海上疏松砂岩防砂方式优选及决策方法研究
2019-04-09张磊潘豪曹砚锋闫新江
张磊，潘豪，曹砚锋，闫新江
(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)
闫伟
(中国石油大学(北京)非常规天然气研究院，北京 102249)
据相关资料报道，全世界约有40%的油井需要采取防砂措施，并且这个比例还在逐年递增。我国海上油藏基本上属于疏松砂岩，该类油藏具有孔渗高，岩性胶结差、强度低，出砂可能性高等特征，且普遍采用砾石充填的防砂方式进行完井[1]。随着海上油田的不断开发，相关问题也日益凸显，主要表现为： ①单井产能低；②疏松砂岩储层出砂严重[2]。因此，如何选择合理的防砂方式、有效地控制出砂以及提高单井产能是我国海上油田开发亟需解决的问题[1][3]。
1 国内外防砂方式图版选择方法
通过调研国内外文献，发现许多学者已经针对防砂方式选择方法开展了大量的研究工作，并对不同地区的防砂提出了相应的解决方案。
其中具有代表性的Johnson 方法既考虑了地层砂粒度中值的分布范围，又考虑了地层的均匀系数[4]。Johnson方法不足之处在于没有考虑地层砂中泥质的含量，对于机械防砂而言，泥质含量往往是一个很重要的因素，其中地层黏土含量对筛管完井的寿命影响很大。
Tiffin设计方法[5]引入了2个参数来对地层砂的粒度分布进行评价：分选系数(D10/D95)及细粉砂的质量含量(小于44μm的颗粒的质量分数)，然后结合地层砂的非均匀系数，形成了新的砾石充填或筛管完井选择标准。Tiffin认为砾石充填完井可以很好地防止那些砂粒分布正常的油藏砂粒侵入。但Tiffin设计方法并不适用于所有储层，特别是一些非均质性强的储层。
针对我国海上油田的储层特点，“十一五”期间,国家科技重大专项首次把黏土矿物体积分数用到了选择防砂方式和挡砂精度设计中。通过开展大量的室内出砂模拟试验、统计分析国内外众多油田的数据，建立了针对海上储层的防砂方式优选图版[6](如图1所示)，其中黏土体积分数及黏土矿物吸水膨胀性为防砂方式优选的重要因素。
图1 海上疏松砂岩油藏防砂方式优选图版
上述防砂方式选择方法考虑了较为全面的影响因素，主要包括储层粒度分布、储层非均质性、泥质体积分数、黏土矿物组分等[7,8]。但是二维图版设计方法考虑因素过于局限，并且难以同时考虑多个影响因素来进行防砂方式选择，因此容易导致设计过程中防砂方式选择得不合理。试验研究表明，疏松砂岩储层中的蒙脱石体积分数、细粉砂体积分数是防砂方式选择影响因素的重要组成部分[9,10]。
2 我国海上油田防砂方式选取的主要影响因素分析
上述分析得到了防砂方式选择的主要影响因素，基于该分析结果，笔者统计了我国海上油田三大海域20个油田的储层特性以及防砂方式，同时分析了不同因素对防砂方式选择的影响程度。统计数据(表1)海上油田粒度中值、非均匀系数、黏土矿物总体积分数分布范围如下：D5090%集中在50～250μm之间；非均匀系数80%集中在3～10之间；黏土矿物总体积分数90%集中在5%～20%之间。
2.1 储层粒度中值及非均匀系数对防砂方式的影响
根据D50及非均匀系数的范围，将整个统计图划分成5个区域(图2)，各区域采用相应的防砂方式。归纳如下：第Ⅰ区域D50<100μm，属于细粉砂地层，防砂难度大，基本采用砾石充填防砂；第Ⅱ区域D50>250μm，属于中、粗砂地层，均可采用优质筛管防砂；第Ⅲ区域100μm
2.2 黏土矿物总体积分数及组分对防砂方式选择的影响
