雷61儲氣庫人工井壁防砂試驗評價與應用

匡韶華

中國石油遼河油田分公司 鉆采工藝研究院（遼寧 盤錦 124000）

0 引言

雷61儲氣庫是繼雙6儲氣庫建成后，遼河油田在建的第二個儲氣庫，屬于遼河儲氣庫群的重要組成部分。雷61塊構造位于遼河坳陷西部凹陷陳家洼陷北側，高點埋深約為1 192 m，構造幅度約200 m，目的層為S3，屬于淺層邊底水氣藏。儲層巖性以砂礫巖為主，平均孔隙度27%，平均滲透率638.8×10-3μm2，屬高孔高滲儲層。在儲層取心過程中發現巖心膠結松散，經出砂預測分析，該區塊出砂風險大，必須采取防砂措施。

雷61儲氣庫前期已建成的井全部采用篩管防砂完井，但是，雷61-3井射孔完井后，通井遇阻，下入防砂篩管施工風險大。經研究論證，決定采用人工井壁防砂措施。人工井壁防砂技術是指采用壓裂車組將樹脂涂覆砂填充到地層虧空帶和射孔孔眼中，在地層溫度或固化劑作用下，固結成一定強度和滲透性的人工井壁[1-3]，達到防砂目的。該技術在淺層?中層疏松砂巖油氣藏中應用普遍[4-8]，在超深碳酸鹽巖油井進行了嘗試性應用[9-10]，但是，在儲氣庫及高壓氣井中沒有應用先例。

人工井壁防砂技術在儲氣庫中是否具有適應性，需要重點考慮人工井壁的沖蝕強度，但是，目前沒有相關的實驗數據做支撐。為此，本文采用自主研制的試驗裝置，開展了樹脂涂覆砂人造巖心在高壓大排量下的沖蝕試驗，評價了多種樹脂涂覆砂的耐沖蝕性能，為儲氣庫防砂提供了重要技術參考。

1 人工井壁破壞機理

樹脂涂覆砂在地層虧空帶及射孔孔道中形成人工井壁后，與近井地層巖石膠結成一體，其破壞機理可以參照油氣層出砂機理。從力學角度分析，油氣層出砂機理一般歸結為兩種巖石破壞機理：剪切破壞機理和拉伸破壞機理[11-12]。

剪切破壞機理是由于射孔井眼周圍巖石所受周向應力與徑向應力差，超過巖石抗剪強度時，造成巖石剪切破壞，導致地層出砂，主要受生產壓差影響。

拉伸破壞機理是由于流體向井筒中流動時，對射孔井眼周圍巖石產生壓力梯度和流體拖拽力，使巖石受到拉伸應力，當其超過巖石的抗拉強度時，造成巖石拉伸剝離破壞，導致地層出砂，主要受流體流速影響。

2 試驗方案

2.1 總體思路

按照上述人工井壁破壞機理，制定沖蝕試驗總體技術思路：采用樹脂涂覆砂加工成人造巖心，裝入巖心夾持器中，按照由低到高的注氣量對涂覆砂巖心進行沖蝕試驗；根據巖心沖蝕前后的重量變化、強度變化，以及定性觀察，判斷巖心是否發生沖蝕破壞；依據巖心沖蝕破壞時對應的注氣量和過流壓差，評價人工井壁是否滿足儲氣庫注采氣量和生產壓差的要求。

2.2 試驗裝置

試驗裝置由供氣系統、巖心夾持器、環壓泵和數據采集器組成（圖1）。涂覆砂巖心裝入巖心夾持器中，由環壓泵為巖心提供周向應力。為了滿足高壓大排量沖蝕試驗要求，采用注氮車提供穩定高壓氣源，最大注氣量1 200 m3/h，最大注入壓力35 MPa。氣體進入巖心夾持器后，通過涂覆砂巖心中的孔隙，從巖心夾持器出口排出。數據采集器能夠記錄注入氣量和注入壓力。

