一种用于稠油热采井弱胶结砂岩层的层内可渗透加固防砂方法及装置与流程

1.本发明涉及石油钻采技术领域，尤其是涉及一种用于稠油热采井弱胶结砂岩层的层内可渗透加固防砂方法及装置。


背景技术：

2.我国是世界上第四大稠油生产国，稠油资源在我国各大油田均有分布。与常规石油资源不同，油油藏多为弱胶结砂岩层且使用蒸汽驱或蒸汽驱的方法开发。因此，稠油油层开采过程中往往伴随着严重的出砂问题，进而导致井筒举升设备磨蚀，砂埋储层等一系列问题，增加了油井检泵周期，降低了油井产量。
3.首先，稠油储层多为中、高渗弱胶结砂岩层，胶结质和胶结类型以泥质点接触胶结为主，孔隙度一般在24％～34％之间。多孔、点接触的特性导致了弱胶结砂岩层自身强度较低，在地层压力和流体冲刷的共同作用下砂粒易从岩石骨架剥落。其次，国内油田普遍采用高温蒸汽吞吐等热采方式，在热采的过程中，高温高压蒸汽的水化膨胀作用会进一步破坏储层岩石颗粒之间的胶结质，降低储层的岩石强度。流体对储层的冲刷力及拖曳力超过岩石的抗拉强度时，就会将地层砂粒从岩石骨架中剥离下来并运输至井底。再者，稠油本身的粘度较高，流动过程中产生的拖曳力较大，会破坏稠油储层。与常规石油相比，稠油也具有更强的携砂能力，能携带较多的地层砂至油井井底。
4.目前，油气井防砂主要可以分为机械防砂、化学防砂及复合防砂三种。机械防砂是利用井下防砂管柱或人工充填砾石形成防砂屏障，化学防砂则主要是利用化学胶结剂胶结地层砂形成防砂屏障。复合防砂则是这二者的结合。但是，这些防砂方式都有着伤害地层渗透率、防砂周期短等问题。
5.为了更好的解决稠油出砂问题，科研人员提出了压裂充填防砂、纤维复合防砂等新型防砂方法。压裂防砂的原理是通过人工压裂在地层中形成短而宽的高导流裂缝，降低流动阻力，从而提高产能。裂缝内通过砾石充填，形成具有多级分选过滤功能的人工井壁。尽管该种方法能有效提高地层渗透率，但由于裂缝内的堆集砂自身胶结弱，充填的砂粒往往会伴随着油层产出液返排导致防砂井壁失效。因此，稠油热采井弱胶结砂岩层的防砂问题仍是油气井领域亟待解决的关键问题。


技术实现要素：

6.本发明提供一种用于弱胶结砂岩层的层内可渗透加固防砂方法和装置，旨在解决稠油热采井弱胶结砂岩层的出砂问题，进而提高稠油生产井产能。
7.一方面，本发明提供一种用于稠油热采井弱胶结砂岩层的层内加固方法，所述方法包括：
8.(1)获取弱胶结砂岩层的地质样本；
9.(2)根据获取的地质样本，确定弱胶结砂岩层的理化参数；所述理化参数包括但不
限于温度、砂粒粒径分布、岩石矿物成分、杨氏模量、泊松比、地层拉强度、抗压强度、渗透率；
10.(3)根据所述砂粒粒径分布，确定用于弱胶结砂岩层压裂固化的高渗透支撑剂的粒径；
11.(4)根据地层杨氏模量、地层拉强度、抗压强度参数设计裂缝几何形态，确定压裂固化施工参数；其中，所述的压裂固化施工参数包括注入时间、注入压力和注入前置液体积和注入固化液浆液体积；
12.(5)根据高渗透支撑剂的粒径和压裂固化施工参数，对所述弱胶结砂岩层进行压裂固化施工。
13.可选的，步骤(5)中，所述根据固化材料的粒径和所述的压裂固化施工参数，对所述弱胶结砂岩层实现压裂固化，包括：
14.(5
‑
1)根据所述高渗透支撑剂的粒径，选择合适的支撑材料。所述支撑材料指具有多孔结构，且能承受高温高压环境的固相材料；
15.(5
‑
2)根据所述的温度、岩石矿物成分、杨氏模量、渗透率参数，配制粘度、失水率、固化时间合适的地层固化液基浆；
16.(5
‑
3)将所述支撑材料与地层固化液基浆混合，制作地层固化工作液；其中，所述地层固化工作液的流变性能根据所述弱胶结砂岩层的温度以及压裂施工要求确定，所述地层固化工作液在300℃～350℃仍需保证一定的抗压强度以及抗拉强度；
17.(5
‑
4)根据所述注入时间和所述注入压力，利用所述注入浆液体积的地层固化液基浆进行压裂施工，压开地层裂缝；
18.(5
‑
5)裂缝形成后，向地层中注入配置好的地层固化工作液，待裂缝充分发展后，停止注入，关井等待地层固化液固化形成渗流通道。
