在渤海灣多層薄互層稠油油藏防砂實(shí)踐分析

王彬 許紅林 文敏 范志利

1.中海油研究總院有限責(zé)任公司；2.重慶科技學(xué)院

渤海灣砂巖稠油油藏儲(chǔ)層巖石膠結(jié)疏松，滲透率高，易出砂，不同的完井及其防砂方式對(duì)其開發(fā)效益影響巨大，油田開發(fā)需根據(jù)油氣藏類型和油氣層的特性、開發(fā)開采技術(shù)要求選擇合理的完井及其防砂方式［1］。對(duì)渤海海域蓬萊19-3油田多年的防砂歷程進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)采用不同完井或防砂方式油井的表皮因數(shù)、產(chǎn)液/油量、產(chǎn)量遞減率，以及地層黏土礦物、蒙脫石含量等因素進(jìn)行了綜合對(duì)比，結(jié)合該油田的儲(chǔ)層物性，分析了其防砂方式轉(zhuǎn)變的主要原因。

1 油田地質(zhì)概況

渤海灣蓬萊19-3油田儲(chǔ)層埋深847～1632 m，目的層為明化鎮(zhèn)組和館陶組油層。儲(chǔ)層縱向跨度較大，從上到下分為13個(gè)油組，命名為L00、L10、L20、L30、L40、L50、L60、L70、L80、L90、L100、L110、L120，其中L00～L40油組屬于明化鎮(zhèn)組下段儲(chǔ)層，L50～L120油組屬于館陶組儲(chǔ)層，這些油組進(jìn)一步細(xì)分為47個(gè)小層。

該油田儲(chǔ)層為河流相沉積砂體，顯著的特征是砂泥巖互層嚴(yán)重，砂巖段個(gè)數(shù)多、厚度薄，被多個(gè)泥頁巖夾層隔開，70%的砂巖層厚度小于3 m，凈毛比低（0.28～0.32），連通性較差；泥質(zhì)含量波動(dòng)較大，波動(dòng)范圍0.15%～88.52%。

儲(chǔ)層巖石為細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖和含礫中粗砂巖，膠結(jié)疏松，強(qiáng)度低（單軸抗壓強(qiáng)度3.45～6.70 MPa），分選差（分選系數(shù)85～237），非均質(zhì)性強(qiáng)（不均勻系數(shù)12～130），地層砂粒度中值d50為88～250 μm。

儲(chǔ)層孔隙度18.9%～34.7%，滲透率分布范圍廣（15～2 330 mD），屬中孔/高孔、高滲儲(chǔ)層。地層原油密度0.890～0.934 g/cm3，地層原油黏度31～278 mPa·s。

2 防砂歷程

蓬萊19-3油田于2002年進(jìn)行開發(fā)，油井防砂方式主要經(jīng)歷了3個(gè)階段。階段1：實(shí)驗(yàn)階段，嘗試不同的完井及防砂方式，為后續(xù)油田開發(fā)提供依據(jù)；階段2：油田大規(guī)模開發(fā)，生產(chǎn)井采用裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂；階段3：改進(jìn)防砂方式，采用壓裂充填防砂。

2.1 階段1（2002—2004年）

2002—2004年，共鉆24口井，分別采取不同的完井與防砂方式進(jìn)行試驗(yàn)，這些完井或防砂方式如下。（1）Perf Only：射孔完井，不防砂；（2）Perf+ESS：射孔完井，下入膨脹篩管防砂；（3）OH+WWS：裸眼完井，下入繞絲篩管防砂；（4）OH+STAR：裸眼完井，下入星孔型篩管防砂；（5）OH+ESS：裸眼完井，下入膨脹篩管防砂；（6）Frac+ESS：逐層射孔，逐層壓裂，下入膨脹篩管防砂。套管射孔均采用正壓射孔，孔密40 孔/m，相位角135°/45°，穿透深度940 mm，孔徑14.5 mm。采用不同完井或防砂方式油井的表皮因數(shù)見表1。

表1 采用不同完井及防砂方式油井的表皮因數(shù)Table 1 Skin factor of oil wells with different completion and sand control modes

