盧啟敬

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津300452)

一般來說,當(dāng)?shù)貙訅毫Τ^地層強(qiáng)度就會(huì)出現(xiàn)出砂現(xiàn)象。若油藏開發(fā)中出現(xiàn)出砂現(xiàn)象、防砂措施不當(dāng),會(huì)嚴(yán)重影響油藏開采速度,大幅度降低油氣采收率甚至導(dǎo)致油井無產(chǎn)量的情況?；诖?筆者采用聲波時(shí)差法、B指數(shù)(模量和)法、S指數(shù)(模量積)法及臨界出砂生產(chǎn)壓差對比法對研究區(qū)沙河街組油藏進(jìn)行了出砂預(yù)測,并基于預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了防砂設(shè)計(jì)研究,以期對后續(xù)的工程設(shè)計(jì)及油藏開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1 油藏地質(zhì)條件

渤南油氣勘探自上世紀(jì)70年代開始,先后布設(shè)探井8口,勘探區(qū)域覆蓋萊北低凸起及中央構(gòu)造帶,雖發(fā)現(xiàn)多個(gè)低產(chǎn)油層,但不具商業(yè)化前景。前期勘探僅僅從烴源巖的初步認(rèn)識(shí)揭示了該區(qū)具有一定勘探潛力。隨著2005年后對鄰區(qū)勘探實(shí)現(xiàn)突破,成藏規(guī)律認(rèn)識(shí)逐漸清晰,勘探工作者借鑒鄰區(qū)經(jīng)驗(yàn)加大了渤南勘探力度,最終在墾利發(fā)現(xiàn)大型整裝油田,實(shí)現(xiàn)了該區(qū)油氣勘探三十多年的重大突破。截至目前,墾利油田三級(jí)地質(zhì)儲(chǔ)量已達(dá)到1億多噸油當(dāng)量[1-3]。隨著墾利油田的重大突破,該區(qū)域逐漸成為了渤海灣盆地新的勘探開發(fā)研究熱點(diǎn)。前人以油氣勘探為主題,針對墾利油田的構(gòu)造、沉積及油氣成藏規(guī)律進(jìn)行了細(xì)致分析,明確了墾利油田儲(chǔ)層主要發(fā)育于三角洲前緣,并基于測井曲線響應(yīng)特征及地震特征建立了區(qū)內(nèi)沉積砂體預(yù)測模型,有效指導(dǎo)了研究區(qū)滾動(dòng)勘探工作。前人通過對墾利油田盆地構(gòu)造屬性、構(gòu)造演化歷程、盆內(nèi)構(gòu)造發(fā)育特征及次級(jí)構(gòu)造時(shí)空配置關(guān)系研究,揭示了區(qū)內(nèi)構(gòu)造對沉積展布及儲(chǔ)層發(fā)育的控制作用,并對區(qū)內(nèi)構(gòu)造油氣藏類型進(jìn)行了劃分[4-6]。其中部分學(xué)者對斷塊型油氣藏中低序級(jí)斷層進(jìn)行了精細(xì)描述并就多級(jí)序斷裂封閉性進(jìn)行了分析,詳細(xì)闡述了各級(jí)別斷裂封閉性控藏機(jī)理[7]。在成藏規(guī)律方面,諸多研究者以地球化學(xué)測試、生物標(biāo)志化合物、鏡下薄片觀察及鉆井、錄井等資料分析為基礎(chǔ)硏究了墾利油田油氣來源、儲(chǔ)集性能、儲(chǔ)蓋組合、圈閉特征、輸導(dǎo)運(yùn)聚等成藏條件結(jié)合烴類包裹體測和盆地模擬方法厘定了油氣成藏期并建立油氣成藏模式,揭示了研究區(qū)具有“近源捕集,短距離運(yùn)移,晚期快速充注,深層原位成藏”的特點(diǎn)[8]。隨著墾利油田大規(guī)模開發(fā),油藏開發(fā)問題的研究逐漸成為新一輪的研究重點(diǎn)。但前人工作主要集中在鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用及防偏磨研究,對于出砂預(yù)測及防砂設(shè)計(jì)未見研究。在油藏開采過程中,由于油井鉆井方式、開采方式以及作業(yè)方式等一些列因素打破儲(chǔ)層原始狀態(tài),導(dǎo)致近井地帶地層巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生突變形成破碎砂粒,層間流體攜破碎砂粒進(jìn)入井筒或到達(dá)地面,此現(xiàn)象被稱為油井出砂[9-10]。

