高含水期疏松砂巖油藏治砂研究

李源平，潘益民 (中石油大慶油田分公司第八采油廠，黑龍江 大慶 163514)

高含水期疏松砂巖油藏治砂研究

李源平，潘益民 (中石油大慶油田分公司第八采油廠，黑龍江 大慶 163514)

高含水期砂巖油藏治砂研究包括出砂預測和防砂技術研究。通過分析油井出砂和防砂存在的問題，從油藏出砂機理、出砂預測方法和防砂技術3個方面闡述疏松砂巖油藏治砂研究現狀和應用水平，指出預測方法和防砂技術的不足之處。

高含水期；治砂；出砂機理；出砂預測；防砂技術

隨著油藏進入高含水期開發階段，為滿足油田開發降本增效的需要，油井單井采液量增加，出砂不可避免成為疏松砂巖油藏開采過程中所遇到的主要問題之一，實踐也證明疏松砂巖油藏在高含水期幾乎每口油井都會出砂，含砂量是油藏開發初期的近10倍左右[1]。出砂加劇桿管泵磨損，導致泵漏、管漏、砂卡、砂埋油層等，免修期降低，維護成本居高不下，嚴重時還會導致地層坍塌，套管損壞，油井報廢，給油田增產穩產措施帶來了極大困難。筆者通過對大慶、勝利、克拉馬依、遼河、冀東等油田油井出砂分析，認為疏松砂巖油藏在高含水開發時期，油井治砂從油層到井筒，然后到地面技術的措施制定和成本管理等一系列工作中，存在以下問題：出砂導致油藏儲層空間破壞，加劇地層虧空；出砂動態變化使得傳統防砂工藝適應性變差，報廢井增多；開發調整措施加劇油層出砂，治砂工作與油田開發成本不協調。因此如何準確預測出砂，運用配套工藝技術進行防砂已成為治砂問題的難點。

1 出砂機理

范興沃等[2]在前人的基礎上進行分析、總結，將出砂機理分成為5類：①根據地層特點分析出砂；②根據剪切應力和張應力的作用分析出砂；③根據砂拱穩定機理分析出砂；④根據砂粒從骨架脫附情況分析出砂；⑤根據出水后巖石性能的變化分析出砂。

由此看來油藏出砂是多種因素作用的結果，但其中最重要的2個因素是地層壓力和多相流體的滲流作用，當然在高含水期，出砂機理也與這2個因素有著最密切的關系，但筆者認為流體滲流作用與微粒運移顯得更重要。因為油井生產見水后，泥質膠結物逐漸膨脹疏松，膠結強度下降后形成出砂微粒，到高含水期，近井地帶已經經過強烈的沖刷，此時微粒的運移依賴于儲層溫度、流體組成、流體pH值等因素。在排除地層巖石顆粒分布、孔隙大小分布、巖石的成分及膠結類型等引起油層出砂的內在因素外，微粒運移就受控于流體滲流作用，加之油井在生產壓差和建立壓差的方式、采液強度等因素的共同作用下，使得流體滲流作用更為復雜化，這便成為高含水期油藏出砂的直接原因。

2 出砂預測方法

目前各個油田預測出砂的主要方法有現場預測法、經驗公式和圖表法[3-5]、模擬模型法。

2.1現場預測法

油藏開發后期高含水，現場預測出砂的資料有巖心、綜合測井曲線、鄰井狀態、作業探砂情況和其它一些測試資料。巖心主要是開發初期探井取心和后期調整井取心，現場可以直接進行巖心判斷和巖石膠結物分析。如果巖心出現一觸即碎，或用指甲就能在巖心上刻痕，或巖心遇水浸泡后很快松散，或取出的巖心停放一段時間后自行破裂等現象，就能直接判斷油井出砂可能性很大。巖心疏松與膠結物種類、數量和膠結類型有關，砂巖膠結物主要有粘土、碳酸鹽、硅質和鐵質等，以硅質和鐵質的膠結強度最大，碳酸鹽次之，粘土最差。對于同一類型的膠結物，其數量越多，膠結強度越大，越不容易出砂，反之亦然。綜合測井曲線中常用聲波時差曲線，聲波時差同巖石的孔隙度有良好的對應關系，較小的聲波時差，代表低孔隙度、堅硬、高密度巖石；較大的聲波時差值，代表高孔隙度、松軟、低密度巖石。現場經驗表明，當聲波時差大于295μs/m時，就需要考慮油層是否有出砂的可能性。另外，同一油藏中的DST測試，作業過程中探砂面情況，同一口井在不同時期進行試井測試，鄰井出砂分析都能預測出砂可能性和出砂程度。

