賀占國，王攀，車爭安，陳立強(qiáng)，沈小軍

（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）

產(chǎn)層出砂是困擾油氣井生產(chǎn)的重要問題之一。出砂的危害主要有：（1）影響產(chǎn)量。產(chǎn)層出砂會造成井筒砂堵或砂埋地層，使油氣井產(chǎn)量大幅度降低，甚至?xí)?dǎo)致油氣井停產(chǎn)。（2）損害井下完井生產(chǎn)管柱和地面設(shè)備。砂粒在井液高速流動攜帶下會對井下完井生產(chǎn)管柱（包括完井工具、電潛泵、油管等）和地面設(shè)備（包括采油樹和地面管線等）產(chǎn)生沖蝕和磨損[1]。因此判斷油氣井在開采過程中是否會出砂，選擇合適的完井方式，對于經(jīng)濟(jì)有效地開采油氣田是非常重要的。

目前常用的出砂預(yù)測方法有經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)值模擬計(jì)算法和室內(nèi)試驗(yàn)法[2]。這些方法主要是根據(jù)測井資料或用巖心的巖石力學(xué)試驗(yàn)資料計(jì)算巖石強(qiáng)度參數(shù)，進(jìn)行出砂預(yù)測。實(shí)際上，影響油氣出砂的因素還有很多，如產(chǎn)層出水、地層壓力衰竭、生產(chǎn)壓差過大等。本文綜合考慮以上因素，建立出砂風(fēng)險(xiǎn)評估體系，評估油氣井的出砂風(fēng)險(xiǎn)，為完井方式選擇提供決策依據(jù)。

1 出砂預(yù)測方法

1.1 經(jīng)驗(yàn)法

1.1.1 地層孔隙度法

砂巖孔隙度是反映地層致密程度的一個(gè)參數(shù)。一般當(dāng)?shù)貙涌紫抖却笥?0%時(shí)，膠結(jié)程度差，易出砂；孔隙度在20%～30%之間時(shí)，地層會少量出砂；孔隙度小于20%時(shí)，地層不易出砂。

1.1.2 聲波時(shí)差法

聲波測井測出的聲波時(shí)差(縱波)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)差值代表低孔隙度、堅(jiān)硬、高密度巖石；較大的聲波時(shí)差代表高孔隙度、松軟、低密度巖石。經(jīng)驗(yàn)表明，砂巖油層出砂聲波門限值為：

（1） Δt＜312μs/m，為穩(wěn)定砂巖，不易出砂；

（2） Δt＞345μs/m，為不穩(wěn)定砂巖，易出砂；

（3） Δt在312～345μs/m 之間，為難以判斷的砂巖。

1.1.3 出砂指數(shù)法

出砂指數(shù)法是利用測井資料中的聲波速度及密度等有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)，再計(jì)算地層的出砂指數(shù)，從而進(jìn)行出砂預(yù)測的一種方法。地層出砂的判定標(biāo)準(zhǔn)為：

式中：B為出砂指數(shù)，MPa；E為巖石彈性模量，MPa；μ為巖石泊松比，無量綱。

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，出砂指數(shù)越大，穩(wěn)定性越好，地層越不易出砂。通常情況下，當(dāng)B＞2.0×104MPa時(shí)，地層不出砂或出砂輕微；當(dāng)1.4×104MPa＜B＜2.0×104MPa 時(shí)，地層出砂；當(dāng)B＜1.4×104MPa時(shí)，地層出砂嚴(yán)重。

1.1.4 斯倫貝謝法

斯倫貝謝出砂指數(shù)（S）為巖石的體積模量和剪切模量的乘積，其計(jì)算公式為：

式中：S為斯倫貝謝出砂指數(shù)，MPa2。S值越大，巖石強(qiáng)度越大，地層穩(wěn)定性越好，越不易出砂；當(dāng)S＜5.9×107MPa2時(shí)，地層可能出砂。

1.1.5 臨界生產(chǎn)壓差法

現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)表明，一般生產(chǎn)壓差小于儲層單軸抗壓強(qiáng)度的一半時(shí)，儲層不易出砂。因此認(rèn)為臨界生產(chǎn)壓差：

式中：Δp為臨界生產(chǎn)壓差，MPa；pUCS為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

1.2 數(shù)值計(jì)算法

數(shù)值計(jì)算法基于理論模型，利用有限差分法、有限元法及離散元法對井壁應(yīng)力分布、流體流動情況及巖石特性進(jìn)行評價(jià)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是考慮更多的出砂影響因素（如流體性質(zhì)、巖石物理和巖石力學(xué)性質(zhì)），缺點(diǎn)是計(jì)算過程復(fù)雜且耗時(shí)太長，而且對輸入?yún)?shù)準(zhǔn)確性要求高[3-4]。

1.3 室內(nèi)試驗(yàn)法

目前很多公司和高校都自行研制了出砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置（圖1）。主要是模擬油井生產(chǎn)情況（含水率、產(chǎn)液速度、生產(chǎn)壓差等），通過巖心流動實(shí)驗(yàn)，對出砂情況進(jìn)行測量和分析，得到臨界生產(chǎn)壓差、臨界生產(chǎn)流速、出砂量等數(shù)據(jù)[5-9]。室內(nèi)試驗(yàn)法需要有巖心樣，一般試驗(yàn)周期2 周以上，費(fèi)用相對較高。