研究區(qū)構(gòu)造上位于萊北低凸起南界大斷層下降盤,是受萊北1號(hào)邊界大斷層控制繼承性發(fā)育的半背斜構(gòu)造,主力產(chǎn)層為沙河街組。沙河街組內(nèi)部被北東向和北西向斷層分割成不同的斷塊,構(gòu)造北高南低[11]。研究區(qū)沙河街組油藏屬于中孔,中低滲油藏,孔隙度平均約為20%,滲透率變化較大,總體以中滲為主,平均滲透率為178×10-3μm2,各井區(qū)有所不同,1、8井區(qū)最低平均滲透率小于30×10-3μm2,屬于低滲。地層原油黏度為1.5～2.8 MPa·s,氣油比為37～65 m3/m3。

2 油井出砂預(yù)測

為在油氣開采前采取合理的防砂措施,前人根據(jù)不同參數(shù)開發(fā)了多種出砂預(yù)測模型,基于出砂預(yù)測可以明確油氣開采中是否會(huì)出現(xiàn)出砂現(xiàn)象。但限于目前參數(shù)準(zhǔn)確性及方法誤差范圍等問題,單一方法還難以準(zhǔn)確預(yù)測油氣開采中的出砂現(xiàn)象。因此,本次研究選擇在生產(chǎn)實(shí)踐中較為成熟的聲波時(shí)差法、B指數(shù)(模量和)法、S指數(shù)(模量積)法及臨界出砂生產(chǎn)壓差對比法進(jìn)行研究區(qū)出砂預(yù)測。

2.1 聲波測井法

聲波測井測出的聲波時(shí)差值同巖石的孔隙度有良好的對應(yīng)關(guān)系,較小的聲波時(shí)差值如164 μs/m代表低孔隙度、堅(jiān)硬、高密度巖石,較大的聲波時(shí)差值如312 μs/m代表高孔隙度、松軟、低密度巖石。通過對研究區(qū)及鄰區(qū)出砂井聲波時(shí)差測井?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),研究區(qū)聲波時(shí)差臨界值為:Δt＜312 μs/m 不出砂,Δt＞345 μs/m 極易出砂,312 μs/m＜Δt＜345 μs/m 可能出砂。基于上述臨界值對比發(fā)現(xiàn):研究區(qū)內(nèi)沙河街組整體聲波時(shí)差小于95 μs/ft,但部分層段聲波時(shí)差波動(dòng)較大,可能存在出砂風(fēng)險(xiǎn)(圖1、2)。

2.2 B指數(shù)(模量和)法

式中,C為常數(shù)=9.94×108;ρ為巖石密度,g/cm3;Δtc2為巖石縱波時(shí)差,μs/m;B為出砂指數(shù),MPa。

圖1 研究區(qū)A井聲波時(shí)差

圖2 研究區(qū)B井聲波時(shí)差

出砂指數(shù)B大時(shí),故巖石的強(qiáng)度大,穩(wěn)定性好,不易出砂。經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)油氣儲(chǔ)層巖石的B＞2×104MPa時(shí),在正常的生產(chǎn)力一式下開采,油氣儲(chǔ)層出砂可能性較小;B＜2×104MPa時(shí),開采時(shí)出砂可能性較大。B越小,出砂越嚴(yán)重。對比區(qū)內(nèi)B指數(shù)顯示:研究區(qū)總體B指數(shù)高于2×104MPa,但高出幅度較小,同時(shí)部分層度B指數(shù)波動(dòng)較大,預(yù)測會(huì)出現(xiàn)局部層段出砂(圖3、4)。

圖3 研究區(qū)A井B指數(shù)

圖4 研究區(qū)B井B指數(shù)

