董長(zhǎng)銀 陳琛 周博 隋義勇 王興 王金忠

1. 非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院；3. 中國(guó)石油冀東油田分公司鉆采工藝研究院

地下儲(chǔ)氣庫(kù)集天然氣戰(zhàn)略儲(chǔ)備、應(yīng)急供氣和季節(jié)調(diào)峰等功能于一體，對(duì)于天然氣能源安全保障具有重要意義［1］。儲(chǔ)氣庫(kù)類型主要有含水層、枯竭油氣藏、鹽穴和廢棄礦坑等4種。其中，枯竭油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)在世界及我國(guó)儲(chǔ)氣庫(kù)中占主要形式，工作氣量占比超過80%［2］?！笆奈濉逼陂g在“雙碳”目標(biāo)背景下，我國(guó)將迎來儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)的蓬勃發(fā)展期。截至2020年，我國(guó)已建成地下儲(chǔ)氣庫(kù)有29座，以枯竭砂巖油氣藏為主，普遍具有構(gòu)造破碎、埋藏深、儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)、開發(fā)中后期地層水侵等特點(diǎn)［3-4］。由于生產(chǎn)需求和井?dāng)?shù)限制，儲(chǔ)氣庫(kù)氣井的注采氣速度和強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)氣藏氣井，可達(dá)到后者的數(shù)倍甚至數(shù)十倍［5］；在長(zhǎng)周期交變注采工況下，儲(chǔ)氣庫(kù)砂巖儲(chǔ)層的出砂風(fēng)險(xiǎn)大大加劇，造成一系列危害和問題，并對(duì)出砂防控帶來新的挑戰(zhàn)。因此，對(duì)于以砂巖為主的枯竭油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)，高效長(zhǎng)期的出砂防控對(duì)保障儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)期安全運(yùn)行具有重要意義。由于油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)周期高強(qiáng)度注采生產(chǎn)特征引發(fā)的系列交變條件，其出砂機(jī)理與出砂預(yù)測(cè)相對(duì)更加復(fù)雜，也對(duì)高效長(zhǎng)期出砂防控帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。筆者系統(tǒng)分析油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)工況特征及其對(duì)儲(chǔ)層巖石物性的演變影響機(jī)制，分析誘發(fā)出砂加劇機(jī)理及主控因素，并總結(jié)目前出砂模擬與預(yù)測(cè)方法進(jìn)展。分析總結(jié)國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)氣庫(kù)防砂技術(shù)現(xiàn)狀以及亟待解決的工程難題和科學(xué)問題，簡(jiǎn)要展望未來發(fā)展趨勢(shì)，為未來儲(chǔ)氣庫(kù)大規(guī)模建設(shè)中的防砂完井方案提供參考借鑒。

1 油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)出砂機(jī)理及出砂預(yù)測(cè)現(xiàn)狀

1.1 儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)特點(diǎn)及工況分析

油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)通過常規(guī)油氣藏開采使用的單井實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期的同井注氣和采氣循環(huán)交替，注氣量和產(chǎn)氣量較高［1,5］。儲(chǔ)氣庫(kù)氣井與常規(guī)氣井的生產(chǎn)條件差異對(duì)比見表1。

表1 儲(chǔ)氣庫(kù)氣井與常規(guī)氣井對(duì)比Table 1 Comparison between gas storage wells andconventional gas wells

根據(jù)表1可知，儲(chǔ)氣庫(kù)氣井生產(chǎn)基本特點(diǎn)主要有：(1) 1年內(nèi)完成工作氣量的1次注入與采出，長(zhǎng)周期交替注采循環(huán)；(2) 注采氣量是常規(guī)油氣藏日采氣量數(shù)倍、數(shù)十倍甚至更高，注采氣量大、強(qiáng)度高；(3)儲(chǔ)氣庫(kù)注氣過程增壓，采氣過程降壓，在1個(gè)注采周期內(nèi)壓力波動(dòng)區(qū)間高達(dá)10～20 MPa，甚至更高［6］。上述長(zhǎng)周期高流速交替注采的生產(chǎn)特點(diǎn)，決定了儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)與開發(fā)的特殊性和復(fù)雜性，并引發(fā)儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層在注采周期內(nèi)地應(yīng)力、流體流動(dòng)和氣水界面運(yùn)移的復(fù)雜交替變化，以及固體顆粒的復(fù)雜剝落和運(yùn)移，如圖1所示。

由圖1可知，儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)周期高流速注采交替生產(chǎn)引發(fā)的儲(chǔ)層復(fù)雜交替行為可概括為“3個(gè)交變”：(1) 儲(chǔ)層壓力和應(yīng)力大幅度交替變化。儲(chǔ)氣庫(kù)注氣過程中，儲(chǔ)層孔隙壓力逐步增加；在上覆巖層應(yīng)力不變的情況下，儲(chǔ)層巖石骨架應(yīng)力逐漸降低(圖1a)；而在采氣過程中，則孔隙壓力逐漸降低，儲(chǔ)層巖石骨架應(yīng)力重新加載到峰值(圖1b)。多輪次的交替變化對(duì)儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度和出砂行為造成影響。(2) 流體流動(dòng)方向交替變化。注氣時(shí)天然氣向儲(chǔ)層深部流動(dòng)，產(chǎn)氣時(shí)為向井流動(dòng)。流動(dòng)方向改變會(huì)直接加劇砂粒的剝落和運(yùn)移，特別對(duì)防砂介質(zhì)穩(wěn)定性帶來不利影響，注氣時(shí)趨向于將礫石(礫石充填防砂)和地層砂粒推向地層方向(圖1a)，采氣時(shí)又將砂粒攜帶到井底(圖1b)，為穩(wěn)定控砂帶來困難。(3) 氣水界面位置交替升降及由此引發(fā)的巖石飽水?失水交替變化。對(duì)于含水型儲(chǔ)氣庫(kù)和有邊底水的油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)，注氣過程中上部氣體壓縮氣水界面下降(底水)或外移(邊水)，采氣過程中氣水界面恢復(fù)。這個(gè)過程會(huì)引發(fā)儲(chǔ)層巖石被地層水的交替浸泡，從而引起砂巖巖石物性和強(qiáng)度的復(fù)雜演化［7-9］，進(jìn)而影響出砂。

