裂縫性致密砂巖氣藏出砂原因及對(duì)產(chǎn)氣量的影響
——以塔里木盆地克深氣田為例

孫賀東 常寶華 張靜楠 張建業(yè) 王小培 陳寶新 劉 磊

1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 2.中國(guó)石油管道科技研究中心·中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油氣儲(chǔ)運(yùn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.中國(guó)石油塔里木油田公司

0 引言

塔里木盆地克深氣田是典型的超深層、超高壓、裂縫性致密砂巖氣藏，也是西氣東輸?shù)臍庠粗匾犹鎱^(qū)[1-4]。目前，該氣田面臨較嚴(yán)峻的出砂問(wèn)題，井口取樣結(jié)果顯示近55%的生產(chǎn)井出砂，這些出砂氣井的平均產(chǎn)氣量遞減率是正常生產(chǎn)井平均產(chǎn)氣量遞減率的3倍以上，導(dǎo)致了克深氣田產(chǎn)氣量遞減嚴(yán)重。

氣井出砂容易造成采氣設(shè)備沖蝕、井下工具砂卡及閥門(mén)堵塞等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致井筒積砂、儲(chǔ)層砂堵甚至被堵死，氣井產(chǎn)氣量大幅降低，從而影響氣田的開(kāi)發(fā)效益[5-6]。對(duì)于出砂問(wèn)題的研究，Morita等[7-8]首次論述了在剪切應(yīng)力和張應(yīng)力共同作用下的地層出砂，并分析了5種典型的出砂情況及其原因。Nouri和Vaziri[9]分析了由地層壓力下降所導(dǎo)致的出砂問(wèn)題，認(rèn)為氣井在不同開(kāi)發(fā)時(shí)期，其出砂的主控因素不同。Stein等[10]首次將地層的剪切強(qiáng)度與出砂問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)，并利用測(cè)井資料進(jìn)行了出砂判斷。國(guó)內(nèi)學(xué)者也提出了一些出砂預(yù)測(cè)模型，主要是針對(duì)射孔完井[11-12]、壓裂改造[13]及疏松砂巖儲(chǔ)層[14-17]進(jìn)行氣井出砂研究。而對(duì)于超深層、裂縫性致密砂巖氣藏，由于氣井井況相對(duì)復(fù)雜[18-21]，氣井出砂的主控因素及出砂對(duì)產(chǎn)氣量的影響，還有待進(jìn)一步研究。為此，筆者以克深氣田為例，從儲(chǔ)層改造方式、裂縫壁面上巖石顆粒脫落機(jī)理、產(chǎn)氣量及井筒完整性等4個(gè)方面分析了氣井出砂原因，并基于井筒內(nèi)砂粒受力分析，建立了氣井臨界攜砂產(chǎn)氣量計(jì)算公式，進(jìn)而研究了出砂對(duì)氣井產(chǎn)氣量的影響。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)氣井出砂的不同階段提出了相應(yīng)的出砂治理對(duì)策。

1 氣田概況及出砂現(xiàn)狀

1.1 氣田概況

克深氣田位于庫(kù)車(chē)坳陷克拉蘇構(gòu)造帶上，儲(chǔ)層為白堊系巴什基奇克組，埋深介于6 000～7 500 m，氣藏壓力系數(shù)介于1.7～1.9，溫度介于160～170 ℃，屬于超深層、超高壓氣藏。巖心測(cè)試結(jié)果顯示基質(zhì)平均孔隙度為5.5%，平均滲透率為0.05 mD，儲(chǔ)層致密[22]。儲(chǔ)層裂縫普遍發(fā)育，巖心觀察和成像測(cè)井解釋結(jié)果顯示裂縫以高角度半充填縫為主，裂縫開(kāi)度介于0.3～3.0 mm，在不同構(gòu)造位置，裂縫發(fā)育程度略有差異，試井解釋滲透率遠(yuǎn)大于巖心測(cè)試的基質(zhì)平均滲透率，裂縫發(fā)育對(duì)氣井產(chǎn)能貢獻(xiàn)大。

1.2 出砂現(xiàn)狀

克深氣田主力區(qū)塊于2013年4月投入開(kāi)采，在投產(chǎn)初期有出砂井6口，至2014年4月出砂井增至9口，至2018年4月在48口生產(chǎn)井中出砂井占比達(dá)到58%，且出砂井中已采取長(zhǎng)關(guān)井措施的井占比超過(guò)了50%。井口取樣分析結(jié)果表明固體物包括泥質(zhì)與鐵屑、陶粒及砂粒，其中砂粒占比最大，以石英、長(zhǎng)石為主。砂粒的粒徑分布區(qū)間跨度較大，不僅包括毫米級(jí)顆粒，也有部分厘米級(jí)顆粒（圖1）。

