油、气、水防砂讲义

第九章油、气、水井防砂第一节出砂预测多数疏松或较疏松的油层有出砂现象。油气井出砂会造成磨蚀井下、地面设备和工具（如泵、分离器、加热器、管线等），桥堵或堵塞井眼，降低油气井产量或迫使油气井停产。我国海上发现的疏松或较疏松油气藏较多。科学地进行出砂预测，为防砂提供了可靠的决策依据。出砂预测研究回答的问题是：1）油气水井在其生命期内（包括投产及生产后期）是否出砂？2）何时出砂？一、出砂机理及影响因素1．出砂机理一般来说，地层应力超过地层强度就有可能出砂。地层强度决定于胶结物的胶结力、流体的粘着力、地层颗粒之间的摩擦力以及地层颗粒本身的重力。地层应力包括地层结构应力、上覆压力、流体流动时对地层颗粒施加的推力，还有地层孔隙压力和生产压差形成的作用力，因此地层出砂是由多种因素决定的。2．出砂的影响因素1）岩石强度低。此为最重要的影响因素。一般认为单轴抗压强度低于7.0MPa的岩石为弱固结岩石，有可能出砂。胶结物的种类性质和数量，对岩石的强度起着至关重要的作用，地层岩石遭到破坏而出砂，其本质是胶结物被破坏，形成分散的砂粒。胶结物的破坏，除了剪切和拉伸等机械力的作用外，还受到液体的溶蚀、电化学作用的伤害，有些本来不出砂的井在酸化或产水、注水后出砂，就是这个道理。2）地层压力的衰减。地层压力的衰减相对增大了岩石的有效应力。3）生产压差或生产速度过大。4）地层流体粘度大易出砂。5）油气井含水量的增长，出砂的可能性增大。某气田的产层段砂岩，当岩石含水后，其强度降低80％～95％。6）不适当的增产措施（酸化和压裂）。7）操作管理措施不当，例如造成井下过大的压力激动等。二、出砂预测方法和系统出砂预测方法有四类，分别为现场观测法、经验法、实验室模拟法和数值计算法。从目前的研究水平来看，很难用单一方法准确预测一口井在生产全过程中是否出砂和何时出砂，只有通过多种预测方法才能使预测结果比较可靠。1．现场观测法（1）岩心观察疏松岩石用常规取心工具收获率低，很容易将岩心从取心筒内拿出或岩心易从取心筒中脱落，有时其不需使用胶皮取心筒或海棉取心筒。用肉眼观察、手触等方法判断岩心强度。疏松岩石或低强度岩石往往一触即碎、或停放数日自行破裂、或可在岩心上用指甲能刻痕。对岩心浸水或浸盐水，岩心易破碎，说明当含水率上升时，岩石强度将降低。（2）DST测试如果DST测试期间油气井出砂，甚至严重出砂，油气井初产期就可能出砂。有时在DST测试未见出砂，但仔细检查井下钻具和工具，在接箍台阶等处附有砂粒，或者DST测试完毕后，砂面上升，则该井可能出砂。（3）生产动态邻近油气藏或邻井生产过程中若出砂，本油气藏或本井出砂的可能性大。（4）岩石胶结物岩石胶结物可分为易溶于水和不易溶于水两种。泥质胶结易溶于水，当油气井含水量增加时，岩石胶结物的溶解降低了岩石的强度。但当胶结物含量非常少时，岩石的强度主要由压实作用提供，对含水量因素不敏感。2．经验法（1）模量法地层强度同岩石的动弹性参数如剪切模量Es、体积模量凡有良好的相关性。剪切模量是剪切载荷同横向应变之比；体积模量是岩石体积压缩系数的倒数，取决于岩石颗粒和流体的压缩性。国外通过大量生产实践总结出出砂预测的组合模量法和斯伦贝谢法。1）组合模量法。EC＝Cρ／Δtc2（9-1-1）式中C——常数＝9.94×108；ρ――岩石密度；Δtc——岩石纵波时差；EC——岩石密度、声波时差的函数。根据岩心分析、测井资料解释和出砂史分析，EC值越小越易出砂，美国墨西哥湾地区的经验是当EC值大于2×104MPa（3×106psi）时油气并不出砂。北海地区也采用此标准。用此方法对胜利油田的部分油井进行验证，符合率达80％以上。2）斯伦贝谢法ES×EB。（9-1-2）式中μ－一岩石泊松比。ES×EB是岩石密度、泊松比、声波时差的函数。