圖1 礫石充填防砂儲(chǔ)氣庫(kù)氣井注采期間的復(fù)雜交替行為Fig. 1 Complex alternation during injection-production period for gas wells in gravel-packed sand control gas storage

1.2 儲(chǔ)氣庫(kù)氣井出砂過程和機(jī)理分析

1.2.1 常規(guī)油氣藏的出砂機(jī)理

生產(chǎn)過程中的砂粒產(chǎn)出是不同類型的易出砂油氣藏儲(chǔ)層的共性問題，涉及中高滲砂巖［7-10］、碳酸鹽巖［11-12］、天然氣水合物［13-15］、煤層氣［16-17］等儲(chǔ)層。其中，對(duì)于中高滲疏松砂巖儲(chǔ)層，大量研究者將砂體視為彈性介質(zhì)或彈-塑性介質(zhì)，提出拉伸破壞、壓縮破壞和剪切破壞等機(jī)理［18-21］，認(rèn)為砂巖介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的上述3種屈服破壞是出砂的主要原因，并考慮流體拖曳力對(duì)顆粒剝落的促進(jìn)作用以及孔隙流體的黏度等物理性質(zhì)，對(duì)出砂現(xiàn)象進(jìn)行解釋［19-20］。上述出砂機(jī)理基于固體巖石宏觀力學(xué)破壞，主要支撐以此為基礎(chǔ)的出砂臨界條件的預(yù)測(cè)，提升了人們對(duì)出砂的認(rèn)識(shí)；其局限性在于比較難以解釋儲(chǔ)層孔隙介質(zhì)內(nèi)的微觀出砂現(xiàn)象。近年來，有研究者通過微觀出砂實(shí)驗(yàn)?zāi)M，基于儲(chǔ)層砂粒粒徑、膠結(jié)強(qiáng)度、微流場(chǎng)和微應(yīng)力場(chǎng)分布的非均質(zhì)性和隨機(jī)性，提出了非均質(zhì)弱膠結(jié)砂巖儲(chǔ)層的孔隙液化、類蚯蚓洞、連續(xù)坍塌3種微觀出砂形態(tài)和機(jī)理［14,22-23］，試圖從微觀視角考察砂粒的剝落順序和運(yùn)移規(guī)律，解釋出砂的本質(zhì)，豐富和發(fā)展出砂機(jī)理及認(rèn)識(shí)。

1.2.2 儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層的出砂過程及機(jī)理

對(duì)于油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層，其出砂過程除了受上述常規(guī)砂巖油氣藏的出砂機(jī)理控制外，由于其本身生產(chǎn)工況的特殊性，出砂過程和機(jī)理與常規(guī)油氣藏有較大差異［24-27］，儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層在注氣和生產(chǎn)兩個(gè)階段的砂粒剝落、運(yùn)移及出砂過程如圖2所示。

在圖2a中，油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)的初始狀態(tài)為長(zhǎng)期開發(fā)枯竭后的油氣藏，地層保持完好狀態(tài)或有出砂造成的孔隙虧空。在注氣階段，當(dāng)儲(chǔ)層內(nèi)部注氣流動(dòng)條件達(dá)到顆粒剝落條件后，部分砂粒從基體剝落成離散砂，在氣體攜帶作用下向地層深部運(yùn)移并產(chǎn)生堵塞(圖2b)。注氣過程中，雖然工程現(xiàn)場(chǎng)觀察不到“出砂”現(xiàn)象，但實(shí)際上在儲(chǔ)層內(nèi)部，可能已經(jīng)發(fā)生了出砂行為，即顆粒的剝落和局部運(yùn)移堵塞。在儲(chǔ)氣庫(kù)產(chǎn)氣階段，氣體流動(dòng)方向轉(zhuǎn)換為向井流動(dòng)。如圖2c所示，注氣階段剝落和堵塞的地層砂被流體攜帶反向運(yùn)移至井筒，形成出砂。如果產(chǎn)氣條件達(dá)到砂粒的剝落條件，會(huì)有新的砂粒從基體剝落，并被氣體攜帶運(yùn)移至近井儲(chǔ)層或井筒形成出砂。儲(chǔ)氣庫(kù)氣井產(chǎn)氣過程中產(chǎn)出到井筒的地層砂，一部分可能是注氣過程中剝落的砂粒，另一部分可能是采氣過程中剝落的砂粒。與常規(guī)油氣藏類似，上述注氣和產(chǎn)氣過程中的砂粒剝落和運(yùn)移，主要受儲(chǔ)層膠結(jié)強(qiáng)度、地應(yīng)力條件、流體流速等因素的影響。

圖2 儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層不同注采階段砂粒剝落運(yùn)移及出砂過程示意圖Fig. 2 Schematic diagram of sand exfoliation, migration and sand production process of gas storage reservoirs in different injection-production stages

1.2.3 儲(chǔ)氣庫(kù)交變生產(chǎn)特征誘發(fā)加劇出砂的機(jī)理分析

儲(chǔ)氣庫(kù)氣井生產(chǎn)的特征是長(zhǎng)周期高流速交替注采，引發(fā)儲(chǔ)層壓力和應(yīng)力、流體流動(dòng)方向、氣水界面升降3種交替變化，進(jìn)而誘發(fā)和加劇出砂現(xiàn)象，相應(yīng)的3種機(jī)理如下。