19.可选的，步骤(2)包括：
20.(2
‑
1)利用测井的方式测定目标层位地层温度；
21.(2
‑
2)采用筛分法和激光粒度分析仪测试法相结合的方法确定所述烘干后的地质样本的砂粒粒径分布；
22.(2
‑
3)利用红外光谱的方法分析岩石矿物成分；
23.(2
‑
4)利用三轴压力试验机测试岩石样本的杨氏模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度；
24.(2
‑
5)利用液测渗透率仪测试岩石样品的渗透率。
25.可选的，步骤(3)中采用三分之一架桥理论，根据所述地质样本的砂粒粒径的分布曲线，确定所述弱胶结砂岩层压裂固化施工的高渗透支撑剂的粒径；根据地层吸液能力及所述裂缝几何尺寸，调整所述固化工作液中所述高渗透支撑剂的体积分数；
26.可选的，步骤(4)中所述根据地层杨氏模量、地层抗拉强度、抗压强度等参数设计裂缝几何形态，包括：
27.(4
‑
1)确定压裂施工排量q；
28.(4
‑
2)根据所述地层抗拉强度、抗压强度等参数，确定最佳裂缝长度；
29.(4
‑
3)根据缝宽、缝长和缝高计算裂缝体积。
30.另一方面，本发明还提供一种用于稠油热采井弱胶结砂岩层的压裂施工装置，所
述装置包括：
31.获取模块，用于获取弱胶结砂岩层的地质样本；
32.第一确定模块，用于根据所述地质样本，确定弱胶结地层的温度、砂粒粒径分布、岩石矿物成分、杨氏模量、泊松比、地层抗拉强度、抗压强度、渗透率参数；
33.第二确定模块，根据地层杨氏模量、地层抗拉强度、抗压强度设计裂缝几何形态；
34.第三确定模块，用于根据所述砂粒粒径和所述裂缝几何形态，确定用于所述弱胶结砂岩层压裂固化高渗透支撑剂的粒径和压裂固化施工参数，其中，所述压裂固化施工参数包括注入时间、注入压力和注入可渗透固化工作液总量；
35.处理模块，用于根据所述高渗透支撑剂的粒径和所述压裂施工参数，对所述弱胶结砂岩层实现地层压裂固化。
36.可选的，所述处理模块具体包括：
37.第一处理子模块，根据所述高渗透支撑剂的粒径，选择合适的支撑剂材料；
38.第一制作子模块，用于将所述支撑剂材料与可渗透固化液基浆相混合，制作一定固化浆液粘度的地层固化工作液，其中，所述固化浆液粘度根据所述弱胶结砂岩层压裂施工要求确定；
39.第一压裂子模块，用于根据所述注入时间和所述注入压力，将所述弱胶结砂岩层固化液总量的固化工作液注入井筒并压开地层，注入完成后关井候凝；
40.可选的，所述第一确定模块包括：
41.第一确定子模块，用于采用筛分法和激光粒度分析仪测试法相结合的方法确定所述烘干后的地质样本的砂粒粒径；
42.第二确定子模块，利用红外光谱的方法分析岩石矿物成分；
43.第三确定子模块，利用三轴压力试验机测试岩石样本的杨氏模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度；
44.第四确定子模块，利用液测渗透率仪测试岩石样品的渗透率；
45.第五确定子模块，利用井温测井的方式获得地温数据。
46.可选的，所述第二确定模块具体用于：根据地层杨氏模量、地层抗拉强度、抗压强度等参数设计裂缝几何形态；
47.根据所述地层杨氏模量、地层抗拉强度、抗压强度等参数，以地层肋板加固最低厚度以及最佳导流能力为目标，利用有限元模拟软件设计裂缝长度与宽度。
48.可选的，所述第三确定模块具体用于：
49.根据所述地层裂缝几何参数，确定裂缝体积体积，结合所述地层吸液能力，确定注入的地层固化工作液总量；
50.采用“三分之一架桥”理论，根据所述地质样本的砂粒粒径的分布曲线，确定用于所述弱胶结地层固井的固高渗透支撑剂的粒径；
51.根据高渗透支撑剂的粒径，确定用于所述弱胶结砂岩层的支撑材料；
52.根据实际工况确定地层压裂施工参数，其中，所述压裂施工参数包括注入时间、注入压力和注入可渗透固化液总量。
53.本发明提供的用于弱胶结砂岩层的可渗透压裂防砂方法，获得了弱胶结砂岩层的地质样本后，根据砂岩粒径分布，根据“三分之一架桥”理论确定了用于压裂固化的高渗透