圖1 KesC-2井井口取樣砂粒照片

氣井出砂后油壓下降幅度大、產(chǎn)氣量遞減快；采用放噴沖砂措施來(lái)治理氣井出砂，改善效果持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。以KesC-2井為例，該井酸化后于2014年3月投產(chǎn)，不產(chǎn)水，初期油壓為82 MPa，2014年9月井口監(jiān)測(cè)到出砂現(xiàn)象，在油嘴不變的情況下油壓迅速下降，同時(shí)產(chǎn)氣量大幅降低，后期采取更換油嘴及放噴沖砂措施后井口油壓、產(chǎn)氣量有所恢復(fù)，但持續(xù)時(shí)間短。

2 出砂原因分析

2.1 儲(chǔ)層改造方式

克深氣田主要采用體積壓裂、加砂壓裂、酸壓及酸化等儲(chǔ)層改造方式，其中體積壓裂的加液量和加砂量最大，平均加液量為1 470 m3、平均加砂量為42 m3，酸壓及酸化的平均加液量為382 m3，基本不加砂。從氣井的出砂情況來(lái)看，采用體積壓裂的井全部出砂，加砂壓裂井60%出砂，酸壓井44%出砂，酸化井40%出砂（表1）。可見(jiàn)，加液量、加砂量越大，出砂井所占比例越高。

在4種儲(chǔ)層改造方式中，體積壓裂和加砂壓裂在近井區(qū)域形成了較大規(guī)模的人造縫網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了與天然裂縫系統(tǒng)的良好溝通，而酸壓和酸化的改造規(guī)模較有限。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在人造裂縫形成的過(guò)程中，部分巖心的巖屑顆粒會(huì)從裂縫壁面脫落，同時(shí)在高速流體的沖刷作用下裂縫壁面會(huì)有大量顆粒脫落[23]，導(dǎo)致儲(chǔ)層改造規(guī)模越大，形成的縫網(wǎng)系統(tǒng)越復(fù)雜，脫落的砂粒越多，出砂風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增高。

綜上所述，儲(chǔ)層改造導(dǎo)致氣井出砂原因如下：①不同程度的儲(chǔ)層改造使近井區(qū)域儲(chǔ)層發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，形成復(fù)雜縫網(wǎng)，產(chǎn)生更多可移動(dòng)砂粒，同時(shí)裂縫的強(qiáng)導(dǎo)流能力，也為砂粒運(yùn)移提供了有利條件；②4種儲(chǔ)層改造方式下擠入地層的液量不同，特別是酸液，會(huì)對(duì)儲(chǔ)層巖石骨架造成不同程度的破壞。

表1 克深氣田主力區(qū)塊儲(chǔ)層改造參數(shù)匯總表

2.2 裂縫壁面上巖石顆粒脫落條件

成像測(cè)井、巖心觀察及試井解釋結(jié)果都表明克深氣田天然裂縫發(fā)育。為了研究裂縫對(duì)出砂的影響，采用簡(jiǎn)化模型分析裂縫壁面上砂粒受力情況，假設(shè)如下：①氣體流動(dòng)發(fā)生在裂縫內(nèi)；②游離砂為球形，裂縫壁面上巖石顆粒為半球形，且半徑均為r；③忽略摩擦力及重力影響。

使裂縫壁面上的巖石顆粒脫落需滿足以下任一條件：①若裂縫壁面上巖石顆粒只受到氣體沖擊作用，根據(jù)莫爾—庫(kù)倫強(qiáng)度理論[23]的抗剪強(qiáng)度公式，當(dāng)氣體對(duì)裂縫壁面的沖擊力大于巖石剪破裂時(shí)的剪應(yīng)力，巖石顆粒將脫落，成為游離砂隨氣體移動(dòng)；②若裂縫壁面上巖石顆粒同時(shí)受到氣體沖擊及游離砂碰撞的共同作用，當(dāng)氣體沖擊力與游離砂的撞擊力之和大于巖石剪破裂時(shí)的剪應(yīng)力，巖石顆粒脫落，成為游離砂隨氣體移動(dòng)。

