孤東油田儲(chǔ)層出砂機(jī)理分析及防砂工藝的研究

顧百峰

摘 要：孤東油田是1984年發(fā)現(xiàn)，1986年投入開(kāi)發(fā)的大型稠油疏松砂巖油藏。在國(guó)內(nèi)油田出砂機(jī)理及防砂技術(shù)研究中具有極其重要的地位，油層出砂總是具有兩方面的原因，先天的地質(zhì)特征和后天的開(kāi)發(fā)方式共同決定。本文旨在通過(guò)對(duì)孤東油田出砂機(jī)理的深入研究及油田防砂成功經(jīng)驗(yàn)取得的總結(jié)概括，期望能夠?qū)τ吞锾馗吆陂_(kāi)發(fā)的穩(wěn)產(chǎn)起到重要的保障作用。

關(guān)鍵詞：孤東油田；砂巖油藏；出砂；防砂；

1 孤東油田出砂簡(jiǎn)況

孤東油田是1984年發(fā)現(xiàn)的，1986年投入開(kāi)發(fā)的大型稠油疏松砂巖油藏。館陶組油層由于埋藏淺（1190-1460m），壓實(shí)程度差，生產(chǎn)過(guò)程出砂十分嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)館陶組的1163口油井作業(yè)過(guò)程沖砂量資料，出砂井有957口，占82.3%。由于油井出砂造成卡管、砂埋、砂卡、桿斷、泵漏等原因停產(chǎn)的油井217口，占油田同期關(guān)井?dāng)?shù)334口的65%（表1-1）。

孤東油田正式投入開(kāi)發(fā)以后，針對(duì)油層出砂嚴(yán)重的問(wèn)題，采取了繞絲篩管、金屬濾砂管、干灰砂、化學(xué)防砂（包括地下合成、涂料砂）、復(fù)合防砂等防砂措施，從而保證了油田的正常生產(chǎn)。由于油層地質(zhì)條件差，以及采液強(qiáng)度大，油層結(jié)構(gòu)遭到破壞，油層出砂日趨嚴(yán)重。孤東油田2006-2015年集輸站大罐清砂表明，采萬(wàn)噸液出砂量由2.45m3增加到4.21m3，采萬(wàn)噸油出砂量由2.86m3增加到59.6m3，出砂量成倍增長(zhǎng)。事故井次數(shù)也隨之增多，由2006年的27口上升至2015年的85口，到目前累計(jì)1156口，其中套變井?dāng)?shù)也由3口增至34口，累計(jì)套變井?dāng)?shù)達(dá)317口，影響了油田開(kāi)發(fā)效果（表1-2）。

表1-2孤東油田分年度出砂情況統(tǒng)計(jì)表

從孤東油田分年度出砂情況統(tǒng)計(jì)曲線上我們可以明顯的看到，隨著油田開(kāi)發(fā)的深入，油田出砂對(duì)于油田產(chǎn)量的制約有著越來(lái)越大的影響，這從另外一個(gè)方面給我們也帶來(lái)了機(jī)遇，隨著出砂機(jī)理的深入研究，防砂技術(shù)的進(jìn)一步提高，損失的地質(zhì)儲(chǔ)量能夠得到一定的彌補(bǔ)，從而給油田的上產(chǎn)帶來(lái)一定的主動(dòng)，同時(shí)也說(shuō)明了出砂規(guī)律的研究有著越來(lái)越大的重要性。

2 孤東油田油氣藏出砂地質(zhì)特征

目前全世界許多油氣田存在嚴(yán)重的油氣井出砂問(wèn)題，這是油氣開(kāi)采過(guò)程中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。油氣田產(chǎn)層出砂除與后天的鉆井方式、開(kāi)采方式、增產(chǎn)措施及管理方式有關(guān)外，另一個(gè)主要原因是存在具有一定出砂潛能的地層。