圖1 出砂模擬實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of sand production simulation experiment device

2 影響儲層出砂的因素

2.1 地層壓力衰竭

出砂臨界生產(chǎn)壓差與地層壓力密切相關(guān)，隨著地層壓力的衰減，臨界生產(chǎn)壓差隨之降低[10]。地層孔隙壓力隨著油氣開采不斷降低，最終達(dá)到保持井壁巖石穩(wěn)定的臨界孔隙壓力，當(dāng)?shù)貙涌紫秹毫Φ陀谂R界孔隙壓力時(shí)，井壁巖石將發(fā)生剪切破壞導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，造成儲層出砂（圖2），這說明地層壓力衰竭增大了出砂風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 地層壓力衰竭對臨界生產(chǎn)壓差的影響圖Fig.2 Influence of formation pressure depletion on critical production differential pressure

2.2 含水率

水能溶解砂粒之間的一部分膠結(jié)物,使地層的膠結(jié)強(qiáng)度下降。實(shí)驗(yàn)表明見水后，砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度下降20%～60%（表1）。一般來說，巖石對水含量的敏感性越強(qiáng)，含水率對巖石強(qiáng)度的影響越明顯[11]。研究表明，見水后黏土礦物膨脹，使地層滲透率降低，增加流動阻力，增加地層出砂風(fēng)險(xiǎn)[12]。

表1 泡水前后巖石強(qiáng)度變化表Table 1 Rock strength changes before and after soaking in water

2.3 原油黏度

高黏度原油對出砂影響很大，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是高黏度原油在流動中阻力大,攜砂能力強(qiáng)；二是高黏原油阻止砂粒在運(yùn)移過程中的沉降，懸砂能力強(qiáng)[13-14]。

3 出砂風(fēng)險(xiǎn)評估方法

3.1 多參數(shù)評分法基本思路

（1）確定評分項(xiàng)目。選擇常用的出砂預(yù)測經(jīng)驗(yàn)方法和影響儲層出砂的主要因素作為評分項(xiàng)目。

（2）確定各項(xiàng)目的取值規(guī)則，分別賦值1、2 或3。

（3）根據(jù)各評分項(xiàng)目的影響權(quán)重分別賦予不同的權(quán)值（1、2 或3）。

（4）通過加權(quán)平均計(jì)算得到出砂風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)。

式（4）中：R為 出砂風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Pi為出砂預(yù)測方法得到的出砂風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；Fi為影響出砂的因素得到的出砂風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；WPi、WFi為權(quán)重。

3.2 建立出砂風(fēng)險(xiǎn)評估表

經(jīng)過優(yōu)選，參與評分的參數(shù)共有10 個(gè)。其中出砂預(yù)測方法4 個(gè)：孔隙度法、聲波時(shí)差法、出砂指數(shù)法和斯倫貝謝法；影響地層出砂的因素6 個(gè)：開采方式、見水速度、地層原油黏度、黏土吸水膨脹性、巖石單軸抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)類型。建立出砂風(fēng)險(xiǎn)評估表（表2）。

表2 出砂風(fēng)險(xiǎn)評估表Table 2 Sand production risk assessment form

3.3 實(shí)例應(yīng)用

選擇渤海A、B、C 油田、南海東部D 油田和南海西部E 油田，使用出砂風(fēng)險(xiǎn)評估方法進(jìn)行評分，評估結(jié)果見表3。A、E 油田出砂風(fēng)險(xiǎn)高，B、D 油田出砂風(fēng)險(xiǎn)中等，C 油田出砂風(fēng)險(xiǎn)低。

表3 出砂風(fēng)險(xiǎn)評估方法應(yīng)用結(jié)果表Table 3 Application results of sand production risk assessment method

理論上出砂風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)可以在1～3 之間變化，風(fēng)險(xiǎn)值越高，出砂可能性越大。按分值劃分為3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)：1.5 以下為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，1.5～2.5 為中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，2.5～3 為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（圖3）。

圖3 出砂風(fēng)險(xiǎn)評分圖Fig.3 Sand production risk scoring chart

以上5 個(gè)油田均已經(jīng)完井投產(chǎn)。其中，C 油田未采取防砂措施，水平井下入打孔管支撐井壁、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獨(dú)立篩管防砂；A 油田和E 油田的生產(chǎn)井采用礫石充填防砂、注水井采用獨(dú)立篩管防砂。投產(chǎn)以來生產(chǎn)良好，未出現(xiàn)出砂影響生產(chǎn)的情況，表明本方法與油氣田實(shí)際生產(chǎn)符合度較高。

4 結(jié)論與建議

（1）基于多參數(shù)評分法的出砂風(fēng)險(xiǎn)評估方法可以綜合考慮10 個(gè)參數(shù)值的影響，評價(jià)油氣田出砂的風(fēng)險(xiǎn)程度，為完井方式選擇提供決策依據(jù)。

（2）確定是否采取防砂完井除了考慮出砂風(fēng)險(xiǎn)程度外，還需要考慮完井初期防砂的投入與后期修井成本的比例關(guān)系。