董長銀，甘凌云，賽福拉·地力木拉提，黃有藝，劉洪剛，王肇峰

(1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點實驗室(中國石油大學(華東))，山東青島 266580；2.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580)

碳酸鹽巖油氣藏是油氣勘探開發(fā)的重要領域[1-4]。碳酸鹽巖儲層一般具有裂縫、孔洞發(fā)育等特點，完井方式以裸眼完井為主[5-10]，存在普遍性的坍塌失穩(wěn)問題[11-13]。近年來，隨著碳酸鹽巖油氣田的持續(xù)開發(fā)以及儲層條件發(fā)生變化，部分碳酸鹽巖儲層井壁失穩(wěn)形式為泥砂產(chǎn)出與砂埋井筒[14-15]。如塔河油田[14]和哈拉哈塘油田[16]均出泥砂嚴重造成井筒砂埋，導致產(chǎn)量、油壓急劇下降甚至停產(chǎn)[17-20]。碳酸鹽巖儲層井壁坍塌與泥砂產(chǎn)出問題成為制約碳酸鹽巖油氣高效開采的核心問題之一。針對超深碳酸鹽巖井壁垮塌及出砂問題，初步應用了復合防砂和長柱塞防砂泵工藝[15,17]。為優(yōu)化機械篩管的擋砂性能和提高油氣井完井后的產(chǎn)能，有研究者針對篩管精度優(yōu)化和擋砂堵塞機制進行了大量的研究[20-28]，但主要集中在疏松砂巖領域且基本只針對單一的細質(zhì)泥砂組分，并未系統(tǒng)針對碳酸鹽巖儲層的巖屑/巖塊及裂縫充填物產(chǎn)出進行固體控制優(yōu)化研究。筆者針對上述問題，使用碳酸鹽巖典型井的沖撈砂樣和不同精度的金屬擋砂濾網(wǎng)開展控砂模擬試驗，明確不同生產(chǎn)條件下失穩(wěn)產(chǎn)物及擋砂介質(zhì)的堵塞機制，分析碳酸鹽巖儲層固體控制可行性并進行篩管精度優(yōu)化，為碳酸鹽巖油氣藏泥砂控制完井優(yōu)化提供參考。

1 碳酸鹽巖井壁坍塌與泥砂產(chǎn)出物粒徑分析

以某碳酸鹽巖油田X1井沖撈砂樣品為例，利用振動篩對其進行初步的分離，觀察發(fā)現(xiàn)沖撈砂樣品中既包含巖塊、巖屑等粗質(zhì)組分，也含有部分細質(zhì)泥砂組分，沖撈砂樣品粒徑篩分結(jié)果如圖1所示。樣品中粒徑小于2 mm的“砂”級組分質(zhì)量分數(shù)約為48%，以中、粗砂為主；粒徑大于2 mm“礫”級組分質(zhì)量分數(shù)約為52%，以中、細礫為主，認為巖塊、巖屑等粗組分來源于井壁坍塌崩落。

為了進一步分析碳酸鹽巖儲層泥砂來源，對X1井粗、細組分進行礦物組分對比分析，結(jié)果如圖2(a)所示。粗、細組分的主要礦物類型相近，但各種礦物含量存在明顯差異，說明粗、細組分的來源有所不同。對進行三軸破壞試驗后的X1井巖心進行解離，如圖2(b)所示。結(jié)果表明，巖心宏觀失穩(wěn)破壞后既產(chǎn)生巖塊、巖屑等粗組分，也產(chǎn)生細組分的泥砂。其中粒徑小于2 mm的“砂”級組分質(zhì)量分數(shù)約為15%，而在實際沖撈砂樣品中卻達到了48%，由此證實碳酸鹽巖儲層泥砂的來源有兩種：一是井壁坍塌崩落過程中形成的泥砂沉積在井筒，二是生產(chǎn)過程中儲層流體攜帶地層砂產(chǎn)出。

