高壓裂縫性致密砂巖氣藏出砂影響因素及防治
——以塔里木盆地迪那2氣藏為例

吳燕 唐斌 王明 逄健 陳萍 張永賓

1. 塔里木油田迪那油氣開發(fā)部；2. 塔里木油田油氣工程研究院；3. 塔里木油田英買油氣開發(fā)部；4. 塔里木油田勘探開發(fā)研究院

迪那2氣藏為一個(gè)完整的受背斜控制的異常高壓塊狀底水裂縫性致密砂巖凝析氣藏，位于庫(kù)車前陸盆地秋里塔格構(gòu)造帶東部迪那—東秋構(gòu)造區(qū)帶上，為受南北兩條傾向相同的逆沖斷層所夾持的一個(gè)東西向展布的長(zhǎng)軸背斜。儲(chǔ)集空間類型以原生粒間孔為主，次為粒間及顆粒溶孔，儲(chǔ)層以裂縫孔隙性儲(chǔ)層為主；裂縫發(fā)育，平均裂縫線密度0.46條/m、裂縫開度0.072 mm。儲(chǔ)層巖性以粉砂巖、細(xì)砂巖為主，其次為含礫砂巖、砂礫巖；碎屑組分以石英、巖漿巖巖屑為主，膠結(jié)物以方解石類為主。儲(chǔ)層段平均孔隙度 3.15%～8.97%、滲透率 (0.09～1.11)×10-3μm2，總體屬于低孔、低滲和特低滲儲(chǔ)層；試井資料和測(cè)井解釋綜合分析迪那2井區(qū)裂縫滲透率在0.23×10-3～85.3×10-3μm2之間。目的層段蘇維依組中深5 046.16 m、庫(kù)姆格列木群中深5 253.15 m。原始地層壓力106.2 MPa、壓力梯度0.39 MPa/100 m、壓力系數(shù)為2.06～2.29，為超高壓氣田；原始地層溫度為136.1 ℃，地溫梯度2.259 ℃/100 m，為正常溫度系統(tǒng)。地面凝析油密度 0.792～0.812 g/cm3(20 ℃)；天然氣相對(duì)密度0.63～0.64，甲烷平均含量87.7%，酸性氣體含量很低，CO2含量 0.07%～6.93%，不含 H2S；地層水水型為CaCl2。開發(fā)方式為衰竭式開發(fā)；完井工藝為套管射孔，套管孔眼8～12.8 mm；生產(chǎn)管柱早期為射孔酸化完井一體化非全通徑管柱，生產(chǎn)管柱流動(dòng)通道為直徑3 mm的油管打孔孔眼；2013年以后采用全通徑生產(chǎn)管柱。2009年投產(chǎn)，平均采氣速度2.7%，采出程度25.7%，尚處于穩(wěn)產(chǎn)期。面臨的主要開發(fā)問題為出砂、結(jié)垢導(dǎo)致的井筒堵塞生產(chǎn)異常問題以及見水問題。25口生產(chǎn)井中23口井生產(chǎn)異常，9口單井曾因生產(chǎn)異常關(guān)井。單井普遍、持續(xù)出砂，堵塞井筒［1-2］，嚴(yán)重影響氣田正常生產(chǎn)。急需開展出砂機(jī)理研究，為后期措施優(yōu)化、措施方向的選擇提供依據(jù)，為類似區(qū)塊的出砂防治提供參考［3］。