(1) 交變循環(huán)應(yīng)力改變儲(chǔ)層物性誘發(fā)出砂機(jī)理。儲(chǔ)氣庫(kù)循環(huán)注采孔隙壓力變化引起儲(chǔ)層骨架應(yīng)力變化，注氣時(shí)孔隙壓力增大，骨架應(yīng)力減小；產(chǎn)氣過程則相反。骨架有效應(yīng)力的循環(huán)變化會(huì)在儲(chǔ)層中產(chǎn)生新的裂縫，同時(shí)會(huì)破壞蓋層的完整性［28-31］。有研究者［25,32-36］通過實(shí)驗(yàn)和有限元法數(shù)值模擬揭示了儲(chǔ)氣庫(kù)循環(huán)注采過程中的巖心疲勞損傷、剪切破壞、拉伸破壞以及斷層剪切滑移失穩(wěn)等現(xiàn)象。隋義勇等［37-38］利用顆粒離散元法和實(shí)驗(yàn)參數(shù)標(biāo)定相結(jié)合，研究了多周期等幅值軸向循環(huán)應(yīng)力加載對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)巖石微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)的影響，得到多周期的循環(huán)應(yīng)力加載對(duì)無黏結(jié)接觸數(shù)量(非裂縫性地層)和微裂縫數(shù)量(裂縫性地層)均有明顯的影響，這表明儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層尤其是近井儲(chǔ)層應(yīng)力場(chǎng)循環(huán)變化，長(zhǎng)期作用下會(huì)使儲(chǔ)層巖石發(fā)生疲勞損傷，產(chǎn)生脆性或塑性變形，影響井壁與骨架巖石的穩(wěn)定性，增大出砂風(fēng)險(xiǎn)［31-35］。

(2) 流體流動(dòng)方向交替誘發(fā)出砂加劇機(jī)理。如圖3所示，儲(chǔ)氣庫(kù)的周期性交替注采使得近井儲(chǔ)層存在氣體流動(dòng)方向的交替變化，可能誘發(fā)砂粒剝落和加劇出砂。

對(duì)于常規(guī)氣藏，流體始終從儲(chǔ)層向井筒流動(dòng)，只有達(dá)到剝落條件的地層砂粒才會(huì)產(chǎn)出，并且不存在流動(dòng)方向交替變化對(duì)顆粒膠結(jié)強(qiáng)度的疲勞破壞作用。對(duì)于儲(chǔ)氣庫(kù)近井儲(chǔ)層，如圖3a所示的典型情況，注氣過程中孔喉邊界地層砂粒a受流體沖擊剝落作用，同時(shí)受膠結(jié)物膠結(jié)和顆粒支撐作用，剝落力矩小于支撐力矩，砂粒未達(dá)到臨界條件而不會(huì)從基體剝落。而在產(chǎn)氣過程中流體流動(dòng)方向反轉(zhuǎn)后，砂粒a被其他砂粒支撐的作用弱化或消失，剝落力矩高于支撐力矩后，砂粒剝落(圖3b)。并且，多輪次的流動(dòng)方向交替也會(huì)使砂粒膠結(jié)產(chǎn)生類似疲勞破壞的作用而降低膠結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)一步加劇砂粒剝落產(chǎn)出的可能性。

圖3 交替注采流動(dòng)方向交替誘發(fā)加劇出砂機(jī)理Fig. 3 Mechanism of sand production aggravated and induced by alternating flow directions caused by injectionproduction alternation

(3) 氣水界面交替升降和巖石交替飽水誘發(fā)加劇出砂機(jī)理。我國(guó)油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)非均質(zhì)性較強(qiáng)，地層流體分布復(fù)雜，邊底水“縱竄橫侵”現(xiàn)象嚴(yán)重［4,24,27-28］。對(duì)于存在邊底水的油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)，周期注采會(huì)引起氣水界面周期性運(yùn)移，從而導(dǎo)致部分儲(chǔ)層砂巖巖石交替飽水。研究表明，砂巖儲(chǔ)層的巖石強(qiáng)度與含水飽和度及飽水時(shí)間有明顯關(guān)系，隨著含水飽和度增加以及飽水時(shí)間增加，砂巖巖石強(qiáng)度會(huì)明顯降低，并逐步降低到一個(gè)近似平衡不再變化的狀態(tài)［7-9,39-40］。此狀態(tài)下的巖石強(qiáng)度稱為極限飽水強(qiáng)度，與飽水前初始狀態(tài)巖心強(qiáng)度的比值稱為飽水極限強(qiáng)度比。筆者總結(jié)分析了部分文獻(xiàn)資料報(bào)導(dǎo)［7-9,39-40］，結(jié)合團(tuán)隊(duì)測(cè)試的部分砂巖巖心進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表2所示。

根據(jù)表2可知，砂巖儲(chǔ)層巖石完全飽水后的極限抗壓強(qiáng)度比約50%～90%左右，平均值約70%。在儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)過程中，氣水過渡區(qū)隨著儲(chǔ)氣庫(kù)的運(yùn)行，氣水兩相流體不斷相互驅(qū)替，含水飽和度變化的同時(shí)伴隨著流體的沖刷，會(huì)對(duì)巖石強(qiáng)度造成一定程度的影響，加劇顆粒剝落和出砂風(fēng)險(xiǎn)。以雙6儲(chǔ)氣庫(kù)為例，實(shí)際生產(chǎn)中近井區(qū)域含水飽和度明顯上升導(dǎo)致出砂臨界壓差大幅降低［41-42］。

