西非K斷塊地層出砂機理分析及出砂預測方法研究

樂濤濤

摘? 要：地層出砂是油田開發過程中經常會遇到的問題，對油井正常生產甚至地面管線會造成嚴重的危害。文章將從微觀和宏觀方面，將地層出砂分為游離砂析出、弱膠結砂巖層出砂、砂巖骨架破碎出砂三種類型，開展了剪切破壞和拉伸破壞等力學分析，并分地質和開發兩個方面共9個主要影響因素進行分析。建立了一種新的以定性分析和定量預測相結合的出砂預測方法，該方法可操作性強，對油井完井和采取防砂措施具有重要意義。運用該方法對西非新發現的K斷塊K-1井進行了地層出砂分析和預測，該井3個油層嚴重出砂、1個油層輕微出砂，在生產中應該采取適當的防砂措施。

關鍵詞：地層出砂機理;定性分析;定量預測;防砂措施

中圖分類號：P618.13 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）22-0126-03

Abstract： Sand production is a common problem in the process of oilfield development， which will cause serious harm to the normal production of oil wells and even the surface pipelines. In this paper， from the micro and macro aspects， the formation sand production is divided into three types： free sand precipitation， sand production of weakly cemented sandstone and sand production by broken skeleton. The mechanical analysis of shear failure and tensile failure is carried out， and it is divided into nine main factors analysis of geology and development. A new method of sand production prediction based on the combination of qualitative analysis and quantitative prediction is established. The method has strong operability and is of great significance for well completion and sand control measures. This method is used to analyze and predict the formation sand production of well K-1 of a newly discovered K fault block in West Africa. Three oil layers in this well are seriously sand production and one oil layer is slightly sand production， so appropriate sand control measures should be taken in production.

Keywords： formation sand production mechanism; qualitative analysis; quantitative prediction; sand control measures

地層出砂是油田開發過程中經常會遇到的問題，對油井正常生產甚至地面管線會造成嚴重的危害。地層出砂會造成電泵砂卡、磨蝕等，檢泵周期縮短，增加作業成本;出砂會砂埋油層，造成產量降低甚至停產，沖砂作業增加作業成本;嚴重出砂會引起井壁坍塌，破壞地層原始滲透率，損壞套管;出砂會磨蝕井口設備和地面管線，并在處理罐中沉積，增大維護工作量，加大地面處理系統負擔。對于疏松砂巖油藏，由于地質沉積、巖石力學、開發開采等因素，都會不同程度地影響出砂類型、出砂規律，分析地層的出砂機理、有針對性的開展出砂預測，對于提前采取防砂措施、保證油井正常，具有十分重要的意義[1]。

西非K斷塊為新發現斷塊，目前僅鉆有少量探井、評價井，暫無井投產。該斷塊以構造油藏類型為主，油藏埋藏較淺，主力油層埋深1200～1400m，總體沉積環境為三角洲前緣沉積，油層以中孔中滲儲層為主。通過對地層出砂機理分析，及能夠較容易獲取的鉆井取心、測井解釋、試油等資料的綜合分析，進行地層出砂預測研究，找到一套預測可靠、在實際生產中可操作性強的地層出砂預測方法，以便采取適當的防砂措施，在油田開發中具有重要意義。

1 出砂機理分析

1.1 出砂類型

從地層出砂的微觀方面分析，是砂粒由于受到流體流動的沖刷而從巖石骨架上剝落、運移，地層出砂分為以下三種類型。游離砂析出：未膠結的砂粒，隨油氣流帶出巖石進入井筒，加強排液，不必采取防砂措施。游離砂有利于疏通孔隙吼道，提高產能。弱膠結砂巖層出砂：巖石較疏松，當流體拖曳力超過聯結強度時，形成出砂。隨流體流量增加而增大，隨采液時間延長而加劇[2]。砂巖骨架破碎出砂：膠結強度較高的砂巖層，生產初期無出砂，中后期出砂，一般為骨架砂。

1.2 地層出砂的力學分析

從地層出砂的宏觀方面分析[3]，是由于地層巖石力學特征發生區域性破壞而引起出砂，主要分為以下兩個方面。剪切破壞：巖石所受的應力超過了巖石抗剪切應力，使地層造成剪切破壞，剪切出砂。拉伸破壞：地層流體在產出過程中對地層顆粒的拖曳力大于巖石的抗拉伸強度時造成巖石拉伸破壞，脫落的砂粒形成出砂。剪切破壞可能造成災難性的出砂后果，拉升破壞具有“自穩定”效應。

1.3 地層出砂影響因素

1.3.1 地質因素

地質因素主要是地層性質決定的[4]，是地層出砂與否的先天因素，主要包括：應力狀態：油層鉆開后，井壁巖石的原始應力平衡狀態遭到破壞，引起巖石變形和破壞，開采過程中引起地層出砂。巖石強度：巖石中膠結物種類、含量、膠結方式、成巖作用和壓實作用有關。埋藏淺、壓實作用弱的油層易出砂。膠結程度和巖石強度是造成地層出砂的重要因素。沉積微相：儲層沉積微相帶對油層出砂具有一定控制作用。河口壩下部、水下分流間、遠端沉積等多為細、粉砂巖，泥質含量較高，注水后油層容易出砂。地層非均質性：儲層非均質性是宏觀上的沉積微相和微觀上的巖石結構、物性等因素的綜合反映，油層出砂的各種地質因素最終都表現在儲層非均質性上。