我國(guó)出砂油氣田的地質(zhì)特征主要有：油氣層埋藏淺；壓實(shí)程度差；膠結(jié)疏松；膠結(jié)物含量高、泥質(zhì)成分所占比重大；非均質(zhì)性嚴(yán)重。

孤東油田為第三系油氣田，油藏埋藏較淺，井深一般在1190-1460米左右。成巖性差，膠結(jié)疏松，膠結(jié)物以泥巖為主。儲(chǔ)層一般以泥質(zhì)粉砂巖和細(xì)粉砂巖為主。粒徑在0.04-0.07mm之間，最大粒徑為0.12mm，小于0.01mm占14%。孤東油田的開(kāi)發(fā)過(guò)程一直受到出砂問(wèn)題的困擾。孤東油田的主要生油層段為館陶組，同時(shí)又可以按照沉積類(lèi)型分為館陶組上段及館陶組下段，屬于早成巖期階段的產(chǎn)物，地層埋藏深度較淺，有機(jī)質(zhì)未成熟，巖石疏松，尚未完全固結(jié)，原生孔隙發(fā)育，一般未見(jiàn)石英的次生加大現(xiàn)象，長(zhǎng)石溶解也不普遍，有時(shí)見(jiàn)有早期碳酸鹽膠結(jié)，砂巖和粘土巖中，富含蒙脫石，伊利石含量較少，并見(jiàn)有高嶺石粘土礦物。這些因素都決定了孤東油田這樣一個(gè)砂巖油藏必然具有的嚴(yán)重的出砂特性。

3 油氣藏出砂危害

1、產(chǎn)層出砂增加滲流阻力，造成減產(chǎn)、停產(chǎn)

由于產(chǎn)層出砂，當(dāng)液量小到不足以將其帶出地面時(shí)，將部分或全部堵塞產(chǎn)油層段，使液量下降，甚至停產(chǎn)。如孤東油田3-18-34井，因?yàn)榈貙映錾霸斐梢毫肯陆祵?dǎo)致躺井，作業(yè)不成功導(dǎo)致現(xiàn)無(wú)法正常生產(chǎn)，接近于停產(chǎn)狀態(tài)。

2、井底沉砂破壞抽油機(jī)設(shè)備

對(duì)于抽油井井來(lái)說(shuō)，大量泥沙便會(huì)沉積井底堵塞井筒，卡死固定凡爾和游動(dòng)凡爾；有砂的地層水會(huì)增大柱塞與泵筒間的摩擦力，損壞柱塞皮碗，降低泵效，縮短檢泵周期，增加生產(chǎn)成本。

3、采出地面的砂粒將加快地面設(shè)備損壞

伴隨液體采出地面的砂粒和高速流動(dòng)的氣體一起，迅速?zèng)_刷地面流程中的設(shè)備、管件，使地面設(shè)備損壞加快、安全系數(shù)降低；同時(shí)使節(jié)流閥及其它閥件關(guān)閉、密封不嚴(yán)，給生產(chǎn)調(diào)節(jié)、地層測(cè)試、計(jì)量測(cè)試等帶來(lái)危害。

4 油氣藏出砂機(jī)理

因氣藏與油藏?zé)o論是所含流體的性質(zhì)還是驅(qū)動(dòng)方式都存在著較大的差異，特別是流速、拖曳力、過(guò)流面積等。因此，氣層出砂與油層出砂機(jī)理既有一些相似性，也有著較大的不同。這里主要是對(duì)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于疏松砂巖油藏或氣藏出砂機(jī)理研究的一些總結(jié)。

4.1“滲流砂”的流動(dòng)

