一种携带自动解堵装置的防砂筛管

1.本发明涉及一种具有自动解堵功能的防砂筛管结构设计，尤其针对于目前天然气水合物开采所面临的严重出砂问题，属于天然气水合物开采技术领域。


背景技术：

2.天然气水合物是一种在低温、高压条件下形成的具有笼形结构的晶状物质，具有储量大、燃烧值高的特点，被誉为21世纪最具潜力的清洁能源。由于其价值巨大，全球范围内个别国家进行试探性开采(包括加拿大、美国、日本及中国等)，目前没有一个国家实现对天然气水合物的商业化开采，最主要的原因是其储层特殊性导致，据研究发现90％以上的水合物储层为泥质粉砂型，同时目前发现的水合物大部分存在于沉积泥砂中，在进行降压开采的同时，水合物发生分解，然后携带泥砂运移，从而堵塞防砂筛管，影响生产。以中国南海神狐海域两次试采为例，对目前水合物开采所用的防砂完井技术进行简要分析：首次试采用思达斯易能源技术公司防砂技术，防砂效果良好，没有严重出砂；二次试采采用“粗+细”粒砾石充填+高精度预充填筛管的复合三级防砂工艺，随着泥质粉砂的产出，完井段出砂严重，产层段堵死。从两次试采的最终结果来看，就目前的防砂手段，达到了防砂的效果，但同时也造成了筛管的堵塞，因此出砂问题成为制约水合物商业化开采的主要因素，寻求一种长效的防砂完井方法成为当下的主要任务及挑战。从现在防砂现状出发，发现目前防砂方式的不足，结合水合物储层特点、普通防砂筛管特性，设计一种具有自动解堵功能的防砂筛管。