圖1 人工井壁沖蝕試驗裝置流程示意圖

2.3 巖心樣件

采用遼河油田常用的3種樹脂涂覆砂材料制成標準尺寸的人造巖心，具體參數見表1。這3種樹脂涂覆砂各有優點，其中，1#涂覆砂圓球度好、強度高、滲透率高；2#涂覆砂密度小、懸浮性好，能夠保證良好填充質量；3#涂覆砂成本低。涂敷砂在套管及水泥環孔眼中的沖蝕強度是影響人工井壁防砂效果和有效期的關鍵因素，因此，取試驗用巖心長度為23 mm，約等于套管及水泥環孔眼長度。

表1 涂覆砂巖心基本參數

2.4 參數設計

依據雷61儲氣庫設計運行參數（表2），確定合理的注入氣量是保證人工井壁沖蝕試驗成功的關鍵。考慮地層非均勻產氣，取有效產氣段7 m（10%有效產氣段），折算成單孔產氣量為100.4 m3/h。試驗巖心直徑為25 mm，其過流面積為射孔孔眼過流面積的6.25倍，折算試驗等效氣量應為627.5 m3/h。為測試巖心的極限沖蝕破壞值，取450、650、850 m3/h 3個注入氣量進行試驗。

表2 雷61儲氣庫定向井設計運行參數

3 試驗分析

3.1 巖心滲透性分析

滲透性是反映人工井壁防砂性能的一項重要指標，尤其是在高產油氣井中，人工井壁滲透性的差異會對產量造成較大影響。試驗測得三種涂覆砂巖心在不同注氣量下的過流壓差，如圖2所示。由圖2可以看出，在450 m3/h氣量下，3種巖心的過流壓差基本接近；隨著氣量增大，3種巖心的過流壓差的差異性加大；1#涂覆砂巖心由于采用圓球度非常好的陶粒加工，形成規則、均勻、連通性好的孔隙，其滲透性要好于2#和3#涂覆砂巖心。

圖2 涂覆砂巖心在不同氣量下的過流壓差

一般來說，人工井壁滲透率要遠大于地層滲透率，在常規油氣井中對產量影響很小，所以，選擇涂覆砂時通常不需要重點考慮滲透率指標。但是，本試驗發現，在大排量氣體通過時，不同涂覆砂巖心的流動壓差相差較大，因此，對于高產油氣井需要重點關注涂覆砂的滲透率指標。

3.2 巖心質量變化分析

如果涂覆砂巖心在沖蝕過程中出現破壞，脫落的砂粒會導致巖心質量發生變化。試驗測得3種涂覆砂經不同氣量沖蝕后的巖心質量，見表3。從表3可以看出，1#巖心沖蝕后的質量基本不變；2#巖心沖蝕后的質量略有減小，結合試驗觀察，判斷為試驗操作中對巖心的磕碰，導致質量損失；3#巖心在450 m3/h和650 m3/h氣量下沖蝕，巖心質量基本無變化，但是在850 m3/h氣量下沖蝕后，質量損失較明顯，結合試驗觀察，判斷巖心發生了沖蝕破壞。

表3 涂覆砂巖心沖蝕前后質量變化

3.3 巖心強度變化分析

高強度的氣體沖蝕可能會造成涂覆砂巖心膠結強度的下降，因此，通過巖心沖蝕前后強度的變化，可以反映氣體沖蝕是否對巖心造成了影響。取同種涂覆砂材料，在相同條件下制成兩塊相同巖心，分別測試沖蝕前抗壓強度，以及經過6 h沖蝕后的抗壓強度，見表4。由表4可以看出，考慮到測試誤差以及巖心制作差異，3種涂覆砂巖心沖蝕前后的抗壓強度并無明顯變化，說明大排量氣體沖蝕不會對人工井壁的抗壓強度造成明顯影響。

表4 涂覆砂巖心沖蝕前后抗壓強度變化

按照巖心破壞機理，試驗中，3種涂敷砂巖心承受的過流壓差均未超過巖心的抗剪強度，巖心沒有發生剪切破壞。

3.4 巖心沖蝕破壞定性分析

3種涂覆砂巖心在每次沖蝕試驗后，取出巖心觀察其是否發生破壞。試驗過程中發現，1#巖心和2#巖心經不同氣量沖蝕后，都未出現破碎、裂紋、砂粒脫落等破壞現象。3#巖心在450 m3/h和650 m3/h氣量下沖蝕后，均未發現巖心破壞現象；但是，在850 m3/h氣量下沖蝕后，巖心出口端面產生明顯的凹坑，如圖3所示。經分析判斷，這種凹坑是由于氣體沖蝕導致砂粒剝離脫落而形成的，符合巖石拉伸破壞機理。