疏松砂巖油藏在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，因地層本身膠結(jié)弱，儲(chǔ)層中存在大量細(xì)小的、弱膠結(jié)的顆粒，這部分顆粒的最大特點(diǎn)是易于啟動(dòng)，即使產(chǎn)量很低的情況下也能夠在儲(chǔ)層中產(chǎn)生運(yùn)移，這種原始地層微粒稱為“滲流砂”。學(xué)者們通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了“滲流沙”的啟動(dòng)壓差與流砂微粒粒徑含量間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)顆粒啟動(dòng)壓差比較低，即使在0.1MPa的啟動(dòng)壓差條件下，這種流砂也會(huì)滲流，也就是說(shuō)這部分微粒的運(yùn)移是不可避免的。。滲流砂粒徑分布范圍比較廣，微粒集中分布在10～35μm。結(jié)合氣藏儲(chǔ)層的地質(zhì)特征，估計(jì)實(shí)際氣層中“滲流砂”的含量為3%～4%，甚至更低。不同巖石類(lèi)型中“滲流砂”顆粒的含量不同。對(duì)于“滲流砂”而言，建議在氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中讓其排出，且盡量逐漸排出，防止?jié)B流砂過(guò)多和過(guò)快，造成架橋堵塞孔喉，降低產(chǎn)層滲透率。同時(shí)通過(guò)改善完井方法和射孔方法，改變流場(chǎng)，減少滲流砂集中。

4.2弱膠結(jié)附著的顆粒

這部分顆粒絕大部分屬于填隙物，包括雜基和膠結(jié)物，產(chǎn)狀呈分散狀和粒間充填；其次是弱膠結(jié)的骨架顆粒。如澀北氣田儲(chǔ)層巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖，骨架顆粒粒徑與填隙物粒徑呈連續(xù)分布，這給氣層的防砂和控砂增加了一定的難度，即填隙物顆粒出砂必然削弱骨架顆粒的穩(wěn)定性，從而形成“蚯蚓”洞。此類(lèi)顆粒對(duì)儲(chǔ)層傷害的機(jī)理為速敏，通過(guò)控制氣層的產(chǎn)量，可以防止其對(duì)儲(chǔ)層的傷害和出砂。但如果遇上與地層不配伍的工作液、堿液或酸液等，勢(shì)必破壞填隙物的微結(jié)構(gòu)，以及它們與骨架顆粒間的附著力，變?yōu)橐子谶\(yùn)移的砂粒。所以也稱為填隙物破壞型出砂。預(yù)防弱固結(jié)顆粒出砂的辦法是，通過(guò)對(duì)完井、射孔方法的改進(jìn)，改變流場(chǎng)?？刂飘a(chǎn)層的產(chǎn)量，也是一個(gè)有效的辦法?？梢圆捎玫拇胧椋孩倮闷帘螘憾录夹g(shù)，在鉆井過(guò)程中形成快、牢、致密、淺的薄污染層，阻止外來(lái)工作液進(jìn)入儲(chǔ)層，或使濾液作用范圍盡可能減??；②增強(qiáng)工作液配伍性，減少濾液對(duì)侵入帶膠結(jié)物的破壞，不增加外來(lái)沉淀堵塞孔喉。

4.3骨架破壞型出砂

這部分顆粒受制于鉆井、完井、射孔等工藝措施的合理性和參數(shù)的選擇。主要原因是施工過(guò)程中外來(lái)壓力所引起的應(yīng)力、應(yīng)變，造成地層變形、滑動(dòng)，使巖石成為（或部分成為）散砂，引起地層嚴(yán)重出砂，甚至井壁不穩(wěn)定。影響因素包括以下幾個(gè)方面：①二次應(yīng)力場(chǎng)分布；②起下鉆波動(dòng)壓力；③高壓水射流沖擊；④機(jī)械擾動(dòng)；⑤鉆井過(guò)程中的出砂；⑥射孔過(guò)程中的出砂。

4.4砂穴崩落型出砂

對(duì)于裸眼井，地層出砂后形成洞穴，其頂部由于失去支撐，且不能形成穩(wěn)定砂拱，塊狀脫落造成流砂。對(duì)于套管井，地層首先沿射孔孔眼出砂后，形成蚯蚓洞，然后形成小的崩落型洞穴。預(yù)防這種類(lèi)型出砂的辦法是減輕弱膠結(jié)和骨架顆粒的出砂量，避免它們引起質(zhì)的變化，形成崩落型出砂。

