李源平，潘益民 (中石油大慶油田分公司第八采油廠，黑龍江 大慶 163514)

高含水期疏松砂巖油藏治砂研究

李源平，潘益民 (中石油大慶油田分公司第八采油廠，黑龍江 大慶 163514)

高含水期砂巖油藏治砂研究包括出砂預(yù)測(cè)和防砂技術(shù)研究。通過(guò)分析油井出砂和防砂存在的問(wèn)題，從油藏出砂機(jī)理、出砂預(yù)測(cè)方法和防砂技術(shù)3個(gè)方面闡述疏松砂巖油藏治砂研究現(xiàn)狀和應(yīng)用水平，指出預(yù)測(cè)方法和防砂技術(shù)的不足之處。

高含水期；治砂；出砂機(jī)理；出砂預(yù)測(cè)；防砂技術(shù)

隨著油藏進(jìn)入高含水期開(kāi)發(fā)階段，為滿(mǎn)足油田開(kāi)發(fā)降本增效的需要，油井單井采液量增加，出砂不可避免成為疏松砂巖油藏開(kāi)采過(guò)程中所遇到的主要問(wèn)題之一，實(shí)踐也證明疏松砂巖油藏在高含水期幾乎每口油井都會(huì)出砂，含砂量是油藏開(kāi)發(fā)初期的近10倍左右[1]。出砂加劇桿管泵磨損，導(dǎo)致泵漏、管漏、砂卡、砂埋油層等，免修期降低，維護(hù)成本居高不下，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致地層坍塌，套管損壞，油井報(bào)廢，給油田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)措施帶來(lái)了極大困難。筆者通過(guò)對(duì)大慶、勝利、克拉馬依、遼河、冀東等油田油井出砂分析，認(rèn)為疏松砂巖油藏在高含水開(kāi)發(fā)時(shí)期，油井治砂從油層到井筒，然后到地面技術(shù)的措施制定和成本管理等一系列工作中，存在以下問(wèn)題：出砂導(dǎo)致油藏儲(chǔ)層空間破壞，加劇地層虧空；出砂動(dòng)態(tài)變化使得傳統(tǒng)防砂工藝適應(yīng)性變差，報(bào)廢井增多；開(kāi)發(fā)調(diào)整措施加劇油層出砂，治砂工作與油田開(kāi)發(fā)成本不協(xié)調(diào)。因此如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出砂，運(yùn)用配套工藝技術(shù)進(jìn)行防砂已成為治砂問(wèn)題的難點(diǎn)。

1 出砂機(jī)理

范興沃等[2]在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析、總結(jié)，將出砂機(jī)理分成為5類(lèi)：①根據(jù)地層特點(diǎn)分析出砂；②根據(jù)剪切應(yīng)力和張應(yīng)力的作用分析出砂；③根據(jù)砂拱穩(wěn)定機(jī)理分析出砂；④根據(jù)砂粒從骨架脫附情況分析出砂；⑤根據(jù)出水后巖石性能的變化分析出砂。

由此看來(lái)油藏出砂是多種因素作用的結(jié)果，但其中最重要的2個(gè)因素是地層壓力和多相流體的滲流作用，當(dāng)然在高含水期，出砂機(jī)理也與這2個(gè)因素有著最密切的關(guān)系，但筆者認(rèn)為流體滲流作用與微粒運(yùn)移顯得更重要。因?yàn)橛途a(chǎn)見(jiàn)水后，泥質(zhì)膠結(jié)物逐漸膨脹疏松，膠結(jié)強(qiáng)度下降后形成出砂微粒，到高含水期，近井地帶已經(jīng)經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈的沖刷，此時(shí)微粒的運(yùn)移依賴(lài)于儲(chǔ)層溫度、流體組成、流體pH值等因素。在排除地層巖石顆粒分布、孔隙大小分布、巖石的成分及膠結(jié)類(lèi)型等引起油層出砂的內(nèi)在因素外，微粒運(yùn)移就受控于流體滲流作用，加之油井在生產(chǎn)壓差和建立壓差的方式、采液強(qiáng)度等因素的共同作用下，使得流體滲流作用更為復(fù)雜化，這便成為高含水期油藏出砂的直接原因。

2 出砂預(yù)測(cè)方法

目前各個(gè)油田預(yù)測(cè)出砂的主要方法有現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)公式和圖表法[3-5]、模擬模型法。

