一种自适应预充填陶粒防砂筛管及自适应方法

1.本发明涉及一种自适应预充填陶粒防砂筛管及自适应方法，属于石油与天然气开采井下防砂完井工具技术领域。


背景技术：

2.我国及世界上疏松砂岩油气藏分布广泛，目前其储量及产量占主导地位。疏松砂岩油气藏开采面临的主要棘手问题之一是油气井出砂，造成生产设备损害及产量大幅降低。近年来，国内外天然气水合物藏的试验性开发与开采也逐步进行。天然气水合物储层由于储层岩石颗粒的胶结物大部分是水合物，开采分解后失去胶结作用造成大量出砂。对上述油气藏的出砂问题，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。
3.在众多的防砂方法中，砾石充填类和独立机械筛管类防砂方式占主要地位。砾石充填防砂是将石英砂或陶粒充填于机械筛管与套管或井筒环空以及近井储层，利用充填颗粒堆积形成的多孔介质起到挡砂与导流作用；独立机械筛管防砂是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。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。传统的砾石充填类和独立机械筛管类防砂对出砂严重且泥质含量高、地层砂粒径小的天然气水合物泥质粉细砂储层综合防砂效果达不到生产要求。
4.预充填砾石防砂筛管是一种重要的防砂筛管类型，广泛应用与油井、气井及天然气水合物井的防砂作业中。目前已有的预充填防砂筛管，是在两层割缝或绕丝间充填一定粒径范围的石英砂或人造陶粒，将独立机械筛管防砂和砾石充填防砂结合起来，起到较好的防砂作用。但其仍存在一些问题：
5.(1)筛管内预充填的固体颗粒材料(石英砂砾石或人造陶粒)形成的孔隙结构容易被储层中随流体产出的粘土泥质、细砂粒、稠油等吸附堵塞；堵塞以后筛管介质渗透率会大大降低，严重损害油气井产量，筛管使用寿命缩短，整体防砂效果变差。由于现有的预充填筛管中，预充填材料被完全固定、封堵，筛管缺少自洁能力，发生地层砂侵入堵塞后，筛管流通能力下降且很难恢复。
6.(2)预充填的固体颗粒尺寸一般为某一粒径范围(如20
‑
40目，30
‑
60目)，颗粒粒径不均。防砂投产后，预充填的固体颗粒材料在流体冲击下会发生移动从而排列重组，逐渐使预充填层结构松散，孔喉尺寸增大，挡砂效果逐渐变差。
7.(3)对于上述提到的预充填筛管被堵塞或结构冲击松散失去挡砂作用后，意味着预充填筛管防砂失效；应对的措施是拔除筛管，重新进行防砂作业。最终使得现有预充填筛管防砂有效期短、油气井防砂成本高。
8.中国专利文献cn204827393u一种预充填防砂筛管，实现对油井的防砂，尤其适用于稠油热采大斜度井的套管防砂施工，可延长防砂周期。本防砂筛管包括中心管和内绕丝
管，中心管设有液流孔，内绕丝管安装在中心管的外面，中心管的两端分别固定下承接帽和上压帽用于安装预充填层和外绕丝管，在预充填层的上方与上压帽之间安装压实补偿机构，外绕丝管的上端通过连接套与压实补偿机构连接，对预充填层施加预紧力，保证预充填层的密实；虽然该预充填防砂筛管能对预充填层进行压紧，保证预充填层的密实程度，提高预充填层的强度，但下承接帽位置是固定的，只有上压帽能够在补偿套内滑动对充填层的压紧，只能借助外力往下压实,无法实现装置本身自适应调节，即无法根据预充填层的情况自动补偿压实或回缩的自调整功能，也无自解堵功能和无自压实功能。


