油氣田地層出砂破壞機理及完井方式研究

劉言理（大港油田公司石油工程研究院，天津 300280）

油氣田地層出砂破壞機理及完井方式研究

劉言理（大港油田公司石油工程研究院，天津 300280）

大部分油田包括海上油田和陸地油田，在生產中后期甚至生產初期都存在地層出砂問題。地層出砂對油田的開發造成很大的困擾，地層出砂會造成油層失去支撐導致坍塌，油層套管損壞變形，砂粒在油氣開采過程中隨流體流動過程中一方面對管線和設備造成磨損，另一方面砂粒在在設備中沉積，造成設備損壞或者安全隱患。因此有必要對地層的出砂及破壞機理進行研究，降低生產損傷。

油氣田；出砂；完井；研究

當今油氣田開采中出砂問題對生產造成的影響已經非常明顯了，地層出砂對套管造成了各方面的破壞，并且砂子堵塞了地層流體的出流通道，降低產量。地層疏松的油層，在生產一段時間后，地層的流體流動、壓力和粘度的綜合作用下隨流體脫離地層，通過篩管縫隙或套管的射孔炮眼進入井筒中，這些砂粒在其后的運移過程中對油井的破壞威力是巨大驚人的。

砂粒對井下工具和管道的破壞與多種因素有關。當地層流出的砂粒顆粒較大且圓度粒度較差，加之流體速度較大，帶動砂粒以較大的速度移動，在這種情況下，砂粒非常容易對流經的管線內壁面產生磨損，長時間的作用會導致管線壁面變薄，最終管線破裂報廢。當地層砂流速較慢且砂粒不大時，這種情況下砂粒容易在隨流體運移的過程中沉積在井筒中的任意位置，如工具的凹陷處，管線的拐彎處等等，這都會造成工具的使用失靈，通道堵塞，最終油井生產的各項指標超過了額定值導致井毀人亡的不可補救的嚴重后果。

地層砂無論在什么地方都會造成嚴重的危害，如果進入地表地面生產設備，必須及時采取措施對砂粒和流體進行分離，否則將會造成更大的危害和更多成本。在清理砂粒的過程中藥消耗大量的人力物力財力，降低了油井的效益的同時也影響了生產。全球每年針對后期出砂的處理費用是巨大的。

地層出砂問題在石油行業開始就一直是一個棘手的問題。因此非常有必要對其進行深入研究。只有對其深入研究透徹其出砂機理，才能對癥下藥，進一步了解其破壞機理，采取對應的防砂方案，達到預期目的。

1 油層出砂原因分析

為了從根本上遏制地層的出砂，必須對地層的出砂原因進行深入研究，在油井完井階段下入篩管防砂是目前最常用的一種方法。同時科研人員也開發了地層出砂模擬軟件，通過模擬結果提前采取相應的防砂措施。在油井開鉆之前就進行防砂方面的準備也是非常有必要的。

當地層的穩定性下降的時候，地層就會有出砂趨勢。造成地層穩定性降低的原因主要集中在以下幾個方面：巖石強度下降、作用于地層上的地應力與孔隙壓力之間的差值增大，以及在鉆完井和油井開采過程中產生的地質應力。單軸和三軸實驗是目前應用最廣泛也是最有效的測量巖石強度的方法，其實驗結果可以展現在巖石破裂曲線分布圖上。當地層巖石處在各種壓力作用下時，最大主應力剪切最小主應力的差值大于許用剪應力時，地層巖石就會產生破裂現象。地層巖石的強度的影響因素主要有：地層孔隙壓力、內摩擦角、內聚力以及最大最小主應力。內聚力與地層巖石的固結強度的關系密切。當沉積巖固結較好時巖石的強度就相應較高。巖石中潛在堅硬砂粒所占的體例比例是影響內摩擦角的最重要因素。當油層生產一段時間或者地層的應力失去平衡時，巖石中的砂粒就會從巖石中脫落出來，形成出砂現象。

2 油層出砂的破壞與完井方式

在油氣田開采的中后期，地層流體的采出導致地層壓差過大，最終導致地層受剪切作用坍塌，形成大量砂粒。在射孔后產生的射孔孔道受地層壓力差的作用顯著，當地層壓力差超過巖石強度時，地層巖石就會碎裂出砂。對于那些地層流體開采嚴重的區塊出砂想象更為普遍。

當地層流體在外力的作用下流動時，根據流體流動的伯努利方程，流動的速度越快，產生的壓力差就會越大，此時在巖石膠結強度較低的砂巖中就會產生張力破壞現象。這種出砂形式比較少見，對于油井產量穩定的井影響不大。對于那些孔隙度高、強度較低的地層巖石中，往往發生空隙性坍塌的可能性較大，這種坍塌最終可能造成地層的沉降。

相關研究表明，對于不同強度、不同類型的砂巖，其在應力作用下產生砂粒的情況各部相同，甚至不出砂。在油氣田開發的過程中，很多因素會巖石強度產生影響，誘發地層出砂。比如鉆頭鉆開地層、不同完井方式的選擇以及后期的大泵強采都會改變地層的巖石應力分布。油井的增產措施如酸化和壓裂等都將改變砂巖的應力分布，在一定程度上也成為油層出砂的另一種因素。對于注水井，隨著地層巖石含水率的增加，地層巖石的強度逐漸降低，最終出砂。

地層出砂以后，比較細小的砂粒會隨著油氣流流體井筒，甚至會被舉升到地面。還有一部分顆粒比較粗大的沙粒會聚集卡塞在射孔孔眼處或者篩管縫隙處，較細小的砂粒和粉質砂繼續在較大砂粒后面堵塞通道，最終油氣流的出流通道被堵住，油井產量急劇下降。因此在鉆井、完井等油井開發初期必須考慮油井的有效防砂措施。

在設計預防地層巖石出砂方案時必須將各種因素都考慮在內，在一些地層巖石疏松的砂巖層中，必須采取提前防砂完井的方式完井，如下入割縫襯管或者篩管［1］，對于巖層容易坍塌的層位可以進行管內礫石循環充填、管外礫石擠壓充填的方式來增加巖層的穩固性。

3 結語與建議

通過多年的研究和實際相結合，發現對于巖石強度低的疏松砂巖，非常有必要在鉆完井時進行防砂完井，建議地層穩定性較好的巖層采用精密復合篩管或者裸眼完井，在防砂的同時保持油層的較大滲透率。對于地層穩定性不好的巖層，采用套管射孔完井，套管內下入懸掛篩管防砂完井或者采用油層上部注水泥固井，油層裸眼完井，同時油層用篩管防砂，篩管外部進行礫石充填加固地層。這些措施都將提高油井壽命，減少地層出砂，提高油氣田經濟效益。

［1］趙蓓.篩管礫石充填防砂方式產能影響規律［J］.內蒙古石油化工，2009，15，33-35.