烏干達湖上K油田防砂參數(shù)設計及優(yōu)化試驗研究

文敏，王平雙，何保生，劉書杰曹硯鋒，楊玉貴，潘豪 （中海油研究總院，北京100028）

在油氣井開發(fā)生產過程中，防砂設計是完井中一個重要的決策過程，合理的防砂方法和參數(shù)設計確保了油氣井全壽命生產周期內的高效高產開發(fā)。據(jù)相關資料報道，全世界的油井約有40%需要防砂，這個比例每年還在遞增。根據(jù)現(xiàn)有防砂原理及工藝特點，防砂方法大致可以分為機械式防砂、化學防砂、復合防砂和其他防砂方法幾類［1～3］，其中機械防砂應用最為廣泛［4］。通過調研現(xiàn)有對陸上油田的防砂研究比較透徹，但是在對于湖上和深水油氣田的防砂方式比較單一，由于水環(huán)境的復雜和風險性，多數(shù)深水油氣田采用礫石充填完井方式，注水井采用套管射孔、繞絲篩管及優(yōu)質篩管完井。對特定的油氣田來說，地層粒度、泥質含量、細粉砂含量的影響對防砂方式選擇具有重要的決定性。而對非洲中部烏干達西北部的湖上K油田，由于其粒度的不確定性及防砂后其產量的不確定性，根據(jù)粒度資料和測井資料，在防砂經驗設計方法的基礎上利用實驗方法進行優(yōu)化，建立更適合于湖上K油田的防砂方法及方式。

1 油田基本情況

K油田位于非洲中部烏干達西北部的Albert湖區(qū)，受正斷層控制，南部圈閉以邊界斷層控制的半背斜為主。目的層主要位于上新統(tǒng)，沉積類型多為河流和三角洲，儲層為多期疊置河道、三角洲砂巖，物源方向主要為北東向。儲層埋深2200m，地層巖性主要以砂泥巖為主，砂泥巖成互層分布，且單層較薄，砂巖層厚度一般小于10m，泥巖層厚度比砂巖層略大，但基本不超過20m。儲層2C屬于中－高孔、中－高滲高凝油油藏，黏度較低。

2 K油田出砂可能性分析及評價

影響地層出砂的因素很多，一般認為井壁巖石的應力狀態(tài)和巖石強度等是油井出砂的內因，開采過程中生產壓差的大小及地面操作條件是出砂的外因［5］。出砂指數(shù)是預測油氣井生產初期是否出砂的有效方法，目前廣泛應用的出砂指數(shù)有兩種，即模量和出砂指數(shù)與模量積出砂指數(shù)。利用K油田探井的測井數(shù)據(jù)結合聲波時差法對儲層2C進行了分析，這3種預測方法一致顯示其出砂可能性較大。

國內外通用的出砂臨界壓差預測模型主要有：Morita模型、剪切破壞模型、W-P模型和UCS／2經驗模型等［6，7］。各模型的假設條件、適用井型、考慮的參數(shù)和出砂判斷準則存在差異，因此具有自身不同的優(yōu)缺點。根據(jù)K油田油藏特性和儲層物性，結合地應力、巖石力學及儲層壓力等參數(shù)，優(yōu)選出經驗模型UCS／2進行儲層的出砂預測。結果表明，K油田2C儲層臨界生產壓差較低，初始時期的生產壓差保持在2．5MPa以內地層才不會出砂。鑒于海外開發(fā)的許可有效期有限，短期高產是海外作業(yè)的一貫模式，限產會帶來巨大的經濟損失，所以K油田必須采取防砂措施。

3 K油田防砂經驗設計

3.1 K油田儲層粒度及泥質質量分數(shù)分布規(guī)律

儲層粒度特征值分布范圍和泥質含量的準確確定是有效防砂方式及參數(shù)設計的基礎［8］。對K油田2C儲層的地層巖樣采用了激光粒度測試和篩析測試相結合的方法進行了分析。儲層粒度變化范圍比較大，粒度中值D50變化范圍239～382μm，不均勻系數(shù)UC變化范圍2．078～24．825，細粉砂質量分數(shù)6%～20%。主力儲層均為中粗顆粒，非均質性強是該油田儲層的一個主要特征。