技术实现要素：

9.针对现有技术的不足，本发明提供一种自适应预充填陶粒防砂筛管及自适应方法。
10.术语解释：
11.弹簧半压缩状态：是指弹从自然伸长状态压缩到最大压缩状态行程的一半。
12.本发明达到以下目的：
13.1、可以根据预充填层的情况自动补偿压实或回缩自我调整，并且具有自解堵功能和自压实功能；
14.2、实现筛管被堵塞后的自清洁解堵，并自动抵抗生产过程中的预充填砾石失稳，保持陶粒颗粒的压实程度，提高充填稳定性，保持稳定挡砂效果。
15.3、大幅延长预充填防砂筛管的防砂有效期，提高综合防砂效果。
16.为达到以上目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
17.一种自适应预充填陶粒防砂筛管，由内至外依次包括：
18.基管，所述基管上开设有与基管内相连通的导流孔；
19.套设在基管外部的内层滤网；
20.套设在基管外部的外层滤网；
21.位于内层滤网与外层滤网之间的自解堵和自压实预充填陶粒层；
22.套设在外层滤网外侧的外保护罩；
23.所述的自解堵和自压实预充填陶粒层包括预充填陶粒层和用于压实、解堵预充填陶粒层的自适应调整机构，预充填陶粒层内填充有人造陶粒。
24.根据本发明优选的，所述自适应调整机构包括弹簧、弹簧固定基座、内侧滑动导轨和外侧滑动导轨；内侧滑动导轨设置在基管外壁上，外侧滑动导轨位于预充填陶粒层的外侧，内侧滑动导轨和外侧滑动导轨之间为容纳预充填陶粒层的空间，在预充填陶粒层的两端分别设置有弹簧移动密封端盖，弹簧移动密封端盖在内侧滑动导轨和外侧滑动导轨之间并沿内侧滑动导轨、外侧滑动导轨滑动，弹簧位于弹簧固定基座与弹簧移动密封端盖之间。
25.根据本发明优选的，弹簧固定基座套设在基管上并固定在基管一端，外侧滑动导轨的端部固定在固定基座上。
26.根据本发明优选的，外侧滑动导轨设置有4根，与基管轴向方向一致，在预充填陶粒层外周均匀间隔分布。
27.根据本发明优选的，内侧滑动导轨设置有4根，与基管轴向方向一致，在基管外周均匀间隔分布。
28.根据本发明优选的，所述的弹簧为金属螺旋压缩弹簧，设置有1根，套设在内侧滑动导轨外侧，弹簧的直径为4
‑
6mm，中径为筛管基管外径加6mm，弹簧的自由长度为自适应调整机构长度的1
‑
3倍。
29.根据本发明优选的，内侧滑动导轨、外侧滑动导轨的剖面顶端均为楔形。保证与移动密封端盖连接的稳定性。
30.根据本发明优选的，预充填陶粒层内人造陶粒的等径粒径根据地层砂粒度中值和均匀系数确定，具体如下：
31.当地层砂粒度中值d50<60μm，人造陶粒的粒径范围为0.25～0.35mm。
32.当地层砂粒度中值d50介于60
‑
80μm，人造陶粒的粒径范围为0.35～0.45mm。
33.当地层砂粒度中值d50介于80
‑
100μm，人造陶粒的粒径范围为0.45～0.55mm。
34.当地层砂粒度中值d50介于100
‑
120μm，人造陶粒的粒径范围为0.55～0.65mm。
35.当地层砂粒度中值d50介于120
‑
135μm，人造陶粒的粒径范围为0.65～0.75mm。
36.当地层砂粒度中值d50介于135
‑
155μm，人造陶粒的粒径范围为0.75～0.85mm。
37.当地层砂粒度中值d50介于155
‑
170μm，人造陶粒的粒径范围为0.85～0.95mm。
