南海深水氣田防砂設計研究

閆新江，曹硯鋒，讓書杰，鄧金根，王利華

1.中海油研究總院有限責任公司 （北京 100028）

2.中國石油大學（北京）石油工程學院 （北京 102249）

3.長江大學石油工程學院 （湖北 武漢 434023）

深水油氣開發是當今油氣勘探與開發的發展趨勢［1］，2006年在珠江口盆地發現了中國第一個深水氣田——南海深水氣田。南海深水氣田高點水深1 500 m，巖石膠結性差，一旦生產制度不合理容易導致氣井大量出砂。由于深水氣田惡劣的開發環境，出砂危害比常規氣田更大，水下井口修井更加困難，地層砂進入海底管線后造成管線堵塞、沖蝕等。因此有必要對南海深水氣田出砂臨界壓差、適合南海深水氣田高效開發的防砂方式及參數做深入的研究。

1 出砂預測

出砂預測是以儲層巖石的應力狀態為基礎，巖石所受徑向應力差過大，巖石會發生剪切破壞從而形成滑移破壞面。地層流體的流動過程中會產生拖曳力，將剪切破壞面上的松散砂攜帶出來，形成井口出砂。為了定量計算儲層是否出砂，國內外學者提出了多種出砂預測模型［2-6］，根據南海深水氣田地應力、巖石力學參數及測井數據，利用自主編制的出砂預測軟件計算了Vaziri模型、Morita模型、經驗模型的出砂臨界生產壓差。Vaziri模型計算結果較高，Morita模型和經驗模型的預測值較低且比較接近。從計算結果可以看出，南海深水氣田開發初期臨界生產壓差低，生產壓差若超過4.5 MPa就會出砂。

氣田通常采取衰竭式開采，儲層壓力衰竭后出砂臨界壓差也會發生改變。蔚寶華［7］根據砂巖氣藏力學特性建立模型，提出壓力衰竭時出砂井底流壓為：

式中：m為儲層氣體壓縮指數，無量綱；r為地層到井筒軸線的距離，m；Po為儲層壓力，MPa；Pwf為井底壓力，MPa；Cr為地層殘余黏聚力，MPa；φr為地層殘余內摩擦角，（°）。

結合儲層孔隙壓力和巖石應力分布規律對南海深水氣田出砂極限井底壓力隨壓力衰竭的變化規律進行計算。儲層壓力與出砂極限井底壓力之差即為出砂臨界生產壓差。開采初期臨界生產壓差為4.55 MPa，隨著地層壓力下降，臨界生產壓差隨儲層壓力的降低而降低，當地層壓力下降至9.82 MPa時，開采即出砂。

南海深水氣田出砂臨界生產壓差低，儲層壓力衰竭后臨界生產壓差會進一步降低。深水環境惡劣，出砂帶來的危害將是巨大的，為了保證南海深水氣田長期高效安全開發，開發初期必須進行防砂。因此有必要對南海深水氣田防砂設計做進一步研究。

2 防砂方式初步設計

2.1 設計依據

儲層粒度特性及黏土礦物含量是進行防砂設計的基礎，南海深水氣田儲層激光粒度測試、XRD分析結果見表1。南海深水氣田儲層巖石粒度屬細砂巖到中砂巖，均質性好，黏土礦物含量中等，黏土礦物吸水膨脹偏弱。

表1 南海深水氣田儲層粒度特性及黏土礦物含量

2.2 防砂方式理論設計

國內外學者在防砂方式設計方面研究很多，代表性的人物有：Johnson、Tiffin［8-9］等。 根據南海深水氣田儲層物性參數，使用Johnson方法和Tiffin方法對南海深水氣田進行防砂方式設計。Tiffin方法根據非均質系數及細粉砂含量推薦采用礫石充填防砂，Johnson方法根據粒度特征值數據推薦采用優質篩管防砂。2種方法設計結果誰更適合南海深水氣田，有必要通過室內出砂模擬實驗驗證，確保南海深水氣田生產的安全和高效開發。

3 出砂模擬實驗

使用氣井出砂模擬裝置［10］進行模擬實驗，實驗裝置包括電子測量壓力計、高壓釜體及供氣系統。高壓釜體中填充石英砂，通過加壓可有效模擬地層真實應力狀態。實驗時記錄各點壓力、流量及出砂量，實驗流程如圖1所示。

圖1 出砂模擬試驗流程圖

海上油氣田完井經驗表明：不同類型防砂管的防砂效果差別很大，此外礫石充填完井通常比不充填礫石的防砂效果要好。根據這一經驗出砂模擬實驗分為2部分。首先使用金屬網布優質篩管（PS）和繞絲篩管(WWS)進行獨立防砂和礫石充填(GP)2種完井方式下的出砂模擬實驗，確定適合南海深水氣田高效開發的防砂方式。然后針對選定的完井方式進行防砂參數的優選。

3.1 防砂方式優選

根據南海深水氣田粒度特性（非均質系數為3～5，d50為180 μm）確定2種篩管的擋砂精度及礫石尺寸（表2）。2種篩管的出砂量都大于礫石充填防砂出砂量，使用篩管獨立防砂無法滿足南海深水氣田苛刻的水下環境，必須采取礫石充填防砂。雖然優質篩管礫石充填的產能低于繞絲篩管礫石充填，但其出砂量少，防砂效果好。

表2 實驗條件對比

南海深水氣田儲層物性好，采氣速率高，高流速含砂氣體會對篩管及井下生產系統產生巨大的沖蝕力，深水氣田對出砂量比常規氣田控制更為嚴格。綜合考慮防砂后的產能及出砂量，推薦南海深水氣田使用優質篩管+礫石充填完井。

3.2 礫石層厚度優選

對于裸眼礫石充填井，通常進行擴眼作業以提高礫石充填系數。增加礫石層厚度，可提高防砂系統的可靠性，但深水氣田完井日費高，礫石層厚度增加意味著作業時間長，完井費用高，而且擴眼會引起氣體流速增大，出砂量增加。為了找到產能與出砂量之間的平衡點，利用出砂模擬實驗來確定改變礫石層充填厚度帶來的產能、出砂量變化關系。從圖2可以看出，提高礫石層厚度，米采氣指數成線性增加，但流速過高會引起井底紊流，進而造成出砂量增加。深水氣田開發環境惡劣，在滿足產能要求的條件下，礫石充填層應盡可能滿足防砂效果的需求，確保水下生產系統的安全。根據南海深水氣田產能要求及出砂模擬實驗結果，推薦南海深水氣田礫石層厚度為5 cm。

圖2 產能及出砂量隨礫石層厚度變化關系圖

4 結論

1）開發初期南海深水氣田出砂臨界生產壓差小于4.5 MPa，壓力衰竭后出砂臨界壓差會進一步降低。

2）優質篩管礫石充填的產能低于繞絲篩管礫石充填，但其出砂量少，防砂效果好。

3）理論設計與出砂模擬實驗相結合，確定南海深水氣田使用優質篩管與礫石充填方式完井，推薦深水氣田礫石層厚度為5 cm。