李源平，潘益民 (中石油大慶油田分公司第八采油廠，黑龍江 大慶 163514)

高含水期疏松砂巖油藏治砂研究

李源平，潘益民 (中石油大慶油田分公司第八采油廠，黑龍江 大慶 163514)

高含水期砂巖油藏治砂研究包括出砂預測和防砂技術研究。通過分析油井出砂和防砂存在的問題，從油藏出砂機理、出砂預測方法和防砂技術3個方面闡述疏松砂巖油藏治砂研究現(xiàn)狀和應用水平，指出預測方法和防砂技術的不足之處。

高含水期；治砂；出砂機理；出砂預測；防砂技術

隨著油藏進入高含水期開發(fā)階段，為滿足油田開發(fā)降本增效的需要，油井單井采液量增加，出砂不可避免成為疏松砂巖油藏開采過程中所遇到的主要問題之一，實踐也證明疏松砂巖油藏在高含水期幾乎每口油井都會出砂，含砂量是油藏開發(fā)初期的近10倍左右[1]。出砂加劇桿管泵磨損，導致泵漏、管漏、砂卡、砂埋油層等，免修期降低，維護成本居高不下，嚴重時還會導致地層坍塌，套管損壞，油井報廢，給油田增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)措施帶來了極大困難。筆者通過對大慶、勝利、克拉馬依、遼河、冀東等油田油井出砂分析，認為疏松砂巖油藏在高含水開發(fā)時期，油井治砂從油層到井筒，然后到地面技術的措施制定和成本管理等一系列工作中，存在以下問題：出砂導致油藏儲層空間破壞，加劇地層虧空；出砂動態(tài)變化使得傳統(tǒng)防砂工藝適應性變差，報廢井增多；開發(fā)調(diào)整措施加劇油層出砂，治砂工作與油田開發(fā)成本不協(xié)調(diào)。因此如何準確預測出砂，運用配套工藝技術進行防砂已成為治砂問題的難點。

1 出砂機理

范興沃等[2]在前人的基礎上進行分析、總結(jié)，將出砂機理分成為5類：①根據(jù)地層特點分析出砂；②根據(jù)剪切應力和張應力的作用分析出砂；③根據(jù)砂拱穩(wěn)定機理分析出砂；④根據(jù)砂粒從骨架脫附情況分析出砂；⑤根據(jù)出水后巖石性能的變化分析出砂。

由此看來油藏出砂是多種因素作用的結(jié)果，但其中最重要的2個因素是地層壓力和多相流體的滲流作用，當然在高含水期，出砂機理也與這2個因素有著最密切的關系，但筆者認為流體滲流作用與微粒運移顯得更重要。因為油井生產(chǎn)見水后，泥質(zhì)膠結(jié)物逐漸膨脹疏松，膠結(jié)強度下降后形成出砂微粒，到高含水期，近井地帶已經(jīng)經(jīng)過強烈的沖刷，此時微粒的運移依賴于儲層溫度、流體組成、流體pH值等因素。在排除地層巖石顆粒分布、孔隙大小分布、巖石的成分及膠結(jié)類型等引起油層出砂的內(nèi)在因素外，微粒運移就受控于流體滲流作用，加之油井在生產(chǎn)壓差和建立壓差的方式、采液強度等因素的共同作用下，使得流體滲流作用更為復雜化，這便成為高含水期油藏出砂的直接原因。

2 出砂預測方法

目前各個油田預測出砂的主要方法有現(xiàn)場預測法、經(jīng)驗公式和圖表法[3-5]、模擬模型法。

2.1現(xiàn)場預測法

油藏開發(fā)后期高含水，現(xiàn)場預測出砂的資料有巖心、綜合測井曲線、鄰井狀態(tài)、作業(yè)探砂情況和其它一些測試資料。巖心主要是開發(fā)初期探井取心和后期調(diào)整井取心，現(xiàn)場可以直接進行巖心判斷和巖石膠結(jié)物分析。如果巖心出現(xiàn)一觸即碎，或用指甲就能在巖心上刻痕，或巖心遇水浸泡后很快松散，或取出的巖心停放一段時間后自行破裂等現(xiàn)象，就能直接判斷油井出砂可能性很大。巖心疏松與膠結(jié)物種類、數(shù)量和膠結(jié)類型有關，砂巖膠結(jié)物主要有粘土、碳酸鹽、硅質(zhì)和鐵質(zhì)等，以硅質(zhì)和鐵質(zhì)的膠結(jié)強度最大，碳酸鹽次之，粘土最差。對于同一類型的膠結(jié)物，其數(shù)量越多，膠結(jié)強度越大，越不容易出砂，反之亦然。綜合測井曲線中常用聲波時差曲線，聲波時差同巖石的孔隙度有良好的對應關系，較小的聲波時差，代表低孔隙度、堅硬、高密度巖石；較大的聲波時差值，代表高孔隙度、松軟、低密度巖石?，F(xiàn)場經(jīng)驗表明，當聲波時差大于295μs/m時，就需要考慮油層是否有出砂的可能性。另外，同一油藏中的DST測試，作業(yè)過程中探砂面情況，同一口井在不同時期進行試井測試，鄰井出砂分析都能預測出砂可能性和出砂程度。