表2 部分砂巖巖心飽水后極限抗壓強(qiáng)度比Table 2 Ultimate compressive strength ratio of some sandstone cores after water saturating

1.3 儲(chǔ)氣庫(kù)氣井出砂預(yù)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

準(zhǔn)確的出砂預(yù)測(cè)是不同類型中高滲儲(chǔ)層出砂防控的關(guān)鍵基礎(chǔ)。在常規(guī)易出砂油氣藏領(lǐng)域，出砂預(yù)測(cè)主要分為定性經(jīng)驗(yàn)出砂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、出砂臨界生產(chǎn)壓差預(yù)測(cè)、出砂量和出砂速度預(yù)測(cè)等層面［10,43-47］。出砂過程的模擬目前使用連續(xù)介質(zhì)和離散元模型，依賴第三方商業(yè)軟件ABAQUS、FLAC3D、ROCKY、ANASYS、COMSOL等，近年來發(fā)展了基于顆粒級(jí)尺度建模并考慮儲(chǔ)層物性的非均質(zhì)和隨機(jī)特性的微觀出砂模擬方法［14,22-23］。對(duì)于油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)的出砂預(yù)測(cè)，目前處于起步階段，主要通過考慮儲(chǔ)氣庫(kù)周期性交變生產(chǎn)特點(diǎn)的參數(shù)修正，借用常規(guī)出砂預(yù)測(cè)方法完成預(yù)測(cè)。

1.3.1 考慮交變載荷影響的修正出砂指數(shù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)

出砂指數(shù)法是一種常規(guī)油氣藏常用的定性經(jīng)驗(yàn)出砂預(yù)測(cè)方法［10,43］。區(qū)別于常規(guī)油氣藏，儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)的周期注采使儲(chǔ)層巖石骨架承受交變載荷作用而影響出砂規(guī)律。隋義勇等［37］通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M巖心強(qiáng)注強(qiáng)采交變載荷作用過程，引入損傷量等反映交變載荷影響的參數(shù)，提出修正出砂指數(shù)表達(dá)式為

式中，B為出砂指數(shù)，104MPa；D為巖石損傷量；Ω為交變次數(shù)；E0為原始彈性模量，104MPa；μ 為泊松比；ρr為巖石密度，kg/m3；?ts為聲波時(shí)差，μs/m。

若B＞4×104MPa，注采井正常生產(chǎn)時(shí)儲(chǔ)層不出砂；若2.8×104MPa≤B≤4×104MPa，注采井正常生產(chǎn)時(shí)出砂輕微，但出砂量逐漸增大；若B＜2.8×104MPa，注采井正常生產(chǎn)儲(chǔ)層出砂嚴(yán)重。

1.3.2 基于巖石交變疲勞破壞的出砂臨界修正預(yù)測(cè)

交變載荷作用下，巖石不可逆變形的累計(jì)量及增長(zhǎng)趨勢(shì)是巖石疲勞力學(xué)性能的本質(zhì)反映，與損傷過程直接相關(guān)［25］。根據(jù)巖石交變載荷下的損傷實(shí)驗(yàn)，加載頻率越高、加載次數(shù)越多，巖石的損傷量越大、力學(xué)性質(zhì)改變?cè)矫黠@［25,32-38］。有研究者［34］歸納了不可逆變形與循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系，見圖4。

圖4 不可逆變形隨加載次數(shù)變化關(guān)系曲線Fig. 4 Relationship between irreversible deformation and loading times

由圖4可知，在高應(yīng)力條件下脆性巖石將會(huì)迅速破壞，如果周期載荷上限相較于巖石破壞應(yīng)力較低則可能不產(chǎn)生疲勞破壞，塑性變形經(jīng)過初始階段之后趨于穩(wěn)定［34］?；趲r石力學(xué)性質(zhì)變化與加載次數(shù)關(guān)系進(jìn)行損傷量校正后，有文獻(xiàn)［48］預(yù)測(cè)某儲(chǔ)層在15個(gè)注采周期后將由輕微出砂轉(zhuǎn)為嚴(yán)重出砂，出砂風(fēng)險(xiǎn)高于初始狀態(tài)。儲(chǔ)氣庫(kù)循環(huán)載荷和應(yīng)力導(dǎo)致巖石強(qiáng)度降低，累積塑性變形導(dǎo)致疲勞破壞從而增加出砂風(fēng)險(xiǎn)。基于此原理，筆者將巖石疲勞破壞力學(xué)與出砂預(yù)測(cè)進(jìn)行結(jié)合，定義出砂校正系數(shù)為

式中，D為循環(huán)載荷下出砂修正系數(shù)，0＜D＜1，無量綱；Xa為巖石疲勞壽命，無量綱；N為累計(jì)的注采周期，無量綱常數(shù)；Xb、Xc分別為周期荷載的上限應(yīng)力和幅值相關(guān)參數(shù)，無量綱；Y為加載頻率相關(guān)參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注采頻率折算，無量綱。出砂校正系數(shù)需要通過巖石疲勞破壞實(shí)驗(yàn)來擬合，結(jié)合出砂預(yù)測(cè)公式［10,43］進(jìn)行臨界出砂壓差校正為

式中， ?pc為出砂臨界壓差，MPa；pr為地層靜壓，MPa；C0為內(nèi)聚力，MPa；α 為失效角，rad；σ 為外邊界垂向應(yīng)力，MPa；β 為比奧特?cái)?shù)，無量綱；D為循環(huán)載荷出砂修正系數(shù)，無量綱。

