裂縫性致密砂巖氣藏出砂原因及對產(chǎn)氣量的影響
——以塔里木盆地克深氣田為例

孫賀東 常寶華 張靜楠 張建業(yè) 王小培 陳寶新 劉 磊

1.中國石油勘探開發(fā)研究院 2.中國石油管道科技研究中心·中國石油天然氣集團(tuán)公司油氣儲運(yùn)重點(diǎn)實驗室3.中國石油塔里木油田公司

0 引言

塔里木盆地克深氣田是典型的超深層、超高壓、裂縫性致密砂巖氣藏，也是西氣東輸?shù)臍庠粗匾犹鎱^(qū)[1-4]。目前，該氣田面臨較嚴(yán)峻的出砂問題，井口取樣結(jié)果顯示近55%的生產(chǎn)井出砂，這些出砂氣井的平均產(chǎn)氣量遞減率是正常生產(chǎn)井平均產(chǎn)氣量遞減率的3倍以上，導(dǎo)致了克深氣田產(chǎn)氣量遞減嚴(yán)重。

氣井出砂容易造成采氣設(shè)備沖蝕、井下工具砂卡及閥門堵塞等問題，嚴(yán)重時將導(dǎo)致井筒積砂、儲層砂堵甚至被堵死，氣井產(chǎn)氣量大幅降低，從而影響氣田的開發(fā)效益[5-6]。對于出砂問題的研究，Morita等[7-8]首次論述了在剪切應(yīng)力和張應(yīng)力共同作用下的地層出砂，并分析了5種典型的出砂情況及其原因。Nouri和Vaziri[9]分析了由地層壓力下降所導(dǎo)致的出砂問題，認(rèn)為氣井在不同開發(fā)時期，其出砂的主控因素不同。Stein等[10]首次將地層的剪切強(qiáng)度與出砂問題聯(lián)系起來，并利用測井資料進(jìn)行了出砂判斷。國內(nèi)學(xué)者也提出了一些出砂預(yù)測模型，主要是針對射孔完井[11-12]、壓裂改造[13]及疏松砂巖儲層[14-17]進(jìn)行氣井出砂研究。而對于超深層、裂縫性致密砂巖氣藏，由于氣井井況相對復(fù)雜[18-21]，氣井出砂的主控因素及出砂對產(chǎn)氣量的影響，還有待進(jìn)一步研究。為此，筆者以克深氣田為例，從儲層改造方式、裂縫壁面上巖石顆粒脫落機(jī)理、產(chǎn)氣量及井筒完整性等4個方面分析了氣井出砂原因，并基于井筒內(nèi)砂粒受力分析，建立了氣井臨界攜砂產(chǎn)氣量計算公式，進(jìn)而研究了出砂對氣井產(chǎn)氣量的影響。在此基礎(chǔ)上，針對氣井出砂的不同階段提出了相應(yīng)的出砂治理對策。

1 氣田概況及出砂現(xiàn)狀

1.1 氣田概況

克深氣田位于庫車坳陷克拉蘇構(gòu)造帶上，儲層為白堊系巴什基奇克組，埋深介于6 000～7 500 m，氣藏壓力系數(shù)介于1.7～1.9，溫度介于160～170 ℃，屬于超深層、超高壓氣藏。巖心測試結(jié)果顯示基質(zhì)平均孔隙度為5.5%，平均滲透率為0.05 mD，儲層致密[22]。儲層裂縫普遍發(fā)育，巖心觀察和成像測井解釋結(jié)果顯示裂縫以高角度半充填縫為主，裂縫開度介于0.3～3.0 mm，在不同構(gòu)造位置，裂縫發(fā)育程度略有差異，試井解釋滲透率遠(yuǎn)大于巖心測試的基質(zhì)平均滲透率，裂縫發(fā)育對氣井產(chǎn)能貢獻(xiàn)大。

1.2 出砂現(xiàn)狀

克深氣田主力區(qū)塊于2013年4月投入開采，在投產(chǎn)初期有出砂井6口，至2014年4月出砂井增至9口，至2018年4月在48口生產(chǎn)井中出砂井占比達(dá)到58%，且出砂井中已采取長關(guān)井措施的井占比超過了50%。井口取樣分析結(jié)果表明固體物包括泥質(zhì)與鐵屑、陶粒及砂粒，其中砂粒占比最大，以石英、長石為主。砂粒的粒徑分布區(qū)間跨度較大，不僅包括毫米級顆粒，也有部分厘米級顆粒（圖1）。

