高含水期疏松砂岩油藏治砂研究

李源平，潘益民 (中石油大庆油田分公司第八采油厂，黑龙江 大庆 163514)

高含水期疏松砂岩油藏治砂研究

李源平，潘益民 (中石油大庆油田分公司第八采油厂，黑龙江 大庆 163514)

高含水期砂岩油藏治砂研究包括出砂预测和防砂技术研究。通过分析油井出砂和防砂存在的问题，从油藏出砂机理、出砂预测方法和防砂技术3个方面阐述疏松砂岩油藏治砂研究现状和应用水平，指出预测方法和防砂技术的不足之处。

高含水期；治砂；出砂机理；出砂预测；防砂技术

随着油藏进入高含水期开发阶段，为满足油田开发降本增效的需要，油井单井采液量增加，出砂不可避免成为疏松砂岩油藏开采过程中所遇到的主要问题之一，实践也证明疏松砂岩油藏在高含水期几乎每口油井都会出砂，含砂量是油藏开发初期的近10倍左右[1]。出砂加剧杆管泵磨损，导致泵漏、管漏、砂卡、砂埋油层等，免修期降低，维护成本居高不下，严重时还会导致地层坍塌，套管损坏，油井报废，给油田增产稳产措施带来了极大困难。笔者通过对大庆、胜利、克拉马依、辽河、冀东等油田油井出砂分析，认为疏松砂岩油藏在高含水开发时期，油井治砂从油层到井筒，然后到地面技术的措施制定和成本管理等一系列工作中，存在以下问题：出砂导致油藏储层空间破坏，加剧地层亏空；出砂动态变化使得传统防砂工艺适应性变差，报废井增多；开发调整措施加剧油层出砂，治砂工作与油田开发成本不协调。因此如何准确预测出砂，运用配套工艺技术进行防砂已成为治砂问题的难点。

1 出砂机理

范兴沃等[2]在前人的基础上进行分析、总结，将出砂机理分成为5类：①根据地层特点分析出砂；②根据剪切应力和张应力的作用分析出砂；③根据砂拱稳定机理分析出砂；④根据砂粒从骨架脱附情况分析出砂；⑤根据出水后岩石性能的变化分析出砂。

由此看来油藏出砂是多种因素作用的结果，但其中最重要的2个因素是地层压力和多相流体的渗流作用，当然在高含水期，出砂机理也与这2个因素有着最密切的关系，但笔者认为流体渗流作用与微粒运移显得更重要。因为油井生产见水后，泥质胶结物逐渐膨胀疏松，胶结强度下降后形成出砂微粒，到高含水期，近井地带已经经过强烈的冲刷，此时微粒的运移依赖于储层温度、流体组成、流体pH值等因素。在排除地层岩石颗粒分布、孔隙大小分布、岩石的成分及胶结类型等引起油层出砂的内在因素外，微粒运移就受控于流体渗流作用，加之油井在生产压差和建立压差的方式、采液强度等因素的共同作用下，使得流体渗流作用更为复杂化，这便成为高含水期油藏出砂的直接原因。

2 出砂预测方法

目前各个油田预测出砂的主要方法有现场预测法、经验公式和图表法[3-5]、模拟模型法。

2.1现场预测法

油藏开发后期高含水，现场预测出砂的资料有岩心、综合测井曲线、邻井状态、作业探砂情况和其它一些测试资料。岩心主要是开发初期探井取心和后期调整井取心，现场可以直接进行岩心判断和岩石胶结物分析。如果岩心出现一触即碎，或用指甲就能在岩心上刻痕，或岩心遇水浸泡后很快松散，或取出的岩心停放一段时间后自行破裂等现象，就能直接判断油井出砂可能性很大。岩心疏松与胶结物种类、数量和胶结类型有关，砂岩胶结物主要有粘土、碳酸盐、硅质和铁质等，以硅质和铁质的胶结强度最大，碳酸盐次之，粘土最差。对于同一类型的胶结物，其数量越多，胶结强度越大，越不容易出砂，反之亦然。综合测井曲线中常用声波时差曲线，声波时差同岩石的孔隙度有良好的对应关系，较小的声波时差，代表低孔隙度、坚硬、高密度岩石；较大的声波时差值，代表高孔隙度、松软、低密度岩石。现场经验表明，当声波时差大于295μs/m时，就需要考虑油层是否有出砂的可能性。另外，同一油藏中的DST测试，作业过程中探砂面情况，同一口井在不同时期进行试井测试，邻井出砂分析都能预测出砂可能性和出砂程度。