技术实现要素：

3.针对目前天然气水合物开采时面临的严重砂堵问题，本发明提供一种具有自动解堵功能的防砂筛管，其设计过程主要包括：
4.(a)通过对水合物储层特征进行分析，确定防砂筛管类型；
5.(a1)水合物储层泥质含量分析及粒度测试评价；
6.(a2)储层出砂是必然结果，选择合理的防砂筛管类型；
7.(b)对具有自动解堵功能的防砂筛管进行结构设计；
8.(b1)基本结构组成：多层筛网的复合筛管+环形清洗装置；
9.(b2)环形清洗装置周向装有射流喷头，喷头端部装有自动控制阀；
10.(b3)环形装置下方边缘设计爪形的刮砂装置；
11.(c)根据筛管结构对其工作原理进行解释说明；
12.(c1)此类防砂筛管可应用于直井及水平井井型中；
13.(c2)工作原理：储层出砂，防砂筛管进行了有效防砂，随着泥质粉砂的产出，多层筛网堵塞，导致产量急剧下降，此时通过环形清洗器下方的爪形装置进行刮砂处理，随着环形刮砂装置的推进，粉砂会发生堆积，阻挡其前进，当达到一定压力时，自动控制阀打开，高压水进入环形空间，进而通过喷嘴形成高压水射流，冲洗前方堆积粉砂，打通环形清洗器的
前进通道，实现自动解堵，通时达到防砂的效果；
14.(d)对自动解堵的防砂筛管进行效果预测分析；
15.(d1)对比其他防砂筛管，本发明在结构上做出了改进，在多层筛网的复合筛管上加入一个具有自动解堵功能的环形清洗器；
16.(d2)就目前水合物开采所实施的防砂完井方式，根本没法解决筛管堵塞问题，本发明从工作原理来看，可以在不影响生产的情况下有效解决筛管堵塞问题。
17.本发明优点在于：本发明基于目前水合物开采面临的防砂难点，从水合物储层特性(泥质含量及粒度分析)及当下水合物防砂完井方式(根据调研情况发现，进行水合物开采的绝大多数国家采用各类筛管进行防砂，筛管防砂完井方式已经成为水合物防砂的主导方式)出发，设计一种具有自动解堵功能的防砂筛管，重点突出筛管的结构特征及工作原理。它在结构上具有以下特点：(1)由多层筛网的复合筛管+带有射流喷头的环形清洗装置构成；(2)对多层筛网的尺寸进行设计，保证能够最大限度的防砂；(3)在环形清洗器下方安装爪形的刮砂装置；(4)在射流喷头的端部连接自动控制阀；综上4个结构特点，结合其在水合物开采中的实际效果预测评价，此发明对于水合物的商业化开采具有重大的指导意义，具有大范围推广的必要性。
附图说明
18.图1为本发明提供一种携带自动解堵装置的防砂筛管设计流程图；
19.图2为本发明提供携带自动解堵装置的防砂筛管平面结构示意图；
20.图3为本发明提供自动解堵防砂筛管的三维立体示意图；
21.图4为本发明提供环形清洗装置平面示意图；
22.图5为本发明提供环形清洗装置三维立体示意图；
23.图6为本发明实施例提供双层筛网示意图；
24.图7是本发明实施例提供防砂筛管挡砂过程示意图；
25.表1为本发明实施例提供的神狐海域某储层泥质含量；
26.表2为本发明实施例提供的不同筛管结构产出砂和滞留砂尺寸对比。
27.图中，1
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环形圆盘，2
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爪形刮砂钢条，3
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射流喷嘴管道，4
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压力自动控制阀，5
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柱形注水管道，6
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基管，7
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单层筛网，8
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双层筛网，9
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外护管，10
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内护管，11
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地层砂体，12
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游离砂体，13
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管道焊接处，1
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1环形圆盘上端，1
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2环形圆盘下端，2
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1爪形刮砂器外臂，2
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2爪形刮砂器内壁，3
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1射流喷头，3
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2射流喷嘴，3
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3射流管道端部。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
29.本发明分析的是具有自动解堵功能的防砂筛管设计过程，在分析的过程中，重点依据当下天然气水合物开采面临的难题，结合水合物储层特征、确定筛管滤砂类型、进行防砂筛管结构设计、解释说明其工作原理、进行挡砂过程分析、对其挡砂、防砂效果进行预测评价，为后续天然气水合物的商业化开采工作提供指导。
30.下面结合我国南海北部神狐海域天然气水合物开采现状，对本发明设计的目的、工作原理及其防砂效果作进一步描述。
31.天然气水合物作为高效的清洁能源，受到各个国家的青睐，但纵观全球，没有一个国家实现了水合物的商业化开采，其中出砂及砂堵问题成为制约水合物开采的关键因素，以中国神狐海域天然气水合物两次试采为例，我们可以得出以下结论：(1)天然气水合物储层的特殊性决定了其出砂的必然性；(2)合理、有效的防砂手段是解决水合物开采难题的关键。针对以上问题，本发明应用而生，旨在应对当下水合物开采面临的挑战及解决其难题。
32.针对于自动解堵的防砂筛管设计流程如图1所示，具体操作如下：
33.s1：根据神狐海域水合物储层粒度及泥质含量测试结果，我们可以发现储层段的粒度中值范围为16
‑
25μm；不均匀系数的范围为7
‑
10，均质系数大于5，非均质性较大，分选系数范围为20
‑
38，分选系数大于20，分选性差。地层砂为细粉砂，非均质性强，分布不均匀。其次，水合物储层的泥质含量范围为24
‑
35％之间，伊蒙混层中蒙脱石的含量为25％，则其中蒙脱石矿物的含量为36
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40％左右，伊利石矿物的含量为29
‑
34％左右(见表1)。泥质含量远高于15％，造成筛管堵塞的风险高。
34.s2：结合s1中水合物储层粒度及泥质含量分析，确定筛管滤砂类型为深层滤砂，是将地层砂挡在筛网处，允许地层砂进入筛管，对比分析不同筛管结构产出砂及滞留砂尺寸大小，如表2所示，确定此次防砂筛管采用多层滤网的复合筛管，如图6所示，这样能够保证在防砂的前提下正常生产。
35.s3：根据s1中储层特征分析，我们可以发现水合物储层的特殊性必然会导致一个结果，储层出砂进而堵塞筛管，其次，由s2可知，我们采用双层滤网的筛管进行防砂，虽然可以做到有效的防砂，但仍然面临着着筛管堵塞的问题，因此，本发明加入了一种环形且带有喷嘴的自动解堵装置，如图4、5所示，在水合物开采过程中及时解决砂堵问题，保证正常生产。
36.s4：根据s1、s2、s3所述，本发明设计的一种携带自动解堵装置的防砂筛管示意图如图2、3所示，其目的旨在解决水合物开采过程中筛管堵塞问题，其工作原理结合以下图示具体说明：首先，天然气水合物降压开采时储层出砂，携带自动解堵装置的多层滤网防砂筛管进行了有效防砂，防砂筛管示意图见图2，随着泥质粉砂的产出，多层筛网堵塞，导致产量急剧下降，此时通过环形清洗器下方的爪形装置进行刮砂处理，其装置见图4，环形清洗装置前进的动力来源于井筒注水打压，随着环形刮砂装置的推进，粉砂会发生堆积，阻挡其前进，当达到一定压力时，自动控制阀打开，环形空间中的高压水进入自动控制阀与喷嘴的连接通道，进而通过喷嘴形成高压水射流，冲洗前方堆积粉砂，打通环形清洗器的前进通道，实现自动解堵，通时达到防砂的效果。
37.s5：根据防砂筛管的工作原理，对其挡砂过程及防砂预测效果进行简要分析说明，其挡砂过程如图7所示，由于本发明的防砂筛管由多层筛网的复合筛管组成，能够达到“防粗疏细”的效果；其次，由于其携带一种自动解堵的装置，能够很好的解决筛管堵塞问题，保证正常的开采作业。因此，本发明设计的自动解堵防砂筛管，在天然气水合物开采邻域，具有较好的指导意义及推广的必要性。
38.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
39.表1神狐海域某储层泥质含量及各矿物相对含量表
[0040][0041]
表2不同筛管结构产出砂和滞留砂尺寸对比
[0042][0043]