由于現(xiàn)場取心費用昂貴、巖心稀少以及沉積環(huán)境差異、油藏縱橫向上的各向異性和非均質性等特點，建立伽馬、密度測井項與實測粒度特征值三者樣本庫，利用 “神經網絡”學習性技術，結合開發(fā)井測井資料，建立整個粒度縱向分布剖面，為防砂設計提供準確的基礎數(shù)據(jù)支撐。利用神經網絡預測K油田2C儲層的粒度中值D50在230～380μm之間，粒度較粗；UC在0～25，主要集中小于6；細粉砂質量分數(shù)為0%～24%，主要集中小于9%。對K油田2C儲層巖心進行了X－衍射全巖分析和黏土礦物成分分析試驗，結果表明2C主力儲層的泥質質量分數(shù)5%～18%，平均泥質質量分數(shù)11．8%，黏土礦物成分主要以伊利石為主，蒙脫石和綠泥石次之，吸水膨脹性較強。

3.2 K油田防砂方法及參數(shù)設計

根據(jù)K油田儲層粒度特征值分布范圍和泥質質量分數(shù)等參數(shù)，采用George Gillespie and Johnson的防砂設計方法和Tiffen防砂設計標準示意圖以及中國石油大學巖石力學實驗室防砂設計圖版對2C儲層進行防砂方式選擇［9～11］，初步推薦采用優(yōu)質篩管或礫石充填方法防砂完井。根據(jù)常用的Saucer最小包絡線計算方法選擇最優(yōu)礫石尺寸［12］，并結合Coberly和Penberthy的研究成果，可以大致確定礫石規(guī)格和優(yōu)質篩管的擋砂范圍。

4 室內出砂模擬試驗優(yōu)化

基于經驗設計方法，針對K油田儲層特性和生產壓差，對不同擋砂精度 （150、200、250、300μm）的優(yōu)質篩管防砂和不同防砂組合方式 （250μm繞絲篩管礫石充填、250μm獨立優(yōu)質篩管及250μm優(yōu)質篩管礫石充填）進行模擬試驗［11］。

1）實驗1 對比該油田利用優(yōu)質篩管防砂后產能的變化及防砂效果，如圖1～4所示。對于4種防砂篩管在初始階段其米采油指數(shù)相差較大，孔喉直徑越大其米采油指數(shù)越高，在試驗穩(wěn)定階段，300μm優(yōu)質篩管時的米采油指數(shù)相對于其他3個精度 （250、200、150μm），分別增加了26．72%、38．039%、152．3%。從含砂質量分數(shù)比較，300μm優(yōu)質篩管的出砂量遠大于其他3個精度，超過了油氣井安全生產的要求，其他3個精度能滿足油氣井安全生產的防砂要求。優(yōu)質篩管防砂過程中，隨著篩管孔徑的變大，其出砂粒度越大，說明在K油田產層段的防砂過程中，小精度的優(yōu)質篩管擋砂范圍更廣，結合不同篩管精度防砂下的米采油指數(shù)，推薦使用250μm的優(yōu)質篩管防砂。

圖1 不同精度優(yōu)質篩管的米采油指數(shù)隨時間變化曲線

圖2 不同精度優(yōu)質篩管的油中含砂質量分數(shù)隨時間變化曲線

圖3 不同精度優(yōu)質篩管米采油指數(shù)對比圖

圖4 不同精度獨立優(yōu)質篩管粒徑對比圖

圖5 不同防砂組合方式的米采油指數(shù)隨時間變化曲線

圖6 不同防砂組合方式油中含砂量隨時間變化曲線

2）實驗2 對比K油田采用3種不同組合防砂方式以后產能的變化及防砂效果，其中根據(jù)地層砂粒徑分析選用10～30目礫石尺寸進行模擬實驗，如圖5～8所示。對于3種組合礫石充填防砂方式下在初始階段其米采油指數(shù)相差不大，但是在試驗穩(wěn)定階段，250μm優(yōu)質篩管礫石充填防砂時的米采油指數(shù)與割縫篩管礫石充填兩者相當，兩者為流量穩(wěn)定后獨立篩管米采油指數(shù)的2．73倍，從含砂質量分數(shù)比較，250μm優(yōu)質篩管礫石充填＜250μm獨立優(yōu)質篩管＜250μm繞絲篩管礫石充填。其中繞絲篩管充填礫石的出砂量超出了海上油井安全生產的要求，不可用于該油田的防砂作業(yè)。優(yōu)質篩管礫石充填的出砂粒度中值D50＞獨立優(yōu)質篩管出砂的D50，說明優(yōu)質篩管礫石充填較其他防砂方式的擋砂的范圍廣，對于K油田產層段的防砂方式，優(yōu)質篩管礫石充填較獨立優(yōu)質篩管擋砂的范圍廣。