2.2经验公式和图表法

1)经验公式法 常用经验公式有出砂指数和斯仑贝谢比。出砂指数定义为：

式中，B为出砂指数，104kg/(m·s2)；k为体积模量，104kg/(m·s2)；μ为切变模量，104kg/(m·s2)；ρ为岩石密度，kg/m3；Δtp为纵波时差，μs/m。当出砂指数采用英制单位时，Bgt;3为不出砂；Blt;2为出砂；2≤B≤3为少量出砂。出砂指数法理论上未考虑射孔及产液对岩石颗粒拖曳力的影响，临界值是根据经验算出的，也是多种因素影响的结果。

斯仑贝谢比定义为：

式中，Vc、Vs分别为纵波、横波速度，m/s；R为斯伦贝谢比，kg2/(m2·s4)。当R大时，表示岩石强度大，稳定性好，不易出砂；反之则易出砂。R同B一样，均由岩石力学参数定义，可根据测井资料计算。R比B能更好地估计岩石的强度和稳定性，因为R大时，意味着K、u均大；而B大时，可能k、μ中只有一个较大。用斯伦贝谢比判断出砂虽然较出砂指数法准确，但公式计算中涉及到的横波运算相对麻烦，以前常采用此方法预测出砂，现在运用不多。

2)图表法 图表法是用图表来挖掘各个参数之间存在的关系，包括双参数和多参数法。双参数是指以声波时差为横轴，生产压差为纵轴，把数口井的时差、生产压差数据点绘在坐标图上，则出砂井数据点形成一个出砂区，然后把预测井的数据点绘在同一坐标图上，若落点在出砂区则该井出砂，否则不出砂。多参数法是指建立一个出砂井与深度、开采速度、生产压差、采油指数、泥质含量、含水率等的判别函数，用该函数判别油井是否出砂。多参数法因所需要数据太多，不常用。

2.3模拟模型法

1)实验室模拟模型法 模型模拟实质就是实验室模拟研究和数值计算预测，目前有关出砂的模型建立很多，包括建模的理论基础，模型样式，各个研究者针对不同研究对象有不同的建模方向，笔者将模拟模型法分为实验室模拟模型法和数值模拟模型法，后者实际上是前者的特殊情况。实验室模拟可以模拟出砂环境下的出砂行为来认识出砂机理和各种生产工艺及参数对出砂的影响，然后根据模拟结果与矿场生产情况相结合进行出砂预测。实验室模拟模型包括岩心实验模型、三轴试验及破坏模型、裸眼井预测模型、射孔完井预测模型、连续出砂预测模型等，还可以根据模拟规模分为大型模拟模型和小型模拟模型。无论采用什么模型，本质上都是考虑到油藏储层空间和井况2个大方面的因素，然后再细分到油藏孔渗性、流体高压物性和井况中钻井、完井和动态开发条件造成出砂的因素分别进行讨论，然后再根据各自影响因素的程度，建立实验室的参考模型和判别标准。

2)数值模拟模型法 数值模拟就是数据挖掘，能够从大量的、不完全的，模糊的和随机的实际应用数据中，提取隐含在其中、事先不知道的、但又是潜在有用信息和知识的过程。出砂数值模拟模型通过从数据中发现隐含的、有意义的知识来预测未来趋势，做出前摄性的、基于知识的决策。数值计算运用了有限元、数值分析、概率统计和回归分析、模糊数学理论等数学方法，结合弹性力学、渗流力学等学科，以及利用实验室岩石特性测量数据和测井解释等数据进行综合分析。随着计算机技术的发展，许多大型数值计算为数值模拟提供了方便，在高含水开发期，油藏出砂受到的影响因素增多，情况变的更为复杂，为进一步研究出砂机理及其影响因素来更好的预测出砂，需要更高精度的数值方法，数值模拟模型法的优越性就显现出来了。如神经网络法是一种预测出砂潜力的新方法，应用中也展示了较高的精确性，该方法就是运用计算机技术完成数值处理的一种模拟方法，然后将模拟结果用于实践证明。

3 防砂技术

高含水期疏松砂岩油藏如何防砂，需要针对不同油井出砂类型进行了分类治理，随着油藏开发动态变化，防砂技术也在不断完善，配套工艺也在不断改进，并从单一的防砂技术向综合防砂技术发展。目前各油田形成了机械防砂、化学防砂和复合防砂3大主导技术。

