一种携带自动解堵装置的防砂筛管
阅读说明：本技术 一种携带自动解堵装置的防砂筛管 (Sand control screen pipe with automatic blockage removing device ) 是由 张国强 李海涛 蒋贝贝 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种携带自动解堵装置的防砂筛管,属于天然气水合物开采技术领域,目的主要是解决天然气水合物开采过程中筛管堵塞问题,保证水合物开采作业的正常进行,防砂筛管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,也是水合物开采过程中一次新的探索和尝试,具有大范围推广的必要性。(The invention discloses a sand control screen pipe with an automatic blockage removing device, which belongs to the technical field of natural gas hydrate exploitation and mainly aims to solve the problem of screen pipe blockage in the natural gas hydrate exploitation process and ensure the normal operation of hydrate exploitation operation, and the sand control screen pipe structurally has the following characteristics: the device comprises a composite sieve tube with multiple layers of sieves and an annular cleaning device with a jet nozzle; secondly, the size of the multilayer screen is designed to ensure that sand can be prevented to the maximum extent; thirdly, a claw-shaped sand scraping device is arranged below the annular cleaner; fourthly, the end part of the jet flow nozzle is connected with an automatic control valve; in conclusion, the invention has great guiding significance for the commercial exploitation of the hydrate by combining the 4 structural characteristics and the prediction and evaluation of the actual effect of the hydrate in the exploitation of the hydrate, is a new exploration and attempt in the exploitation process of the hydrate, and has the necessity of large-scale popularization.)
技术领域
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
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。
发明内容
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：
(A)通过对水合物储层特征进行分析，确定防砂筛管类型；
(A1)水合物储层泥质含量分析及粒度测试评价；
(A2)储层出砂是必然结果，选择合理的防砂筛管类型；
(B)对具有自动解堵功能的防砂筛管进行结构设计；
(B1)基本结构组成：多层筛网的复合筛管+环形清洗装置；
(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；
(B3)环形装置下方边缘设计爪形的刮砂装置；
(C)根据筛管结构对其工作原理进行解释说明；
(C1)此类防砂筛管可应用于直井及水平井井型中；
(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；
(D)对自动解堵的防砂筛管进行效果预测分析；
(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；
(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。
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
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；
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；
图3为本发明提供自动解堵防砂筛管的三维立体示意图；
图4为本发明提供环形清洗装置平面示意图；
图5为本发明提供环形清洗装置三维立体示意图；
图6为本发明实施例提供双层筛网示意图；
图7是本发明实施例提供防砂筛管挡砂过程示意图；
表1为本发明实施例提供的神狐海域某储层泥质含量；
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。
图中，1-环形圆盘，2-爪形刮砂钢条，3-射流喷嘴管道，4-压力自动控制阀，5-柱形注水管道，6-基管，7-单层筛网，8-双层筛网，9-外护管，10-内护管，11-地层砂体，12-游离砂体，13-管道焊接处，1-1环形圆盘上端，1-2环形圆盘下端，2-1爪形刮砂器外臂，2-2爪形刮砂器内壁，3-1射流喷头，3-2射流喷嘴，3-3射流管道端部。
具体实施方式
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。
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。
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。
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。
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：
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36-40％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。
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。
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。
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。
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。
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。
表1神狐海域某储层泥质含量及各矿物相对含量表
表2不同筛管结构产出砂和滞留砂尺寸对比
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