從表1可以看出，各油井采用不同完井或防砂方式后地層表皮因數(shù)不一致，把表皮因數(shù)從低到高進(jìn)行排序，對(duì)應(yīng)的完井或防砂方式依次為：裸眼內(nèi)下入膨脹篩管防砂方式，壓裂后下入膨脹篩管防砂，裸眼內(nèi)下入優(yōu)質(zhì)篩管防砂，套管射孔系列完井方式。

分析原因，認(rèn)為裸眼井泄油面積大，無固井、射孔作業(yè)對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害，因而采用裸眼內(nèi)下入膨脹篩管、優(yōu)質(zhì)篩管的防砂方式表皮因數(shù)最低；Frac+ESS防砂，通過壓裂地層產(chǎn)生裂縫，解除近井地帶傷害，也可獲得較低的表皮因數(shù)；而射孔后不防砂、射孔后下入膨脹篩管的防砂方式，由于固井、正壓射孔對(duì)儲(chǔ)層造成嚴(yán)重的傷害，使得表皮因數(shù)最大。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，所有下入膨脹篩管的井均發(fā)生較為嚴(yán)重的出砂現(xiàn)象，檢測發(fā)現(xiàn)，井底膨脹篩管被擠毀，修井管柱重入井筒困難，這些井后期均側(cè)鉆。

2.2 階段2（2005—2011年）

基于階段1的試驗(yàn)結(jié)果，裸眼內(nèi)下入優(yōu)質(zhì)篩管防砂存在表皮因數(shù)低、完井時(shí)間短、費(fèi)用低等優(yōu)勢，2005—2011年，所有生產(chǎn)井均采用裸眼內(nèi)下入優(yōu)質(zhì)篩管的防砂方式。期間，依據(jù)適度出砂理念［2-5］，優(yōu)質(zhì)篩管的擋砂精度發(fā)生較大的改變，依次為：2005—2007年，使用小篩縫尺寸的篩管，擋砂精度110 μm；2008—2009年，適當(dāng)放大篩管篩縫尺寸，為175～225 μm；2009—2011年，篩管篩縫尺寸放大至250～400 μm、400～600 μm。各階段的篩管類型主要為貝克Excluder篩管、哈里伯頓Poromax篩管、蒼南Stars篩管等。

該油田共171口生產(chǎn)井使用優(yōu)質(zhì)篩管防砂，不同于渤海其他油田裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂井［6-9］，多數(shù)井表現(xiàn)為前期產(chǎn)液量、產(chǎn)油量高，一旦見水后，油井產(chǎn)液、產(chǎn)油迅速下降，且無法通過提高生產(chǎn)壓差、增加泵的頻率等方式恢復(fù)產(chǎn)液量。2009年，油田開始注水，油井見水后，隨著含水率上升，日產(chǎn)液量、日產(chǎn)油量顯著下降。從2009年10月至2010年5月，平均含水率從2.29%升至11.10%，而日產(chǎn)液從200.35 m3/d降至98.94 m3/d，降低約50%，后期無法提液。

2.3 階段3（2010年至今）

裸眼優(yōu)質(zhì)篩管井普遍存在見水后產(chǎn)液、產(chǎn)油迅速下降的現(xiàn)象，使得該類防砂方式無法滿足油田穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的要求，需要尋求一種更為有效的防砂方式。2010年，在該油田試驗(yàn)了壓裂充填防砂技術(shù)，旨在通過對(duì)地層壓開裂縫，解除井筒附近的傷害，同時(shí)在近井地帶及炮眼內(nèi)緊密充填礫石，達(dá)到更好的擋砂效果。

同裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂井相比，初期幾口壓裂充填井表現(xiàn)出日產(chǎn)液穩(wěn)定、日產(chǎn)油遞減慢的特點(diǎn)。對(duì)比2010年投產(chǎn)的壓裂充填井和裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂井的產(chǎn)液量和產(chǎn)油量，壓裂充填防砂井產(chǎn)液量較為穩(wěn)定，而裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂井產(chǎn)液量遞減較快，月遞減率為3.98%，壓裂充填防砂井產(chǎn)油量月遞減率為2.54%，裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂井產(chǎn)油量月遞減率為4.75%。