根據(jù)動(dòng)量定理，推導(dǎo)出氣體作用在裂縫壁面巖石顆粒的沖擊力計(jì)算式為：

式中F表示氣體對(duì)裂縫壁面巖石顆粒的沖擊力，N；ρg表示撞擊前游離砂密度，kg/m3；r表示砂粒半徑，m；v表示氣體流動(dòng)速度，m/s。

根據(jù)動(dòng)量定理，當(dāng)游離砂與裂縫壁面巖石顆粒碰撞時(shí)，巖石顆粒所受到的撞擊力計(jì)算式為：

式中Z表示游離砂對(duì)裂縫壁面巖石顆粒的撞擊力，N；m表示砂粒質(zhì)量，kg；v2表示撞擊后游離砂移動(dòng)速度，m/s；v1表示撞擊前游離砂移動(dòng)速度，m/s；t表示撞擊作用時(shí)間，s。

設(shè)定游離砂與裂縫壁面巖石顆粒碰撞后短暫靜止，v2=0，則式（2）變?yōu)椋?/p>

根據(jù)牛頓第二定律，結(jié)合游離砂受力分析，撞擊前游離砂移動(dòng)速度計(jì)算式為：

將式（4）代入式（3），則裂縫壁面巖石顆粒受到游離砂的撞擊力計(jì)算式為：

結(jié)合前述裂縫壁面上巖石顆粒脫落所需要滿足的條件，即

式中τf表示巖石抗剪強(qiáng)度，MPa。

考慮氣體為可壓縮流體，得到無(wú)游離砂及有游離砂兩種情況下裂縫壁面砂粒脫落時(shí)的氣井出砂臨界產(chǎn)氣量計(jì)算公式，如式（8）、（9）所示。在越接近井底的位置，氣體流動(dòng)速度越大，若能保證井底附近裂縫壁面上的巖石顆粒不脫落，則儲(chǔ)層中裂縫壁面上的巖石顆粒也不易脫落。

式中Qc表示無(wú)游離砂情況下的氣井出砂臨界產(chǎn)氣量，m3/d；R表示某點(diǎn)與井底的距離，m；h表示儲(chǔ)層有效厚度，m；sf表示裂縫面孔率；p表示井底R(shí)處的地層壓力，MPa；Zsc表示地面標(biāo)準(zhǔn)壓力、溫度條件下的壓縮因子，無(wú)因次；Tsc表示地面標(biāo)準(zhǔn)溫度，K；psc表示地面標(biāo)準(zhǔn)壓力，MPa；Z表示地層條件下氣體壓縮因子，無(wú)因次；T表示地層溫度，K；Qcp表示存在游離砂的情況下的氣井出砂臨界產(chǎn)氣量，m3/d。

選取克深氣田實(shí)際參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，儲(chǔ)層厚度為120 m，裂縫面孔率為0.15%，距離井底1 m處氣體流經(jīng)的裂縫截面積為1.1 m2，巖石抗壓強(qiáng)度為392.9 MPa（取KesC-2、KesC-3及KesC-5等3口井巖石抗壓強(qiáng)度的平均值），抗剪強(qiáng)度為157.2 MPa（取抗壓強(qiáng)度的40%），地層條件下氣體密度由壓力指數(shù)式計(jì)算，結(jié)合氣田平均生產(chǎn)壓差近井區(qū)域壓力梯度為0.5 MPa/m。對(duì)于存在游離砂的情況，假定游離砂與裂縫壁面巖石顆粒的碰撞作用時(shí)間不超過(guò)0.5 s，游離砂每2 s碰撞裂縫壁面的巖石顆粒1次。

通過(guò)計(jì)算得到不同巖石抗剪強(qiáng)度下氣井出砂臨界產(chǎn)氣量曲線（圖2）及不同出砂點(diǎn)位置與氣井出砂臨界產(chǎn)氣量的關(guān)系曲線（圖3），若抗剪強(qiáng)度取值157.2 MPa，則可以判斷：若無(wú)游離砂，當(dāng)產(chǎn)氣量大于21.2×104m3/d時(shí)，近井區(qū)域裂縫壁面的砂粒逐漸脫落；若有游離砂，當(dāng)產(chǎn)氣量大于9.4×104m3/d時(shí)，近井區(qū)域裂縫壁面砂粒逐漸脫落；近井區(qū)域是砂粒脫落嚴(yán)重的區(qū)域。在克深氣田實(shí)際參數(shù)條件下，裂縫壁面的砂粒較易脫落，且儲(chǔ)層裂縫越發(fā)育，氣井出砂風(fēng)險(xiǎn)越高。