圖1 X1井沖撈砂樣品粒徑篩分結(jié)果Fig.1 Particle size screening results of washed bailing sand samples from well X1

根據(jù)儲層地質(zhì)條件、沖撈砂樣品粒度及礦物組分對比、作業(yè)井資料等綜合分析，碳酸鹽巖儲層井壁失穩(wěn)機制可歸納為井壁宏觀坍塌和儲層微觀泥砂產(chǎn)出兩種機制。井壁宏觀坍塌的產(chǎn)物以巖塊和巖屑為主，并伴有泥砂。儲層微觀泥砂產(chǎn)出主要是裂縫充填物破碎形成細砂顆粒，由儲層流體攜帶產(chǎn)出，失穩(wěn)產(chǎn)物是細質(zhì)泥砂。

碳酸鹽巖儲層在井壁宏觀坍塌和儲層微觀泥砂產(chǎn)出的復合作用下，失穩(wěn)產(chǎn)物包括粗質(zhì)的巖塊、巖屑和細質(zhì)的泥砂?；谏鲜鰡栴}，考慮針對碳酸鹽巖儲層進行固體控制的可行性，開展控砂模擬試驗進行可行性評價和擋砂精度優(yōu)化。

圖2 X1井沖撈砂樣品粗、細組分礦物占比及巖心三軸破壞解離Fig.2 Proportion of coarse and fine minerals in scour sand samples and triaxial failure and dissociation of core in well X1

2 碳酸鹽巖儲層固體控制模擬試驗

2.1 試驗原理與裝置

圖3 多功能驅(qū)替擋砂性能評價裝置示意圖Fig.3 Sketch map of multifunctional sand-retaining performance evaluation device

使用多功能驅(qū)替擋砂性能評價裝置(圖3)開展碳酸鹽巖固體控制模擬試驗，主要由螺桿泵、主體單向流擋砂驅(qū)替模擬單元、儲液罐、集砂器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。主體單向流模擬井筒裝置單元內(nèi)徑50 mm，相鄰兩節(jié)模擬井筒裝置間可放置擋砂介質(zhì)切片。試驗時將擋砂介質(zhì)切片放置在兩節(jié)模擬井筒裝置間的凹槽處，在擋砂介質(zhì)切片前端預充填實際巖屑/巖塊，安裝導流片固定充填段，然后通過來流攜砂驅(qū)替模擬泥砂、巖屑/巖塊復合產(chǎn)出條件下實際井底的出砂與擋砂堵塞過程。通過來流攜砂模擬儲層純泥砂產(chǎn)出條件下的防控砂過程，在模擬井筒裝置兩側(cè)設置有壓力傳感器，最后將模擬井筒裝置連接密封即可開始試驗。

試驗過程中實時采集驅(qū)替流量、充填段及擋砂介質(zhì)兩側(cè)壓差等數(shù)據(jù)，驅(qū)替一定時間后壓差、流量等數(shù)據(jù)將達到平衡，根據(jù)充填段及擋砂介質(zhì)兩側(cè)壓差、流量及充填段的幾何參數(shù)等數(shù)據(jù)，利用達西公式即可得到充填段及擋砂介質(zhì)的綜合滲透率，評價其流通性能。計算過砂率以評價其擋砂性能。通過評價充填段及擋砂介質(zhì)的綜合流通性能和介質(zhì)擋砂性能論證控砂可行性和進行擋砂精度優(yōu)化。