基于壓裂充填井產(chǎn)液量穩(wěn)定，日產(chǎn)油遞減慢，油田后期主要采用此種防砂方式。截至2015年7月，在該油田已進(jìn)行壓裂充填防砂作業(yè)150井次，防砂層位多達(dá)507個(gè)，其中單井最大完井井段384 m（1076～1 460 m），單井最大井斜角76°。除7口井因?yàn)楹矢?、地層供液不足關(guān)井外，其余各壓裂充填防砂井均正常生產(chǎn)，且產(chǎn)液穩(wěn)定。

該油田的壓裂充填防砂工藝包括兩種：（1）一趟多層（STMZ），即一次性射開多個(gè)防砂層段，下入篩管，從下到上依次充填，用于?244.5 mm生產(chǎn)套管井，單次作業(yè)可完成4個(gè)層位的充填，具備完井作業(yè)工期相對(duì)較短、效率高的特點(diǎn)；（2）逐層充填（Stack Pack），因受作業(yè)工具的限制，對(duì)于?177.8 mm尾管井采用此種充填方式，逐層射孔，逐層充填，完井作業(yè)時(shí)間較長、效率低。

3 裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂井產(chǎn)量遞減原因分析

在該油田，對(duì)裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂井補(bǔ)射孔作業(yè)以及拔出井底篩管證明，這類井產(chǎn)液量下降的主要原因是篩管發(fā)生堵塞，篩管導(dǎo)流罩以及擋砂介質(zhì)上殘留大量泥沙，且由于“熱點(diǎn)效應(yīng)”產(chǎn)生局部破壞。

油井產(chǎn)水是篩管堵塞的外因，而地層黏土礦物含量、組成成分是導(dǎo)致篩管堵塞的內(nèi)因［10］。為更好地指導(dǎo)該類油田后續(xù)防砂方式的選擇，對(duì)篩管堵塞原因進(jìn)行了分析?；跍y井解釋Cutoff值，把儲(chǔ)層段巖石分為砂巖層和隔夾層，以測井解釋泥質(zhì)含量為標(biāo)準(zhǔn)，其中泥質(zhì)含量低于20%為砂巖層段，主要成分為砂巖，泥質(zhì)含量高于20%為隔夾層段，主要成分為泥頁巖。砂巖層段是主要的產(chǎn)油層位，孔隙度、滲透率高于隔夾層段。

通過室內(nèi)X射線衍射實(shí)驗(yàn)，測量該油田儲(chǔ)層不同油組的黏土礦物含量，砂巖層黏土礦物含量2%～9%，平均值4.42%，成分以高嶺石、伊蒙混層、伊利石為主；隔夾層段黏土礦物含量13%～57%，平均值為31.72%，成分以伊蒙混層、高嶺石、伊利石為主。隔夾層段的黏土礦物含量顯然高于純砂巖段的黏土礦物含量。

不同黏土礦物的吸水膨脹性不同，一般認(rèn)為：蒙脫石＞伊/蒙混層＞伊利石＞高嶺石＞綠泥石，即蒙脫石吸水膨脹性最強(qiáng)，是油井見水以后堵塞篩管的主要因素。根據(jù)黏土礦物成分進(jìn)一步計(jì)算蒙脫石的含量，其中砂巖層蒙脫石組分含量0.24%～18.00%（平均值6.58%），絕對(duì)含量0.01%～1.53%（平均值0.32%）；隔夾層的蒙脫石組分含量9.90%～82.30%（平均值34.25%），絕對(duì)含量0.59%～31.27%（平均值10.86%）。隔夾層蒙脫石含量高于純砂巖段的蒙脫石含量，認(rèn)為隔夾層的吸水膨脹性更強(qiáng)。

該油田儲(chǔ)層為河流相沉積砂體，砂泥巖互層嚴(yán)重，平面上砂體連通性較差。采用裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂，無法封隔數(shù)量眾多的泥頁巖夾層，而其中含量較高的蒙脫石暴露在裸眼井中，見水后，吸水膨脹，堵塞篩管，從而導(dǎo)致油井在見水后，產(chǎn)量顯著下降。壓裂充填井通過下入套管并固井，僅射開蒙脫石含量較低砂巖層段，因而油井見水后，篩管未發(fā)生堵塞，仍然具有較好的穩(wěn)產(chǎn)、提液能力。