圖2 不同巖石抗剪強(qiáng)度下氣井出砂臨界產(chǎn)氣量曲線圖

2.3 單井產(chǎn)氣量

克深氣田主力區(qū)塊氣井出砂時(shí)間、程度均不同。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，未出砂氣井的初期產(chǎn)氣量與無(wú)阻流量的比值低于18%，而出砂氣井的初期產(chǎn)氣量與無(wú)阻流量的比值則偏高（圖4）；單井產(chǎn)氣量介于15×104～100×104m3/d，大部分井產(chǎn)氣量遠(yuǎn)超氣井出砂臨界產(chǎn)氣量。產(chǎn)氣量越高，儲(chǔ)層中氣體流速越快，砂粒脫落并運(yùn)移至井底的風(fēng)險(xiǎn)越大，可見(jiàn)，產(chǎn)氣量過(guò)高也是導(dǎo)致氣井出砂的主要原因之一。

圖3 不同出砂點(diǎn)位置與氣井出砂臨界產(chǎn)氣量關(guān)系曲線圖

圖4 氣井初期產(chǎn)氣量與無(wú)阻流量散點(diǎn)圖

2.4 井筒完整性

克深氣田壓力系數(shù)較高，鉆完井過(guò)程中采用的鉆井液密度介于1.9～2.4 g/cm3，高密度鉆井液會(huì)使井筒完整性受到一定程度的破壞。井口取樣分析結(jié)果顯示，砂粒粒徑分布區(qū)間跨度較大，而且含有鐵屑與泥質(zhì)成分，表明井下套管局部存在損壞現(xiàn)象，同時(shí)由于井筒周?chē)鷳?yīng)力改變，井壁局部發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，且固井質(zhì)量存在差異，導(dǎo)致部分井段固井水泥破碎，引起氣井出砂。

3 出砂對(duì)產(chǎn)氣量的影響

通過(guò)分析井筒內(nèi)砂粒受力情況，研究氣井出砂對(duì)產(chǎn)氣量的影響。假定砂粒是半徑為r的球體，關(guān)井和生產(chǎn)時(shí)井筒內(nèi)砂粒主要受到自身重力和氣體向上推力的共同作用。

借鑒Turner模型，計(jì)算氣體對(duì)砂粒向上的推力：

砂粒自身重力計(jì)算式為：

式中T表示砂粒受到的推力，N；CD表示曳力系數(shù)，無(wú)因次，取值為0.44[24]；vL表示氣體臨界流速，m/s；ρg表示氣體密度，kg/m3；G表示砂粒受到的重力，N；ρs表示砂粒密度，kg/m3。

當(dāng)T大于等于G時(shí)，砂粒不會(huì)沉積至井底，則井筒管柱內(nèi)氣體臨界流速的計(jì)算式為：

根據(jù)式（12）可以計(jì)算不同砂粒粒徑下氣井臨界攜砂產(chǎn)氣量，若井底壓力超過(guò)40 MPa，砂粒粒徑在10 mm以?xún)?nèi)，砂粒不沉積至井底的氣井臨界攜砂產(chǎn)氣量為25×104m3/d。

在氣井出砂早期階段，出砂對(duì)產(chǎn)能的影響主要是由于砂粒被運(yùn)移至井口附近，逐漸堵塞油嘴及近井口管柱所致。在該階段總是粒徑較小的砂粒先被帶出儲(chǔ)層，攜至井口并逐漸堆積在井口附近。針對(duì)克深氣田氣井，采用節(jié)點(diǎn)法分析儲(chǔ)層段、射孔段、井底及井口積砂段等部位的壓降情況，結(jié)果顯示在氣井出砂的早期階段，井口積砂段和射孔段是主要壓降段。當(dāng)產(chǎn)氣量一定時(shí)，隨井口積砂高度的增加，井口壓力呈直線下降，且產(chǎn)氣量越大，井口壓力下降趨勢(shì)越陡（圖5）。當(dāng)更換油嘴或放噴排砂后，油壓可迅速恢復(fù)。

在氣井出砂中后期階段，由于井筒內(nèi)積砂越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致井筒中壓降增大，產(chǎn)氣量逐漸減小，最終因砂堵關(guān)井。節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)產(chǎn)氣量一定時(shí)，隨井筒積砂高度增加，井口壓力下降趨勢(shì)先緩后陡，且產(chǎn)氣量越大，井口壓力下降趨勢(shì)越陡（圖6）。當(dāng)管柱內(nèi)積砂到一定高度時(shí)，油壓大幅度降低，且更換油嘴后油壓無(wú)明顯恢復(fù)，產(chǎn)氣量逐漸降低直至關(guān)井。