2.2經驗公式和圖表法

1)經驗公式法 常用經驗公式有出砂指數和斯侖貝謝比。出砂指數定義為：

式中，B為出砂指數，104kg/(m·s2)；k為體積模量，104kg/(m·s2)；μ為切變模量，104kg/(m·s2)；ρ為巖石密度，kg/m3；Δtp為縱波時差，μs/m。當出砂指數采用英制單位時，Bgt;3為不出砂；Blt;2為出砂；2≤B≤3為少量出砂。出砂指數法理論上未考慮射孔及產液對巖石顆粒拖曳力的影響，臨界值是根據經驗算出的，也是多種因素影響的結果。

斯侖貝謝比定義為：

式中，Vc、Vs分別為縱波、橫波速度，m/s；R為斯倫貝謝比，kg2/(m2·s4)。當R大時，表示巖石強度大，穩定性好，不易出砂；反之則易出砂。R同B一樣，均由巖石力學參數定義，可根據測井資料計算。R比B能更好地估計巖石的強度和穩定性，因為R大時，意味著K、u均大；而B大時，可能k、μ中只有一個較大。用斯倫貝謝比判斷出砂雖然較出砂指數法準確，但公式計算中涉及到的橫波運算相對麻煩，以前常采用此方法預測出砂，現在運用不多。

2)圖表法 圖表法是用圖表來挖掘各個參數之間存在的關系，包括雙參數和多參數法。雙參數是指以聲波時差為橫軸，生產壓差為縱軸，把數口井的時差、生產壓差數據點繪在坐標圖上，則出砂井數據點形成一個出砂區，然后把預測井的數據點繪在同一坐標圖上，若落點在出砂區則該井出砂，否則不出砂。多參數法是指建立一個出砂井與深度、開采速度、生產壓差、采油指數、泥質含量、含水率等的判別函數，用該函數判別油井是否出砂。多參數法因所需要數據太多，不常用。

2.3模擬模型法

1)實驗室模擬模型法 模型模擬實質就是實驗室模擬研究和數值計算預測，目前有關出砂的模型建立很多，包括建模的理論基礎，模型樣式，各個研究者針對不同研究對象有不同的建模方向，筆者將模擬模型法分為實驗室模擬模型法和數值模擬模型法，后者實際上是前者的特殊情況。實驗室模擬可以模擬出砂環境下的出砂行為來認識出砂機理和各種生產工藝及參數對出砂的影響，然后根據模擬結果與礦場生產情況相結合進行出砂預測。實驗室模擬模型包括巖心實驗模型、三軸試驗及破壞模型、裸眼井預測模型、射孔完井預測模型、連續出砂預測模型等，還可以根據模擬規模分為大型模擬模型和小型模擬模型。無論采用什么模型，本質上都是考慮到油藏儲層空間和井況2個大方面的因素，然后再細分到油藏孔滲性、流體高壓物性和井況中鉆井、完井和動態開發條件造成出砂的因素分別進行討論，然后再根據各自影響因素的程度，建立實驗室的參考模型和判別標準。

2)數值模擬模型法 數值模擬就是數據挖掘，能夠從大量的、不完全的，模糊的和隨機的實際應用數據中，提取隱含在其中、事先不知道的、但又是潛在有用信息和知識的過程。出砂數值模擬模型通過從數據中發現隱含的、有意義的知識來預測未來趨勢，做出前攝性的、基于知識的決策。數值計算運用了有限元、數值分析、概率統計和回歸分析、模糊數學理論等數學方法，結合彈性力學、滲流力學等學科，以及利用實驗室巖石特性測量數據和測井解釋等數據進行綜合分析。隨著計算機技術的發展，許多大型數值計算為數值模擬提供了方便，在高含水開發期，油藏出砂受到的影響因素增多，情況變的更為復雜，為進一步研究出砂機理及其影響因素來更好的預測出砂，需要更高精度的數值方法，數值模擬模型法的優越性就顯現出來了。如神經網絡法是一種預測出砂潛力的新方法，應用中也展示了較高的精確性，該方法就是運用計算機技術完成數值處理的一種模擬方法，然后將模擬結果用于實踐證明。

3 防砂技術

高含水期疏松砂巖油藏如何防砂，需要針對不同油井出砂類型進行了分類治理，隨著油藏開發動態變化，防砂技術也在不斷完善，配套工藝也在不斷改進，并從單一的防砂技術向綜合防砂技術發展。目前各油田形成了機械防砂、化學防砂和復合防砂3大主導技術。

3.1機械防砂

機械防砂是通過向井筒內下器具的方式達到防砂目的，可以分為2類：

1)向井下放置機械管柱的方法 如繞絲篩管、割縫襯管、各種濾砂管等，這種方法簡單易行，施工成本低，缺點是防砂管容易被地層砂堵塞，只能阻止地層砂產出到地面而不能阻止地層砂進入井筒，且有效期短。該技術適用于泥質含量較低、砂粒粒徑分選好、油砂中值大于0.1mm的中、粗砂巖、原油粘度小、供液能力強的地層，而且油井要生產井段小、采液指數較高。

