乌干达湖上K油田防砂参数设计及优化试验研究

文敏，王平双，何保生，刘书杰曹砚锋，杨玉贵，潘豪 （中海油研究总院，北京100028）

在油气井开发生产过程中，防砂设计是完井中一个重要的决策过程，合理的防砂方法和参数设计确保了油气井全寿命生产周期内的高效高产开发。据相关资料报道，全世界的油井约有40%需要防砂，这个比例每年还在递增。根据现有防砂原理及工艺特点，防砂方法大致可以分为机械式防砂、化学防砂、复合防砂和其他防砂方法几类［1～3］，其中机械防砂应用最为广泛［4］。通过调研现有对陆上油田的防砂研究比较透彻，但是在对于湖上和深水油气田的防砂方式比较单一，由于水环境的复杂和风险性，多数深水油气田采用砾石充填完井方式，注水井采用套管射孔、绕丝筛管及优质筛管完井。对特定的油气田来说，地层粒度、泥质含量、细粉砂含量的影响对防砂方式选择具有重要的决定性。而对非洲中部乌干达西北部的湖上K油田，由于其粒度的不确定性及防砂后其产量的不确定性，根据粒度资料和测井资料，在防砂经验设计方法的基础上利用实验方法进行优化，建立更适合于湖上K油田的防砂方法及方式。

1 油田基本情况

K油田位于非洲中部乌干达西北部的Albert湖区，受正断层控制，南部圈闭以边界断层控制的半背斜为主。目的层主要位于上新统，沉积类型多为河流和三角洲，储层为多期叠置河道、三角洲砂岩，物源方向主要为北东向。储层埋深2200m，地层岩性主要以砂泥岩为主，砂泥岩成互层分布，且单层较薄，砂岩层厚度一般小于10m，泥岩层厚度比砂岩层略大，但基本不超过20m。储层2C属于中－高孔、中－高渗高凝油油藏，黏度较低。

2 K油田出砂可能性分析及评价

影响地层出砂的因素很多，一般认为井壁岩石的应力状态和岩石强度等是油井出砂的内因，开采过程中生产压差的大小及地面操作条件是出砂的外因［5］。出砂指数是预测油气井生产初期是否出砂的有效方法，目前广泛应用的出砂指数有两种，即模量和出砂指数与模量积出砂指数。利用K油田探井的测井数据结合声波时差法对储层2C进行了分析，这3种预测方法一致显示其出砂可能性较大。

国内外通用的出砂临界压差预测模型主要有：Morita模型、剪切破坏模型、W-P模型和UCS／2经验模型等［6，7］。各模型的假设条件、适用井型、考虑的参数和出砂判断准则存在差异，因此具有自身不同的优缺点。根据K油田油藏特性和储层物性，结合地应力、岩石力学及储层压力等参数，优选出经验模型UCS／2进行储层的出砂预测。结果表明，K油田2C储层临界生产压差较低，初始时期的生产压差保持在2．5MPa以内地层才不会出砂。鉴于海外开发的许可有效期有限，短期高产是海外作业的一贯模式，限产会带来巨大的经济损失，所以K油田必须采取防砂措施。

3 K油田防砂经验设计

3.1 K油田储层粒度及泥质质量分数分布规律

储层粒度特征值分布范围和泥质含量的准确确定是有效防砂方式及参数设计的基础［8］。对K油田2C储层的地层岩样采用了激光粒度测试和筛析测试相结合的方法进行了分析。储层粒度变化范围比较大，粒度中值D50变化范围239～382μm，不均匀系数UC变化范围2．078～24．825，细粉砂质量分数6%～20%。主力储层均为中粗颗粒，非均质性强是该油田储层的一个主要特征。

由于现场取心费用昂贵、岩心稀少以及沉积环境差异、油藏纵横向上的各向异性和非均质性等特点，建立伽马、密度测井项与实测粒度特征值三者样本库，利用 “神经网络”学习性技术，结合开发井测井资料，建立整个粒度纵向分布剖面，为防砂设计提供准确的基础数据支撑。利用神经网络预测K油田2C储层的粒度中值D50在230～380μm之间，粒度较粗；UC在0～25，主要集中小于6；细粉砂质量分数为0%～24%，主要集中小于9%。对K油田2C储层岩心进行了X－衍射全岩分析和黏土矿物成分分析试验，结果表明2C主力储层的泥质质量分数5%～18%，平均泥质质量分数11．8%，黏土矿物成分主要以伊利石为主，蒙脱石和绿泥石次之，吸水膨胀性较强。