綜述以上試驗，對于K油田，推薦使用250μm的優(yōu)質篩管＋10～30目礫石充填進行防砂。

圖7 不同防砂組合方式米采油指數(shù)對比圖

圖8 不同防砂組合方式粒徑對比圖

5 K油田現(xiàn)場產量分析

將油田現(xiàn)場的井型、開發(fā)段長度與采用相應防砂方式后的米采油指數(shù)與配產的產液量結合起來進行對比，取部分井的配產與試驗產液量對比如圖9所示，試驗產液量完全能滿足配產要求的產液量。

圖9 部分井配產和試驗產液量對比圖

6 結論

1）通過對烏干達湖上K油田的測井資料統(tǒng)計并進行了出砂預測分析，發(fā)現(xiàn)儲層2C的出砂可能性較大，并對其出砂臨界生產壓差利用多種模型進行了預測，K油田2C儲層臨界生產壓差較低，出砂的可能性較大，在生產初期的壓差保持在2．5MPa以內地層才不會出砂。

2）在其粒度分析和黏土礦物分析的基礎上，進行了防砂方式和防砂精度的初步優(yōu)選。隨著優(yōu)質篩管擋砂精度的放大，產能和出砂量都隨之增加。但是出砂量在油井安全生產要求范圍之內，優(yōu)質篩管充填防砂下穩(wěn)定后的產砂量和米采指數(shù)都優(yōu)于獨立優(yōu)質篩管防砂。對于K油田，推薦使用250μm的優(yōu)質篩管＋10～30目礫石充填進行防砂，并將其產量與現(xiàn)場的配產進行對比，其可以滿足現(xiàn)場的配產要求。

［1］Dees，J M．Sand control in the wells with gas generator and resin ［P］ ．US：5101900，1992．

［2］Rhandy R，Andreas S，Norhisham B S．Optimized stand-alone screen design for the＇J＇field，Malaysia ［J］．SPE141461，2011．

［3］Talaghat M R，Esmaeilzadeh F，Mowla D．Sand production pontrol by phemical consolidation ［J］．SPE19534，2009．

［4］歐陽勇，夏宏南，王小建．20世紀90年代以來機械防砂技術的新進展 ［J］．探礦工程 （巖土鉆掘工程），2004，31（11）：53～55．

［5］王艷輝，劉希圣，王鴻勛 ．油井出砂預測技術的發(fā)展與應用綜述 ［J］．石油鉆采工藝，1994，16（5）：79～86．

［6］范興沃，李相方，關文龍，等 ．國內外出砂機理研究現(xiàn)狀綜述 ［J］．鉆采工藝，2004，27（3）：57～58，70．

［7］沈琛，鄧金根，王金鳳 ．勝利油田弱膠結稠油藏巖石破壞準則及出砂預測 ［J］．斷塊油氣田，2001，8（2）：19～22．

［8］萬仁溥 ．現(xiàn)代完井工程 ［M］．第3版 ．北京：石油工業(yè)出版社，2000．

［9］Richard M，H，Robert C B，Vernon C，et al．An evaluation method for screen-only and gravel-pack completions ［J］ ．SPE73772，2002．

［10］Tiffin C L，King G E，Larese R E，et al．New criteria for gravel and screen selection for sand control ［J］．SPE39437，1998．

［11］王利華，鄧金根，周建良，等 ．適度出砂開采標準金屬網布優(yōu)質篩管防砂參數(shù)設計實驗研究 ［J］．中國海上油氣，2011，23（2）：107～110．

［12］Saucier R S．Considerations in gravel pack design ［J］．SPE4030，1996．