2)管柱礫石充填 這種方法施工復雜，成本較高，但擋砂效果好，有效期長，成功率高，可用于細、中、粗砂巖地層，垂直井、定向井等復雜條件的油井，缺點是易形成砂堵，增加了油流入井筒的阻力，近井地帶污染嚴重，防砂后油井產能下降。目前雖然油氣井防砂作業中有80%以上屬于機械防砂，但是各種機械防砂技術都有其自身的特點和適應性，而且大都難以勝任高含水期出砂嚴重或多次防砂作業任務，相應的防砂作業費用也越來越高。為此只有研發適應性更強的機械防砂技術，例如雙層預填充篩管和可膨脹防砂管防砂就是典型例證，它綜合利用了礫石充填防砂和濾砂管防砂兩者的優點[6]。

3.2化學防砂

化學防砂是向油層注入化學藥劑或者化學劑與砂、漿的混合物，使油層中砂粒或充填到地層的砂石膠結起來，穩定地層結構，形成具有一定強度和滲透率的人工井壁，以防止砂粒進入井筒的一項技術，可以分為人工井壁和人工膠結地層2種方法：人工井壁是將樹脂砂漿液、預涂層礫石、水帶干灰砂、水泥砂漿、乳化水泥等擠入井筒周圍地層中，固結后形成具有一定強度和滲透性的人工井壁；人工膠結地層是向地層注入樹脂或其他化學固砂劑，直接將地層固結。化學防砂技術從油井出砂的主要原因著手，達到了標本兼職的目的，工藝簡單，井中不留器具，后續作業無須打撈等，有利于多層完井和層系調整，還適合細粉砂巖油層防砂等。其不足之處在于固結強度不夠高，防砂劑層的滲透性變差，后處理麻煩，有效期相對比較短等。隨著油藏進入高含水期開發，水對出砂的影響增大，而大多化學防砂劑耐水性差，在水相中固結強度低，因此需要找到更多的在油水介質中能固化且固結強度更高的防砂劑，以滿足高含水油井強采、強提液的需要。例如為適應高含水期和不同油層溫度范圍開采而研發的干水泥砂、酚醛樹脂涂敷砂、脲醛樹脂溶液、低溫涂敷砂、輕質涂敷砂、防砂堵水復合材料就是很好的化學防砂工藝[7]。

3.3復合防砂

復合防砂是將機械防砂和化學防砂結合起來以控制地層出砂的一種防砂技術，它綜合運用了化學與機械防砂的固砂、擋砂原理，防砂效果好，有效期長。作為現代防砂工藝技術，復合防砂不再單指機械防砂與化學防砂的組合，隨著工藝技術的完善，機械防砂或化學防砂內部之間的組合也屬于復合防砂。如纖維復合防砂技術就是一項既能“穩砂”又能“擋砂”的新技術，無須下入篩管，不會對滲透率造成傷害，這種技術采用了2種特種纖維，一種用來穩砂，將細粉砂聚集成較大的細粉砂結合體，另一種用來擋砂，擋住細粉砂結合體進入井筒，特別適用于高含水期細粉砂油層防砂[8]。

[1]陳晶，王華，逯同柱，等.應用配套技術治理油井出砂[J].油氣田地面工程，2005，24(2)：27-28.

[2]范興沃，李相方，關文龍，等.國內外出砂機理研究現狀綜述[J].鉆采工藝，2004，27(3)：57-58.

[3]呂廣忠，陸先亮，欒志安，等.油井出砂預測方法研究進展[J].油氣地質與采收率，2002，9(6)：55-57.

[4]汪周華，郭平，孫雷，等.油氣藏出砂研究現狀及其發展趨勢[J].特種油氣藏，2005，12(4)：5-10.

[5]周林然，盧淵，伊向藝，等.中國油井出砂預測技術現狀[J].油氣地質與采收率，2006，13(2)：100-102.

[6]劉永紅，張建喬，洪能國.機械防砂技術研究的新進展[J].石油機械，2005，33(9)：74-77.

[7]鄭偉林，黃煦，王文凱，等.孤東油田化學防砂[J].油田化學，2002，19(3)：287-292.

[8]齊寧，張琪，周福建，等.纖維復合防砂技術的機理研究及應用[J].中國石油大學學報，2007，31(2)：83-86.

[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.03.022

TE358

A

1673-1409(2012)03-N065-03

2011-10-27

李源平(1985-)，女， 2007年大學畢業，助理工程師，現主要從事油氣田開發方面的研究工作。