高壓裂縫性致密砂巖氣藏出砂影響因素及防治
——以塔里木盆地迪那2氣藏為例

吳燕 唐斌 王明 逄健 陳萍 張永賓

1. 塔里木油田迪那油氣開發部；2. 塔里木油田油氣工程研究院；3. 塔里木油田英買油氣開發部；4. 塔里木油田勘探開發研究院

迪那2氣藏為一個完整的受背斜控制的異常高壓塊狀底水裂縫性致密砂巖凝析氣藏，位于庫車前陸盆地秋里塔格構造帶東部迪那—東秋構造區帶上，為受南北兩條傾向相同的逆沖斷層所夾持的一個東西向展布的長軸背斜。儲集空間類型以原生粒間孔為主，次為粒間及顆粒溶孔，儲層以裂縫孔隙性儲層為主；裂縫發育，平均裂縫線密度0.46條/m、裂縫開度0.072 mm。儲層巖性以粉砂巖、細砂巖為主，其次為含礫砂巖、砂礫巖；碎屑組分以石英、巖漿巖巖屑為主，膠結物以方解石類為主。儲層段平均孔隙度 3.15%～8.97%、滲透率 (0.09～1.11)×10-3μm2，總體屬于低孔、低滲和特低滲儲層；試井資料和測井解釋綜合分析迪那2井區裂縫滲透率在0.23×10-3～85.3×10-3μm2之間。目的層段蘇維依組中深5 046.16 m、庫姆格列木群中深5 253.15 m。原始地層壓力106.2 MPa、壓力梯度0.39 MPa/100 m、壓力系數為2.06～2.29，為超高壓氣田；原始地層溫度為136.1 ℃，地溫梯度2.259 ℃/100 m，為正常溫度系統。地面凝析油密度 0.792～0.812 g/cm3(20 ℃)；天然氣相對密度0.63～0.64，甲烷平均含量87.7%，酸性氣體含量很低，CO2含量 0.07%～6.93%，不含 H2S；地層水水型為CaCl2。開發方式為衰竭式開發；完井工藝為套管射孔，套管孔眼8～12.8 mm；生產管柱早期為射孔酸化完井一體化非全通徑管柱，生產管柱流動通道為直徑3 mm的油管打孔孔眼；2013年以后采用全通徑生產管柱。2009年投產，平均采氣速度2.7%，采出程度25.7%，尚處于穩產期。面臨的主要開發問題為出砂、結垢導致的井筒堵塞生產異常問題以及見水問題。25口生產井中23口井生產異常，9口單井曾因生產異常關井。單井普遍、持續出砂，堵塞井筒［1-2］，嚴重影響氣田正常生產。急需開展出砂機理研究，為后期措施優化、措施方向的選擇提供依據，為類似區塊的出砂防治提供參考［3］。

1 出砂概況

1.1 出砂歷程

迪那2氣田在投產初期就有部分單井存在油壓波動、異常下降情況，拆檢井口油嘴發現少量顆粒物；井口壓力高達86.6 MPa，因技術條件限制，未探砂面。隨著技術進步，2014年開始嘗試有纜測試，為保險起見，測試深度未過封隔器，生產管柱堵塞情況未知；但油壓異常井越來越多，檢修期間清理出的泥砂等混合物也越來越多。2015年出現第1口因油壓異常、油壓低關井的單井，出砂形勢變得嚴峻。截至2018年12月，油壓異常井升至23口；14口井有纜測試井筒遇阻，證實井筒普遍存在問題；16口井45井次的異物樣品化驗結果以二氧化硅、碳酸鈣和硫酸鈣為主，其中9口井二氧化硅含量超40%，4口井碳酸鈣和硫酸鈣含量超40%，證實地層出砂、結垢為井筒堵塞、生產異常的主要原因。通過井筒酸化解堵、連續油管疏通管柱、大修作業等方式恢復單井生產，已累計措施作業18井22井次。

1.2 出砂特征

從樣品外觀來看，顆粒大小不一，但接近一半的樣品含有粒徑大于10 mm的顆粒，8口井見明顯礫石。從堵塞位置來看，主要在封隔器以下，砂面較深，堵塞位置到人工井底平均容積8 m3。從砂面抬升速度來看，實測砂面資料顯示砂面在射孔段頂界以下抬升快、以上抬升慢，但整體較慢。從措施作業來看，5口連續油管作業井和4口大修作業井作業期間平均除砂、垢100 L，量不大。從措施后的生產情況來看，井筒徹底清理的3口單井仍在出砂，其他大部分措施井仍生產異常。從單井出砂時間來看，有一投產就生產異常的，也有2口井尚正常生產。從超聲波出砂井口在線監測儀監測來看，15口井16井次監測結果顯示單井出砂量差異較大，井口出砂規律表現為間歇+連續性。整體而言，迪那2氣田出砂特征主要表現為普遍性、持續性、量不大、單井差異較大、已有井筒條件下難根治。