2.2 試驗材料與條件

由于碳酸鹽巖儲層原油主要為低黏度輕質(zhì)原油[1-6]，考慮試驗的便捷性，采用清水(黏度約1 mPa·s)作為驅(qū)替流體。根據(jù)某碳酸鹽巖典型井的生產(chǎn)條件進行折算，設置本試驗可選的驅(qū)替流量為0.6、1.2、1.8、2.4及3.0 m3/h。試驗選用的擋砂介質(zhì)(可選的擋砂精度有250、350、450和550 μm)和現(xiàn)場泥砂或巖屑/巖塊如圖4所示。其中試驗所用X1井沖撈砂樣品包含巖塊、巖屑及泥砂，泥砂中值粒徑d50=289.5 μm(圖1)。碳酸鹽巖井壁失穩(wěn)類型主要有兩種：一種是以儲層純泥砂產(chǎn)出為主；另一種是井壁坍塌和儲層純泥砂產(chǎn)出復合類型[12-16]。試驗時通過來流攜砂驅(qū)替模擬儲層純泥砂產(chǎn)出的生產(chǎn)條件；在模擬井筒裝置內(nèi)預充填厚度8 cm巖塊/巖屑，然后通過來流攜砂驅(qū)替模擬井壁坍塌和儲層純泥砂復合產(chǎn)出的生產(chǎn)條件。

圖4 試驗所用的擋砂介質(zhì)和現(xiàn)場泥砂或巖屑/巖塊Fig.4 Sand retaining medium used in experiment and sand or cuttings/rock block of oil field

3 碳酸鹽巖固體產(chǎn)出物的阻擋與堵塞

3.1 不同生產(chǎn)條件下?lián)跎靶阅茉u價

針對碳酸鹽巖儲層井壁坍塌和儲層純泥砂的復合產(chǎn)出，使用X1井沖撈砂巖屑/巖塊及泥砂、黏度約1.0 mPa·s的清水開展泥砂、巖屑/巖塊復合產(chǎn)出條件下的固體控制模擬試驗。驅(qū)替結(jié)束后通過集砂罐收集過砂計算得到過砂率以評價擋砂介質(zhì)的擋砂性能。結(jié)果表明，在模擬泥砂、巖屑/巖塊復合產(chǎn)出條件下,250、350、450及550 μm擋砂介質(zhì)過砂率分別為1.31%、3.00%、3.42%及4.3%。擋砂介質(zhì)的過砂率隨擋砂介質(zhì)孔徑增大而增加，但增加幅度不大，平均過砂率為3.01%，擋砂性能總體良好，其中250 μm擋砂介質(zhì)擋砂性能最好。針對X1井井壁坍塌和儲層純泥砂復合產(chǎn)出的生產(chǎn)條件，擋砂性能可以滿足正常生產(chǎn)需求。

使用X2井純泥砂、黏度約1.0 mPa·s的清水，通過來流攜砂模擬儲層純泥砂產(chǎn)出條件下的控砂過程，設置驅(qū)替流量為0.6 m3/h。結(jié)果表明，250、350、450及550 μm擋砂介質(zhì)過砂率分別為2.6%、6.9%、8.9%和11.9%，過砂率隨介質(zhì)孔徑增大而增大。4種精度擋砂介質(zhì)過砂率比相同條件下模擬泥砂、巖屑/巖塊復合產(chǎn)出時增幅約150%。雖然與碳酸鹽巖儲層井壁坍塌和儲層純泥砂復合產(chǎn)出生產(chǎn)條件相比，儲層純泥砂產(chǎn)出條件下?lián)跎敖橘|(zhì)的擋砂性能有所下降，但各精度擋砂介質(zhì)的過砂率均小于12%，控砂完井后的擋砂性能也能滿足正常生產(chǎn)需求。

3.2 不同生產(chǎn)條件下?lián)跎敖橘|(zhì)及沉積段綜合流通性評價

3.2.1 碳酸鹽巖儲層復合失穩(wěn)下的流通性能

開展X1井泥砂、巖屑/巖塊復合產(chǎn)出條件下的固體控制模擬試驗，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 X1井250～550 μm擋砂介質(zhì)及充填段試驗動態(tài)Fig.5 Experimental dynamic of sand retaining medium and filling section with precision of 250-550 μm，well X1

