海上油氣井出砂防治與管理現狀分析

邱浩，文敏，曹硯鋒，范志利，王彬，閆新江 (中海油研究總院有限責任公司， 北京 100020)

油氣井出砂問題是油氣田開發急需解決的難題之一，其危害主要表現在造成井下及地面設施的磨損、堵塞甚至砂埋等問題的產生，引起在役油氣井的減產或停產，極端情況下會造成套管擠毀，并最終導致油氣井報廢[1,2]。此外，油氣井出砂還可能伴隨井控風險及環境污染等災難性事件的發生[3]。因此，如何保證油氣田全壽命周期內出砂防治與管理的有效性，一直以來是世界各大油公司普遍關注的問題。

1 海上油氣井出砂現狀

根據最新的統計數據，目前中海油大約有18個油氣田存在出砂問題，主要分布在渤海海域、南海西部和東部海域。三大海域在役井的總數約3800余口，其中約200口井存在不同程度的出砂問題，即出砂井的井數占在役井總數的5.3%，由此表明中海油針對海上油氣井出砂防治工作的整體效果較好，與其長期以來在油氣井出砂防治技術方面所做的大量研究和實踐探索息息相關[4]。

雖然目前海上存在出砂問題的油氣井數較少，但出砂的油氣井在渤海海域、南海西部和東部海域均有分布，并且考慮到海上在役井的總井數相對較少，每一口井對保證油氣田產量方面都具有重要意義。因此，為了加強海上在役井的后期生產管理，避免或盡可能降低出砂井的產生概率，中海油急需開展海上油氣井出砂防治與管理改進方面的研究工作。

為了有效避免出砂給油氣井正常生產帶來的不利影響，工作重點在于油氣井的出砂原因分析，找到出砂風險的識別方法，并根據識別結果，有針對性地開展油氣井出砂的預防并制定治理改進措施。油氣井出砂管理是一項系統的工程，內容包括油氣井早期防砂設計和防砂施工、后期生產制度管理、出砂風險識別、出砂監測及出砂治理等，即油氣井的出砂防治與管理工作伴隨其全壽命周期[5]。

2 海上油氣井出砂原因分析

油氣井是否產生出砂問題涉及的影響因素有多種，如儲層沉積相、構造類型、泥質含量、流體物性、防砂完井方式、篩管類型、防砂工藝、生產工作制度調整等。將這些影響因素進行歸類，主要分為地質因素、完井因素和生產管理因素3大類。針對出砂井的出砂原因分析，也主要從以上3個方面的影響因素予以展開。通過對目前海上所有出砂井的出砂原因分析發現，由地質因素和完井因素造成出砂的油氣井數相對較少，而由于后期不合理的生產制度管理導致出砂的油氣井數相對較多，從而說明相對于地質因素和完井因素而言，油氣井后期不合理的生產管理是導致出砂的更重要因素。

2.1 地質因素

油氣井產生出砂問題的首要條件是地層出砂，造成地層出砂的地質因素包括儲層構造、沉積相、巖性、巖石膠結類型、膠結物種類、黏土礦物成分、泥質含量、儲層流體類型等[6,7]，這些影響因素屬于客觀存在的內在因素，主要通過巖石強度和粒度分布2個方面來影響出砂風險的大小。巖石本身強度較低、儲層見水造成巖石強度降低[8,9]或開發中后期儲層壓力衰竭造成巖石所受有效應力增加等，這些因素均會增加儲層巖石的出砂風險。如果地層砂的粒徑過小，海上常用的機械防砂介質也不能有效擋住地層出砂，從而產生油氣井出砂問題。

圖1 南海某氣田2口出砂井全壽命出砂預測成果圖

南海某氣田目的儲層的巖石強度較低(單軸抗壓強度約10～15MPa)、地層砂粒徑較小(D50分布在70～110μm范圍內)且細粉砂體積分數也比較高(約為36%)，因此氣井均采用優質篩管進行防砂。該氣田開發中后期出現儲層壓力衰竭，部分氣井井底流壓與地層壓力曲線超出安全三角區(見圖1)而產生出砂問題，后期通過限制出砂井的生產壓差，即可達到控制氣井出砂的目的。因此，分析認為，該氣田出砂的原因為巖石強度較低、后期儲層壓力衰竭增加部分氣井的出砂風險，且地層砂的粒徑偏小，使優質篩管不能有效擋住部分地層砂而產生出砂問題。