圖1 KesC-2井井口取樣砂粒照片

氣井出砂后油壓下降幅度大、產(chǎn)氣量遞減快；采用放噴沖砂措施來治理氣井出砂，改善效果持續(xù)時間相對較短。以KesC-2井為例，該井酸化后于2014年3月投產(chǎn)，不產(chǎn)水，初期油壓為82 MPa，2014年9月井口監(jiān)測到出砂現(xiàn)象，在油嘴不變的情況下油壓迅速下降，同時產(chǎn)氣量大幅降低，后期采取更換油嘴及放噴沖砂措施后井口油壓、產(chǎn)氣量有所恢復(fù)，但持續(xù)時間短。

2 出砂原因分析

2.1 儲層改造方式

克深氣田主要采用體積壓裂、加砂壓裂、酸壓及酸化等儲層改造方式，其中體積壓裂的加液量和加砂量最大，平均加液量為1 470 m3、平均加砂量為42 m3，酸壓及酸化的平均加液量為382 m3，基本不加砂。從氣井的出砂情況來看，采用體積壓裂的井全部出砂，加砂壓裂井60%出砂，酸壓井44%出砂，酸化井40%出砂（表1）。可見，加液量、加砂量越大，出砂井所占比例越高。

在4種儲層改造方式中，體積壓裂和加砂壓裂在近井區(qū)域形成了較大規(guī)模的人造縫網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了與天然裂縫系統(tǒng)的良好溝通，而酸壓和酸化的改造規(guī)模較有限。室內(nèi)實驗結(jié)果表明在人造裂縫形成的過程中，部分巖心的巖屑顆粒會從裂縫壁面脫落，同時在高速流體的沖刷作用下裂縫壁面會有大量顆粒脫落[23]，導(dǎo)致儲層改造規(guī)模越大，形成的縫網(wǎng)系統(tǒng)越復(fù)雜，脫落的砂粒越多，出砂風(fēng)險也相應(yīng)增高。

綜上所述，儲層改造導(dǎo)致氣井出砂原因如下：①不同程度的儲層改造使近井區(qū)域儲層發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，形成復(fù)雜縫網(wǎng)，產(chǎn)生更多可移動砂粒，同時裂縫的強(qiáng)導(dǎo)流能力，也為砂粒運(yùn)移提供了有利條件；②4種儲層改造方式下擠入地層的液量不同，特別是酸液，會對儲層巖石骨架造成不同程度的破壞。

表1 克深氣田主力區(qū)塊儲層改造參數(shù)匯總表

2.2 裂縫壁面上巖石顆粒脫落條件

成像測井、巖心觀察及試井解釋結(jié)果都表明克深氣田天然裂縫發(fā)育。為了研究裂縫對出砂的影響，采用簡化模型分析裂縫壁面上砂粒受力情況，假設(shè)如下：①氣體流動發(fā)生在裂縫內(nèi)；②游離砂為球形，裂縫壁面上巖石顆粒為半球形，且半徑均為r；③忽略摩擦力及重力影響。

使裂縫壁面上的巖石顆粒脫落需滿足以下任一條件：①若裂縫壁面上巖石顆粒只受到氣體沖擊作用，根據(jù)莫爾—庫倫強(qiáng)度理論[23]的抗剪強(qiáng)度公式，當(dāng)氣體對裂縫壁面的沖擊力大于巖石剪破裂時的剪應(yīng)力，巖石顆粒將脫落，成為游離砂隨氣體移動；②若裂縫壁面上巖石顆粒同時受到氣體沖擊及游離砂碰撞的共同作用，當(dāng)氣體沖擊力與游離砂的撞擊力之和大于巖石剪破裂時的剪應(yīng)力，巖石顆粒脫落，成為游離砂隨氣體移動。