1 出砂概況

1.1 出砂歷程

迪那2氣田在投產(chǎn)初期就有部分單井存在油壓波動(dòng)、異常下降情況，拆檢井口油嘴發(fā)現(xiàn)少量顆粒物；井口壓力高達(dá)86.6 MPa，因技術(shù)條件限制，未探砂面。隨著技術(shù)進(jìn)步，2014年開始嘗試有纜測(cè)試，為保險(xiǎn)起見，測(cè)試深度未過封隔器，生產(chǎn)管柱堵塞情況未知；但油壓異常井越來越多，檢修期間清理出的泥砂等混合物也越來越多。2015年出現(xiàn)第1口因油壓異常、油壓低關(guān)井的單井，出砂形勢(shì)變得嚴(yán)峻。截至2018年12月，油壓異常井升至23口；14口井有纜測(cè)試井筒遇阻，證實(shí)井筒普遍存在問題；16口井45井次的異物樣品化驗(yàn)結(jié)果以二氧化硅、碳酸鈣和硫酸鈣為主，其中9口井二氧化硅含量超40%，4口井碳酸鈣和硫酸鈣含量超40%，證實(shí)地層出砂、結(jié)垢為井筒堵塞、生產(chǎn)異常的主要原因。通過井筒酸化解堵、連續(xù)油管疏通管柱、大修作業(yè)等方式恢復(fù)單井生產(chǎn)，已累計(jì)措施作業(yè)18井22井次。

1.2 出砂特征

從樣品外觀來看，顆粒大小不一，但接近一半的樣品含有粒徑大于10 mm的顆粒，8口井見明顯礫石。從堵塞位置來看，主要在封隔器以下，砂面較深，堵塞位置到人工井底平均容積8 m3。從砂面抬升速度來看，實(shí)測(cè)砂面資料顯示砂面在射孔段頂界以下抬升快、以上抬升慢，但整體較慢。從措施作業(yè)來看，5口連續(xù)油管作業(yè)井和4口大修作業(yè)井作業(yè)期間平均除砂、垢100 L，量不大。從措施后的生產(chǎn)情況來看，井筒徹底清理的3口單井仍在出砂，其他大部分措施井仍生產(chǎn)異常。從單井出砂時(shí)間來看，有一投產(chǎn)就生產(chǎn)異常的，也有2口井尚正常生產(chǎn)。從超聲波出砂井口在線監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)來看，15口井16井次監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示單井出砂量差異較大，井口出砂規(guī)律表現(xiàn)為間歇+連續(xù)性。整體而言，迪那2氣田出砂特征主要表現(xiàn)為普遍性、持續(xù)性、量不大、單井差異較大、已有井筒條件下難根治。

2 出砂影響因素

通過出砂指數(shù)、聲波時(shí)差、孔隙度、彈性組合模量和斯倫貝謝比經(jīng)驗(yàn)出砂判別方法，分析基質(zhì)出砂可能性［4-5］。利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)所有單井5項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)出砂指標(biāo)的最小、最大值，5口單井的基質(zhì)有輕微出砂可能，出砂指標(biāo)位于出砂臨界值附近。以5口井中的DN2-1井為例，利用石文軟件分析統(tǒng)計(jì)該井射開層段對(duì)應(yīng)的5項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)出砂指標(biāo)，只有不到2%(2.4～6.5 m)的射孔層段有輕微出砂可能。因此，單純的基質(zhì)自身很難引起迪那當(dāng)前普遍、持續(xù)性的出砂狀況。本文將結(jié)合迪那地質(zhì)條件和實(shí)際開發(fā)情況，從巖石力學(xué)角度出發(fā)，尋找?guī)r石抗壓強(qiáng)度相對(duì)薄弱區(qū)和有效上覆壓力相對(duì)高值區(qū)，獲取出砂影響因素。

2.1 巖石抗壓強(qiáng)度相對(duì)薄弱區(qū)

巖石強(qiáng)度指巖石在外力作用下達(dá)到破壞時(shí)的極限應(yīng)力，一般包括抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度往往是確定巖石穩(wěn)定性的主要因素，且抗剪強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的0.1～0.2倍。影響巖石抗壓強(qiáng)度的因素很多，細(xì)粒的巖石抗壓強(qiáng)度往往要較粗粒大，方解石膠結(jié)的抗壓強(qiáng)度要比黏土膠結(jié)的強(qiáng)?？箟簭?qiáng)度分為單軸抗壓強(qiáng)度和三軸抗壓強(qiáng)度，前者測(cè)試時(shí)無圍壓，后者有圍壓。天然巖體處于三向應(yīng)力狀態(tài)下，三軸抗壓強(qiáng)度更接近實(shí)際情況，尤其是高溫高壓三軸試驗(yàn)。