38.当地层砂粒度中值d50介于170
‑
190μm，人造陶粒的粒径范围为0.95～1.05mm。
39.当地层砂粒度中值d50介于190
‑
210μm，人造陶粒的粒径范围为1.05～1.15mm。
40.当地层砂粒度中值d50介于210
‑
230μm，人造陶粒的粒径范围为1.15～1.25mm。
41.当地层砂粒度中值d50>230μm，人造陶粒的粒径范围为1.25～1.45mm。
42.根据本发明优选的，预充填陶粒层的厚度大于20mm。
43.出砂严重，或高产油气井(流体流速较高，地层砂侵入严重)，或稠油井，或气井中，预充填陶粒层的厚度为35
‑
40mm；
44.出砂轻微、产量较低的油气井中，预充填陶粒层的厚度为20
‑
30mm；
45.井眼或套管尺寸较小，预充填陶粒层的厚度为20
‑
25mm；
46.对于生产系统对防砂要求较高的情况，预充填陶粒层的厚度为35
‑
40mm；
47.对于高泥质含量储层，为了避免过度堵塞，预充填陶粒层的厚度为25
‑
30mm。
48.筛管基管：提供对整体筛管的结构承载和支撑。基管管壁开设导流孔，保证筛管整体强度，并通过孔眼提供油气入流通道；内层网：紧贴基管外壁，起到隔离基管和预充填材料的作用，防止预充填材料通过基管孔眼泻流到基管内部。内侧滑动导轨：为弹簧移动密封端盖提供滑动支撑和导轨。预充填陶粒层：预充填一定厚度和粒径的人造陶粒，起到阻挡地层砂和保持流通性的作用。弹簧固定基座：用于安装和固定弹簧一端。弹簧移动密封端盖：用于连接和固定弹簧的移动端，并实现与内侧滑动导轨的配合。弹簧：提供轴向压实预充填陶粒层的动力。外侧滑动导轨：焊接于弹簧固定基座，为弹簧移动密封端盖提供外侧滑动支撑和导轨。外层滤网：紧贴预充填层外侧和外保护罩内侧，起到外保护罩和预充填材料，防止预充填材料外泄到保护罩外部的作用外保护罩：起保护筛管内部介质的作用；保护罩管壁上开设孔眼，提供流体入流通道。
49.利用自适应预充填陶粒防砂筛管进行自解堵和自压实的方法如下：
50.s1：设置防砂筛管预充填陶粒层两端的弹簧为半压缩状态；正常生产过程中，由于半压缩状态弹簧具有趋向伸长特性，对预充填陶粒层产生纵向压缩作用力，当自预充填陶粒层在流体冲击作用下排列重组发生失稳现象，弹簧的纵向压缩作用力对预充填陶粒层压
实，使失稳的充填层很快被压实并重新保持稳定状态，实现自压实作用；
51.s2：当预充填陶粒层挡砂介质孔喉被地层砂堵塞后，渗透率和流动性均降低，导致预充填层容腔内的压力升高，升高的压力压缩弹簧回缩，使得预充填层容腔空间增大，在流体冲击作用下，预充填陶粒层挡砂介质失稳并使得孔喉空间增大，侵入堵塞的地层砂微粒被流体冲刷携带通过基管孔眼排出，实现疏通堵塞、自清洁和自解堵的作用。
52.本发明的自适应预充填陶粒防砂筛管实现筛管的自解堵和自压实的原理如下：
53.1、自压实原理：筛管在装配时预充填陶粒层上下两端的弹簧弹设置为半压缩状态。正常生产过程中，由于预充填陶粒层上下两端的处于半压缩状态的弹簧弹具有趋向伸长特性，会对预充填陶粒层产生纵向压缩作用，相当于预充填陶粒层被压实。并且，一旦预充填陶粒层在流体冲击作用下排列重组发生失稳现象，弹簧的压实作用会使得失稳的充填层很快被压实并重新保持稳定状态。图3展示了上述过程及自压实原理。