2.2 完井因素

完井因素主要分為油氣井防砂設計和防砂作業2個方面的因素，其中防砂設計包括防砂方式選擇、擋砂精度、防砂參數和防砂篩管設計等，而防砂作業因素主要包括作業中是否造成篩管損壞、充填效率是否滿足充填作業要求、充填滑套是否關閉等內容。如果防砂設計階段儲層地質油藏資料不全或設計人員對儲層地質油藏資料的認識不夠全面，從而造成油氣井的防砂設計不合理或防砂作業過程不滿足相關的作業規范、破壞防砂管柱的結構完整性，這些因素均會導致油氣井產生出砂問題。

如渤海某油田3口礫石充填防砂井G6H井、G7H井和G24H井，投產不久即產生出砂問題，檢泵沖砂作業中發現泵吸入口存在陶粒粘附現象、返出的砂粒也以陶粒為主，而且作業中發現防砂管柱上的充填滑套處于打開狀態，從而說明這3口井的出砂原因是防砂作業結束后充填滑套未關所致。通過相關作業關閉充填滑套后，3口井均停止出砂，恢復正常生產。

2.3 生產管理因素

通過對海上出砂井的出砂原因分析，發現油氣井后期不合理的生產制度管理是導致油氣井出砂更重要的因素，這些不合理的生產管理制度包括頻繁調整工作制度、大幅度提液、放大生產壓差等。不合理的油氣井生產管理主要通過改變井筒附近的地層應力場或破壞篩管外的自然砂橋2種途徑[10，11]來增加油氣井的出砂風險。除此之外，不合理的生產管理制度還可能造成油氣井防砂篩管的完整性破壞，從而直接導致油氣井防砂失效而出砂。油氣井生產階段，防砂篩管完整性破壞的常見形式包括沖蝕破壞和擠壓變形破壞2種類型。

2.3.1 篩管沖蝕

由于長期受到含砂流體的作用，篩管局部出現沖蝕破壞，最終導致防砂失效的現象普遍存在[12]。油氣井正常生產情況下篩管不發生泥質堵塞，產出流體均勻通過篩管，則一般不會發生篩管的沖蝕破壞。只有當篩管的部分區域出現堵塞后，流體就會從未堵塞區域通過，從而形成局部供液“熱點”，流體通過局部“熱點”的流速增大，造成篩管的沖蝕破壞。

篩管的沖蝕速率既受到篩管本體因素(如篩管的材質和結構)的影響，又受到外部條件的影響，如含砂流體沖蝕速度、沖蝕時間、含砂濃度、砂粒直徑等。中海油依托國家重大專項，針對篩管沖蝕開展了大量的試驗研究。通過改變篩管沖蝕試驗中的外部條件，得到大量篩管沖蝕的試驗結果，擬合建立了篩管沖蝕的質量磨損率與流體速度、砂粒粒徑、砂粒濃度等參數之間的數學模型，如式(1)所示：

(1)

式中：ms為篩管沖蝕的質量損失，%；D50為砂粒粒度中值，μm；c為砂粒濃度，%；v為流體沖蝕速度，m/s；t為沖蝕時間，s；K為擬合常數，1；i、j、n為擬合指數,1。

針對渤海某油田出砂井的篩管沖蝕分析，假設地層產出液的含砂量和含砂粒徑均為定值，對通過試驗數據建立的篩管沖蝕模型進行簡化，得到篩管沖蝕程度C值的計算模型：

C=vn·t

(2)

C值表征含砂流體的沖蝕作用程度，當C值達到某一臨界值Ccritical時，說明篩管發生了由沖蝕造成的完整性破壞。根據篩管沖蝕程度C值計算模型，結合該油田的出砂井及鄰近未出砂井的歷史動態生產數據和井下篩管柱結構參數，計算得到各井的篩管沖蝕程度C值，如圖2所示。

從圖2可以看出，鄰近未出砂井C值均要明顯低于出砂井C值，說明C值在表征篩管沖蝕程度方面具有較好的預警性，可取出砂井C值中的低值作為評價該油田井下篩管是否發生沖蝕破壞的臨界值Ccritical=0.18。除此之外，圖2中出砂井對應C值的差異較大，主要由于式(2)篩管沖蝕的簡化模型假設了地層流體含砂量和含砂粒徑均為定值(僅考慮了篩管沖蝕速度和沖蝕時間)，而不同出砂井實際篩管沖蝕過程中流體含砂量和含砂粒徑不完全相同。

