油氣田地層出砂破壞機(jī)理及完井方式研究

劉言理（大港油田公司石油工程研究院，天津 300280）

油氣田地層出砂破壞機(jī)理及完井方式研究

劉言理（大港油田公司石油工程研究院，天津 300280）

大部分油田包括海上油田和陸地油田，在生產(chǎn)中后期甚至生產(chǎn)初期都存在地層出砂問題。地層出砂對(duì)油田的開發(fā)造成很大的困擾，地層出砂會(huì)造成油層失去支撐導(dǎo)致坍塌，油層套管損壞變形，砂粒在油氣開采過程中隨流體流動(dòng)過程中一方面對(duì)管線和設(shè)備造成磨損，另一方面砂粒在在設(shè)備中沉積，造成設(shè)備損壞或者安全隱患。因此有必要對(duì)地層的出砂及破壞機(jī)理進(jìn)行研究，降低生產(chǎn)損傷。

油氣田；出砂；完井；研究

當(dāng)今油氣田開采中出砂問題對(duì)生產(chǎn)造成的影響已經(jīng)非常明顯了，地層出砂對(duì)套管造成了各方面的破壞，并且砂子堵塞了地層流體的出流通道，降低產(chǎn)量。地層疏松的油層，在生產(chǎn)一段時(shí)間后，地層的流體流動(dòng)、壓力和粘度的綜合作用下隨流體脫離地層，通過篩管縫隙或套管的射孔炮眼進(jìn)入井筒中，這些砂粒在其后的運(yùn)移過程中對(duì)油井的破壞威力是巨大驚人的。

砂粒對(duì)井下工具和管道的破壞與多種因素有關(guān)。當(dāng)?shù)貙恿鞒龅纳傲ｎw粒較大且圓度粒度較差，加之流體速度較大，帶動(dòng)砂粒以較大的速度移動(dòng)，在這種情況下，砂粒非常容易對(duì)流經(jīng)的管線內(nèi)壁面產(chǎn)生磨損，長時(shí)間的作用會(huì)導(dǎo)致管線壁面變薄，最終管線破裂報(bào)廢。當(dāng)?shù)貙由傲魉佥^慢且砂粒不大時(shí)，這種情況下砂粒容易在隨流體運(yùn)移的過程中沉積在井筒中的任意位置，如工具的凹陷處，管線的拐彎處等等，這都會(huì)造成工具的使用失靈，通道堵塞，最終油井生產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)超過了額定值導(dǎo)致井毀人亡的不可補(bǔ)救的嚴(yán)重后果。

地層砂無論在什么地方都會(huì)造成嚴(yán)重的危害，如果進(jìn)入地表地面生產(chǎn)設(shè)備，必須及時(shí)采取措施對(duì)砂粒和流體進(jìn)行分離，否則將會(huì)造成更大的危害和更多成本。在清理砂粒的過程中藥消耗大量的人力物力財(cái)力，降低了油井的效益的同時(shí)也影響了生產(chǎn)。全球每年針對(duì)后期出砂的處理費(fèi)用是巨大的。

地層出砂問題在石油行業(yè)開始就一直是一個(gè)棘手的問題。因此非常有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究。只有對(duì)其深入研究透徹其出砂機(jī)理，才能對(duì)癥下藥，進(jìn)一步了解其破壞機(jī)理，采取對(duì)應(yīng)的防砂方案，達(dá)到預(yù)期目的。

1 油層出砂原因分析

為了從根本上遏制地層的出砂，必須對(duì)地層的出砂原因進(jìn)行深入研究，在油井完井階段下入篩管防砂是目前最常用的一種方法。同時(shí)科研人員也開發(fā)了地層出砂模擬軟件，通過模擬結(jié)果提前采取相應(yīng)的防砂措施。在油井開鉆之前就進(jìn)行防砂方面的準(zhǔn)備也是非常有必要的。

當(dāng)?shù)貙拥姆€(wěn)定性下降的時(shí)候，地層就會(huì)有出砂趨勢。造成地層穩(wěn)定性降低的原因主要集中在以下幾個(gè)方面：巖石強(qiáng)度下降、作用于地層上的地應(yīng)力與孔隙壓力之間的差值增大，以及在鉆完井和油井開采過程中產(chǎn)生的地質(zhì)應(yīng)力。單軸和三軸實(shí)驗(yàn)是目前應(yīng)用最廣泛也是最有效的測量巖石強(qiáng)度的方法，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以展現(xiàn)在巖石破裂曲線分布圖上。當(dāng)?shù)貙訋r石處在各種壓力作用下時(shí)，最大主應(yīng)力剪切最小主應(yīng)力的差值大于許用剪應(yīng)力時(shí)，地層巖石就會(huì)產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。地層巖石的強(qiáng)度的影響因素主要有：地層孔隙壓力、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力以及最大最小主應(yīng)力。內(nèi)聚力與地層巖石的固結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系密切。當(dāng)沉積巖固結(jié)較好時(shí)巖石的強(qiáng)度就相應(yīng)較高。巖石中潛在堅(jiān)硬砂粒所占的體例比例是影響內(nèi)摩擦角的最重要因素。當(dāng)油層生產(chǎn)一段時(shí)間或者地層的應(yīng)力失去平衡時(shí)，巖石中的砂粒就會(huì)從巖石中脫落出來，形成出砂現(xiàn)象。