54.2、自解堵原理：在筛管正常流通条件下，筛管预充填层容腔内部的压力较低；当筛管预充填陶粒挡砂介质孔喉被地层砂堵塞后，其渗透率和流动性均降低，会造成蹩压从而导致预充填层容腔内的压力升高。升高的压力会压缩弹簧回缩，使得预充填层容腔空间变大；在流体冲击作用下，变大的空间内预充填陶粒颗粒会失稳并使得孔喉空间增大；这种情况下，侵入堵塞的地层砂微粒会被流体冲刷携带通过基管孔眼排出，从而达到疏通堵塞、自清洁和自解堵的作用。一旦堵塞被解除，流动恢复，则预充填层容腔内的压力会降低到正常水平，弹簧回复到原始的半压缩状态，使得预充填层中的陶粒回恢复到原来压实状态。直到最终筛管外部地层砂稳定桥架形成，而筛管内部始终保持畅通。图4展示了上述过程及自解堵原理。
55.针对本发明的筛管自解堵原理和筛管结构，需要特别强调和解释的是：正常情况下，筛管的挡砂过程是：在筛管控砂投产早期，较细的地层砂微粒进入筛管内部产生侵入堵塞，同时较粗的地层砂颗粒在筛管外部桥架，直至筛管外部稳定的桥架形成(图4d)。筛管外部的地层砂桥架是自然现象，也是筛管控砂的基本原理和必须的。但是，在筛管外部桥架形成过程中，筛管内部的堵塞是我们所不想看到的，因为这个堵塞渗透率极低，会大幅降低油气井产能。本发明提供的筛管自解堵功能，正是为了解除上述过程中筛管介质内部的堵塞。
56.本发明预充填陶粒层的厚度以及粒径均由发明人模拟大量常规油气储层、水合物储层的多种粒径地层砂模拟挡砂实验中优选得到，使得本发明的预充填防砂筛管各项结构参数能够适应常规油气及天然气水合物泥质粉细砂储层地质和生产条件，在防砂过程中能够兼顾高挡砂性能与高流通性能，筛管堵塞后通过自清洁机构清除堵塞物恢复筛管流通性能，实现对于泥质粉细砂的有效阻挡和油气高效导流，同时外保护罩和外层阻挡滤网可以有效保护预充填层的稳定性，降低冲蚀破坏风险。
57.针对等径陶粒充填，实际加工制造时选择充填一定粒径范围的陶粒，目的是考虑加工筛选误差，并为了便于加工制造和降低成本。因为在现场实际中，筛选完全等径的固体颗粒比较困难且成本较高。
58.即便如此，本发明所涉及的充填粒径范围较窄，非常接近要求的等径粒径。以等径粒径0.6mm为例，为了便于加工制造和降低成本，允许充填0.55
‑
0.65mm的陶粒。作为对比，现有的预充填筛管中对应等效平均粒径0.6mm的陶粒，其粒径范围为0.4
‑
0.8mm。如此大的粒径范围会导致颗粒失稳重组后孔喉结构和挡砂精度的较大变化。
59.本发明的技术特点及优点如下：
60.1、本发明的防砂筛管设有自适应调整机构，自适应调整机构包括弹簧、弹簧固定基座、内侧滑动导轨和外侧滑动导轨；原始处于半压缩状态的弹簧机构具有趋向伸长特性，会对预充填陶粒层产生纵向压实作用。一旦预充填陶粒层在流体冲击作用下排列重组发生失稳现象，弹簧的压实作用会使得失稳的充填层很快被压实并重新保持稳定状态。与常规现有的预充填筛管相比，其益处是能够长期保持预充填陶粒处于密实充填状态，保持稳定的挡砂精度和挡砂效果，延长预充填筛管的防砂有效期。
61.2、本发明的防砂筛管设有自适应调整机构具有自解堵作用。当筛管预充填陶粒挡砂介质被堵塞后，充填容腔内的压力会因为蹩压而升高，驱动弹簧密封端压缩弹簧，使得预充填层容腔空间变大；预充填陶粒颗粒会失稳并且孔喉空间增大；侵入堵塞的地层砂微粒会被流体冲刷携带通过基管孔眼排出，从而达到疏通堵塞、自清洁和自解堵的作用。一旦堵塞被解除，压力降低，在弹簧作用下，预充填层陶粒会恢复到原来压实状态。与常规现有的预充填筛管相比，其益处是通过自解堵和自恢复功能，能够避免预充填陶粒不被过度堵塞，保持挡砂介质层良好的流通性能，保持油气井产能，延长预充填筛管的防砂有效期，提高总体防砂生产效果。