2.2經(jīng)驗公式和圖表法

1)經(jīng)驗公式法 常用經(jīng)驗公式有出砂指數(shù)和斯侖貝謝比。出砂指數(shù)定義為：

式中，B為出砂指數(shù)，104kg/(m·s2)；k為體積模量，104kg/(m·s2)；μ為切變模量，104kg/(m·s2)；ρ為巖石密度，kg/m3；Δtp為縱波時差，μs/m。當出砂指數(shù)采用英制單位時，Bgt;3為不出砂；Blt;2為出砂；2≤B≤3為少量出砂。出砂指數(shù)法理論上未考慮射孔及產(chǎn)液對巖石顆粒拖曳力的影響，臨界值是根據(jù)經(jīng)驗算出的，也是多種因素影響的結(jié)果。

斯侖貝謝比定義為：

式中，Vc、Vs分別為縱波、橫波速度，m/s；R為斯倫貝謝比，kg2/(m2·s4)。當R大時，表示巖石強度大，穩(wěn)定性好，不易出砂；反之則易出砂。R同B一樣，均由巖石力學參數(shù)定義，可根據(jù)測井資料計算。R比B能更好地估計巖石的強度和穩(wěn)定性，因為R大時，意味著K、u均大；而B大時，可能k、μ中只有一個較大。用斯倫貝謝比判斷出砂雖然較出砂指數(shù)法準確，但公式計算中涉及到的橫波運算相對麻煩，以前常采用此方法預測出砂，現(xiàn)在運用不多。

2)圖表法 圖表法是用圖表來挖掘各個參數(shù)之間存在的關系，包括雙參數(shù)和多參數(shù)法。雙參數(shù)是指以聲波時差為橫軸，生產(chǎn)壓差為縱軸，把數(shù)口井的時差、生產(chǎn)壓差數(shù)據(jù)點繪在坐標圖上，則出砂井數(shù)據(jù)點形成一個出砂區(qū)，然后把預測井的數(shù)據(jù)點繪在同一坐標圖上，若落點在出砂區(qū)則該井出砂，否則不出砂。多參數(shù)法是指建立一個出砂井與深度、開采速度、生產(chǎn)壓差、采油指數(shù)、泥質(zhì)含量、含水率等的判別函數(shù)，用該函數(shù)判別油井是否出砂。多參數(shù)法因所需要數(shù)據(jù)太多，不常用。

2.3模擬模型法

1)實驗室模擬模型法 模型模擬實質(zhì)就是實驗室模擬研究和數(shù)值計算預測，目前有關出砂的模型建立很多，包括建模的理論基礎，模型樣式，各個研究者針對不同研究對象有不同的建模方向，筆者將模擬模型法分為實驗室模擬模型法和數(shù)值模擬模型法，后者實際上是前者的特殊情況。實驗室模擬可以模擬出砂環(huán)境下的出砂行為來認識出砂機理和各種生產(chǎn)工藝及參數(shù)對出砂的影響，然后根據(jù)模擬結(jié)果與礦場生產(chǎn)情況相結(jié)合進行出砂預測。實驗室模擬模型包括巖心實驗模型、三軸試驗及破壞模型、裸眼井預測模型、射孔完井預測模型、連續(xù)出砂預測模型等，還可以根據(jù)模擬規(guī)模分為大型模擬模型和小型模擬模型。無論采用什么模型，本質(zhì)上都是考慮到油藏儲層空間和井況2個大方面的因素，然后再細分到油藏孔滲性、流體高壓物性和井況中鉆井、完井和動態(tài)開發(fā)條件造成出砂的因素分別進行討論，然后再根據(jù)各自影響因素的程度，建立實驗室的參考模型和判別標準。

2)數(shù)值模擬模型法 數(shù)值模擬就是數(shù)據(jù)挖掘，能夠從大量的、不完全的，模糊的和隨機的實際應用數(shù)據(jù)中，提取隱含在其中、事先不知道的、但又是潛在有用信息和知識的過程。出砂數(shù)值模擬模型通過從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)隱含的、有意義的知識來預測未來趨勢，做出前攝性的、基于知識的決策。數(shù)值計算運用了有限元、數(shù)值分析、概率統(tǒng)計和回歸分析、模糊數(shù)學理論等數(shù)學方法，結(jié)合彈性力學、滲流力學等學科，以及利用實驗室?guī)r石特性測量數(shù)據(jù)和測井解釋等數(shù)據(jù)進行綜合分析。隨著計算機技術的發(fā)展，許多大型數(shù)值計算為數(shù)值模擬提供了方便，在高含水開發(fā)期，油藏出砂受到的影響因素增多，情況變的更為復雜，為進一步研究出砂機理及其影響因素來更好的預測出砂，需要更高精度的數(shù)值方法，數(shù)值模擬模型法的優(yōu)越性就顯現(xiàn)出來了。如神經(jīng)網(wǎng)絡法是一種預測出砂潛力的新方法，應用中也展示了較高的精確性，該方法就是運用計算機技術完成數(shù)值處理的一種模擬方法，然后將模擬結(jié)果用于實踐證明。