2.1現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)法

油藏開(kāi)發(fā)后期高含水，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)出砂的資料有巖心、綜合測(cè)井曲線(xiàn)、鄰井狀態(tài)、作業(yè)探砂情況和其它一些測(cè)試資料。巖心主要是開(kāi)發(fā)初期探井取心和后期調(diào)整井取心，現(xiàn)場(chǎng)可以直接進(jìn)行巖心判斷和巖石膠結(jié)物分析。如果巖心出現(xiàn)一觸即碎，或用指甲就能在巖心上刻痕，或巖心遇水浸泡后很快松散，或取出的巖心停放一段時(shí)間后自行破裂等現(xiàn)象，就能直接判斷油井出砂可能性很大。巖心疏松與膠結(jié)物種類(lèi)、數(shù)量和膠結(jié)類(lèi)型有關(guān)，砂巖膠結(jié)物主要有粘土、碳酸鹽、硅質(zhì)和鐵質(zhì)等，以硅質(zhì)和鐵質(zhì)的膠結(jié)強(qiáng)度最大，碳酸鹽次之，粘土最差。對(duì)于同一類(lèi)型的膠結(jié)物，其數(shù)量越多，膠結(jié)強(qiáng)度越大，越不容易出砂，反之亦然。綜合測(cè)井曲線(xiàn)中常用聲波時(shí)差曲線(xiàn)，聲波時(shí)差同巖石的孔隙度有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，較小的聲波時(shí)差，代表低孔隙度、堅(jiān)硬、高密度巖石；較大的聲波時(shí)差值，代表高孔隙度、松軟、低密度巖石?，F(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)聲波時(shí)差大于295μs/m時(shí)，就需要考慮油層是否有出砂的可能性。另外，同一油藏中的DST測(cè)試，作業(yè)過(guò)程中探砂面情況，同一口井在不同時(shí)期進(jìn)行試井測(cè)試，鄰井出砂分析都能預(yù)測(cè)出砂可能性和出砂程度。

2.2經(jīng)驗(yàn)公式和圖表法

1)經(jīng)驗(yàn)公式法 常用經(jīng)驗(yàn)公式有出砂指數(shù)和斯侖貝謝比。出砂指數(shù)定義為：

式中，B為出砂指數(shù)，104kg/(m·s2)；k為體積模量，104kg/(m·s2)；μ為切變模量，104kg/(m·s2)；ρ為巖石密度，kg/m3；Δtp為縱波時(shí)差，μs/m。當(dāng)出砂指數(shù)采用英制單位時(shí)，Bgt;3為不出砂；Blt;2為出砂；2≤B≤3為少量出砂。出砂指數(shù)法理論上未考慮射孔及產(chǎn)液對(duì)巖石顆粒拖曳力的影響，臨界值是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)算出的，也是多種因素影響的結(jié)果。

斯侖貝謝比定義為：

式中，Vc、Vs分別為縱波、橫波速度，m/s；R為斯倫貝謝比，kg2/(m2·s4)。當(dāng)R大時(shí)，表示巖石強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好，不易出砂；反之則易出砂。R同B一樣，均由巖石力學(xué)參數(shù)定義，可根據(jù)測(cè)井資料計(jì)算。R比B能更好地估計(jì)巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，因?yàn)镽大時(shí)，意味著K、u均大；而B(niǎo)大時(shí)，可能k、μ中只有一個(gè)較大。用斯倫貝謝比判斷出砂雖然較出砂指數(shù)法準(zhǔn)確，但公式計(jì)算中涉及到的橫波運(yùn)算相對(duì)麻煩，以前常采用此方法預(yù)測(cè)出砂，現(xiàn)在運(yùn)用不多。

2)圖表法 圖表法是用圖表來(lái)挖掘各個(gè)參數(shù)之間存在的關(guān)系，包括雙參數(shù)和多參數(shù)法。雙參數(shù)是指以聲波時(shí)差為橫軸，生產(chǎn)壓差為縱軸，把數(shù)口井的時(shí)差、生產(chǎn)壓差數(shù)據(jù)點(diǎn)繪在坐標(biāo)圖上，則出砂井?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)形成一個(gè)出砂區(qū)，然后把預(yù)測(cè)井的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪在同一坐標(biāo)圖上，若落點(diǎn)在出砂區(qū)則該井出砂，否則不出砂。多參數(shù)法是指建立一個(gè)出砂井與深度、開(kāi)采速度、生產(chǎn)壓差、采油指數(shù)、泥質(zhì)含量、含水率等的判別函數(shù)，用該函數(shù)判別油井是否出砂。多參數(shù)法因所需要數(shù)據(jù)太多，不常用。