利用該方法針對(duì)某儲(chǔ)氣庫(kù)950～1050 m生產(chǎn)段進(jìn)行出砂臨界壓差分析。該儲(chǔ)氣庫(kù)壓力運(yùn)行范圍為10～22 MPa，巖石疲勞壽命為186次，式(2)中Xa、Xb、Xc分別取值為186、5.3、?39，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中以1年為1個(gè)注采周期，Y取值為1。該儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)段臨界出砂壓差校正結(jié)果如圖5所示。由于地層非均質(zhì)性存在，初始臨界出砂壓差隨生產(chǎn)段出現(xiàn)較大波動(dòng)，以生產(chǎn)段膠結(jié)程度最弱處臨界出砂壓差作為臨界注采壓差。第10、50注采周期出砂修正系數(shù)為0.94、0.90，生產(chǎn)段最低臨界出砂壓差由初始狀態(tài)的4.13 MPa降低至第50注采周期后的3.71 MPa。

圖5 某儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)井多注采周期出砂臨界壓差變化Fig. 5 Changes in critical pressure difference for sand production in a production well of a gas storage with multiple injection-production cycles

1.3.3 基于微觀結(jié)構(gòu)的可視化出砂模擬與定量預(yù)測(cè)

筆者團(tuán)隊(duì)近年來發(fā)展了考慮儲(chǔ)層非均質(zhì)性和顆粒沉積隨機(jī)特性的顆粒級(jí)尺度微觀結(jié)構(gòu)建模(圖6)及可視化出砂模擬方法［14,23］，通過儲(chǔ)層地層砂篩析曲線考慮地層砂粒度分布規(guī)律及其隨機(jī)展布特性。根據(jù)測(cè)井曲線刻畫儲(chǔ)層砂粒膠結(jié)強(qiáng)度的縱向非均質(zhì)性，采用隨機(jī)函數(shù)描述粒間膠結(jié)強(qiáng)度的徑向分布。對(duì)于疏松砂巖油氣藏生產(chǎn)井和注水井的不同生產(chǎn)條件，構(gòu)建微觀顆粒剝落模型，判斷給定位置顆粒是否剝落及剝落程度?？紤]油氣井的生產(chǎn)條件、注水井的注入條件、儲(chǔ)氣庫(kù)氣井的注采條件，實(shí)現(xiàn)不同類型儲(chǔ)層的微觀可視化出砂模擬和規(guī)律預(yù)測(cè)。

圖6 顆粒級(jí)尺度微觀結(jié)構(gòu)建模Fig. 6 Modeling of particle-scale microstructure

圖7為筆者團(tuán)隊(duì)模擬得到的某氣井兩層注氣過程中出砂區(qū)域模擬結(jié)果。其中，原始內(nèi)聚強(qiáng)度是儲(chǔ)層初始狀態(tài)下的強(qiáng)度，變化范圍為0.28～14.27 MPa的內(nèi)聚強(qiáng)度，是考慮儲(chǔ)層生產(chǎn)后利用測(cè)井資料通過軟件計(jì)算出來的井筒內(nèi)聚強(qiáng)度。在兩個(gè)層位不同儲(chǔ)層物性和注入條件下，出砂區(qū)域范圍差異明顯。由于儲(chǔ)層縱向非均質(zhì)性，出砂剖面在縱向上也體現(xiàn)出明顯非均質(zhì)性(下層尤為明顯)。同時(shí)，由于注氣時(shí)地層深處流體流速降低以及地應(yīng)力變化，出砂區(qū)域的顆粒剝落程度和出砂嚴(yán)重程度也逐步減弱，直到不再出砂。利用上述儲(chǔ)層微觀結(jié)構(gòu)建模和出砂模擬方法，考慮儲(chǔ)氣庫(kù)多周期交變生產(chǎn)條件對(duì)儲(chǔ)層砂粒膠結(jié)強(qiáng)度的影響機(jī)制及規(guī)律，即可實(shí)現(xiàn)不同周期注采過程中的可視化出砂模擬，不但可以預(yù)測(cè)出砂粒徑、出砂前沿、出砂速度變化規(guī)律，更重要的是可以實(shí)現(xiàn)出砂后近井儲(chǔ)層虧空形態(tài)的直觀刻畫，為后續(xù)防砂設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖7 某氣井兩層注氣過程中出砂區(qū)域模擬Fig. 7 Simulation of sand production area during two-layer gas injection in a gas well

有學(xué)者利用巖心真三軸數(shù)值模擬修正出砂指數(shù)，研究其隨地層壓力、溫度、含水等未來生產(chǎn)條件的動(dòng)態(tài)變化，并建立注采周期與出砂指數(shù)之間的關(guān)系及孔隙壓力-應(yīng)力耦合模型等［49-51］，此處不再贅述。

2 儲(chǔ)氣庫(kù)氣井出砂防控技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外儲(chǔ)氣庫(kù)防砂技術(shù)概況

國(guó)外儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)和運(yùn)行起步較早，對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)防砂技術(shù)的研究和應(yīng)用也有較多探索，但由于對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)出砂問題的認(rèn)識(shí)不同，防砂完井方案也各自迥異。機(jī)械類防砂方式的代表中，法國(guó)Geostock公司、Schlumberger公司多采用裸眼完井或大尺寸割縫篩管防砂以獲得更佳的注采效果，法國(guó)TIGF公司與挪威天然氣公司Norg多采用獨(dú)立防砂篩管完井［52］，匈牙利Hajdúszoboszló儲(chǔ)氣庫(kù)采用獨(dú)立篩管和篩管礫石充填防砂。復(fù)合機(jī)械防砂完井方式典型代表是意大利Minerbio疏松砂巖儲(chǔ)氣庫(kù)［53-54］。該儲(chǔ)氣庫(kù)在砂巖儲(chǔ)層中間夾雜頁(yè)巖和泥頁(yè)巖夾層，采用膨脹篩管與封隔器結(jié)合方式完井，在粉細(xì)顆粒地層采用膨脹篩管內(nèi)礫石充填阻擋粉細(xì)砂，降低了砂/頁(yè)巖交替作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，緩解了井壁失穩(wěn)和礫石充填層堵塞問題［53-54］。