2 油層出砂的破壞與完井方式

在油氣田開采的中后期，地層流體的采出導(dǎo)致地層壓差過大，最終導(dǎo)致地層受剪切作用坍塌，形成大量砂粒。在射孔后產(chǎn)生的射孔孔道受地層壓力差的作用顯著，當(dāng)?shù)貙訅毫Σ畛^巖石強(qiáng)度時(shí)，地層巖石就會(huì)碎裂出砂。對(duì)于那些地層流體開采嚴(yán)重的區(qū)塊出砂想象更為普遍。

當(dāng)?shù)貙恿黧w在外力的作用下流動(dòng)時(shí)，根據(jù)流體流動(dòng)的伯努利方程，流動(dòng)的速度越快，產(chǎn)生的壓力差就會(huì)越大，此時(shí)在巖石膠結(jié)強(qiáng)度較低的砂巖中就會(huì)產(chǎn)生張力破壞現(xiàn)象。這種出砂形式比較少見，對(duì)于油井產(chǎn)量穩(wěn)定的井影響不大。對(duì)于那些孔隙度高、強(qiáng)度較低的地層巖石中，往往發(fā)生空隙性坍塌的可能性較大，這種坍塌最終可能造成地層的沉降。

相關(guān)研究表明，對(duì)于不同強(qiáng)度、不同類型的砂巖，其在應(yīng)力作用下產(chǎn)生砂粒的情況各部相同，甚至不出砂。在油氣田開發(fā)的過程中，很多因素會(huì)巖石強(qiáng)度產(chǎn)生影響，誘發(fā)地層出砂。比如鉆頭鉆開地層、不同完井方式的選擇以及后期的大泵強(qiáng)采都會(huì)改變地層的巖石應(yīng)力分布。油井的增產(chǎn)措施如酸化和壓裂等都將改變砂巖的應(yīng)力分布，在一定程度上也成為油層出砂的另一種因素。對(duì)于注水井，隨著地層巖石含水率的增加，地層巖石的強(qiáng)度逐漸降低，最終出砂。

地層出砂以后，比較細(xì)小的砂粒會(huì)隨著油氣流流體井筒，甚至?xí)慌e升到地面。還有一部分顆粒比較粗大的沙粒會(huì)聚集卡塞在射孔孔眼處或者篩管縫隙處，較細(xì)小的砂粒和粉質(zhì)砂繼續(xù)在較大砂粒后面堵塞通道，最終油氣流的出流通道被堵住，油井產(chǎn)量急劇下降。因此在鉆井、完井等油井開發(fā)初期必須考慮油井的有效防砂措施。

在設(shè)計(jì)預(yù)防地層巖石出砂方案時(shí)必須將各種因素都考慮在內(nèi)，在一些地層巖石疏松的砂巖層中，必須采取提前防砂完井的方式完井，如下入割縫襯管或者篩管［1］，對(duì)于巖層容易坍塌的層位可以進(jìn)行管內(nèi)礫石循環(huán)充填、管外礫石擠壓充填的方式來增加巖層的穩(wěn)固性。

3 結(jié)語與建議

通過多年的研究和實(shí)際相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)對(duì)于巖石強(qiáng)度低的疏松砂巖，非常有必要在鉆完井時(shí)進(jìn)行防砂完井，建議地層穩(wěn)定性較好的巖層采用精密復(fù)合篩管或者裸眼完井，在防砂的同時(shí)保持油層的較大滲透率。對(duì)于地層穩(wěn)定性不好的巖層，采用套管射孔完井，套管內(nèi)下入懸掛篩管防砂完井或者采用油層上部注水泥固井，油層裸眼完井，同時(shí)油層用篩管防砂，篩管外部進(jìn)行礫石充填加固地層。這些措施都將提高油井壽命，減少地層出砂，提高油氣田經(jīng)濟(jì)效益。

［1］趙蓓.篩管礫石充填防砂方式產(chǎn)能影響規(guī)律［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2009，15，33-35.