根据黏土矿物总体积分数及黏土中吸水膨胀性强的蒙脱石的绝对体积分数，将整个统计图划分成4个区域(图3)，各区域采用相应的防砂方式。第Ⅰ区域,黏土矿物总体积分数<10%，采用优质筛管防砂。第Ⅱ区域,黏土矿物总体积分数>25%，采用砾石充填防砂。第Ⅲ区域10%≤黏土矿物总体积分数≤25%：Ⅲ1——黏土中蒙脱石绝对体积分数<7%，采用优质筛管防砂；Ⅲ2——黏土中蒙脱石绝对体积分数>10%，采用砾石充填防砂；Ⅲ3——黏土中蒙脱石绝对体积分数在7%～10%，属于混合边界区域，需进一步考虑粒度分布因素的影响。
2.3 储层粒度分布特性及蒙脱石绝对体积分数对防砂方式选择的影响
由于黏土矿物的粒径范围属于细颗粒范畴，而蒙脱石水化膨胀特性对筛管防砂能力的影响程度较大，直接体现在降低筛管的抗堵塞能力。根据粒度中值D50和黏土中蒙脱石体积分数对防砂方式影响的统计结果，将整个统计图划分成4个区域(图4)，不同区域采用相应的防砂方式。归纳如下：第Ⅰ区域D50<100μm，采用砾石充填防砂；第Ⅱ区域D50>250μm，采用优质筛管防砂；第Ⅲ区域100μm≤D50≤250μm，Ⅲ1——蒙脱石绝对体积分数>7%采用砾石充填防砂，Ⅲ2——蒙脱石绝对体积分数<7%采用优质筛管防砂。
表1 海上油田储层特性与防砂方式统计表
图2 D50与非均匀系数 图3 黏土矿物总体积分数与蒙脱石绝对体积分数 对防砂方式的影响 对防砂方式的影响
2.4 储层非均匀系数及黏土矿物总体积分数对防砂方式选择的影响
上述内容分析了粒度中值与蒙脱石绝对体积分数对防砂方式选择的影响，而反映储层粒径变化特性的非均匀系数及储层黏土矿物总体积分数对防砂方式的影响也有必要进行研究，找出防砂方式临界优选范围。由非均匀系数与黏土矿物总体积分数对防砂方式的影响关系(图5)可以分成3个区域：第Ⅰ区域,黏土矿物总体积分数<10%，采用优质筛管防砂。第Ⅱ区域,黏土矿物总体积分数>10%，Ⅱ1——非均匀系数<5或>10，采用优质筛管防砂； Ⅱ2——5≤非均匀系数≤10，属于混合边界区域，需进一步通过试验确定防砂方式。
图4 D50与蒙脱石绝对体积分数 图5 非均匀系数与黏土矿物总体积分数 对防砂方式的影响 对防砂方式的影响
2.5 储层非均匀系数及蒙脱石绝对体积分数对防砂方式选择的影响
图6 非均匀系数与蒙脱石绝对体积分数对防砂方式的影响
根据粒度非均匀系数及黏土中蒙脱石绝对体积分数对防砂方式影响的统计结果的分析可以得到，非均匀系数对防砂方式选择的影响程度并不显著，而更重要的取决于蒙脱石的绝对体积分数，因此可以将整个统计图划分成2个区域。归纳如下：第Ⅰ区域,蒙脱石绝对体积分数<7%，采用优质筛管防砂；第Ⅱ区域,蒙脱石绝对体积分数>7%，采用砾石充填防砂。 根据上述试验研究、利用统计分析以及结合传统防砂图版，目前认为储层粒度中值、非均匀系数、分选系数、蒙脱石绝对体积分数、细颗粒体积分数是影响海上油田防砂方式选择的重要因素。
3 室内试验分析防砂方式的影响因素
由于选择防砂方法考虑的因素繁多，且很多因素的适应界限难以确定，给防砂方法的优选造成了很大困难。目前防砂方法的选择主要靠经验确定，不可避免地存在一些片面性和局限性。通过对海上多个油田的防砂方法及地层参数的统计，初步确定防砂方式的使用范围，应用模糊数学原理建立其选择的技术评价模型，为防砂方案决策提供科学手段，量化因素模糊集合的隶属函数的表示方法分为以下4种情况[11]：
1)适应条件范围为(Bx,+∞)的情形：
2)适应条件范围为(-∞,Bd)的情形：
3)适应条件范围为(Bx,Bd)的情形：
4)适应条件范围为(-∞,+∞)的情形：
A(μ)=1
式中:A(μ)为隶属函数；μ为个体元素；Bx为划分模糊集合三分段的小界量；Bd为大界量。
以上是传统模糊数学原理建立的技术评价模型。针对我国海上疏松砂岩的出砂特点，做出合理的防砂方案。该次研究对传统评价模型进行如下修正：