斯伦贝谢公司对墨西哥湾进行大量试验研究后提出ES×EB值大于3.8×107MPa（0.8×1012psi）时油气井不出砂，而小于3.3×107MPa（0.7×1012psi）时则有可能出砂，目前这一判别值已在美国加里福尼亚、阿拉斯加以及加拿大、特立尼达和印度等地井深1000～4000m的油气井中使用，预测结果比较准确，北海地区采用ES×EB＝5.9×107MPa（1.25×1012psi）。国内出砂预测多采用组合模量和斯伦贝谢法。石油勘探开发科学研究院应用此方法，将ES×EB＝5.9×107MPa作为判断出砂的定量指标（临界门限值），对冀东油田25口出砂井的馆陶组、明化镇组和东营组地层进行验证，符合率达100％。新疆某油田CⅠ和CⅡ油组的EC和ES×EB值均高于临界门限值，目前已投产的前五口井中，2口水平井日产油1056～1064t，生产压差1.26和1.27MPa，累积产量27104t和7×104t，3口直井日产液75～264t，含水率29.9～40.1％，均未发现出砂，与预测结论一致。用同样的方法对南海某油田进行出砂预测，EC值范围为2.68～3.78×104MPa，ES×EB值范围为12.8～25.8×107MPa。可以看出，EC值和ES×EB值均高于临界门限值，油田生产初期不会出砂。（2）用声波测井数据确定出砂门限值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，较小的声波时差值如50μs／ft（164μs／m）代表低孔隙度，坚硬、高密度的岩石；较大的声波时差如95μs／ft（312μs／m）代表高孔隙度，松软、低密度岩石。通过声波测井同出砂井的对比，可以得出本地区的出砂临界值。如法国道达尔石油公司确定南海某油田砂岩油层出砂声波门限值为：Δt＜312μs／m（95μs／ft），为稳定砂岩。Δt＞345μs／m（105μs／ft），为不稳定砂岩。Δt在312～345μs／m（95～105μs／ft）之间，为难以判断的砂岩。（3）孔隙度法地层孔隙度可以作为判别地层是否出砂的依据之一。若地层孔隙度高于30％，出砂的可能性就大。（4）单轴抗压强度法Shell公司Veeken等人假设岩石出砂是由于遭受张力破坏。此方法源于岩石力学，其在实际应用中，预测模式如下：Δpdd＝LσUCS（9-1-3）式中Δpdd——临界生产压差，MPa；σUCS――岩石单轴强度，MPa；L——为系数，受地区因素影响。此方法简便，岩心试验易做，因此被较多公司采用。类似此方法还有布氏硬度法和厚壁筒法。3．数值计算值此种预测出砂方法的研究对象是介于固结－疏松之间的地层。许多公司和专家在理论模型和数值计算、模拟方面做了大量有实用价值的工作，研究范围覆盖了弹塑性力学、渗流力学、有限元、离散元、统计学、实验室力学岩石特性参数测量、测井数据的解释等方面。在此方面，阿科公司和斯伦贝谢公司占居领先水平。（1）Weingarten＆Perkins法（亦称阿科法）20世纪90年代初阿科公司的Weingarten和Perkins提出一种简便、可靠的预测气井出砂的数值计算方法。此方法已于过去的三年中在阿科公司的16个气田应用过。Weingarten和Perkins假设射孔炮眼圆柱形，前端为一半球体，流入半球面的稳定流体服从达西定律，岩石破坏遵循摩尔库仑准则（岩石破坏准则），同时对弱固结地层，假设其抗拉强度为零，对非理想气体，推导出以下关系式：（9-1-4）其中：式中pa――井底压力pw――油藏压力；c――内摩擦力，是指由分子引力而引起的相同组份倾向聚合在一起的力。在宏观上表现为没有正应力的抗剪强度；α——内摩擦角，反映岩石内摩擦力的大小，坚硬岩石的内摩擦角比松软岩石的内摩擦角大；m——同气体密度、压力有关的常数。当压力低于7MPa（1000psi）时，指数“m”接近1。对非压缩流体，“m”值为零。孔道生产压差dp为井底压力pa和油藏压力pw之差。Dp=pw－pa（9-1-5）当砂拱开始不稳定时，临界压差等于dp。c、a可通过岩石三轴强度性质测定或测井资料解释获得。岩石机械学数据库中有一个经验关系式，可用模量或其它岩石物性资料推导c、a值，但该关系式有一定的适用范围。