62.3、本发明防砂筛管的预充填陶粒层为等径人造陶粒，可以保证在筛管自解堵和自压实过程中，无论陶粒颗粒如何失稳和排列重组，最终压实稳定后的孔喉尺寸是不变的，保证了稳定的流通性和挡砂效果。相比目前传统预充填筛管中充填较大粒径范围的固体颗粒，本发明的充填更能保证稳定的挡砂效果和挡砂精度，并避免了充填层失稳重组后的挡砂能力变化和下降，综合防砂效果更好。
63.4、本发明防砂筛管的预充填陶粒层预充填陶粒粒径和厚度设计方法，为不通过生产条件和地层砂设计推荐了合理的预充填陶粒的粒径和充填厚度。这些推荐设计参数基于实验评价验证，保证了不同条件下使用本发明提供的自适应预充填陶粒防砂筛管的防砂效果。
附图说明
64.图1是本发明自适应预充填陶粒防砂筛管的整体结构示意图；
65.图2是图1中b
‑
b剖视图；
66.图3是本发明自适应预充填陶粒防砂筛管自压实过程及原理示意图；
67.图4是本发明自适应预充填陶粒防砂筛管自解堵过程及原理示意图；
68.图5是本发明自适应预充填陶粒防砂筛管的局部结构示意图。
69.图中，1、基管；2、内层滤网；3、内侧滑动导轨；4、预充填陶粒层；5、弹簧固定基座；6、移动密封端盖；7、弹簧；8、外侧滑动导轨；9、外层滤网；10、外保护罩；11、导流孔。
具体实施方式
70.下面结合说明书附图和实施例对本发明进一步限定，但不限于此。
71.实施例1
72.一种自适应预充填陶粒防砂筛管，结构如图1、图2所示，由内至外依次包括：
73.基管1，所述基管上开设有与基管内相连通的导流孔11；
74.套设在基管1外部的内层滤网2；
75.套设在基管1外部的外层滤网9；
76.内、外层滤网使用单层金属丝垂直交错编织网，网孔为正方形，网孔长度和宽度均为预充填陶粒粒径的2/3左右，金属丝直径0.3
‑
0.5mm，材质为316l钢材。
77.位于内层滤网与外层滤网之间的自解堵和自压实预充填陶粒层；
78.套设在外层滤网9外侧的外保护罩10；外保护罩材质为304钢，厚度1
‑
1.5mm，选用螺旋冲缝结构。
79.自解堵和自压实预充填陶粒层4包括预充填陶粒层4和用于压实、解堵预充填陶粒层的自适应调整机构，预充填陶粒层内填充有人造陶粒。
80.自适应调整机构包括弹簧7、弹簧固定基座5、内侧滑动导轨3和外侧滑动导轨8；内侧滑动3导轨设置在基管1外壁上，外侧滑动导轨8位于预充填陶粒层的外侧，内侧滑动导轨3和外侧滑动导轨8之间为容纳预充填陶粒层的空间，在预充填陶粒层的两端分别设置有弹簧移动密封端盖6，弹簧移动密封端盖6在内侧滑动导轨3和外侧滑动导轨8之间并沿内侧滑动导轨、外侧滑动导轨滑动，弹簧7位于弹簧固定基座与弹簧移动密封端盖之间。所述的弹簧为金属螺旋压缩弹簧，设置有1根，套设在内侧滑动导轨外侧，弹簧的直径为4mm，中径为筛管基管外径加6mm，弹簧的自由长度为自适应调整机构长度的2倍。弹簧固定基座套设在基管上并固定在基管一端，外侧滑动导轨的端部固定在固定基座上。固定基座5焊接于基管1外壁，用于悬挂弹簧7。自适应调整机构的长度为0.3m。
81.外侧滑动导轨8设置有4根，与基管轴向方向一致，在预充填陶粒层外周均匀间隔分布。