2.3模擬模型法

1)實(shí)驗(yàn)室模擬模型法 模型模擬實(shí)質(zhì)就是實(shí)驗(yàn)室模擬研究和數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)，目前有關(guān)出砂的模型建立很多，包括建模的理論基礎(chǔ)，模型樣式，各個(gè)研究者針對(duì)不同研究對(duì)象有不同的建模方向，筆者將模擬模型法分為實(shí)驗(yàn)室模擬模型法和數(shù)值模擬模型法，后者實(shí)際上是前者的特殊情況。實(shí)驗(yàn)室模擬可以模擬出砂環(huán)境下的出砂行為來(lái)認(rèn)識(shí)出砂機(jī)理和各種生產(chǎn)工藝及參數(shù)對(duì)出砂的影響，然后根據(jù)模擬結(jié)果與礦場(chǎng)生產(chǎn)情況相結(jié)合進(jìn)行出砂預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)室模擬模型包括巖心實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、三軸試驗(yàn)及破壞模型、裸眼井預(yù)測(cè)模型、射孔完井預(yù)測(cè)模型、連續(xù)出砂預(yù)測(cè)模型等，還可以根據(jù)模擬規(guī)模分為大型模擬模型和小型模擬模型。無(wú)論采用什么模型，本質(zhì)上都是考慮到油藏儲(chǔ)層空間和井況2個(gè)大方面的因素，然后再細(xì)分到油藏孔滲性、流體高壓物性和井況中鉆井、完井和動(dòng)態(tài)開(kāi)發(fā)條件造成出砂的因素分別進(jìn)行討論，然后再根據(jù)各自影響因素的程度，建立實(shí)驗(yàn)室的參考模型和判別標(biāo)準(zhǔn)。

2)數(shù)值模擬模型法 數(shù)值模擬就是數(shù)據(jù)挖掘，能夠從大量的、不完全的，模糊的和隨機(jī)的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)中，提取隱含在其中、事先不知道的、但又是潛在有用信息和知識(shí)的過(guò)程。出砂數(shù)值模擬模型通過(guò)從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱含的、有意義的知識(shí)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)趨勢(shì)，做出前攝性的、基于知識(shí)的決策。數(shù)值計(jì)算運(yùn)用了有限元、數(shù)值分析、概率統(tǒng)計(jì)和回歸分析、模糊數(shù)學(xué)理論等數(shù)學(xué)方法，結(jié)合彈性力學(xué)、滲流力學(xué)等學(xué)科，以及利用實(shí)驗(yàn)室?guī)r石特性測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)井解釋等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多大型數(shù)值計(jì)算為數(shù)值模擬提供了方便，在高含水開(kāi)發(fā)期，油藏出砂受到的影響因素增多，情況變的更為復(fù)雜，為進(jìn)一步研究出砂機(jī)理及其影響因素來(lái)更好的預(yù)測(cè)出砂，需要更高精度的數(shù)值方法，數(shù)值模擬模型法的優(yōu)越性就顯現(xiàn)出來(lái)了。如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是一種預(yù)測(cè)出砂潛力的新方法，應(yīng)用中也展示了較高的精確性，該方法就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)完成數(shù)值處理的一種模擬方法，然后將模擬結(jié)果用于實(shí)踐證明。

3 防砂技術(shù)

高含水期疏松砂巖油藏如何防砂，需要針對(duì)不同油井出砂類(lèi)型進(jìn)行了分類(lèi)治理，隨著油藏開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)變化，防砂技術(shù)也在不斷完善，配套工藝也在不斷改進(jìn)，并從單一的防砂技術(shù)向綜合防砂技術(shù)發(fā)展。目前各油田形成了機(jī)械防砂、化學(xué)防砂和復(fù)合防砂3大主導(dǎo)技術(shù)。

3.1機(jī)械防砂

機(jī)械防砂是通過(guò)向井筒內(nèi)下器具的方式達(dá)到防砂目的，可以分為2類(lèi)：

1)向井下放置機(jī)械管柱的方法 如繞絲篩管、割縫襯管、各種濾砂管等，這種方法簡(jiǎn)單易行，施工成本低，缺點(diǎn)是防砂管容易被地層砂堵塞，只能阻止地層砂產(chǎn)出到地面而不能阻止地層砂進(jìn)入井筒，且有效期短。該技術(shù)適用于泥質(zhì)含量較低、砂粒粒徑分選好、油砂中值大于0.1mm的中、粗砂巖、原油粘度小、供液能力強(qiáng)的地層，而且油井要生產(chǎn)井段小、采液指數(shù)較高。