澳大利亞Matzen儲(chǔ)氣庫(kù)儲(chǔ)層為弱膠結(jié)疏松砂巖［55］，孔隙度為25%～30%。老井均為套管內(nèi)礫石充填防砂完井，套管射孔段使用?73.03 mm繞絲篩管配合16/20 目或20/40 目石英砂進(jìn)行礫石充填。由于生產(chǎn)套管與篩管尺寸較小，試井測(cè)試得到防砂完井表皮因數(shù)高達(dá)50，嚴(yán)重影響產(chǎn)能。為解決該問題，采取二次完井措施。首先磨銑套管后擴(kuò)張井眼，重新選擇?177.8 mm套管射孔完井，然后采用16/20目或20/40 目陶粒配合?88.9 mm篩管進(jìn)行礫石充填，使用纖維素產(chǎn)品控制濾失保護(hù)氣藏。該儲(chǔ)氣庫(kù)的新鉆井井眼擴(kuò)大到?215.9 mm，分別采用膨脹篩管和水平井裸眼礫石充填完井，得到5×104m3/h的高產(chǎn)能。

國(guó)外儲(chǔ)氣庫(kù)化學(xué)類防砂應(yīng)用較少，但不乏成功案例。法國(guó)Germigny-sous-Coulomb和Cerville-Velaine儲(chǔ)氣庫(kù)均為含水砂巖氣藏［48］，滲透率約為10×10?3μm2。高速注采以及近井區(qū)域含水上升導(dǎo)致巖石膠結(jié)程度下降，許多原本不出砂井在經(jīng)過多次干氣和濕氣交替注采中出現(xiàn)嚴(yán)重出砂，產(chǎn)出砂粒徑中值由50 μm逐漸增大到150 μm。采用微凝膠聚合物進(jìn)行化學(xué)固砂作業(yè)，在巖石表面產(chǎn)生不可逆吸附形成保護(hù)膜以減少弱固結(jié)砂粒剝落。成功應(yīng)用6口井并保持無砂生產(chǎn)4年以上，表明了化學(xué)固砂在儲(chǔ)氣庫(kù)中具有一定的可行性［48］。國(guó)外部分典型儲(chǔ)氣庫(kù)防砂完井技術(shù)、存在的問題及后續(xù)防砂完井技術(shù)方案案例見表3［48,50-55］。

表3 國(guó)外部分典型儲(chǔ)氣庫(kù)的出砂防控案例Table 3 Sand production prevention and control cases of typical gas storages abroad

根據(jù)表3可知，國(guó)外油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)的防砂技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)：(1) 大部分中高滲疏松砂巖油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)均采用獨(dú)立篩管和篩管礫石充填為主的機(jī)械類防砂完井方式，化學(xué)防砂應(yīng)用較少；(2) 對(duì)于尺寸較小的套管射孔完井下的獨(dú)立篩管或礫石充填，存在高速注采時(shí)表皮因數(shù)高，影響產(chǎn)能的問題；較大的井眼、套管、篩管尺寸下相對(duì)效果更好；(3) 對(duì)于儲(chǔ)層縱深交互條件復(fù)雜的情況，不同機(jī)械防砂方式的分段復(fù)合完井是有效的對(duì)策；(4) 嚴(yán)重堵塞和沖蝕損壞是儲(chǔ)氣庫(kù)防砂完井管柱的主要故障形式。

2.2 國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氣庫(kù)防砂技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)投入運(yùn)行的25座油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)中有18座為砂巖儲(chǔ)層儲(chǔ)氣庫(kù)［56］，儲(chǔ)層孔隙度為15%～26%。由于儲(chǔ)氣庫(kù)高速注采交變會(huì)增加出砂風(fēng)險(xiǎn)，部分儲(chǔ)氣庫(kù)如永22、雙6、蘇橋、板南儲(chǔ)氣庫(kù)以及中西部陜224儲(chǔ)氣庫(kù)新鉆水平井均采用篩管防砂完井方式，并且為保證完井系統(tǒng)的高流通能力，均使用最大可用篩管內(nèi)徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用較大精度避免擋砂介質(zhì)過度堵塞［41-42,56-59］。

雙6儲(chǔ)氣庫(kù)為邊底水砂巖儲(chǔ)氣庫(kù)［41-42］，原始地層壓力24.27 MPa，孔隙度平均17.3%，滲透率約224×10?3μm2，地層砂粒度中值0.44 mm，屬于中孔中滲儲(chǔ)層。儲(chǔ)層巖心出砂實(shí)驗(yàn)研究表明，在運(yùn)行壓力10～24 MPa范圍內(nèi)，臨界出砂壓差約3.5～7 MPa；在50%含水條件下，臨界出砂壓差下降1～2 MPa。鑒于較高出砂風(fēng)險(xiǎn)，新鉆水平井采用?177.8 mm生產(chǎn)套管和?168.3 mm篩管防砂完井，于2014年投產(chǎn)后防砂效果良好。