2 出砂影響因素

通過出砂指數、聲波時差、孔隙度、彈性組合模量和斯倫貝謝比經驗出砂判別方法，分析基質出砂可能性［4-5］。利用測井數據計算統計所有單井5項經驗出砂指標的最小、最大值，5口單井的基質有輕微出砂可能，出砂指標位于出砂臨界值附近。以5口井中的DN2-1井為例，利用石文軟件分析統計該井射開層段對應的5項經驗出砂指標，只有不到2%(2.4～6.5 m)的射孔層段有輕微出砂可能。因此，單純的基質自身很難引起迪那當前普遍、持續性的出砂狀況。本文將結合迪那地質條件和實際開發情況，從巖石力學角度出發，尋找巖石抗壓強度相對薄弱區和有效上覆壓力相對高值區，獲取出砂影響因素。

2.1 巖石抗壓強度相對薄弱區

巖石強度指巖石在外力作用下達到破壞時的極限應力，一般包括抗壓強度、抗剪強度和抗拉強度。抗壓強度和抗剪強度往往是確定巖石穩定性的主要因素，且抗剪強度約為抗壓強度的0.1～0.2倍。影響巖石抗壓強度的因素很多，細粒的巖石抗壓強度往往要較粗粒大，方解石膠結的抗壓強度要比黏土膠結的強。抗壓強度分為單軸抗壓強度和三軸抗壓強度，前者測試時無圍壓，后者有圍壓。天然巖體處于三向應力狀態下，三軸抗壓強度更接近實際情況，尤其是高溫高壓三軸試驗。

(1)動靜態巖石力學顯示巖石基質抗壓強度整體很高，但存在強度薄弱區，主要為礫巖和含礫巖層。迪那三軸巖心實驗抗壓強度116～584 MPa(表1)，利用測井數據計算理論單軸抗壓強度40～417 MPa［6］，巖石基質抗壓強度跨度大，相差一個數量級別，均值200 MPa以上，整體很高。結合迪那儲層巖性和實際出砂情況，理論認為低強度區主要為礫巖和含礫巖層。這樣的礫巖和含礫巖層單井平均厚度28.8 m(1～41 m)，為儲層段厚度的9.6%。

表1 迪那2氣田三軸巖心實驗結果Table 1 Triaxial core test result of Dina 2 Gasfield

(2)迪那2氣藏斷層、裂縫發育，形成強度薄弱帶。理論上，在斷層附近或構造頂部位構造應力大，可局部破壞原有的內部骨架，產生局部天然節理或微裂隙，這些部位的巖石抗壓強度最薄弱，也是最易出砂和出砂最嚴重的區域。沒有帶裂縫的迪那巖心抗壓強度實測數據，參考類似區塊克深氣藏單軸巖心力學實驗結果(表2)，帶裂縫和不帶裂縫的巖石抗壓強度均值分別為94、202 MPa，裂縫使原有的巖石抗壓強度大幅度下降。

(3)用于巖石抗壓強度計算的相關測井數據為裸眼測試數據，未反映射孔、酸化對近井地帶巖石抗壓強度的破壞。根據含水飽和度與強度關系實驗數據［7］，理論上隨著含水飽和度的增加，巖石抗壓強度受到破壞，巖石抗壓強度急劇下降；迪那評價井巖心酸敏實驗實測結果顯示，15%鹽酸酸敏指數為-174.75%，膠結物部分溶解。兩者都證明，酸化會使近井帶巖石抗壓強度受到破壞。迪那2氣田22口單井實施過酸化，擠入地層總液量平均為281 m3(177～343 m3)，侵入帶砂量大；試油結束時殘留液體平均為147 m3(12.7～349.8 m3)，投產前關井時間平均為364 d(33～1 092 d)，殘留液體多、關井時間長；兩者結合產生酸化破壞強度薄弱帶。此外，所有單井采用套管射孔完井，根據實驗數據將產生厚0.8～2 cm的壓實破壞強度薄弱帶。