5 一次性高壓充填防砂配套工藝

5.1發(fā)展歷程

1、涂料砂防砂和復(fù)合防砂工藝階段

1996年開(kāi)始進(jìn)行了涂料砂防砂實(shí)驗(yàn)，由于常溫涂料砂最佳的固結(jié)溫度在60℃左右，而淺層油田的地層溫度一般在50℃以下，造成常溫涂料砂固結(jié)不好。為提高涂料砂固結(jié)強(qiáng)度，1998年針對(duì)地層溫度較低的情況，引進(jìn)了地層預(yù)清洗后低溫涂料砂（30℃就有較高的固結(jié)強(qiáng)度）防砂工藝技術(shù)，取得了一定效果。但從施工效果看，也存在防砂有效期短的現(xiàn)象，同時(shí)由于部分涂料砂在高壓充填過(guò)程中發(fā)生破碎，造成油井堵塞，使防砂無(wú)效。1993-1999年共采用低溫涂料砂防砂29井次，平均單井年增油754噸，平均有效率76.9%，平均有效期8.5月。

2、以繞絲管管外礫石充填防砂工藝為主的防砂工藝階段

隨著油田開(kāi)發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，地層出砂程度加劇，虧空加大，防砂難度增加，單一繞絲篩管防砂工藝難以適應(yīng)不同井況油井防砂的需要。繞絲管管外礫石充填防砂工藝投產(chǎn)后，取得了良好的防砂效果。1999年開(kāi)始采用了先進(jìn)行地層預(yù)充填，然后進(jìn)行繞絲管循環(huán)充填的兩步復(fù)合防砂工藝，1999-2003年共施工117井次，成功率96.6%，有效率86.4%，平均單井年增油974噸，平均有效期34.4月。該工藝技術(shù)占井周期長(zhǎng)，施工工序復(fù)雜，配套車(chē)輛及勞務(wù)費(fèi)用高。

3、復(fù)合防砂工藝、一次性高壓充填防砂工藝階段

從2003年至今，以復(fù)合防砂工藝為主導(dǎo)工藝，同是引進(jìn)并完善一次性高壓充填防砂工藝。

5.2前期一次性高壓充填防砂工藝的缺陷

1、充填工具存在缺陷在工具丟手部位，當(dāng)壓力高于25Mpa時(shí)，會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致丟手困難。充填工具內(nèi)徑小，不能進(jìn)行大砂比充填；充填工具不能進(jìn)行循環(huán)充填，在施工過(guò)程中加完砂不漲時(shí)，不能進(jìn)行環(huán)空充填，這樣會(huì)使環(huán)空充填不致密，影響了防砂效果。

2、施工工藝有待完善填砂后反洗井因地層內(nèi)壓力高存在嚴(yán)重的反吐現(xiàn)象，導(dǎo)致大量地層砂進(jìn)入充填層，降低其滲透率；水?dāng)y砂液充填砂比小，不能最大程度提高近井地帶滲透率和阻止地層砂運(yùn)移。

5.3一次性高壓充填防砂工藝的改進(jìn)和完善

1、充填工具的改進(jìn)

（a）增加了丟手部位強(qiáng)度，防止施工過(guò)程中壓力過(guò)高發(fā)生斷裂而丟手。

（b）工具充填內(nèi)徑由∮38mm更改為∮45mm，防止大砂比充填導(dǎo)致充填工具堵塞。

（c）增加循環(huán)充填裝置，使一次性高壓充填防砂工藝既能進(jìn)行高壓地層充填，又能進(jìn)行環(huán)空循環(huán)充填。當(dāng)高壓充填施工末期壓力不起時(shí)，開(kāi)套管閘門(mén)，對(duì)環(huán)空進(jìn)行正循環(huán)充填，這樣就能達(dá)到對(duì)地層和環(huán)空同時(shí)充填的目的。

2、防砂管柱組配的改進(jìn)