蘇橋儲(chǔ)氣庫(kù)群于2012年投產(chǎn)，屬于超深強(qiáng)底水碳酸鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)，儲(chǔ)集類型為微裂縫-孔隙型，孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜且非均質(zhì)性強(qiáng)［57-58］。儲(chǔ)氣庫(kù)氣水過渡帶存在兩相交互驅(qū)替，造成局部區(qū)域含水率上升，增大出砂風(fēng)險(xiǎn)。該儲(chǔ)氣庫(kù)定向井采用?114.3 mm篩管完井，水平井采用?177.8 mm生產(chǎn)套管和?168.3 mm篩管完井。相類似，相國(guó)寺儲(chǔ)氣庫(kù)也屬于碳酸鹽巖儲(chǔ)氣庫(kù)，儲(chǔ)集層孔、洞、縫發(fā)育良好，巖心微裂縫壁面存在大量脆弱結(jié)構(gòu)，驅(qū)替壓力波動(dòng)易引起顆粒剝落出砂［21］。該儲(chǔ)氣庫(kù)新鉆定向井采用?127 mm防砂篩管完井［59］。

遼河儲(chǔ)氣庫(kù)群主要包括雙臺(tái)子、雷61、黃金帶、馬19等儲(chǔ)氣庫(kù)，主要為枯竭油氣藏。雷61儲(chǔ)氣庫(kù)中有6口定向井采用精度0.15 mm自潔篩管防砂完井，3口水平井采用精度0.15 mm金屬網(wǎng)布篩管防砂完井，1口定向井中采用涂覆砂人工井壁防砂。該儲(chǔ)氣庫(kù)順利完成首輪試注試采，注氣平均壓力5.1～5.8 MPa，單井日注氣量(7.1～9.9)×104m3，最高日采氣量25.6×104m3，地面取樣未發(fā)現(xiàn)地層出砂和涂覆砂返出現(xiàn)象。

國(guó)內(nèi)部分典型儲(chǔ)氣庫(kù)概況及防砂完井方式見表4［41-42,56-59］。根據(jù)表4總結(jié)國(guó)內(nèi)儲(chǔ)氣庫(kù)防砂技術(shù)特點(diǎn)：中高滲砂巖儲(chǔ)氣庫(kù)多采取預(yù)防性防砂完井方式，以獨(dú)立機(jī)械篩管為主，礫石充填應(yīng)用較少；涂覆砂化學(xué)人工井壁有較少試驗(yàn)性應(yīng)用，其效果取決于人工井壁固結(jié)強(qiáng)度能否承受儲(chǔ)氣庫(kù)高流速注采強(qiáng)度。

表4 國(guó)內(nèi)部分典型儲(chǔ)氣庫(kù)防砂完井技術(shù)案例Table 4 Sand control (completion) technical cases of typical gas storages in China

總體而言，國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)氣庫(kù)氣井的防砂(完井)方式沿用了傳統(tǒng)油氣藏領(lǐng)域中簡(jiǎn)單成熟的防砂技術(shù)，以獨(dú)立篩管(含膨脹篩管)和篩管礫石充填為主，化學(xué)類防砂方式為輔。部分常規(guī)油氣藏應(yīng)用的新型防砂技術(shù)，如高飽和深度分級(jí)擠壓充填、壓裂充填、各種復(fù)合新型篩管等，在儲(chǔ)氣庫(kù)中尚無應(yīng)用報(bào)道。初步應(yīng)用的防砂技術(shù)工藝原理、篩管裝備和充填材料均缺乏針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)特點(diǎn)的發(fā)展創(chuàng)新；針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)周期交變工況特點(diǎn)的專有防砂工藝的基礎(chǔ)理論、篩管裝備和設(shè)計(jì)方法等技術(shù)體系也尚未形成。

3 儲(chǔ)氣庫(kù)出砂防控的關(guān)鍵問題及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 關(guān)鍵工程與科學(xué)問題

根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)的高流速交變注采生產(chǎn)特征，結(jié)合國(guó)內(nèi)外出砂預(yù)測(cè)及其防控技術(shù)現(xiàn)狀分析，油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)氣井出砂防控面臨的關(guān)鍵工程難題和科學(xué)問題主要包括3個(gè)方面。

(1) 缺乏考慮開發(fā)枯竭儲(chǔ)層強(qiáng)非均質(zhì)性和長(zhǎng)周期高流速注采交變工況的出砂模擬和定量出砂預(yù)測(cè)技術(shù)，尚難以為后續(xù)控砂技術(shù)政策制定和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供直接依據(jù)。其蘊(yùn)含的科學(xué)問題一是油氣藏長(zhǎng)周期枯竭開發(fā)轉(zhuǎn)為儲(chǔ)氣庫(kù)后，高流速交替驅(qū)替、地層壓力和應(yīng)力交替作用、氣水界面和含水交替變化對(duì)儲(chǔ)層巖石膠結(jié)物性影響和強(qiáng)度損傷的機(jī)理、模擬方法及其規(guī)律；科學(xué)問題二是儲(chǔ)氣庫(kù)氣井高流速交變注采工況下的地層砂粒剝落機(jī)理和條件、儲(chǔ)層多孔介質(zhì)中砂粒交變運(yùn)移機(jī)理與規(guī)律，以及注采全過程微觀出砂模擬及預(yù)測(cè)方法。

(2) 目前儲(chǔ)氣庫(kù)氣井防砂完井技術(shù)在工藝原理、篩管結(jié)構(gòu)和充填材料等方面尚缺乏針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)特征的特殊考慮，缺乏針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)氣井大流量注采交變工況的高穩(wěn)定性、高流通性、高抗堵塞性、高擋砂性能、長(zhǎng)壽命期限的防砂方法和篩管工具裝備。其科學(xué)問題是不同類型篩管擋砂介質(zhì)和固相充填材料在高流速交替驅(qū)替條件下的地層砂動(dòng)態(tài)堵塞機(jī)理、失穩(wěn)機(jī)理，以及長(zhǎng)期、高效、高穩(wěn)定性防砂設(shè)計(jì)理論與方法。