表2 類似區塊基質、充填、半充填單軸巖心力學實驗結果Table 2 Uniaxial mechanical test results of matrix, filled and semi-filled cores from similar blocks

2.2 有效上覆壓力相對高值區

巖石骨架承受的有效上覆壓力，由下式確定

式中，pe為有效上覆壓力，MPa；pgs為上覆地層壓力，MPa；pf為地層壓力，MPa；h為上覆巖層厚度，m；ρ為上覆巖層密度，g/cm3。

迪那2氣田上覆地層平均密度ρ為2.36 g/cm3,上覆地層厚度取氣藏中部深度4 950 m，計算上覆地層壓力116.8 MPa，地層壓力為106.2 MPa，計算有效上覆壓力為10.6 MPa。

(1)地層壓力下降引起的有效上覆壓力整體上升。地層壓力逐年下降，巖石受到的有效上覆壓力逐年整體抬升。氣藏初始有效上覆壓力10.6 MPa，目前有效上覆壓力升至35.0 MPa，臨界出砂壓差隨之下降。開發越久，有效上覆壓力越大，同樣的生產壓差下出砂風險也越大。

(2)越靠近射孔底部巖石受到的有效上覆壓力越大。受上覆巖層密度和地層壓力梯度差異影響，越靠近射孔底部巖石受到的有效上覆壓力越大，越容易出砂。迪那2氣田單井射孔跨度大，平均266 m(50～388 m)，射孔段頂底巖石受到的有效上覆壓力差平均值 5.4 MPa(1～7.76 MPa)。

(3)污染、集流、應力敏感等引起的附加表皮因數加大生產壓差，生產壓差越大，流壓越小，近井帶地層壓力越低，巖石受到的有效上覆壓力越大。單井自身而言，生產時，離井筒越近，地層壓力越低，巖石受到的有效上覆壓力越大，越容易出砂。井間對比而言，生產壓差越大越易出砂。20世紀70年代初Exxon公司發現當生產壓差為巖石剪切強度的1.7倍時［8］，巖石開始破壞并出砂。南海某氣藏生產壓差控制在單軸強度的0.4倍以內時［9］，可有效防止氣井出砂。迪那2氣田實測23井次流溫流壓梯度測試，生產壓差均值15.60 MPa(0.77～56.62 MPa)，為單軸強度的0.06 倍(0.01～0.22 倍)。根據研究，排除配產影響，導致迪那2氣田單井生產壓差大的主控因素為鉆完井污染、集流、應力敏感等引起的表皮因數增大。壓恢實測單井表皮因數平均值為393(40～1 210)，表皮壓降占比均值 60%(11%～90%)；理論計算分解表皮因數后發現［10-12］，非達西表皮因數很小，可忽略，近井帶應力敏感附加表皮因數為8、集流表皮因數為151、污染及其他表皮因數為234。污染、集流、應力敏感表皮因數之所以大，原因是：(1)單井鉆完井平均漏失673 m3，漏失量大；水鎖實驗滲透率損害率21%，根據巖心測試數據計算水鎖指數均值-0.60，遠小于水鎖臨界值0.8，水鎖效應明顯，滲透率損害率不止21%；儲層傷害影響大。(2)產氣剖面實測主力產出層厚度占比僅19.9%，采氣強度大，集流效應明顯。(3)迪那應力敏感塑性變形幅度較大［13-14］，根據巖心情況實測滲透率可永久損失8.9%～80.1%(裂縫越發育、滲透率越低、共存水含量越高、巖屑含量越高，應力敏感越強)，應力敏感較強。

2.3 主要影響因素

在以上分析及提及的相關數據基礎上，對比各影響因素影響程度。估算礫巖和含礫巖層強度薄弱帶可導致巖石抗壓強度下降31 MPa，估算斷層、裂縫強度薄弱帶可導致巖石抗壓強度下降112 MPa，估算射孔、酸化強度薄弱帶可導致巖石抗壓強度下降136 MPa，計算地層壓力下降引起有效上覆壓力上升24 MPa，計算射孔底部受到的有效上覆壓力比射孔頂部高達6 MPa，污染、集流、應力敏感等引起的附加表皮因數可導致有效上覆壓力提高56 MPa。可見出砂主要影響因素為射孔、酸化強度薄弱帶和斷層、裂縫強度薄弱帶，次要因素為礫巖和含礫巖強度薄弱帶以及污染、集流、應力敏感等附加表皮導致的有效上覆壓力增加。