綜上所述，井口及井底積砂是影響氣井產(chǎn)氣量的關(guān)鍵。在出砂早期階段，井口積砂是導(dǎo)致產(chǎn)氣量降低的主要因素；在出砂中后期階段，井底積砂是導(dǎo)致產(chǎn)氣量降低的主要因素。

圖5 不同產(chǎn)氣量下井口積砂高度與井口壓力關(guān)系曲線圖（氣井出砂早期階段）

圖6 不同產(chǎn)氣量下井筒積砂高度與井口壓力關(guān)系曲線圖（氣井出砂中后期階段）

4 治砂對(duì)策

對(duì)于新井，在完井時(shí)應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆郎肮に嚧胧⒉扇『侠淼膲毫迅脑煲?guī)模。選用高強(qiáng)度防砂篩管可以提升擋砂效果、增強(qiáng)抗堵塞能力，同時(shí)抵抗井底攜砂流體的高速?zèng)_擊。目前部分出砂井采用體積壓裂方式，由于加砂、加液量大，導(dǎo)致儲(chǔ)層中的游離砂量增加，在高速氣體的沖擊下出砂臨界產(chǎn)氣量大幅降低，儲(chǔ)層更容易出砂。所以，合理控制壓裂改造規(guī)模也是預(yù)防新井出砂的重要措施。

為預(yù)防氣井出砂，還應(yīng)合理控制產(chǎn)氣量，降低儲(chǔ)層中氣體流速，減小出砂風(fēng)險(xiǎn)，但是在克深氣田，氣井出砂臨界產(chǎn)氣量相對(duì)較低，如果為了避免氣井出砂而大幅降低產(chǎn)氣量，將嚴(yán)重影響氣田的生產(chǎn)規(guī)模。針對(duì)處于不同出砂時(shí)期的氣井，宜采取相應(yīng)的治砂對(duì)策。

對(duì)于出砂早期的氣井，應(yīng)及時(shí)、合理排砂，即在大規(guī)模砂堵前及時(shí)將井口附近的積砂排出，避免因砂堵影響產(chǎn)氣量。由于早期出砂量相對(duì)較低，可以根據(jù)井口油壓、產(chǎn)氣量變化及時(shí)放噴以排出井口附近的積砂。同時(shí)，由于早期出砂砂粒粒徑相對(duì)較小，容易堵塞油嘴，應(yīng)及時(shí)更換、清理油嘴。

對(duì)于出砂中后期的氣井，由于井筒積砂較嚴(yán)重，首先應(yīng)更換油嘴以排出井口附近的積砂，再采用洗井、連續(xù)油管沖砂等措施以排出井底積砂。

目前，克深氣田主力區(qū)塊已有近60%的生產(chǎn)井出砂，其中超過(guò)一半的出砂井已處于出砂中后期，積砂嚴(yán)重，產(chǎn)能恢復(fù)困難，需要采取必要的洗井沖砂作業(yè)才能排出積砂。因此，及時(shí)排砂是治理該類(lèi)型氣藏出砂的關(guān)鍵。

5 結(jié)論及建議

1）引起裂縫性致密砂巖氣藏出砂的原因包括儲(chǔ)層裂縫發(fā)育、儲(chǔ)層改造規(guī)模大、產(chǎn)氣量高及井筒完整性差等方面，其中儲(chǔ)層裂縫發(fā)育和產(chǎn)氣量高是主要的出砂原因。

2）基于克深氣田實(shí)際參數(shù)，對(duì)于無(wú)游離砂的情況，當(dāng)氣井產(chǎn)氣量大于21.2×104m3/d時(shí)，近井區(qū)域裂縫壁面的砂粒逐漸脫落；對(duì)于存在游離砂的情況，當(dāng)氣井產(chǎn)氣量大于9.4×104m3/d時(shí)，近井區(qū)域裂縫壁面砂粒逐漸脫落；近井區(qū)域是砂粒脫落嚴(yán)重的區(qū)域。

3）井口及井底積砂是影響氣井產(chǎn)氣量的關(guān)鍵。在出砂早期階段，井口積砂是導(dǎo)致產(chǎn)氣量降低的主要因素；在出砂中后期階段，井底積砂是導(dǎo)致產(chǎn)氣量降低的主要因素。

4）克深氣田氣井出砂臨界產(chǎn)氣量較低，臨界攜砂產(chǎn)氣量相對(duì)較高，及時(shí)排砂以避免井筒大規(guī)模積砂是治理該類(lèi)氣藏出砂的關(guān)鍵。