基于多参数评分法的出砂风险评估方法

贺占国，王攀，车争安，陈立强，沈小军

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

产层出砂是困扰油气井生产的重要问题之一。出砂的危害主要有：（1）影响产量。产层出砂会造成井筒砂堵或砂埋地层，使油气井产量大幅度降低，甚至会导致油气井停产。（2）损害井下完井生产管柱和地面设备。砂粒在井液高速流动携带下会对井下完井生产管柱（包括完井工具、电潜泵、油管等）和地面设备（包括采油树和地面管线等）产生冲蚀和磨损[1]。因此判断油气井在开采过程中是否会出砂，选择合适的完井方式，对于经济有效地开采油气田是非常重要的。

目前常用的出砂预测方法有经验法、数值模拟计算法和室内试验法[2]。这些方法主要是根据测井资料或用岩心的岩石力学试验资料计算岩石强度参数，进行出砂预测。实际上，影响油气出砂的因素还有很多，如产层出水、地层压力衰竭、生产压差过大等。本文综合考虑以上因素，建立出砂风险评估体系，评估油气井的出砂风险，为完井方式选择提供决策依据。

1 出砂预测方法

1.1 经验法

1.1.1 地层孔隙度法

砂岩孔隙度是反映地层致密程度的一个参数。一般当地层孔隙度大于30%时，胶结程度差，易出砂；孔隙度在20%～30%之间时，地层会少量出砂；孔隙度小于20%时，地层不易出砂。

1.1.2 声波时差法

声波测井测出的声波时差(纵波)值同岩石的孔隙度有良好的对应关系，较小的声波时差值代表低孔隙度、坚硬、高密度岩石；较大的声波时差代表高孔隙度、松软、低密度岩石。经验表明，砂岩油层出砂声波门限值为：

（1） Δt＜312μs/m，为稳定砂岩，不易出砂；

（2） Δt＞345μs/m，为不稳定砂岩，易出砂；

（3） Δt在312～345μs/m 之间，为难以判断的砂岩。

1.1.3 出砂指数法

出砂指数法是利用测井资料中的声波速度及密度等有关数据计算岩石力学参数，再计算地层的出砂指数，从而进行出砂预测的一种方法。地层出砂的判定标准为：

式中：B为出砂指数，MPa；E为岩石弹性模量，MPa；μ为岩石泊松比，无量纲。

根据现场经验，出砂指数越大，稳定性越好，地层越不易出砂。通常情况下，当B＞2.0×104MPa时，地层不出砂或出砂轻微；当1.4×104MPa＜B＜2.0×104MPa 时，地层出砂；当B＜1.4×104MPa时，地层出砂严重。

1.1.4 斯伦贝谢法

斯伦贝谢出砂指数（S）为岩石的体积模量和剪切模量的乘积，其计算公式为：

式中：S为斯伦贝谢出砂指数，MPa2。S值越大，岩石强度越大，地层稳定性越好，越不易出砂；当S＜5.9×107MPa2时，地层可能出砂。

1.1.5 临界生产压差法

现场经验表明，一般生产压差小于储层单轴抗压强度的一半时，储层不易出砂。因此认为临界生产压差：

式中：Δp为临界生产压差，MPa；pUCS为单轴抗压强度，MPa。

1.2 数值计算法

数值计算法基于理论模型，利用有限差分法、有限元法及离散元法对井壁应力分布、流体流动情况及岩石特性进行评价。该方法的优点是考虑更多的出砂影响因素（如流体性质、岩石物理和岩石力学性质），缺点是计算过程复杂且耗时太长，而且对输入参数准确性要求高[3-4]。

1.3 室内试验法

目前很多公司和高校都自行研制了出砂模拟实验装置（图1）。主要是模拟油井生产情况（含水率、产液速度、生产压差等），通过岩心流动实验，对出砂情况进行测量和分析，得到临界生产压差、临界生产流速、出砂量等数据[5-9]。室内试验法需要有岩心样，一般试验周期2 周以上，费用相对较高。