圖3 3#涂覆砂巖心沖蝕前后對比

目前，抗壓強度和滲透率是選擇涂敷砂主要關注的2個技術指標。從試驗中可以看出，在同等抗壓強度和滲透率條件下，不同涂敷砂的耐沖蝕性能差異較大。因此，對于高產油氣井有必要進行涂敷砂的沖蝕試驗評價。

3.5 涂覆砂選擇

通過上述試驗分析可知，陶粒涂覆砂和輕質涂覆砂具有很好的耐沖蝕性能，可以滿足雷61儲氣庫防砂要求。陶粒涂覆砂與攜砂液密度相差較大，需以較大的排量和低攜砂比充填，大量液流對井壁沖刷嚴重，易造成地層傷害；輕質涂敷砂與攜砂液密度相差較小，易被攜帶,能在較低排量下以較高的攜帶比充填地層，更易在井壁附近堆積，充填質量好，攜砂液用量少[13]。因此，綜合對比考慮，雷61儲氣庫人工井壁防砂采用輕質涂覆砂。

4 現場應用

雷61-3井采用人工井壁防砂，2020年8月進行防砂施工，2020年10月13日開始投入注采試運行，注氣壓力5.1~5.8 MPa，日注氣量（7.1~9.9）×104m3，日采氣量（15~28）×104m3。為了分析人工井壁對注氣效果的影響，對比了兩口篩管完井的鄰井（雷61-2和雷61-4）注氣效果，如圖4所示。從注氣情況可以得到3點認識：①注氣壓力和日注氣量相對穩定，說明在目前的注氣參數下，人工井壁的強度滿足要求，沒有發生破壞；②相對于篩管完井，在相同注氣壓力下，人工井壁防砂的注氣量偏小，對儲氣庫注氣量有一定的影響；③試采過程中，地面除砂器中未發現返出的地層砂和涂覆砂，說明人工井壁膠結層非常穩定，防砂效果好。人工井壁防砂采用涂覆砂填充射孔孔道，減小了射孔孔道的流通面積，對注采氣量勢必造成一定的影響。但是，由于人工井壁防砂對儲層巖石起到支撐作用，阻止了地層砂運移，長期看，人工井壁的滲透性保持相對穩定，注采氣量也會保持穩定。而根據篩管防砂的普遍經驗，生產初期，篩管防砂對產量影響較小，但是，生產中后期，由于地層砂運移，會造成篩管堵塞，導致產量下降。因此，人工井壁防砂與篩管防砂在儲氣庫中的應用效果，仍需對現場生產進行更長時間的跟蹤評價。

圖4 雷61-3井與鄰井注氣效果對比

5 結論與建議

1）對3種涂敷砂按照由低到高的氣量進行沖蝕試驗，最高氣量850 m3/h，最高壓力7.25 MPa，遠超雷61儲氣庫設計的注采氣量和生產壓差。試驗表明：1#涂敷砂和2#涂敷砂沖蝕后的質量和抗壓強度無明顯變化，巖心未出現破壞現象，滿足雷61儲氣庫注采強度要求；3#涂敷砂出現砂粒剝離脫落現象，不適合高氣量井防砂。

2）在儲氣庫中進行人工井壁防砂探索應用，在高強度注氣條件下，人工井壁保持穩定。此次應用，為淺層儲氣庫防砂提供了一種可行的技術對策，也為類似高壓油氣井防砂提供了借鑒作用。

3）防砂有效期是儲氣庫防砂重點考慮的因素之一。由于樹脂的自然老化，以及高速氣流的沖蝕磨損，會導致人工井壁的膠結強度隨時間下降，影響人工井壁防砂有效期。建議將涂敷砂老化實驗與沖蝕試驗結合起來，預測防砂有效期，更好地指導儲氣庫防砂。