3.1机械防砂

机械防砂是通过向井筒内下器具的方式达到防砂目的，可以分为2类：

1)向井下放置机械管柱的方法 如绕丝筛管、割缝衬管、各种滤砂管等，这种方法简单易行，施工成本低，缺点是防砂管容易被地层砂堵塞，只能阻止地层砂产出到地面而不能阻止地层砂进入井筒，且有效期短。该技术适用于泥质含量较低、砂粒粒径分选好、油砂中值大于0.1mm的中、粗砂岩、原油粘度小、供液能力强的地层，而且油井要生产井段小、采液指数较高。

2)管柱砾石充填 这种方法施工复杂，成本较高，但挡砂效果好，有效期长，成功率高，可用于细、中、粗砂岩地层，垂直井、定向井等复杂条件的油井，缺点是易形成砂堵，增加了油流入井筒的阻力，近井地带污染严重，防砂后油井产能下降。目前虽然油气井防砂作业中有80%以上属于机械防砂，但是各种机械防砂技术都有其自身的特点和适应性，而且大都难以胜任高含水期出砂严重或多次防砂作业任务，相应的防砂作业费用也越来越高。为此只有研发适应性更强的机械防砂技术，例如双层预填充筛管和可膨胀防砂管防砂就是典型例证，它综合利用了砾石充填防砂和滤砂管防砂两者的优点[6]。

3.2化学防砂

化学防砂是向油层注入化学药剂或者化学剂与砂、浆的混合物，使油层中砂粒或充填到地层的砂石胶结起来，稳定地层结构，形成具有一定强度和渗透率的人工井壁，以防止砂粒进入井筒的一项技术，可以分为人工井壁和人工胶结地层2种方法：人工井壁是将树脂砂浆液、预涂层砾石、水带干灰砂、水泥砂浆、乳化水泥等挤入井筒周围地层中，固结后形成具有一定强度和渗透性的人工井壁；人工胶结地层是向地层注入树脂或其他化学固砂剂，直接将地层固结。化学防砂技术从油井出砂的主要原因着手，达到了标本兼职的目的，工艺简单，井中不留器具，后续作业无须打捞等，有利于多层完井和层系调整，还适合细粉砂岩油层防砂等。其不足之处在于固结强度不够高，防砂剂层的渗透性变差，后处理麻烦，有效期相对比较短等。随着油藏进入高含水期开发，水对出砂的影响增大，而大多化学防砂剂耐水性差，在水相中固结强度低，因此需要找到更多的在油水介质中能固化且固结强度更高的防砂剂，以满足高含水油井强采、强提液的需要。例如为适应高含水期和不同油层温度范围开采而研发的干水泥砂、酚醛树脂涂敷砂、脲醛树脂溶液、低温涂敷砂、轻质涂敷砂、防砂堵水复合材料就是很好的化学防砂工艺[7]。

3.3复合防砂

复合防砂是将机械防砂和化学防砂结合起来以控制地层出砂的一种防砂技术，它综合运用了化学与机械防砂的固砂、挡砂原理，防砂效果好，有效期长。作为现代防砂工艺技术，复合防砂不再单指机械防砂与化学防砂的组合，随着工艺技术的完善，机械防砂或化学防砂内部之间的组合也属于复合防砂。如纤维复合防砂技术就是一项既能“稳砂”又能“挡砂”的新技术，无须下入筛管，不会对渗透率造成伤害，这种技术采用了2种特种纤维，一种用来稳砂，将细粉砂聚集成较大的细粉砂结合体，另一种用来挡砂，挡住细粉砂结合体进入井筒，特别适用于高含水期细粉砂油层防砂[8]。

[1]陈晶，王华，逯同柱，等.应用配套技术治理油井出砂[J].油气田地面工程，2005，24(2)：27-28.

[2]范兴沃，李相方，关文龙，等.国内外出砂机理研究现状综述[J].钻采工艺，2004，27(3)：57-58.

[3]吕广忠，陆先亮，栾志安，等.油井出砂预测方法研究进展[J].油气地质与采收率，2002，9(6)：55-57.

[4]汪周华，郭平，孙雷，等.油气藏出砂研究现状及其发展趋势[J].特种油气藏，2005，12(4)：5-10.

[5]周林然，卢渊，伊向艺，等.中国油井出砂预测技术现状[J].油气地质与采收率，2006，13(2)：100-102.

[6]刘永红，张建乔，洪能国.机械防砂技术研究的新进展[J].石油机械，2005，33(9)：74-77.

[7]郑伟林，黄煦，王文凯，等.孤东油田化学防砂[J].油田化学，2002，19(3)：287-292.

[8]齐宁，张琪，周福建，等.纤维复合防砂技术的机理研究及应用[J].中国石油大学学报，2007，31(2)：83-86.

[编辑] 洪云飞

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年大学毕业，助理工程师，现主要从事油气田开发方面的研究工作。