圖6 X1井250～550 μm擋砂介質(zhì)及充填段綜合滲透率變化Fig.6 Variation of comprehensive permeability of sand retaining medium and filling section with precision of 250-550 μm,well X1

試驗結(jié)果表明，在每個驅(qū)替流量下，擋砂介質(zhì)及充填段兩側(cè)壓差都逐漸趨于平衡，壓差最高達1 MPa，隨著驅(qū)替的進行，450、550 μm擋砂介質(zhì)及充填段綜合滲透率在約30 s達到平衡；而250、350 μm擋砂介質(zhì)及充填段綜合滲透率在600 s左右達到平衡。

由圖6可知，使用250～550 μm金屬濾網(wǎng)阻擋中值粒徑為289.5 μm的泥砂及巖屑/巖塊，250、350、450和550 μm擋砂介質(zhì)及充填段整體流通性能依次為較低、一般、較好、最好。550 μm擋砂介質(zhì)與250 μm擋砂介質(zhì)相比，綜合平衡滲透率增幅約467%，說明放寬篩管的精度可以有效提高綜合流通性，以獲得更大的油氣產(chǎn)能。

3.2.2 碳酸鹽巖儲層純泥砂產(chǎn)出下的流通性能

針對碳酸鹽巖儲層純泥砂的產(chǎn)出，為評價控砂完井后的綜合流通性，并對比與泥砂、巖塊/巖屑復合產(chǎn)出時流通性能的差異，使用X2井純泥砂、黏度約1.0 mPa·s、驅(qū)替流量為0.6 m3/h的清水開展單向來流攜砂驅(qū)替控砂模擬試驗，結(jié)果如圖7、8所示。在0～150 s，驅(qū)替流量逐漸降低，擋砂介質(zhì)及沉積段兩側(cè)壓差逐漸上升，綜合滲透率逐漸降低，在約150 s流量、壓差和滲透率都趨于平衡，流量降低至約0.4 m3/h，壓差最高達3.1 MPa。驅(qū)替結(jié)束之后發(fā)現(xiàn)模擬井筒裝置內(nèi)泥砂沉積非常密實，說明隨著驅(qū)替進行，沉積的泥砂在擋砂介質(zhì)的作用下逐漸被壓實聚集成團，導致?lián)跎敖橘|(zhì)及沉積砂的綜合流通性大幅下降。

圖7 X2井250～550 μm擋砂介質(zhì)及沉積段試驗動態(tài)Fig.7 Experimental dynamic of sand-retaining medium and sedimentary section with precision of 250-550 μm,well X2

圖8 X2井250～550 μm擋砂介質(zhì)及沉積段綜合滲透率變化Fig.8 Comprehensive permeability of sand-retaining medium and sedimentary section with precision of 250-550 μm,well X2

使用250～550 μm金屬濾網(wǎng)阻擋中值粒徑為40.3 μm的純泥砂，與碳酸鹽巖儲層井壁坍塌和儲層純泥砂復合產(chǎn)出生產(chǎn)條件相比，儲層純泥砂產(chǎn)出條件下?lián)跎敖橘|(zhì)及井筒沉積物的整體流通性降幅約92%。疏松砂巖儲層機械篩管堵塞平衡后的滲透率通常小于1 000×10-3μm2[22]，說明X2井在儲層純泥砂產(chǎn)出條件下進行控砂完井后的平衡滲透率在可接受的范圍內(nèi)，控砂完井后的流通性能可以滿足正常生產(chǎn)需求。

綜合分析試驗結(jié)果，認為針對碳酸鹽巖儲層X1井的復合失穩(wěn)和X2井的純泥砂產(chǎn)出兩種生產(chǎn)條件，通過完井作業(yè)下入一定精度的防砂篩管能夠滿足實際生產(chǎn)所需的擋砂性及流通性。