3.2 K油田防砂方法及参数设计

根据K油田储层粒度特征值分布范围和泥质质量分数等参数，采用George Gillespie and Johnson的防砂设计方法和Tiffen防砂设计标准示意图以及中国石油大学岩石力学实验室防砂设计图版对2C储层进行防砂方式选择［9～11］，初步推荐采用优质筛管或砾石充填方法防砂完井。根据常用的Saucer最小包络线计算方法选择最优砾石尺寸［12］，并结合Coberly和Penberthy的研究成果，可以大致确定砾石规格和优质筛管的挡砂范围。

4 室内出砂模拟试验优化

基于经验设计方法，针对K油田储层特性和生产压差，对不同挡砂精度 （150、200、250、300μm）的优质筛管防砂和不同防砂组合方式 （250μm绕丝筛管砾石充填、250μm独立优质筛管及250μm优质筛管砾石充填）进行模拟试验［11］。

1）实验1 对比该油田利用优质筛管防砂后产能的变化及防砂效果，如图1～4所示。对于4种防砂筛管在初始阶段其米采油指数相差较大，孔喉直径越大其米采油指数越高，在试验稳定阶段，300μm优质筛管时的米采油指数相对于其他3个精度 （250、200、150μm），分别增加了26．72%、38．039%、152．3%。从含砂质量分数比较，300μm优质筛管的出砂量远大于其他3个精度，超过了油气井安全生产的要求，其他3个精度能满足油气井安全生产的防砂要求。优质筛管防砂过程中，随着筛管孔径的变大，其出砂粒度越大，说明在K油田产层段的防砂过程中，小精度的优质筛管挡砂范围更广，结合不同筛管精度防砂下的米采油指数，推荐使用250μm的优质筛管防砂。

图1 不同精度优质筛管的米采油指数随时间变化曲线

图2 不同精度优质筛管的油中含砂质量分数随时间变化曲线

图3 不同精度优质筛管米采油指数对比图

图4 不同精度独立优质筛管粒径对比图

图5 不同防砂组合方式的米采油指数随时间变化曲线

图6 不同防砂组合方式油中含砂量随时间变化曲线

2）实验2 对比K油田采用3种不同组合防砂方式以后产能的变化及防砂效果，其中根据地层砂粒径分析选用10～30目砾石尺寸进行模拟实验，如图5～8所示。对于3种组合砾石充填防砂方式下在初始阶段其米采油指数相差不大，但是在试验稳定阶段，250μm优质筛管砾石充填防砂时的米采油指数与割缝筛管砾石充填两者相当，两者为流量稳定后独立筛管米采油指数的2．73倍，从含砂质量分数比较，250μm优质筛管砾石充填＜250μm独立优质筛管＜250μm绕丝筛管砾石充填。其中绕丝筛管充填砾石的出砂量超出了海上油井安全生产的要求，不可用于该油田的防砂作业。优质筛管砾石充填的出砂粒度中值D50＞独立优质筛管出砂的D50，说明优质筛管砾石充填较其他防砂方式的挡砂的范围广，对于K油田产层段的防砂方式，优质筛管砾石充填较独立优质筛管挡砂的范围广。

综述以上试验，对于K油田，推荐使用250μm的优质筛管＋10～30目砾石充填进行防砂。

图7 不同防砂组合方式米采油指数对比图

图8 不同防砂组合方式粒径对比图

5 K油田现场产量分析

将油田现场的井型、开发段长度与采用相应防砂方式后的米采油指数与配产的产液量结合起来进行对比，取部分井的配产与试验产液量对比如图9所示，试验产液量完全能满足配产要求的产液量。

图9 部分井配产和试验产液量对比图

6 结论

1）通过对乌干达湖上K油田的测井资料统计并进行了出砂预测分析，发现储层2C的出砂可能性较大，并对其出砂临界生产压差利用多种模型进行了预测，K油田2C储层临界生产压差较低，出砂的可能性较大，在生产初期的压差保持在2．5MPa以内地层才不会出砂。

2）在其粒度分析和黏土矿物分析的基础上，进行了防砂方式和防砂精度的初步优选。随着优质筛管挡砂精度的放大，产能和出砂量都随之增加。但是出砂量在油井安全生产要求范围之内，优质筛管充填防砂下稳定后的产砂量和米采指数都优于独立优质筛管防砂。对于K油田，推荐使用250μm的优质筛管＋10～30目砾石充填进行防砂，并将其产量与现场的配产进行对比，其可以满足现场的配产要求。

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