2)管柱礫石充填 這種方法施工復(fù)雜，成本較高，但擋砂效果好，有效期長(zhǎng)，成功率高，可用于細(xì)、中、粗砂巖地層，垂直井、定向井等復(fù)雜條件的油井，缺點(diǎn)是易形成砂堵，增加了油流入井筒的阻力，近井地帶污染嚴(yán)重，防砂后油井產(chǎn)能下降。目前雖然油氣井防砂作業(yè)中有80%以上屬于機(jī)械防砂，但是各種機(jī)械防砂技術(shù)都有其自身的特點(diǎn)和適應(yīng)性，而且大都難以勝任高含水期出砂嚴(yán)重或多次防砂作業(yè)任務(wù)，相應(yīng)的防砂作業(yè)費(fèi)用也越來(lái)越高。為此只有研發(fā)適應(yīng)性更強(qiáng)的機(jī)械防砂技術(shù)，例如雙層預(yù)填充篩管和可膨脹防砂管防砂就是典型例證，它綜合利用了礫石充填防砂和濾砂管防砂兩者的優(yōu)點(diǎn)[6]。

3.2化學(xué)防砂

化學(xué)防砂是向油層注入化學(xué)藥劑或者化學(xué)劑與砂、漿的混合物，使油層中砂?；虺涮畹降貙拥纳笆z結(jié)起來(lái)，穩(wěn)定地層結(jié)構(gòu)，形成具有一定強(qiáng)度和滲透率的人工井壁，以防止砂粒進(jìn)入井筒的一項(xiàng)技術(shù)，可以分為人工井壁和人工膠結(jié)地層2種方法：人工井壁是將樹(shù)脂砂漿液、預(yù)涂層礫石、水帶干灰砂、水泥砂漿、乳化水泥等擠入井筒周?chē)貙又?，固結(jié)后形成具有一定強(qiáng)度和滲透性的人工井壁；人工膠結(jié)地層是向地層注入樹(shù)脂或其他化學(xué)固砂劑，直接將地層固結(jié)?；瘜W(xué)防砂技術(shù)從油井出砂的主要原因著手，達(dá)到了標(biāo)本兼職的目的，工藝簡(jiǎn)單，井中不留器具，后續(xù)作業(yè)無(wú)須打撈等，有利于多層完井和層系調(diào)整，還適合細(xì)粉砂巖油層防砂等。其不足之處在于固結(jié)強(qiáng)度不夠高，防砂劑層的滲透性變差，后處理麻煩，有效期相對(duì)比較短等。隨著油藏進(jìn)入高含水期開(kāi)發(fā)，水對(duì)出砂的影響增大，而大多化學(xué)防砂劑耐水性差，在水相中固結(jié)強(qiáng)度低，因此需要找到更多的在油水介質(zhì)中能固化且固結(jié)強(qiáng)度更高的防砂劑，以滿(mǎn)足高含水油井強(qiáng)采、強(qiáng)提液的需要。例如為適應(yīng)高含水期和不同油層溫度范圍開(kāi)采而研發(fā)的干水泥砂、酚醛樹(shù)脂涂敷砂、脲醛樹(shù)脂溶液、低溫涂敷砂、輕質(zhì)涂敷砂、防砂堵水復(fù)合材料就是很好的化學(xué)防砂工藝[7]。

3.3復(fù)合防砂

復(fù)合防砂是將機(jī)械防砂和化學(xué)防砂結(jié)合起來(lái)以控制地層出砂的一種防砂技術(shù)，它綜合運(yùn)用了化學(xué)與機(jī)械防砂的固砂、擋砂原理，防砂效果好，有效期長(zhǎng)。作為現(xiàn)代防砂工藝技術(shù)，復(fù)合防砂不再單指機(jī)械防砂與化學(xué)防砂的組合，隨著工藝技術(shù)的完善，機(jī)械防砂或化學(xué)防砂內(nèi)部之間的組合也屬于復(fù)合防砂。如纖維復(fù)合防砂技術(shù)就是一項(xiàng)既能“穩(wěn)砂”又能“擋砂”的新技術(shù)，無(wú)須下入篩管，不會(huì)對(duì)滲透率造成傷害，這種技術(shù)采用了2種特種纖維，一種用來(lái)穩(wěn)砂，將細(xì)粉砂聚集成較大的細(xì)粉砂結(jié)合體，另一種用來(lái)?yè)跎?，擋住?xì)粉砂結(jié)合體進(jìn)入井筒，特別適用于高含水期細(xì)粉砂油層防砂[8]。

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.03.022

TE358

A

1673-1409(2012)03-N065-03

2011-10-27

李源平(1985-)，女， 2007年大學(xué)畢業(yè)，助理工程師，現(xiàn)主要從事油氣田開(kāi)發(fā)方面的研究工作。