2.3.2 篩管變形

油氣井工作制度的調整、提液生產，造成地層壓力降低、生產壓差增大，以及生產中儲層見水造成巖石強度降低，這些因素均會增加井筒附近地層巖石的出砂風險。地層巖石出砂后，產出砂的細顆粒在地層流體的攜帶作用下積聚在篩管的擋砂介質(金屬棉或網布)外堵塞篩管，從而使較大的生產壓差直接作用于篩管的擋砂介質。篩管的擋砂介質在生產壓差的擠壓作用下發生變形、錯位，造成篩管的擋砂精度增大，甚至當生產壓差增大到一定程度后直接造成篩管擋砂介質的擠毀，并最終導致油氣井防砂失效而引起井筒出砂。

南海某油田出砂井B27H井采用優質篩管的防砂方式，出砂前的歷史動態生產曲線如圖3所示。從圖3可以看出，B27H井投產初期的生產壓差經過2次快速放大、增加至6.5MPa左右，生產約2a的時間后產生嚴重的出砂問題。因此，分析認為B27H井是由于投產初期生產壓差快速增大，造成井下篩管的擋砂介質發生變形損壞而導致生產出砂。

圖3 南海某油田出砂井B27H生產曲線圖

3 海上油氣井防砂及出砂治理技術體系

圖4 油氣井防砂及出砂治理技術體系內容概況圖

基于油氣井出砂原因分析過程中得到的相關規律性認識，并結合海上油氣井有效的生產管理措施，編制形成了《海上油氣井防砂及出砂治理技術體系》，內容涵蓋了油氣井防砂設計、防砂施工、后期工作制度調整、出砂監測、出砂治理等油氣井的全壽命周期，如圖4所示。《海上油氣井防砂及出砂治理技術體系》是中海油應對海上采油采氣井出砂防治問題的第一部系統化技術體系，為海上油氣井防砂設計、防砂施工、后期生產制度管理、出砂監測、出砂治理等方面提供了明確的設計要求及技術指導。

相對于地質因素和完井因素而言，海上油氣井后期不合理的生產制度管理是導致出砂的更重要因素。因此，海上油氣井出砂防治的工作重點應放在油氣井的生產管理階段。在油氣井生產過程中對其出砂動態進行監測，及時了解海上在役井的出砂時機，方便及時采取合適的應對措施，使油氣井達到最佳的生產狀態。針對油井而言，現場通常采取井口取樣化驗的方式，實現對產出液含砂量的定期監測。考慮到氣井出砂可能會造成更嚴重的沖蝕磨損問題，現場通常采用在線監測儀對氣井出砂量進行實時監測。由于井口取樣化驗的監測方法存在取樣量少、代表性差、監測結果滯后、不連續、操作難度大等缺點，中海油亟待開展油氣井出砂在線監測的技術研究，實現在線監測設備的國產化，并推廣應用于海上在產的油氣井。

處于正常生產狀態的油氣井應盡量避免頻繁的工作制度調整并合理控制生產壓差，當確實需要調整工作制度時，調整前需要進行油氣井的出砂風險評估。同時根據油氣井在線監測的出砂情況，將在役的油氣井劃分為未出砂井、間歇出砂井和連續出砂井3大類。連續出砂井需要重點關注，出砂風險排查的頻率應相對較高，間歇出砂井和未出砂井的出砂風險排查頻率可以適當降低。出砂風險分析方法主要包括篩管沖蝕分析和篩管變形分析2種，具體分析方法如上所述。除此之外，在修井措施或關井復產后、油井產液量出現異常等情況下也需要及時進行出砂風險評估。

4 結論及建議

1)油氣井出砂原因分析是一項全面而系統的工作，需要結合儲層地質油藏條件，從油氣井前期防砂設計、防砂作業及后期生產制度管理等多方面進行全方位的分析。

2)基于對海上出砂油氣井出砂原因的全面深入分析，并結合海上在產油氣井的有效生產制度管理，編制形成了《海上油氣井防砂及出砂治理技術體系》，對海上油氣井出砂防治各環節提出了明確的設計作業要求和技術指導。

3)出砂在線監測能實時準確地獲取海上油氣井的出砂信息，方便及時采取有針對性的預防治理措施，建議開展實時出砂監測技術及設備的研發推廣，實現出砂在線監測產品的工業化應用。篩管沖蝕損壞是海上油氣井常見的防砂失效形式，為了提高現有沖蝕模型的準確性，并有效地推廣應用至其他油氣田，建議開展篩管沖蝕深入的理論研究和全尺寸試驗研究。