3 強度準則對巖石破壞的判斷

就巖石材料而言，只有拉伸和剪切2種破壞形式。承受拉應力的巖石破壞特征，因試驗方法的困難和試驗數據的離散，尚缺乏明確結論；壓應力下剪切破壞已有大量的理論和試驗研究［15-16］。到目前為止，關于不同材料的破壞規律曾經提出了上百個模型或準則，但由于材料性質的復雜性，大多數模型或準則都不具有普適性。常見的強度準則有Mohr-Coulomb強度準則、Hoek-Brown強度準則、Drucker-Prager強度準則和Griffith強度準則等。其中Hoek-Brown強度準則［17-18］是通過對幾百組巖石三軸試驗資料和大量現場巖體試驗成果的統計分析、結合巖石性狀方面的理論研究成果和實踐檢驗提出的，在巖石工程中應用最為廣泛、影響最大，已充分得到巖石力學與工程研究者的認同、研究和應用。因此，本文選用Hoek-Brown強度準則對迪那巖體進行破壞判斷；由于廣義Hoek-Brown巖體強度準則需要三位待定參數，獲取困難；因而進一步選用Hoek-Brown巖石強度準則進行判斷，其表達式為

式中，σ1、σ3分別為最大、最小壓應力，MPa；σc為巖石單軸抗壓強度，MPa；mi為巖石量綱一的經驗參數，反映巖石的軟硬程度。

通過計算，迪那2氣藏當前應力狀態下，巖石臨界抗壓強度均值為49 MPa。射孔、酸化強度薄弱帶和斷層、裂縫強度薄弱帶兩者對強度的綜合影響程度未查到計算方式或類似可借鑒的實驗數據，結合兩者獨立影響程度定性判斷綜合影響后的巖石抗壓強度可低于49 MPa，達到破壞條件。至于微觀的破壞機理，巖石力學學者有一些研究成果。

4 防治辦法

通過優化射孔層段和射孔方位、加大孔密和穿深［19-21］、采用清潔完井工藝等方式可防治部分出砂。

(1)針對礫巖和含礫巖層強度薄弱、射孔底部巖石受到的有效上覆壓力更大的問題，射孔時可避開相關層段，并沿最大水平主應力方位定向射孔。

(2)針對裂縫導致巖石抗壓強度下降、集流表皮問題，首先承認裂縫是把雙刃劍，既是易出砂區，也是高滲流通道，但通過各種手段的綜合作用，可盡量避免這種矛盾。打開裂縫密集層段，比如前期迪那2氣藏射孔層段主要以測井解釋的氣層、差氣層為目標，未考慮裂縫發育密集程度，后期大修時重新補充射孔裂縫密集層段，并取得效果；增大穿深、孔密并優化射孔方位等射孔參數，射孔時井底壓力越大，射孔層段巖石抗壓強度越高，對應射孔穿深會越小，迪那2氣田最大穿深1 656 mm、最小穿深84.6 mm(見表3)；開展清潔完井等鉆完井優化。以上手段的綜合作用，可提高單個孔眼連通的裂縫網絡系統以及孔眼的有效性，實現主力產出層厚度的增加，達到不降產量低壓差生產目的。

表3 迪那2氣田部分單井射孔參數Table 3 Perforation parameter of some single wells in Dina 2 Gasfield

(3)針對污染、集流、應力敏感等引起的附加表皮因數和酸化巖石強度破壞問題，通過清潔完井工藝減少儲層傷害后，根據單井情況可不考慮酸化。此外，還可開展井位優化、陶瓷防砂［22-24］等意向性防治研究。

5 結論

(1)迪那2氣田基質巖石抗壓強度整體很高，單純的基質強度問題很難引起目前的出砂現狀。

(2)選用Hoek-Brown強度準則對迪那巖體進行破壞判斷，迪那臨界抗壓強度均值為49 MPa。拋開配產的影響，在3種巖石抗壓強度薄弱區和3種有效上覆壓力高值區的綜合作用下，部分巖石的抗壓強度可低于49 MPa，達到破壞條件，促使迪那出砂。其中主要因素為射孔、酸化強度薄弱帶和斷層、裂縫強度薄弱帶，次要因素為礫巖和含礫巖強度薄弱帶以及污染、集流、應力敏感等附加表皮導致的有效上覆壓力增加。

(3)通過優化射孔層段和射孔方位、加大孔密和穿深、采用清潔完井工藝等方式可防治部分出砂，提高單個孔眼連通的裂縫網絡系統以及孔眼的有效性，實現主力產出層厚度的增加，達到不降產量、低生產壓差生產目的。