4 碳酸鹽巖儲層泥砂控制優(yōu)化試驗

4.1 泥砂、巖塊/巖屑復合產(chǎn)出下的精度優(yōu)化

為優(yōu)選在碳酸鹽巖儲層井壁坍塌和儲層純泥砂復合產(chǎn)出生產(chǎn)條件下控砂完井篩管的擋砂精度，使用250～550 μm的擋砂介質(zhì)、X1井沖撈砂樣，開展泥砂、巖塊/巖屑復合產(chǎn)出下的控砂模擬試驗。4種擋砂介質(zhì)在不同驅(qū)替流量下的綜合平衡滲透率如表1所示。

在模擬泥砂、巖屑/巖塊復合產(chǎn)出生產(chǎn)條件下，觀察到450和550 μm擋砂介質(zhì)及充填段的綜合滲透率隨流量的升高而降低，其原因是流量越高，泥砂和巖屑/巖塊堆積越密實，導致綜合滲透率降低，但滲透率最終都趨于平衡。隨著驅(qū)替流量的提高，350 μm擋砂介質(zhì)及充填段綜合滲透率降低幅度最小，平均降低幅度約為13%。當驅(qū)替流量一定時，350、450及550 μm擋砂介質(zhì)及充填段綜合滲透率隨擋砂介質(zhì)孔徑增大而顯著增大。450 μm擋砂介質(zhì)較300 μm擋砂介質(zhì)綜合滲透率平均增幅約143%；550 μm擋砂介質(zhì)較450 μm擋砂介質(zhì)綜合滲透率平均增幅約35%。

綜合考慮擋砂性能和流通性能，250 μm擋砂介質(zhì)及充填段綜合流通性較差，在進行精度優(yōu)化時暫不考慮。350、450及550 μm擋砂介質(zhì)其擋砂性能相近，優(yōu)選篩管擋砂精度主要考慮其綜合流通性能。針對碳酸鹽巖儲層中值粒徑為289.5 μm的泥砂及巖屑/巖塊，推薦完井篩管的擋砂精度為0.5～0.6 mm，或在保證擋砂性能的前提下適當放寬篩管精度。

表1 泥砂、巖屑/巖塊復合產(chǎn)出條件下?lián)跎敖橘|(zhì)及充填段綜合平衡滲透率Table 1 Comprehensive equilibrium permeability of sand retaining medium and filling section under different simulation conditions

4.2 儲層純泥砂產(chǎn)出下的精度優(yōu)化

為優(yōu)選在碳酸鹽巖儲層純泥砂產(chǎn)出生產(chǎn)條件下控砂完井篩管的擋砂精度，使用250～550 μm的擋砂介質(zhì)、X2井沖撈砂樣，驅(qū)替流量0.6 m3/h開展儲層純泥砂產(chǎn)出下的控砂模擬試驗，得到250、350、450及550 μm擋砂介質(zhì)及沉積段綜合平衡滲透率分別為1.330、1.86、2.05、3.12 μm2。在驅(qū)替流量一定時，擋砂介質(zhì)及沉積段綜合平衡滲透率隨擋砂介質(zhì)孔徑增大而增大，其中550 μm擋砂介質(zhì)較450 μm擋砂介質(zhì)綜合平衡滲透率增加幅度最大，增幅約52%。

綜合考慮擋砂性能和流通性能，由于250、350、450及550 μm擋砂介質(zhì)過砂率分別為2.6%，6.9%、8.9%和11.9%，為了更好地控制細質(zhì)泥砂的產(chǎn)出，針對碳酸鹽巖儲層中值粒徑為40.3 μm的純泥砂，建議將完井篩管的擋砂精度提升，推薦擋砂精度為0.3～0.4 mm。