根據(jù)動量定理，推導(dǎo)出氣體作用在裂縫壁面巖石顆粒的沖擊力計算式為：

式中F表示氣體對裂縫壁面巖石顆粒的沖擊力，N；ρg表示撞擊前游離砂密度，kg/m3；r表示砂粒半徑，m；v表示氣體流動速度，m/s。

根據(jù)動量定理，當(dāng)游離砂與裂縫壁面巖石顆粒碰撞時，巖石顆粒所受到的撞擊力計算式為：

式中Z表示游離砂對裂縫壁面巖石顆粒的撞擊力，N；m表示砂粒質(zhì)量，kg；v2表示撞擊后游離砂移動速度，m/s；v1表示撞擊前游離砂移動速度，m/s；t表示撞擊作用時間，s。

設(shè)定游離砂與裂縫壁面巖石顆粒碰撞后短暫靜止，v2=0，則式（2）變?yōu)椋?/p>

根據(jù)牛頓第二定律，結(jié)合游離砂受力分析，撞擊前游離砂移動速度計算式為：

將式（4）代入式（3），則裂縫壁面巖石顆粒受到游離砂的撞擊力計算式為：

結(jié)合前述裂縫壁面上巖石顆粒脫落所需要滿足的條件，即

式中τf表示巖石抗剪強(qiáng)度，MPa。

考慮氣體為可壓縮流體，得到無游離砂及有游離砂兩種情況下裂縫壁面砂粒脫落時的氣井出砂臨界產(chǎn)氣量計算公式，如式（8）、（9）所示。在越接近井底的位置，氣體流動速度越大，若能保證井底附近裂縫壁面上的巖石顆粒不脫落，則儲層中裂縫壁面上的巖石顆粒也不易脫落。

式中Qc表示無游離砂情況下的氣井出砂臨界產(chǎn)氣量，m3/d；R表示某點(diǎn)與井底的距離，m；h表示儲層有效厚度，m；sf表示裂縫面孔率；p表示井底R處的地層壓力，MPa；Zsc表示地面標(biāo)準(zhǔn)壓力、溫度條件下的壓縮因子，無因次；Tsc表示地面標(biāo)準(zhǔn)溫度，K；psc表示地面標(biāo)準(zhǔn)壓力，MPa；Z表示地層條件下氣體壓縮因子，無因次；T表示地層溫度，K；Qcp表示存在游離砂的情況下的氣井出砂臨界產(chǎn)氣量，m3/d。

選取克深氣田實際參數(shù)進(jìn)行計算，儲層厚度為120 m，裂縫面孔率為0.15%，距離井底1 m處氣體流經(jīng)的裂縫截面積為1.1 m2，巖石抗壓強(qiáng)度為392.9 MPa（取KesC-2、KesC-3及KesC-5等3口井巖石抗壓強(qiáng)度的平均值），抗剪強(qiáng)度為157.2 MPa（取抗壓強(qiáng)度的40%），地層條件下氣體密度由壓力指數(shù)式計算，結(jié)合氣田平均生產(chǎn)壓差近井區(qū)域壓力梯度為0.5 MPa/m。對于存在游離砂的情況，假定游離砂與裂縫壁面巖石顆粒的碰撞作用時間不超過0.5 s，游離砂每2 s碰撞裂縫壁面的巖石顆粒1次。

通過計算得到不同巖石抗剪強(qiáng)度下氣井出砂臨界產(chǎn)氣量曲線（圖2）及不同出砂點(diǎn)位置與氣井出砂臨界產(chǎn)氣量的關(guān)系曲線（圖3），若抗剪強(qiáng)度取值157.2 MPa，則可以判斷：若無游離砂，當(dāng)產(chǎn)氣量大于21.2×104m3/d時，近井區(qū)域裂縫壁面的砂粒逐漸脫落；若有游離砂，當(dāng)產(chǎn)氣量大于9.4×104m3/d時，近井區(qū)域裂縫壁面砂粒逐漸脫落；近井區(qū)域是砂粒脫落嚴(yán)重的區(qū)域。在克深氣田實際參數(shù)條件下，裂縫壁面的砂粒較易脫落，且儲層裂縫越發(fā)育，氣井出砂風(fēng)險越高。