在防砂管柱中增加信號(hào)篩管，當(dāng)高壓充填施工末期充填壓力不起時(shí)，打開(kāi)套管閘門(mén)對(duì)環(huán)空進(jìn)行正循環(huán)充填礫石，將防砂主體篩管掩埋壓實(shí)，并逐漸將信號(hào)篩管掩埋，充填壓力上升，達(dá)到對(duì)地層和環(huán)空同時(shí)進(jìn)行充填的目的。

3、施工工藝的改進(jìn)和完善

（a）加砂前大排量擠前置液，一是起到類(lèi)似于壓裂造縫的作用，提高加砂量。二是清洗炮眼內(nèi)及近井地帶的地層砂，將其推入地層深處，防止充填過(guò)程中地層砂和充填砂相混。

（b）分層充填施工。對(duì)層數(shù)較多且層間滲透率差異較大的新井進(jìn)行了多次射孔、多次充填防砂實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)低滲透層改造，提高其動(dòng)用程度。

（c）采用高性能的羥丙基瓜膠水基溶液作為攜砂液以提高攜砂比，在高壓充填過(guò)程中，若砂比過(guò)低，油井防砂投產(chǎn)后，隨著生產(chǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)，大量地層砂很容易進(jìn)入充填層并與充填砂相混，會(huì)降低近井地帶滲透率，產(chǎn)生堵塞。針對(duì)這種情況，借鑒BJ公司壓裂防砂的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，研究應(yīng)用了高性能的羥丙基瓜膠水基溶液作為攜砂液以提高攜砂比，達(dá)到抑制地層砂運(yùn)移，減少地層砂和充填砂相混的機(jī)會(huì)。

（d）配套采用了高壓滑動(dòng)井口，在充填施工結(jié)束后，不用卸井口，直接上提管柱進(jìn)行帶壓倒扣丟手，關(guān)閉充填通道后，再反洗井，防止了反洗井過(guò)程中地層吐砂影響充填效果現(xiàn)象的發(fā)生。

5.4認(rèn)識(shí)與評(píng)價(jià)

一次性高壓充填防砂工藝是將防砂管柱及充填工具一次性下入井內(nèi)，使地層預(yù)充填及管內(nèi)礫石充填一次完成，施工作業(yè)周期短，施工簡(jiǎn)便，減少了配套車(chē)輛及勞務(wù)費(fèi)用，成功率高，油井增產(chǎn)顯著，防砂效果好。稀酸解堵及負(fù)壓反排解堵工藝能夠解堵油層，提高防砂效果?？勺鳛橛吞锊糠钟途舛碌闹饕に?，應(yīng)用了高性能的羥丙基瓜膠水基溶液作為攜砂液以提高攜砂比，達(dá)到抑制地層砂運(yùn)移，減少地層砂和充填砂相混的機(jī)會(huì)，提高了防砂井產(chǎn)量。分層射孔、分層充填防砂工藝，能使?jié)B透率有差異的各小層得到均衡動(dòng)用。

6 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

1、地層出砂對(duì)生產(chǎn)造成較為嚴(yán)重的影響，出砂機(jī)理復(fù)雜，防砂困難，應(yīng)當(dāng)引起生產(chǎn)單位重視。

2、加強(qiáng)氣田出砂機(jī)理研究；深入研究地層中氣-液-沙三相滲流問(wèn)題，豐富多相滲流研究?jī)?nèi)容，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。

3、發(fā)展一種適合于油井的考慮到動(dòng)量交換影響的攜砂模型。

4、需開(kāi)展以氣體為流動(dòng)介質(zhì)的大型出砂實(shí)驗(yàn)研究，以檢驗(yàn)多相流理論。

5、在具體的防砂處理過(guò)程中，應(yīng)將經(jīng)驗(yàn)公式法、實(shí)驗(yàn)研究和理論預(yù)測(cè)結(jié)合起來(lái)，同時(shí)從不同的角度提出解決辦法，以達(dá)到最好的防砂效果。

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