2.3 S指數(shù)(模量積)法

式中,C為9.94×108;ρ為巖石密度,g/cm3;Δtc2為巖石縱波時(shí)差,μs/m;B為出砂指數(shù),MPa;v為巖石泊松比,無量綱。

S指數(shù)是巖石密度、泊松比、聲波時(shí)差的復(fù)合函數(shù)。根據(jù)前人大量驗(yàn)證數(shù)據(jù)顯示:S指數(shù)大于3.8×107MPa是油氣井不出砂,而小于3.3×107MPa時(shí)則有可能出砂。而由于不同區(qū)域油藏巖石密度、泊松比及聲波時(shí)差存在差異,因此不同區(qū)域S指數(shù)臨界值存在差異。根據(jù)中石油勘探開發(fā)研究院實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,渤海灣油氣井S指數(shù)臨界值應(yīng)為5.9×107MPa。即:S＞5.9×107MPa不出砂,S＜5.9×107MPa出砂。研究區(qū)S指數(shù)總體大于5.9×107MPa(圖5、6)。

圖5 研究區(qū)A井S指數(shù)

圖6 研究區(qū)B井S指數(shù)

2.4 臨界出砂生產(chǎn)壓差對比法

弱固結(jié)砂巖儲(chǔ)層的開采經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)生產(chǎn)壓差大于儲(chǔ)層巖心單軸抗壓強(qiáng)度的二分之一時(shí),儲(chǔ)層開始出砂。根據(jù)井壁穩(wěn)定性研究成果,并結(jié)合探井測井資料理論計(jì)算結(jié)果顯示沙三段砂巖單軸強(qiáng)度為10～14 MPa,泥巖單軸強(qiáng)度為15～30 MPa。根據(jù)鄰區(qū)及前期預(yù)測研究結(jié)論,得出見水后研究區(qū)臨界出砂生產(chǎn)壓差為4.24～-5.839 MPa。將各層位單井最大生產(chǎn)壓差與臨界出砂生產(chǎn)壓差進(jìn)行對比(如圖7),對比顯示:研究區(qū)沙河街組存在出砂風(fēng)險(xiǎn),但風(fēng)險(xiǎn)較小,周邊同層位各井負(fù)壓射孔后均有出砂現(xiàn)象,射孔負(fù)壓9.1～9.8 MPa;目前周邊同層位各井實(shí)際生產(chǎn)壓差8～14 MPa,高于其臨界出砂壓差及射孔負(fù)壓。

圖7 研究區(qū)沙河街組各井生產(chǎn)壓差最大值與臨界出砂生產(chǎn)壓差對比

綜合上述分析,通過聲波時(shí)差法、B指數(shù)(模量和)法、S指數(shù)(模量積)法對原始地層巖石強(qiáng)度下儲(chǔ)層出砂預(yù)測評(píng)價(jià)后表明:在未開發(fā)階段研究區(qū)沙河街組出砂風(fēng)險(xiǎn)較小,局部層段存在出砂可能性。但通過臨界出砂生產(chǎn)壓差對比法后發(fā)現(xiàn):后期開采及注水排液會(huì)嚴(yán)重影響地層壓力與巖石強(qiáng)度平衡導(dǎo)致出砂概率增大;因此區(qū)內(nèi)新增開發(fā)井進(jìn)行防砂,注水非排液井可不進(jìn)行防砂。

3 防砂設(shè)計(jì)

3.1 防砂方案

沙河街組儲(chǔ)層巖性以細(xì)-粉砂巖為主,礦物成分主要為石英、長石、巖屑。黏土礦物含量為14.4～21.5%,平均為17.5%,以伊利石為主,其次為高嶺石和伊/蒙混層。孔隙度分布范圍為4.8% ～31.0%,平均值21.9%,滲透率分布范圍為0.02～913.8×10-3μm2,平均值為100.0×10-3μm2,屬于中孔、中滲的儲(chǔ)層。沙河街組粒度分析數(shù)據(jù)顯示:d50(地層砂粒度中值)為96～116 μm;D50(礫石層粒度中值)為480～696 μm;Uc(地層砂均質(zhì)系數(shù))為8.4～8.85。沙三段為主力含油層系,采油井、注水井分布多。沙三段雖泥質(zhì)含量高,但蒙脫石含量較低,且膠結(jié)致密,出砂預(yù)測為可能出砂或不出砂,出砂風(fēng)險(xiǎn)較小?；贘ohnson防砂設(shè)計(jì)圖版投點(diǎn)(圖8),參考已實(shí)施開發(fā)井經(jīng)驗(yàn),采油井及前期排液注水井采用優(yōu)質(zhì)篩管防砂,注水井不采取防砂措施。高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管防砂完井工藝簡單,施工時(shí)間短,成本低,不需要充填,安全系數(shù)高,可以縮短完井周期,充分提高作業(yè)效率。