(3) 目前在常規(guī)中高滲油氣藏控砂領(lǐng)域，防砂模式正由“籠統(tǒng)控砂”向“精細(xì)控砂”發(fā)展，基本理念也正由“單井作業(yè)”上升到“出砂管理”的層面。而針對(duì)油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)的出砂防控，尚缺乏針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)特點(diǎn)的防砂優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、出砂管理模式和自主國(guó)產(chǎn)化綜合決策軟件系統(tǒng)平臺(tái)。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)展望

對(duì)于包括儲(chǔ)氣庫(kù)在內(nèi)的中高滲油氣儲(chǔ)層的出砂模擬與預(yù)測(cè)領(lǐng)域，考慮儲(chǔ)層物性的非均質(zhì)性和隨機(jī)特性的微觀出砂模擬技術(shù)可實(shí)現(xiàn)近井儲(chǔ)層的微觀出砂形態(tài)可視化模擬及規(guī)律預(yù)測(cè)，是出砂模擬技術(shù)的未來研究要點(diǎn)。對(duì)于油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)，特別需要重點(diǎn)考慮油氣藏枯竭開發(fā)后，長(zhǎng)周期注采交變工況導(dǎo)致的地層壓力/應(yīng)力交替、流動(dòng)方向交替、氣水運(yùn)移交替對(duì)儲(chǔ)層巖石微觀結(jié)構(gòu)和物性以及出砂的影響機(jī)制。出砂預(yù)測(cè)不僅需要預(yù)測(cè)“產(chǎn)出了什么”(出砂速度、出砂粒徑、含砂濃度等)，還要關(guān)注“留下了什么”，即出砂造成的近井儲(chǔ)層虧空形態(tài)及其定量表征與評(píng)價(jià)方法，以支撐后續(xù)以提高介質(zhì)穩(wěn)定性為目的的防砂技術(shù)優(yōu)化。

相對(duì)于傳統(tǒng)油氣藏，儲(chǔ)氣庫(kù)出砂防控尚屬“ 新”領(lǐng)域。要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣庫(kù)氣井的高效長(zhǎng)效控砂生產(chǎn)，需要避免傳統(tǒng)疏松砂巖油氣藏的早期“被動(dòng)防砂”模式，提前研究，早期介入，主動(dòng)控砂。并且，將防砂措施的“單井作業(yè)”觀念提升到“出砂管理”或“流固控制”的理念，根據(jù)不同生產(chǎn)周期的動(dòng)態(tài)出砂規(guī)律，從宏觀管理角度制定出砂控制的技術(shù)政策，并提供具體智能化防砂工藝優(yōu)化，給予工程實(shí)現(xiàn)。要達(dá)到上述目標(biāo)，需要解決傳統(tǒng)防砂技術(shù)在儲(chǔ)氣庫(kù)氣井生產(chǎn)環(huán)境中的防砂介質(zhì)穩(wěn)定性、近井儲(chǔ)層砂粒交替吞吐、高流速?zèng)_蝕環(huán)境下的管柱完整性等問題。鑒于此，能夠適應(yīng)儲(chǔ)氣庫(kù)氣井高流速注采交變工況的高穩(wěn)定性、高流通性和高擋砂性能的防砂完井方法、篩管核心裝備、優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)是防砂技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。在油氣能源行業(yè)智能化發(fā)展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大背景下，自主國(guó)產(chǎn)化的儲(chǔ)氣庫(kù)氣井出砂模擬和控砂完井設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)也是重大技術(shù)需求。

4 結(jié)論與建議

(1) 油氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)氣井具有高流速長(zhǎng)周期注采交變生產(chǎn)特點(diǎn)，以及地層應(yīng)力、流體流動(dòng)和氣水運(yùn)移這3個(gè)循環(huán)交變特征；其出砂機(jī)理包括注氣過程中砂粒剝落離散和向地層深部運(yùn)移機(jī)理，以及產(chǎn)氣過程中離散砂粒返吐產(chǎn)出機(jī)理和顆粒剝落離散產(chǎn)出機(jī)理，并受交變應(yīng)力降低巖石強(qiáng)度、交變水侵巖石水化、交變方向驅(qū)替拉鋸作用這3個(gè)誘發(fā)加劇出砂機(jī)制的控制。

(2) 儲(chǔ)氣庫(kù)氣井出砂預(yù)測(cè)方法主要是在常規(guī)油氣藏的定性經(jīng)驗(yàn)出砂風(fēng)險(xiǎn)和出砂臨界壓差預(yù)測(cè)方法基礎(chǔ)上，考慮交變特點(diǎn)對(duì)巖石強(qiáng)度進(jìn)行簡(jiǎn)單修正。近年來發(fā)展的顆粒級(jí)尺度微觀出砂模擬和預(yù)測(cè)方法尚未考慮儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)特點(diǎn)。出砂速率和近井出砂形態(tài)的模擬及預(yù)測(cè)是未來儲(chǔ)氣庫(kù)出砂預(yù)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

(3) 儲(chǔ)氣庫(kù)氣井的防砂完井方式目前以獨(dú)立篩管和礫石充填為主，其工藝原理、篩管裝備和充填材料均缺乏針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)特點(diǎn)的發(fā)展創(chuàng)新；針對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)長(zhǎng)周期交變工況特點(diǎn)的專有防砂工藝的基礎(chǔ)理論、篩管裝備和設(shè)計(jì)方法等技術(shù)體系尚未形成。能夠適應(yīng)儲(chǔ)氣庫(kù)交變工況的高擋砂性能、高穩(wěn)定性和高流通性的新型防砂方式、篩管裝備及設(shè)計(jì)技術(shù)是未來關(guān)鍵需求。