支撑剂粒径，根据地层抗压强度、抗拉强度设计了地层裂缝参数，对稠油热采井的弱胶结砂岩层实现可渗透压裂固化防砂。本发明提供的用于弱胶结砂岩层的压裂防砂方法，通过将地层压裂技术与可渗透固化技术相结合，在可渗透基浆中加入高渗透支撑剂(高渗透微球)形成可渗透固化液体系。调节可渗透固化液的流变性能并将其作为地层压裂液压开地层。等待基浆完全凝固后，可渗透固化液会在压开的地层裂缝中形成一条具有高渗透率的渗流通道。此外，该固化体也具有较高的抗压强度，能够有效支撑压开的地层裂缝，避免地层裂缝重新闭合。由于作为支撑剂的高渗材料已被基浆固化，不会随地层流体的冲刷而排除，从而有效的避免了稠油热采井的出砂问题。
附图说明
54.图1为本发明实施例1提供的用于弱胶结砂岩层的可渗透压裂防砂方法的流程示意图；
55.图2为本发明实施例1提供的可渗透层内加固防砂方法和传统压裂防砂效果对比图；
56.图3为本发明实施例2提供的用于弱胶结砂岩层的压裂固化防砂装置的示意图；
57.图4为本发明的实施例2提供的用于弱胶结砂岩层的压裂固化防砂装置的处理模块的示意图；
58.图5为本发明的实施例2提供的用于弱胶结砂岩层的压裂固化防砂装置的第一确定模块的示意图。
具体实施方式
59.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
60.本发明的说明书和权利要求书以及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当的情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚的列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚的列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
61.本发明实施例1提供的用于弱胶结砂岩层的层内可渗透防砂方法可以由终端设备执行。本发明实施例的终端设备可以是个人计算机、平板电脑、笔记本电脑、服务器等终端设备。
62.下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
63.实施例1
64.如图1所示，本发明实施例提供的用于弱胶结砂岩层的可渗透压裂防砂方法包括
以下步骤：
65.步骤s101：获取弱胶结砂岩层的地质样本
66.具体的，可以通过地质勘探等方法获取需要固化的砂岩层段的地质样本。示例的，可以通过在目标层段上方钻井取芯，获取目标层段的地质样本。本发明实施例对此不做限定，本领域技术人员可参考现有技术。
67.步骤s102：根据获得的地质样本，确定弱胶结砂岩层的温度、砂粒粒径分布、岩石矿物成分、杨氏模量、泊松比、地层抗拉强度、抗压强度、渗透率等参数。
68.具体的，获得地质样本后，将砂岩层内的砂粒捻开，利用激光粒度仪测定样本中的砂粒粒径分布，利用红外光谱测定砂岩中的岩石组分。
69.进一步的，利用取芯钻头钻取φ25
×
50mm标准岩石标准试样，量取岩心的真实长度l和真实直径r。利用万能抗压试验机及相应位移传感器进行抗压试验。利用位移传感器获取岩心弹性变形范围内的轴向变形量δl和径向变形量δr。获得抗压试验数据后，取抗压过程中的一段直线，计算抗压前后的长度改变量δl和横截面积改变量δa。杨氏模量e的计算公式如下：
[0070][0071]
其中，a为抗压试验前的岩心横截面积，计算公式为：
[0072][0073]
岩石的泊松比ν计算公式为：
[0074][0075]
重新制取一块圆柱形标准岩心，量取其真实长度l。将其置入岩心夹持器中。在岩心夹持器一端通入具有一定压力的流体，另一端测量排出的流体质量进液口和出液口的压差为δp。利用粘度计测量液体的粘度μ。获得排除流体质量随时间变化的曲线。同样的，取稳定的直线段计算水的体积流量q。岩心的液测渗透率k
w
为：
[0076][0077]