圖8 防砂方式選擇圖版

3.2 防砂精度

在確定合理防砂方案后,需要對海上油田適度出砂標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行精確標(biāo)定,明確合理防砂精度,即高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管合理的防砂精度保證油井產(chǎn)出液含砂量與適度出砂標(biāo)準(zhǔn)相匹配。若防砂精度設(shè)計(jì)過大,儲(chǔ)層滲透性過好,會(huì)造成地層碎裂砂粒逸出致使精通阻塞;若設(shè)計(jì)過小,會(huì)阻礙油氣開采造成開發(fā)井產(chǎn)能降低。因此,高級(jí)優(yōu)質(zhì)篩管擋砂精度的選擇原則是既要能阻擋油層大量出砂,又要使篩網(wǎng)擋砂層具有較高的滲透性能,以提高產(chǎn)量。本次對部分探井巖心進(jìn)行了激光粒度分析,根據(jù)探井位置,確定已有數(shù)據(jù)可指導(dǎo)的井區(qū)及層位,盡可能詳細(xì)確定防砂精度。沙河街鎮(zhèn)組粒度分析數(shù)據(jù)見表1,考慮現(xiàn)場施工方便,建議防砂精度統(tǒng)一,優(yōu)質(zhì)篩管擋砂精度為120 μm。

表1 墾利油田沙河街組粒度分析數(shù)據(jù)

3.3 篩管規(guī)格

借鑒渤海各油田優(yōu)質(zhì)篩管防砂經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)7″尾管射孔+優(yōu)質(zhì)篩管防砂井,采用4-1/2″優(yōu)質(zhì)篩管,基管鋼級(jí):L80(3Cr),扣型:LTC;優(yōu)質(zhì)篩管擋砂精度為120 μm。優(yōu)質(zhì)篩管抗拉、抗外擠、抗內(nèi)壓等性能需滿足油井實(shí)際作業(yè)情況,以保證作業(yè)安全且優(yōu)質(zhì)篩管抗堵塞性能要好,能滿足注水井長期注水和生產(chǎn)井長期生產(chǎn)需要。

3.4 盲管規(guī)格

盲管的選擇考慮內(nèi)徑不小于篩管和封隔器總成的內(nèi)徑,保證防砂服務(wù)工具密封的順利下入,同時(shí)要有足夠的抗外擠的強(qiáng)度。借鑒渤海各油田防砂經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)7″尾管射孔+優(yōu)質(zhì)篩管防砂井采用4-1/2″、鋼級(jí)L80(3Cr)、LTC扣的盲管。

4 結(jié) 論

(1)在未開發(fā)階段研究區(qū)沙河街組出砂風(fēng)險(xiǎn)較小,局部層段存在出砂可能性;后期開采及注水會(huì)嚴(yán)重影響地層壓力與巖石強(qiáng)度平衡導(dǎo)致出砂概率增大。

(2)明確了區(qū)內(nèi)新增開發(fā)井進(jìn)行防砂,注水井可不進(jìn)行防砂的防砂原則。通過泥質(zhì)含量測定及粒度分析,基于Johnson防砂設(shè)計(jì)圖版投點(diǎn)確定采油井及前期排液注水井采用優(yōu)質(zhì)篩管防砂方法。

(3)對部分探井巖心進(jìn)行了激光粒度分析,根據(jù)探井位置,考慮現(xiàn)場施工方便,建議防砂精度統(tǒng)一,優(yōu)質(zhì)篩管擋砂精度為120 μm。借鑒渤海各油田優(yōu)質(zhì)篩管防砂經(jīng)驗(yàn),最終確定設(shè)計(jì)7″尾管射孔+優(yōu)質(zhì)篩管防砂井采用4-1/2″、鋼級(jí)L80(3Cr)、LTC扣的盲管。