4.3 考慮攜砂生產(chǎn)的精度優(yōu)化

為模擬碳酸鹽巖油井在“完全擋砂”條件下?lián)跎敖橘|(zhì)的綜合流通性及擋砂性能，使用振動篩將X3井的泥砂、巖屑/巖塊篩分為粒徑大于1 mm的粗質(zhì)砂礫和粒徑小于1 mm的細質(zhì)泥砂兩部分，在井筒模擬裝置內(nèi)分別預充填粗質(zhì)砂礫，設置不同的充填厚度模擬儲層不同程度的失穩(wěn)狀況，設置驅(qū)替流量為0.6 m3/h，使用550 μm擋砂介質(zhì)，然后通過來流攜砂驅(qū)替開展不同失穩(wěn)程度下的控砂模擬試驗。得到550 μm擋砂介質(zhì)及充填段滲透率變化曲線如圖9所示。

圖9 X3井550 μm擋砂介質(zhì)及充填段綜合滲透率變化Fig.9 Comprehensive permeability curve of sand retaining medium and filling section with precision of 550 μm,well X3

結(jié)果表明，在使用550 μm擋砂介質(zhì)模擬未疏通細砂、砂礫充填厚度8、16、32 cm條件下綜合滲透率分別為64、43和46 μm2，擋砂介質(zhì)過砂率在3.8%、2.9%和2.4%，擋砂性能良好。在使用550 μm擋砂介質(zhì)模擬放寬擋砂精度疏通細砂、砂礫充填厚度8、16、32 cm條件下充填段兩側(cè)平均壓差分別為9、18和35 kPa，表明兩側(cè)壓差基本上隨著充填厚度的加倍而加倍。說明碳酸鹽巖儲層井壁不同失穩(wěn)程度下?lián)跎敖橘|(zhì)的過砂率和綜合滲透率變化不大，但油氣的滲流阻力明顯增大。

最后評價疏通細砂生產(chǎn)對產(chǎn)能影響，在使用550 μm擋砂介質(zhì)模擬放寬擋砂精度疏通細砂、砂礫充填厚度8、16、32 cm條件下綜合滲透率分別為745、724和748 μm2，與未疏通細質(zhì)組分相比，綜合流通性大幅提高約12倍。根據(jù)產(chǎn)能評價模型[27]和試驗結(jié)果，計算不同生產(chǎn)條件下的井筒沉積堵塞后的表皮系數(shù)及其對產(chǎn)能的影響。在環(huán)空未沉積產(chǎn)出砂礫時，當量滲透率無窮大，表皮系數(shù)為0，產(chǎn)能比為1.0。在未疏通細砂時，按射孔完井進行折算，得到表皮系數(shù)為6～8，產(chǎn)能比約為0.62～0.72。同理，在疏通細砂時，得到表皮系數(shù)約為2.1～2.3，產(chǎn)能比為0.95～0.97。綜上分析，適當放大擋砂精度，疏通細質(zhì)組分而將粗質(zhì)組分阻擋在篩管外環(huán)空，油井的表皮系數(shù)降低約70%，產(chǎn)能比提高約40%。所以針對碳酸鹽巖儲層的高產(chǎn)井，推薦放大擋砂精度進行適度攜砂生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

(1)利用精度250～550 μm金屬濾網(wǎng)阻擋中值粒徑為289.5和40.3 μm的碳酸鹽巖泥砂及巖屑/巖塊，過砂率均小于12%，堵塞平衡滲透率均大于1.3 μm2，綜合考慮擋砂和流通性能，針對以X1井和X2井為代表的碳酸鹽巖儲層失穩(wěn)井進行固體控制可行。

(2)針對中值粒徑為289.5 μm的泥砂與巖屑/巖塊，推薦完井篩管的擋砂精度為0.5～0.6 mm，也可適當放寬精度；針對中值粒徑為40.3 μm的純泥砂，篩管精度0.3～0.4 mm可實現(xiàn)有效阻擋。

(3)對于碳酸鹽巖儲層泥砂產(chǎn)出，適當放大擋砂精度，可以疏通細質(zhì)泥砂組分而將粗質(zhì)組分阻擋在篩管外環(huán)空，與“完全防砂”條件下相比，油井的表皮系數(shù)降低約70%，產(chǎn)能比提高約40%。