图1 出砂模拟实验装置图Fig.1 Schematic diagram of sand production simulation experiment device

2 影响储层出砂的因素

2.1 地层压力衰竭

出砂临界生产压差与地层压力密切相关，随着地层压力的衰减，临界生产压差随之降低[10]。地层孔隙压力随着油气开采不断降低，最终达到保持井壁岩石稳定的临界孔隙压力，当地层孔隙压力低于临界孔隙压力时，井壁岩石将发生剪切破坏导致井壁失稳，造成储层出砂（图2），这说明地层压力衰竭增大了出砂风险。

图2 地层压力衰竭对临界生产压差的影响图Fig.2 Influence of formation pressure depletion on critical production differential pressure

2.2 含水率

水能溶解砂粒之间的一部分胶结物,使地层的胶结强度下降。实验表明见水后，砂岩的单轴抗压强度下降20%～60%（表1）。一般来说，岩石对水含量的敏感性越强，含水率对岩石强度的影响越明显[11]。研究表明，见水后黏土矿物膨胀，使地层渗透率降低，增加流动阻力，增加地层出砂风险[12]。

表1 泡水前后岩石强度变化表Table 1 Rock strength changes before and after soaking in water

2.3 原油黏度

高黏度原油对出砂影响很大，主要表现在两个方面，一是高黏度原油在流动中阻力大,携砂能力强；二是高黏原油阻止砂粒在运移过程中的沉降，悬砂能力强[13-14]。

3 出砂风险评估方法

3.1 多参数评分法基本思路

（1）确定评分项目。选择常用的出砂预测经验方法和影响储层出砂的主要因素作为评分项目。

（2）确定各项目的取值规则，分别赋值1、2 或3。

（3）根据各评分项目的影响权重分别赋予不同的权值（1、2 或3）。

（4）通过加权平均计算得到出砂风险指数。

式（4）中：R为 出砂风险指数；Pi为出砂预测方法得到的出砂风险指数；Fi为影响出砂的因素得到的出砂风险指数；WPi、WFi为权重。

3.2 建立出砂风险评估表

经过优选，参与评分的参数共有10 个。其中出砂预测方法4 个：孔隙度法、声波时差法、出砂指数法和斯伦贝谢法；影响地层出砂的因素6 个：开采方式、见水速度、地层原油黏度、黏土吸水膨胀性、岩石单轴抗压强度和胶结类型。建立出砂风险评估表（表2）。

表2 出砂风险评估表Table 2 Sand production risk assessment form

3.3 实例应用

选择渤海A、B、C 油田、南海东部D 油田和南海西部E 油田，使用出砂风险评估方法进行评分，评估结果见表3。A、E 油田出砂风险高，B、D 油田出砂风险中等，C 油田出砂风险低。

表3 出砂风险评估方法应用结果表Table 3 Application results of sand production risk assessment method

理论上出砂风险指数可以在1～3 之间变化，风险值越高，出砂可能性越大。按分值划分为3个风险区：1.5 以下为低风险区，1.5～2.5 为中等风险区，2.5～3 为高风险区（图3）。

图3 出砂风险评分图Fig.3 Sand production risk scoring chart

以上5 个油田均已经完井投产。其中，C 油田未采取防砂措施，水平井下入打孔管支撑井壁、定向井采用射孔完井不防砂；B 油田和D 油田的水平井和定向井均采用独立筛管防砂；A 油田和E 油田的生产井采用砾石充填防砂、注水井采用独立筛管防砂。投产以来生产良好，未出现出砂影响生产的情况，表明本方法与油气田实际生产符合度较高。

4 结论与建议

（1）基于多参数评分法的出砂风险评估方法可以综合考虑10 个参数值的影响，评价油气田出砂的风险程度，为完井方式选择提供决策依据。

（2）确定是否采取防砂完井除了考虑出砂风险程度外，还需要考虑完井初期防砂的投入与后期修井成本的比例关系。