82.内侧滑动导轨3设置有4根，与基管轴向方向一致，在基管外周均匀间隔分布。
83.内侧滑动导轨3、外侧滑动导轨8的剖面顶端均为楔形。保证与移动密封端盖连接的稳定性。
84.预充填陶粒层内人造陶粒的等径粒径根据地层砂粒度中值和均匀系数确定，具体如下：
85.当地层砂粒度中值d50<60μm，人造陶粒的粒径范围为0.25～0.35mm。
86.当地层砂粒度中值d50介于60
‑
80μm，人造陶粒的粒径范围为0.35～0.45mm。
87.当地层砂粒度中值d50介于80
‑
100μm，人造陶粒的粒径范围为0.45～0.55mm。
88.当地层砂粒度中值d50介于100
‑
120μm，人造陶粒的粒径范围为0.55～0.65mm。
89.当地层砂粒度中值d50介于120
‑
135μm，人造陶粒的粒径范围为0.65～0.75mm。
90.当地层砂粒度中值d50介于135
‑
155μm，人造陶粒的粒径范围为0.75～0.85mm。
91.当地层砂粒度中值d50介于155
‑
170μm，人造陶粒的粒径范围为0.85～0.95mm。
92.当地层砂粒度中值d50介于170
‑
190μm，人造陶粒的粒径范围为0.95～1.05mm。
93.当地层砂粒度中值d50介于190
‑
210μm，人造陶粒的粒径范围为1.05～1.15mm。
94.当地层砂粒度中值d50介于210
‑
230μm，人造陶粒的粒径范围为1.15～1.25mm。
95.当地层砂粒度中值d50>230μm，人造陶粒的粒径范围为1.25～1.45mm。
96.出砂严重，或高产油气井(流体流速较高，地层砂侵入严重)，或稠油井，或气井中，预充填陶粒层的厚度为35
‑
40mm；
97.出砂轻微、产量较低的油气井中，预充填陶粒层的厚度为20
‑
30mm；
98.井眼或套管尺寸较小，预充填陶粒层的厚度为20
‑
25mm；
99.对于生产系统对防砂要求较高的情况，预充填陶粒层的厚度为35
‑
40mm；
100.对于高泥质含量储层，为了避免过度堵塞，预充填陶粒层的厚度为25
‑
30mm。
101.实施例2
102.同实施例1所述的自适应预充填陶粒防砂筛管，不同之处在于：
103.弹簧为金属螺旋压缩弹簧，设置有1根，套设在内侧滑动导轨外侧，弹簧的直径为6mm，中径为筛管基管外径加6mm，弹簧的自由长度为自适应调整机构长度的3倍。弹簧固定基座套设在基管上并固定在基管一端，外侧滑动导轨的端部固定在固定基座上。固定基座5焊接于基管1外壁，用于悬挂弹簧7。自适应调整机构的长度为0.5m。
104.实施例3
105.利用自适应预充填陶粒防砂筛管进行自解堵和自压实的方法如下：
106.s1：设置防砂筛管预充填陶粒层两端的弹簧为半压缩状态；正常生产过程中，由于半压缩状态弹簧具有趋向伸长特性，对预充填陶粒层产生纵向压缩作用力，当自预充填陶粒层在流体冲击作用下排列重组发生失稳现象，弹簧的纵向压缩作用力对预充填陶粒层压实，使失稳的充填层很快被压实并重新保持稳定状态，实现自压实作用；如图3所示，
107.s2：当预充填陶粒层挡砂介质孔喉被地层砂堵塞后，渗透率和流动性均降低，导致预充填层容腔内的压力升高，升高的压力压缩弹簧回缩，使得预充填层容腔空间增大，在流体冲击作用下，预充填陶粒层挡砂介质失稳并使得孔喉空间增大，侵入堵塞的地层砂微粒被流体冲刷携带通过基管孔眼排出，实现疏通堵塞、自清洁和自解堵的作用，如图4所示。