α＝58－1.05（9-1-6）c＝（114十97Vcl）E·EB（9-1-7）式中——孔隙度；Vcl——粘土含量；E——杨氏模量；EB一－体积模量。此方法在美国墨西哥湾得到较好应用。在已知地层压力及地层岩石强度参数及地层流体性质即可求得临界生产压差。相对于摩尔库仑法而言，其预测结果不保守。（2）摩尔一库仑法Barrow和Lasseigne用Mohr-Coulomb理论评价墨西哥湾油井出砂问题。当该理论用于直井时，假设最大最小主应力为切向应力σθ，和轴向应力σr，垂直应力σz，不做考虑。根据Coates和Denoo研究成果，有效切向应力和轴向应力分别为：σθeff＝pwf一θpPσreff＝3σ1－σ2－pwf一θpP式中pwf——井底泥浆柱压力，MPa；σ1——最大水平地应力，MPa；σ2——最小水平地应力，MPa；pP——孔隙或油藏压力，MPa；θ——系数。以上应力模型基于非渗透流体模型，通过研究Coates和Denoo认为此模型适合生产初期井眼状况。最大最小水平地应力可用下式求得：ISF为最大水平地应力同最小水平地应力之比。σV为垂直地应力（上覆岩层压力）；式中σV——上覆岩层压力，MPa；ρ——某段地层体积密度；h一一井深，m。当由σθeff和σreff构成的摩尔圆突破岩石破坏的包络线时，岩石就产生剪切破坏。若定义临界生产压差为Δpdd＝pP－pwf（9-1-8）（3）多元统计法Gha11ambor等提出用多元统计的数学方法，考虑应力、测井解释成果如声波时差、弹性模量、孔隙度等参数，预测出砂的可能性。此种方法可预测某个区域的临界生产压差，但局限性较大。4．实验模拟法90年代初，壳牌公司、斯伦贝谢公司和TerraTek公司等分别进行了实验室出砂模拟研究，得到大量有价值的成果。斯伦贝谢公司采用一个简单的、易监测的出砂试验系统。斯伦贝谢公司选用带有模拟炮眼的人造岩心，在试验中分别考虑应力、流量、流体粘度和岩石强度等因素，该实验得出的结论是在同类型岩心条件下，流速是出砂最主要的影响因素。对油或水，当射孔炮眼中流体流速超过0.2m／s时就有可能出砂。而流动又分为轴向和径向两部分。轴向流动（沿炮眼轴线）对出砂影响较大，这是因为轴向流动更易于清除岩石表面已被破坏的岩石颗粒。因此该公司建议使用大孔径、高孔密射孔可提高不出砂的临界生产压差。1992年壳牌公司发表了大型出砂实验室试验研究结果。他们采用代表某油田某地层的露头岩石做为试验岩样，同时考虑套管、水泥环、射孔等影响因素。该实验的目的是研究应力和流速对出砂的影响，采用的岩样尺寸为0.7m×0.7m×0.81m。该试验装置可模拟三维地应力、孔隙压力等。壳牌公司的实验结果有许多新的内容，当增加压差时，都导致短时间的大量出砂，当压差维持不变时，出砂速度降低到较低水平，这说明压力波动对出砂影响较大，另外当将油切换成盐水后导致出砂速度增加，随之不久出砂速度又降低到原有水平，这说明纯盐水对出砂影响并不大，而两相流动对出砂速度影响较大。5．出砂预测系统前述的4种出砂预测方法在目前都占一席之地，相互之间相辅相成。现场观测法简单实用，对易出砂弱固结地层可给出较好的预测，但对疏松一固结之间的地层的出砂预测就勉为其难。此种方法的经验因素较重。经验法是目前国内外采用最多的方法。此法较现场观测法准确，只需少量的测井或岩心数据。此法受地区影响较大，对新开发区预测较为困难。实验室模拟法得出的结论直观，但由于受实验条件的限制采用的公司较少。目前出砂预测的发展方向是定量化，即将是否出砂定量化为临界生产压差、临界井底压力或临界产量。该方法的缺点是受采集数据的准确程度影响较大，需较多的数据资料，时效性差。四种方法各有其优势和局限性，单凭一种方法的预测结果可靠性差，应从系统角度预测油气井出砂（或何时出砂），据此提出一个出砂预测系统（图9-1-1），该系统预测的结论应比单一方法可靠。第二节防砂方法及选择无论哪一种防砂方法，都应该能够有效地阻止地层中砂粒随着地层流体进入井筒。一、防砂方法