4 完井及防砂方式優(yōu)化

國內(nèi)學(xué)者鄧金根針對(duì)疏松砂巖做了大量的防砂實(shí)驗(yàn)，提出了適用于渤海海域疏松砂巖的防砂選擇圖版［11-13］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果：黏土礦物含量小于10%，采用優(yōu)質(zhì)篩管防砂；黏土礦物含量大于25%，采用礫石充填防砂；當(dāng)黏土礦物含量介于10%～25%之間時(shí)，蒙脫石絕對(duì)含量小于7%采用優(yōu)質(zhì)篩管防砂，蒙脫石絕對(duì)含量大于10%采用礫石充填防砂，蒙脫石絕對(duì)含量介于7%～10%之間則由出砂模擬實(shí)驗(yàn)確定。

按照上述方法，將該油田黏土礦物含量數(shù)據(jù)和蒙脫石含量數(shù)據(jù)投影到防砂方式選擇圖版當(dāng)中，可以看到對(duì)于砂巖層段，選擇優(yōu)質(zhì)篩管防砂即可；而隔夾層段黏土含量、蒙脫石含量分布范圍較廣，平均值分別為31.72%、34.25%，需采用礫石充填防砂。

壓裂充填防砂是最為先進(jìn)的防砂方式，然而作業(yè)工序復(fù)雜，需要壓裂泵、混砂車、砂罐、儲(chǔ)液罐等眾多設(shè)備，對(duì)海上平臺(tái)作業(yè)面積要求較高，大大增加了油田的開發(fā)成本。且對(duì)于?177.8 mm尾管井，受作業(yè)工具的限制，只能采用逐層射孔、逐層充填的Stack Pack工藝，延長了作業(yè)時(shí)間，進(jìn)一步增加了完井費(fèi)用。

通過分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于該油田，只要封隔黏土礦物、蒙脫石含量較高的隔夾層，選擇性射開黏土礦物、蒙脫石含量相對(duì)較低的砂巖層，便可以采用優(yōu)質(zhì)篩管防砂。套管內(nèi)射孔并下入優(yōu)質(zhì)篩管防砂的完井方式即可滿足該需求，且相對(duì)于壓裂充填防砂工藝，作業(yè)工序簡單、完井工期短、費(fèi)用低，大幅度地降低了油田開發(fā)成本。配合負(fù)壓射孔或平衡射孔大負(fù)壓返涌技術(shù)［14］，可大幅度減小油井表皮因數(shù)，實(shí)現(xiàn)油田高效開發(fā)。

5 結(jié)論

（1）對(duì)儲(chǔ)層段砂巖層和隔夾層的黏土礦物含量進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：隔夾層中黏土礦物、蒙脫石含量高于砂巖層；隔夾層中含量較高的蒙脫石吸水后膨脹是優(yōu)質(zhì)篩管堵塞的主要原因，也是導(dǎo)致該稠油油田裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂井日產(chǎn)液量和日產(chǎn)油量顯著下降、后期提液困難的主要因素。

（2）油田實(shí)際生產(chǎn)表明：油井未見水的情況下，采用井底裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂與地面出砂管理技術(shù)相結(jié)合的方式是一種較為理想的完井方式；油井見水以后，采用壓裂充填防砂的生產(chǎn)井日產(chǎn)液量穩(wěn)定、日產(chǎn)油遞減率低、防砂失效率低，能夠滿足油田穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)開發(fā)的需求，但工藝較復(fù)雜，完井成本較高。

（3）套管射孔并下入優(yōu)質(zhì)篩管的完井方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)砂巖層的選擇性射孔并封固隔夾層，避免油井見水后隔夾層中含量較高的蒙脫石遇水膨脹而堵塞井底篩管，該完井方式作業(yè)工序簡單、完井工期短、費(fèi)用低，配合負(fù)壓射孔或平衡射孔大負(fù)壓返涌技術(shù)，可大幅度減小油井表皮因數(shù)，實(shí)現(xiàn)油田高效開發(fā)。