3 防砂技術

高含水期疏松砂巖油藏如何防砂，需要針對不同油井出砂類型進行了分類治理，隨著油藏開發(fā)動態(tài)變化，防砂技術也在不斷完善，配套工藝也在不斷改進，并從單一的防砂技術向綜合防砂技術發(fā)展。目前各油田形成了機械防砂、化學防砂和復合防砂3大主導技術。

3.1機械防砂

機械防砂是通過向井筒內(nèi)下器具的方式達到防砂目的，可以分為2類：

1)向井下放置機械管柱的方法 如繞絲篩管、割縫襯管、各種濾砂管等，這種方法簡單易行，施工成本低，缺點是防砂管容易被地層砂堵塞，只能阻止地層砂產(chǎn)出到地面而不能阻止地層砂進入井筒，且有效期短。該技術適用于泥質(zhì)含量較低、砂粒粒徑分選好、油砂中值大于0.1mm的中、粗砂巖、原油粘度小、供液能力強的地層，而且油井要生產(chǎn)井段小、采液指數(shù)較高。

2)管柱礫石充填 這種方法施工復雜，成本較高，但擋砂效果好，有效期長，成功率高，可用于細、中、粗砂巖地層，垂直井、定向井等復雜條件的油井，缺點是易形成砂堵，增加了油流入井筒的阻力，近井地帶污染嚴重，防砂后油井產(chǎn)能下降。目前雖然油氣井防砂作業(yè)中有80%以上屬于機械防砂，但是各種機械防砂技術都有其自身的特點和適應性，而且大都難以勝任高含水期出砂嚴重或多次防砂作業(yè)任務，相應的防砂作業(yè)費用也越來越高。為此只有研發(fā)適應性更強的機械防砂技術，例如雙層預填充篩管和可膨脹防砂管防砂就是典型例證，它綜合利用了礫石充填防砂和濾砂管防砂兩者的優(yōu)點[6]。

3.2化學防砂

化學防砂是向油層注入化學藥劑或者化學劑與砂、漿的混合物，使油層中砂?；虺涮畹降貙拥纳笆z結(jié)起來，穩(wěn)定地層結(jié)構(gòu)，形成具有一定強度和滲透率的人工井壁，以防止砂粒進入井筒的一項技術，可以分為人工井壁和人工膠結(jié)地層2種方法：人工井壁是將樹脂砂漿液、預涂層礫石、水帶干灰砂、水泥砂漿、乳化水泥等擠入井筒周圍地層中，固結(jié)后形成具有一定強度和滲透性的人工井壁；人工膠結(jié)地層是向地層注入樹脂或其他化學固砂劑，直接將地層固結(jié)?；瘜W防砂技術從油井出砂的主要原因著手，達到了標本兼職的目的，工藝簡單，井中不留器具，后續(xù)作業(yè)無須打撈等，有利于多層完井和層系調(diào)整，還適合細粉砂巖油層防砂等。其不足之處在于固結(jié)強度不夠高，防砂劑層的滲透性變差，后處理麻煩，有效期相對比較短等。隨著油藏進入高含水期開發(fā)，水對出砂的影響增大，而大多化學防砂劑耐水性差，在水相中固結(jié)強度低，因此需要找到更多的在油水介質(zhì)中能固化且固結(jié)強度更高的防砂劑，以滿足高含水油井強采、強提液的需要。例如為適應高含水期和不同油層溫度范圍開采而研發(fā)的干水泥砂、酚醛樹脂涂敷砂、脲醛樹脂溶液、低溫涂敷砂、輕質(zhì)涂敷砂、防砂堵水復合材料就是很好的化學防砂工藝[7]。

3.3復合防砂

復合防砂是將機械防砂和化學防砂結(jié)合起來以控制地層出砂的一種防砂技術，它綜合運用了化學與機械防砂的固砂、擋砂原理，防砂效果好，有效期長。作為現(xiàn)代防砂工藝技術，復合防砂不再單指機械防砂與化學防砂的組合，隨著工藝技術的完善，機械防砂或化學防砂內(nèi)部之間的組合也屬于復合防砂。如纖維復合防砂技術就是一項既能“穩(wěn)砂”又能“擋砂”的新技術，無須下入篩管，不會對滲透率造成傷害，這種技術采用了2種特種纖維，一種用來穩(wěn)砂，將細粉砂聚集成較大的細粉砂結(jié)合體，另一種用來擋砂，擋住細粉砂結(jié)合體進入井筒，特別適用于高含水期細粉砂油層防砂[8]。

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[6]劉永紅，張建喬，洪能國.機械防砂技術研究的新進展[J].石油機械，2005，33(9)：74-77.

[7]鄭偉林，黃煦，王文凱，等.孤東油田化學防砂[J].油田化學，2002，19(3)：287-292.

[8]齊寧，張琪，周福建，等.纖維復合防砂技術的機理研究及應用[J].中國石油大學學報，2007，31(2)：83-86.

[編輯] 洪云飛

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年大學畢業(yè)，助理工程師，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)方面的研究工作。