)和第三绕丝层(10)的挡砂精度均为I级精度，所述第二绕丝层(6)、第一金属编织滤网(7)、第一金属烧结纤维(8)、第二金属编织滤网(11)和第二金属烧结纤维(12)的挡砂精度均为II级精度，所述I级精度低于II级精度。
3.根据权利要求2所述的出水气井和天然气水合物井防砂筛管，其特征在于：所述第一绕丝层(4)、第二绕丝层(6)和第三绕丝层(10)均采用截面为圆形的金属丝制作。
4.根据权利要求2或3所述的出水气井和天然气水合物井防砂筛管，其特征在于：
所述I级精度WI的计算公式：若d50≥0.05mm，则WI＝(0.85～1.0)×d50；若0.03mm<d50≤0.05mm，则WI＝0.05mm；若0.015mm<d50≤0.03mm，则WI＝0.04mm；若d50≤0.015mm，则WII＝0.03mm；
所述II级精度WII的计算公式：WII＝WI/1.5；
其中，d50为地层砂粒度中值，mm。
5.根据权利要求4所述的出水气井和天然气水合物井防砂筛管，其特征在于：
所述水层筛管(2)长度Lw和气层筛管(3)长度Lg的计算公式：
Figure FDA0002425926490000021
Figure FDA0002425926490000022
Figure FDA0002425926490000023
其中，L为生产段筛管总长，等于储层厚度加10-15m；B为天然气井底体积系数，无量纲；R为地面生产水气比，方/万方，m3/104m3；K为井底条件下水气体积比，无量纲；X为考虑气液滑脱的校正系数，无量纲。
6.一种出水气井和天然气水合物井防砂筛管的防砂控水组合应用方法，包括以下步骤：
A、所述I级精度WI的计算公式：若d50≥0.05mm，则WI＝(0.85～1.0)×d50；若0.03mm<d50≤0.05mm，则WI＝0.05mm；若0.015mm<d50≤0.03mm，则WI＝0.04mm；若d50≤0.015mm，则WII＝0.03mm；
所述II级精度WII的计算公式：WII＝WI/1.5；
按照上述I级精度的计算公式和II级精度的计算公式计算I级精度和II级精度；
B、获得生产条件下井底温度T和压力P的范围；
C、计算井底条件下天然气体积系数B；
D、根据地面生产水气比R和天然气体积系数B计算井下水气体积比例K，
Figure FDA0002425926490000024
E、计算水层筛管(2)的使用长度Lw和气层筛管(3)的使用长度Lg，
Figure FDA0002425926490000025
Figure FDA0002425926490000031
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