式中：A(b)为隶属函数；b为个体元素，即影响防砂效果的因素的字符串；bmin为划分模糊集合三分段的小界量；bmax为大界量；k1、k2为权重系数。
权重系数表示某因素对某防砂方法的影响程度，通过权重系数可以调节各因素在防砂方法选择中的重要性。所有因素的权重系数之和为1。对于某一特定防砂方法，对其影响较大的因素的权重系数较高，反之较低，几乎没有影响的因素的权重系数可以设为0。根据层次分析法并借鉴陆上油田经验及专家打分评定，确定各参数的权重系数。
D50、细颗粒体积分数、非均匀系数、分选系数及蒙脱石绝对体积分数5个因素的权重系数通过专家打分方式确定，一共咨询了该领域的10位国内外专家学者，给出了5因素的权重系数。统计结果如表2所示。
表2 防砂方式选择5因素专家打分表
表2给出了专家对各防砂参数打分情况所占比例数据，为了更客观地反映各参数在防砂方式中权重比例，采用专家排序法对表2数据进行排序。排序规则：最重要的因素记为1，排在最前面，次重要的因素记为2，…。假设有n个因素，请m个专家来排序，其结果为一个m行n列的数表，其数字为1，2，…,n。每一个因素排在第几位的序号数称为叫做该因素的秩(对于因素排序相同的情形，如1个第一名，2个第二名，1个第四名，1个第五名的情形，这时因素排列相同的2个第二名的秩均取为2.5)。把m个专家对该因素所评定的秩加起来所得数称为该因素的秩和，用R来表示。第j个因素的秩和用Rj表示。若用dj表示第j个因素的权重，则权重的计算公式如下：
防砂方式选择五因素专家打分排序表及权重系数计算结果如表3所示。
表3 防砂方式选择五因素专家打分排序表及权重系数
对多个油田5因素数据进行打分，根据分数来确定优质筛管防砂和砾石充填的分界点。图版无法直接选择时，可以采用5因素打分方式的计算方法，高于临界分数推荐优质筛管，低于临界分数推荐使用砾石充填防砂。
图7中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ区域分别对应以下防砂建议：
1)当某油田的总权数落在区域Ⅰ，无需试验，可直接选择优质筛管进行防砂设计。
2)当总权数位于区域Ⅱ时，选择优质筛管防砂方式是可行的。此外，为了确保防砂方案的准确性及降低防砂失效风险性，可进行少量室内试验进行辅助验证。
3)区域Ⅲ对应的防砂方式建议选择砾石充填，若从节约施工成本及减少难度角度出发，选择优质筛管进行防砂作业，需要进行室内防砂试验进行效果评价，以确保防砂设计的合理性，减小失效几率。
4)砾石充填防砂作业是区域Ⅳ的最佳选择。
根据WC14-3油田和WZ11-1E油田的储层物性特征，结合修正的防砂方式评价模型及新型防砂方式优化图版(图8)可以看出，该次研究提出的方法及图版推荐的防砂方式与现场基本相符，说明建立的新型防砂方式雷达图版是合理的，能对现场防砂方案提供一定指导作用。
4 结论
1)利用大型防砂效果室内评价装置，开展了防砂筛管堵塞机理及对产能影响规律研究，提出了粒度中值、细颗粒体积分数、非均匀系数、分选系数、蒙脱石绝对体积分数的五因素防砂方式优选图版，完善了海上油田防砂设计理论与方法。
2)在充分结合国内外防砂方式选择图版的基础上，进一步开展防砂方式选择分析研究，增加分选系数和细颗粒体积分数作为防砂方式选择的影响因素，并使用量化因素模糊集合的隶属函数表示方法实现防砂方式选择定量化。
3)结合我国海上多个油田的实际运用，提出了基于多因素的防砂方式优选雷达图版可以快捷准确地指导防砂方式优选，起到降本增效的作用，值得进一步推广与应用。
图7 新型防砂方式雷达图 图8 现场实例验证图