1.3.2 開發因素

開發因素是在油田開發、油井生產過程中各種因素造成地層出砂，是地層出砂的外部因素，主要包括：地層壓降：油藏壓力下降到某一極限值時，巖石發生塑性形變，破壞巖石骨架，可造成嚴重出砂。生產壓差：生產壓差越大，滲流速度越高，當流速大于臨界流速時，地層會加劇出砂。地層流體粘度：地層流體粘度越大，對巖石的拖曳力和摩擦力就越大，地層出砂的可能性就越大。水侵或注水：水能溶解或軟化沙粒之間的部分膠結物，使地層膠結強度下降。油井工作制度的改變：工作制度急劇變化、開關井操作不平穩，使弱膠結地層承受過大的應力，也容易引起出砂[5]。

2 斷塊出砂預測

2.1 技術思路

目前已經有很多研究者都對地層出砂原因及預測方法開展了研究[6]，但進行定量、準確的地層出砂預測具有一定難度。已開發油田可根據油田開發的出砂數據進行分析、預測;而新發現斷塊則沒有生產井可以借鑒出砂，地層出砂預測難度較大。本文試圖從眾多出砂原因分析中找出最關鍵的影響因素，針對新發現的斷塊地層出砂預測，利用測井、巖心、試油等作業中較方便獲取的數據，建立一套地層出砂預測的定性分析和定量預測新方法，在實際應用中預測地層出砂可靠、可操作性強，能夠在實際生產中進行廣泛的應用和推廣。本文預測地層出砂的主要技術思路如圖1所示，針對新發現、未投產的油藏，利用測井、試油、巖心分析等資料，對儲層巖石相、巖石強度、儲層物性等進行綜合評價，開展地層出砂定性預測和地層出砂定量分析，對潛在的出砂層位及出砂程度進行預測，為確定合理的完井方式及防砂措施提供參考。

2.2 地層出砂預測方法

2.2.1 地層出砂定性分析

（1）巖心觀察。對取心巖心進行觀察是預測出砂最直觀的一種方法[7]。用眼睛觀察、用手觸摸巖心，若巖心的膠結狀態較差、巖石強度較弱，則在生產過程中容易出砂。由于受取心成本及工作量限制，一般情況下只有部分斷塊會取巖心。但可以通過對巖心的觀察分析，與其他出砂預測方法互相補充、互相印證，能大大提高預測方法的可靠性和準確性。（2）沉積微相。儲層沉積微相對油層出砂具有一定控制作用。河口壩下部、水下分流間、遠端沉積等多為細、粉砂巖，泥質含量較高，注水后油層容易出砂。（3）試油試井。參考該斷塊或其它斷塊試油試井、生產的出砂情況。

2.2.2 地層出砂定量預測

本文通過分析，認為地層膠結程度弱、地層強度差是地層出砂的根本原因，是影響地層出砂最重要的因素，而通過生產測井獲取的孔隙度、聲波時差、巖石密度等數據可以相對比較直觀、準確的反應地層，因此采用孔隙度法、聲波時差法、組合模量法進行地層出砂定量預測。根據地層出砂對生產的影響，將地層出砂分為三個級別。嚴重出砂：地層出砂量較大，嚴重影響油井的正常生產，必須采取防砂措施;輕微出砂：地層出砂量較小，對油井生產影響較小，可根據實際情況采取簡易防砂或不防砂;不出砂：地層不出砂或極少量出砂，對生產的影響忽略不計，不必采取防砂措施。

（1）孔隙度法。一般認為，地層的孔隙結構與地層的膠結強度有關，若地層孔隙度大于28%，地層出砂較為嚴重;孔隙度介于20%～28%之間，地層輕微出砂;孔隙度小于20%，地層不出砂。（2）聲波時差法。采用聲波在地層中的傳播時差（？駐tc）進行出砂預測。研究表明，當？駐tc≥390？滋s/m時，地層將會嚴重出砂;當？駐tc介于310～390之間，地層會輕微出砂;當？駐tc<310，地層不出砂。（3）組合模量法。除了應用測井解釋的聲波時差預測出砂，再引入第三個參數——地層巖石體積密度。組合模量法預測出砂需根據聲速及密度測井資料，用下式（1）計算巖石的彈性組合模量Ec。

式中：Ec-巖石組合模量，MPa;？籽r-地層巖石體積密度，

g/cc;tc-縱波聲波時差，？滋s/m。

通過對大量地層出砂分析研究和計算，組合模量法對出砂預測較可靠，預測方法如下：當Ec≥2.0×104MPa時，正常生產時地層不出砂;當Ec介于（1.5～2.0）×104MPa時，正常生產時地層輕微出砂;當Ec≤1.5×104MPa，正常生產時地層嚴重出砂[8]。

3 西非K斷塊出砂預測結果

西非K斷塊為該區域新發現斷塊，目前僅有一口井K-1井，通過該井已有的測井、試油和井壁取心數據進行出砂預測（表1）。儲層以含礫中砂巖、中砂巖為主，孔隙膠結為主，膠結中等-差，地層本身膠結弱、成巖差，生產過程中易出砂（圖2）;沉積微相以河口壩、遠砂壩為主，注水開發過程中可能出砂;4號油層試油出砂，含砂0.1%-0.5%，投產后可能出砂。通過對孔隙度、聲波時差、組合模量方法預測的綜合判斷，認為3號油層生產會輕微出砂，1、2、4號油層生產過程中會嚴重出砂，生產過程中需采取必要的防砂措施，以保證油井的正常生產。

4 結束語

（1）對出砂類型、出砂力學因素、影響出砂地質和開發因素進行了分析，認為膠結程度和巖石強度是造成地層出砂的重要因素。（2）利用測井、試油、巖心資料，對新發現斷塊，提出了一種以出砂定性分析和出砂定量預測相結合的出砂預測新方法，該方法具有較強的操作性和準確性。（3）通過對西非K斷塊進行出砂定性分析和定量預測，該斷塊3個油層嚴重出砂、1個油層輕微出砂，生產過程中需采取必要的防砂措施。

參考文獻：

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