步骤s103：根据所述砂粒粒径分布，确定用于弱胶结砂岩层压裂固化的高渗透支撑剂粒径。
[0078]
根据所述砂粒粒径分布，根据“三分之一架桥”理论，确定最优的固相粒径，以保证在未固化的情况下，固相可渗透材料仍具有一定的防砂能力。
[0079]
步骤s104：根据地层杨氏模量、地层抗拉强度、抗压强度参数设计裂缝几何形态，确定压裂固化施工参数；其中，所述施工参数包括注入时间、注入压力和注入固化液总量。
[0080]
首先，确定压裂施工排量q。压裂施工要求压裂液能在井底憋起高压，因此，施工排量应超过地层的吸液能力。在设备允许、安全有保障的前提下，应尽量提高压裂液排量，以获得更宽的裂缝。
[0081]
进一步的，根据所述地层抗拉强度、抗压强度等参数，确定最佳裂缝长度。以获得最佳裂缝长度和最佳裂缝导流能力为目标，通过裂缝延伸模拟确定压裂液量和砂比。井口施工压力p为井筒静液柱压力、压裂管柱中油管部分摩阻、压裂管柱中套管部分压裂液流动
摩阻之和。
[0082]
进一步的，压裂施工功率p为：
[0083]
p＝16.67pq
[0084]
最后，根据缝宽、缝长和缝高计算裂缝体积，该体积极为注入的固化液体积v，压裂施工时间t则为：
[0085][0086]
步骤s105：根据所述地层固化液的粒径和所述地层压裂固化施工参数，对所述弱胶结砂岩层进行地层固化施工。
[0087]
具体的，根据确定的地层固化液物相颗粒直径，选取合适的高渗透微球，将高渗透微球与地层固化液基浆混合，制作出具有一定粘度的地层固化工作液，其中，确定所述固化工作液粘度由地层压裂施工决定，具体的根据弱胶结砂岩层的具体情况设置，本发明实施例对此不做限定。
[0088]
根据上述步骤s104中的压裂施工参数，按照注入时间和注入压力向地层中注入压裂液前置液，压开地层裂缝。裂缝形成后，向地层中注入配置好的地层固化工作液，待裂缝充分发展后，停止注入，关井等待地层固化液固化形成渗流通道。
[0089]
示例的，经本发明实施例的可渗透固化方法固化后的弱胶结砂岩层，如图2b部分所示。经过可渗透固化后的弱胶结砂岩层，所述地层固化液基浆固化后形成具有一定渗透率的胶结质固定高渗透支撑剂。所述胶结质与所述高渗透支撑剂共同构成一条高渗透通道，以保证稠油开采过程中地层原油的正常流动。与常规压裂防砂中支撑剂自然堆积相比，如图2a所示，可渗透层内加固利用可渗透胶结质固化高渗材料，在保证渗透率的前提下降低了游离砂的产出，有效防止了常规压裂防砂后期易出现的沙堤崩溃等问题。
[0090]
本发明实施例1提供的用于弱胶结砂岩层的层内加固防砂方法，通过将地层压力与人工砾石充填防砂相结合，利用可渗透基浆固化地层中的高渗透支撑剂，在地层中形成一条具有一定渗透率和强度的渗流裂缝。同时，由于高渗透支撑剂已被固化工作液基浆固化，保证了支撑剂整体的抗拉强度，进一步保证后期开采过程中沙堤的稳定性。
[0091]
实施例2
[0092]
如图3所示，本发明实施例2提供的用于弱胶结砂岩层的固井装置用于终端设备，该终端设备可以是个人计算机、平板电脑、笔记本电脑、服务器等。
[0093]
一种用于稠油热采井弱胶结砂岩层的压裂施工装置，包括：
[0094]
获取模块210，用于获取弱胶结砂岩层的地质样本；
[0095]
第一确定模块220，用于根据所述地质样本，确定弱胶结砂岩层的温度、砂粒粒径分布、岩石矿物成分、杨氏模量、泊松比、地层抗拉强度、抗压强度、渗透率等参数；
[0096]
第二确定模块230，用于根据所述温度、砂粒粒径分布、岩石矿物成分、杨氏模量、泊松比、地层抗拉强度、抗压强度、渗透率等参数确定用于弱胶结砂岩层的地层可渗透固化液物相粒径。
[0097]
第三确定模块240，根据所述地层物理参数，确定弱胶结砂岩层的施工参数，其中，所述施工参数包括注入时间、注入压力和注入固化液总量。
[0098]
处理模块250，根据所示地层压裂施工参数，对目标层进行可渗透压裂施工。
[0099]
可选的，参考图4所示，处理模块250包括：
[0100]
第一处理子模块251，用于所述固化材料的粒径，选择合适的高渗透支撑剂；