圖2 不同巖石抗剪強(qiáng)度下氣井出砂臨界產(chǎn)氣量曲線圖

2.3 單井產(chǎn)氣量

克深氣田主力區(qū)塊氣井出砂時間、程度均不同。統(tǒng)計結(jié)果顯示，未出砂氣井的初期產(chǎn)氣量與無阻流量的比值低于18%，而出砂氣井的初期產(chǎn)氣量與無阻流量的比值則偏高（圖4）；單井產(chǎn)氣量介于15×104～100×104m3/d，大部分井產(chǎn)氣量遠(yuǎn)超氣井出砂臨界產(chǎn)氣量。產(chǎn)氣量越高，儲層中氣體流速越快，砂粒脫落并運(yùn)移至井底的風(fēng)險越大，可見，產(chǎn)氣量過高也是導(dǎo)致氣井出砂的主要原因之一。

圖3 不同出砂點(diǎn)位置與氣井出砂臨界產(chǎn)氣量關(guān)系曲線圖

圖4 氣井初期產(chǎn)氣量與無阻流量散點(diǎn)圖

2.4 井筒完整性

克深氣田壓力系數(shù)較高，鉆完井過程中采用的鉆井液密度介于1.9～2.4 g/cm3，高密度鉆井液會使井筒完整性受到一定程度的破壞。井口取樣分析結(jié)果顯示，砂粒粒徑分布區(qū)間跨度較大，而且含有鐵屑與泥質(zhì)成分，表明井下套管局部存在損壞現(xiàn)象，同時由于井筒周圍應(yīng)力改變，井壁局部發(fā)生結(jié)構(gòu)性變化，且固井質(zhì)量存在差異，導(dǎo)致部分井段固井水泥破碎，引起氣井出砂。

3 出砂對產(chǎn)氣量的影響

通過分析井筒內(nèi)砂粒受力情況，研究氣井出砂對產(chǎn)氣量的影響。假定砂粒是半徑為r的球體，關(guān)井和生產(chǎn)時井筒內(nèi)砂粒主要受到自身重力和氣體向上推力的共同作用。

借鑒Turner模型，計算氣體對砂粒向上的推力：

砂粒自身重力計算式為：

式中T表示砂粒受到的推力，N；CD表示曳力系數(shù)，無因次，取值為0.44[24]；vL表示氣體臨界流速，m/s；ρg表示氣體密度，kg/m3；G表示砂粒受到的重力，N；ρs表示砂粒密度，kg/m3。

當(dāng)T大于等于G時，砂粒不會沉積至井底，則井筒管柱內(nèi)氣體臨界流速的計算式為：

根據(jù)式（12）可以計算不同砂粒粒徑下氣井臨界攜砂產(chǎn)氣量，若井底壓力超過40 MPa，砂粒粒徑在10 mm以內(nèi)，砂粒不沉積至井底的氣井臨界攜砂產(chǎn)氣量為25×104m3/d。

在氣井出砂早期階段，出砂對產(chǎn)能的影響主要是由于砂粒被運(yùn)移至井口附近，逐漸堵塞油嘴及近井口管柱所致。在該階段總是粒徑較小的砂粒先被帶出儲層，攜至井口并逐漸堆積在井口附近。針對克深氣田氣井，采用節(jié)點(diǎn)法分析儲層段、射孔段、井底及井口積砂段等部位的壓降情況，結(jié)果顯示在氣井出砂的早期階段，井口積砂段和射孔段是主要壓降段。當(dāng)產(chǎn)氣量一定時，隨井口積砂高度的增加，井口壓力呈直線下降，且產(chǎn)氣量越大，井口壓力下降趨勢越陡（圖5）。當(dāng)更換油嘴或放噴排砂后，油壓可迅速恢復(fù)。

在氣井出砂中后期階段，由于井筒內(nèi)積砂越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致井筒中壓降增大，產(chǎn)氣量逐漸減小，最終因砂堵關(guān)井。節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)產(chǎn)氣量一定時，隨井筒積砂高度增加，井口壓力下降趨勢先緩后陡，且產(chǎn)氣量越大，井口壓力下降趨勢越陡（圖6）。當(dāng)管柱內(nèi)積砂到一定高度時，油壓大幅度降低，且更換油嘴后油壓無明顯恢復(fù)，產(chǎn)氣量逐漸降低直至關(guān)井。

綜上所述，井口及井底積砂是影響氣井產(chǎn)氣量的關(guān)鍵。在出砂早期階段，井口積砂是導(dǎo)致產(chǎn)氣量降低的主要因素；在出砂中后期階段，井底積砂是導(dǎo)致產(chǎn)氣量降低的主要因素。

圖5 不同產(chǎn)氣量下井口積砂高度與井口壓力關(guān)系曲線圖（氣井出砂早期階段）

圖6 不同產(chǎn)氣量下井筒積砂高度與井口壓力關(guān)系曲線圖（氣井出砂中后期階段）

4 治砂對策

對于新井，在完井時應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆郎肮に嚧胧?，并采取合理的壓裂改造?guī)模。選用高強(qiáng)度防砂篩管可以提升擋砂效果、增強(qiáng)抗堵塞能力，同時抵抗井底攜砂流體的高速沖擊。目前部分出砂井采用體積壓裂方式，由于加砂、加液量大，導(dǎo)致儲層中的游離砂量增加，在高速氣體的沖擊下出砂臨界產(chǎn)氣量大幅降低，儲層更容易出砂。所以，合理控制壓裂改造規(guī)模也是預(yù)防新井出砂的重要措施。

為預(yù)防氣井出砂，還應(yīng)合理控制產(chǎn)氣量，降低儲層中氣體流速，減小出砂風(fēng)險，但是在克深氣田，氣井出砂臨界產(chǎn)氣量相對較低，如果為了避免氣井出砂而大幅降低產(chǎn)氣量，將嚴(yán)重影響氣田的生產(chǎn)規(guī)模。針對處于不同出砂時期的氣井，宜采取相應(yīng)的治砂對策。

對于出砂早期的氣井，應(yīng)及時、合理排砂，即在大規(guī)模砂堵前及時將井口附近的積砂排出，避免因砂堵影響產(chǎn)氣量。由于早期出砂量相對較低，可以根據(jù)井口油壓、產(chǎn)氣量變化及時放噴以排出井口附近的積砂。同時，由于早期出砂砂粒粒徑相對較小，容易堵塞油嘴，應(yīng)及時更換、清理油嘴。

對于出砂中后期的氣井，由于井筒積砂較嚴(yán)重，首先應(yīng)更換油嘴以排出井口附近的積砂，再采用洗井、連續(xù)油管沖砂等措施以排出井底積砂。

目前，克深氣田主力區(qū)塊已有近60%的生產(chǎn)井出砂，其中超過一半的出砂井已處于出砂中后期，積砂嚴(yán)重，產(chǎn)能恢復(fù)困難，需要采取必要的洗井沖砂作業(yè)才能排出積砂。因此，及時排砂是治理該類型氣藏出砂的關(guān)鍵。

5 結(jié)論及建議

1）引起裂縫性致密砂巖氣藏出砂的原因包括儲層裂縫發(fā)育、儲層改造規(guī)模大、產(chǎn)氣量高及井筒完整性差等方面，其中儲層裂縫發(fā)育和產(chǎn)氣量高是主要的出砂原因。

2）基于克深氣田實際參數(shù)，對于無游離砂的情況，當(dāng)氣井產(chǎn)氣量大于21.2×104m3/d時，近井區(qū)域裂縫壁面的砂粒逐漸脫落；對于存在游離砂的情況，當(dāng)氣井產(chǎn)氣量大于9.4×104m3/d時，近井區(qū)域裂縫壁面砂粒逐漸脫落；近井區(qū)域是砂粒脫落嚴(yán)重的區(qū)域。

3）井口及井底積砂是影響氣井產(chǎn)氣量的關(guān)鍵。在出砂早期階段，井口積砂是導(dǎo)致產(chǎn)氣量降低的主要因素；在出砂中后期階段，井底積砂是導(dǎo)致產(chǎn)氣量降低的主要因素。

4）克深氣田氣井出砂臨界產(chǎn)氣量較低，臨界攜砂產(chǎn)氣量相對較高，及時排砂以避免井筒大規(guī)模積砂是治理該類氣藏出砂的關(guān)鍵。