[0101]
第一制作子模块252，将所述高渗透支撑剂和地层固化液基浆混合，制作具有一定粘度的地层固化工作液，其中，所述地层固化工作液的粘度根据所述弱胶结砂岩层的压裂施工要求决定。
[0102]
第一压裂子模块253，用于根据所述注入压力，将所述地层压裂液前置液注入地层，压开地层形成裂缝。
[0103]
第二压裂子模块254，用于地层形成裂缝后，将所述体积的所述可渗透地层固化工作液注入裂缝。
[0104]
可选的，第一确定模块220包括：
[0105]
第一确定子模块221，用于采用筛分法和激光粒度分析仪测试法相结合的方法确定所述烘干后的地质样本的砂粒粒径。
[0106]
第二确定子模块222，利用红外光谱的方法分析岩石矿物成分。
[0107]
第三确定子模块223，利用三轴压力试验机测试岩石样本的杨氏模量、泊松比、抗压强度等参数。
[0108]
第四确定子模块224，利用液测渗透率仪测试岩石样品的渗透率；
[0109]
第五确定子模块225，利用井温测井测试生产井地温曲线。
[0110]
可选的，第三确定模块240具体用于：
[0111]
根据所述弱胶结砂岩层的吸液能力以及现场施工要求，确定压裂施工排量q；
[0112]
根据“三分之一架桥”理论，根据所述地质样本的砂粒粒径分布曲线，确定用于弱胶结砂岩层层内固化的地层固化工作液固相材料的粒径；
[0113]
根据所述地层抗拉强度、抗压强度等参数，确定最佳裂缝长度，根据缝宽和缝高计算裂缝体积；
[0114]
根据裂缝体积和排量确定注入时间。
[0115]
需要说明的是：上述实施例提供的一种用于稠油弱胶结砂岩层层内加固防砂方法在进行弱胶结砂岩层层内固化的过程中，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要将上述功能分配到不同的功能模块完成，即将设备的内部结构化分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或部分功能。另外，上述实施例提供的用于弱胶结砂岩层的层内固化防砂装置与弱胶结砂岩层的层内固化防砂方法实施例属于同一构想，其具体实现过程详见方法实施例，此处不再赘述。
[0116]
上述本发明实施序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0117]
本发明实施例提供的用于稠油弱胶结砂岩层的肯渗透压裂固化装置，获得了弱胶结砂岩层的地质样本后，利用多种方法确定了弱胶结砂岩层的温度、砂粒粒径分布、岩石矿物成分、杨氏模量、泊松比、地层抗拉强度、抗压强度、渗透率等参数，进而优选了用于弱胶结砂岩层的高渗透支撑剂的粒径范围以及地层压裂施工参数。本发明实施例提供的用于弱胶结砂岩层的可渗透压裂固化装置，通过将地层压裂技术与人工砾石充填防砂方法相结合，通过在压裂形成的裂缝中注入高渗透支撑剂以及可渗透浆液。可渗透浆液固化后，将有效固定高渗透支撑剂的位置，二者自身孔隙连接形成的渗流通道，将保证稠油的正常开采。有效解决了稠油热采井弱胶结砂岩层易出砂的问题，有效避免了由于油井出砂造成的一系
列损失。
[0118]
本领域普通技术人员可以理解：上述方法的全部或部分步骤完全可以通过计算机程序指令或者相关硬件完成。所述的方法步骤亦可储存于计算机存储介质。当执行该程序时，可完成上述各个实施例的步骤。包括但不限于计算机只读内存(rom)，随机存取存储器(ram)，磁碟或光盘等存储介质可以存储程序代码。
[0119]
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而不应对其限制；尽管在前文中已详细阐述了该发明的原理、方法步骤，本领域的普通技术人员应当理解：所述实施例的方法步骤仍具备一定的修改空间，本领域的普通技术人员能够依照前文所述方法步骤对其部分或全部技术特征进行替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。