(1)動(dòng)靜態(tài)巖石力學(xué)顯示巖石基質(zhì)抗壓強(qiáng)度整體很高，但存在強(qiáng)度薄弱區(qū)，主要為礫巖和含礫巖層。迪那三軸巖心實(shí)驗(yàn)抗壓強(qiáng)度116～584 MPa(表1)，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算理論單軸抗壓強(qiáng)度40～417 MPa［6］，巖石基質(zhì)抗壓強(qiáng)度跨度大，相差一個(gè)數(shù)量級(jí)別，均值200 MPa以上，整體很高。結(jié)合迪那儲(chǔ)層巖性和實(shí)際出砂情況，理論認(rèn)為低強(qiáng)度區(qū)主要為礫巖和含礫巖層。這樣的礫巖和含礫巖層單井平均厚度28.8 m(1～41 m)，為儲(chǔ)層段厚度的9.6%。

表1 迪那2氣田三軸巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Triaxial core test result of Dina 2 Gasfield

(2)迪那2氣藏?cái)鄬?、裂縫發(fā)育，形成強(qiáng)度薄弱帶。理論上，在斷層附近或構(gòu)造頂部位構(gòu)造應(yīng)力大，可局部破壞原有的內(nèi)部骨架，產(chǎn)生局部天然節(jié)理或微裂隙，這些部位的巖石抗壓強(qiáng)度最薄弱，也是最易出砂和出砂最嚴(yán)重的區(qū)域。沒有帶裂縫的迪那巖心抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，參考類似區(qū)塊克深氣藏單軸巖心力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表2)，帶裂縫和不帶裂縫的巖石抗壓強(qiáng)度均值分別為94、202 MPa，裂縫使原有的巖石抗壓強(qiáng)度大幅度下降。

(3)用于巖石抗壓強(qiáng)度計(jì)算的相關(guān)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)為裸眼測(cè)試數(shù)據(jù)，未反映射孔、酸化對(duì)近井地帶巖石抗壓強(qiáng)度的破壞。根據(jù)含水飽和度與強(qiáng)度關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［7］，理論上隨著含水飽和度的增加，巖石抗壓強(qiáng)度受到破壞，巖石抗壓強(qiáng)度急劇下降；迪那評(píng)價(jià)井巖心酸敏實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，15%鹽酸酸敏指數(shù)為-174.75%，膠結(jié)物部分溶解。兩者都證明，酸化會(huì)使近井帶巖石抗壓強(qiáng)度受到破壞。迪那2氣田22口單井實(shí)施過酸化，擠入地層總液量平均為281 m3(177～343 m3)，侵入帶砂量大；試油結(jié)束時(shí)殘留液體平均為147 m3(12.7～349.8 m3)，投產(chǎn)前關(guān)井時(shí)間平均為364 d(33～1 092 d)，殘留液體多、關(guān)井時(shí)間長(zhǎng)；兩者結(jié)合產(chǎn)生酸化破壞強(qiáng)度薄弱帶。此外，所有單井采用套管射孔完井，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將產(chǎn)生厚0.8～2 cm的壓實(shí)破壞強(qiáng)度薄弱帶。

表2 類似區(qū)塊基質(zhì)、充填、半充填單軸巖心力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Uniaxial mechanical test results of matrix, filled and semi-filled cores from similar blocks

2.2 有效上覆壓力相對(duì)高值區(qū)

巖石骨架承受的有效上覆壓力，由下式確定

式中，pe為有效上覆壓力，MPa；pgs為上覆地層壓力，MPa；pf為地層壓力，MPa；h為上覆巖層厚度，m；ρ為上覆巖層密度，g/cm3。

迪那2氣田上覆地層平均密度ρ為2.36 g/cm3,上覆地層厚度取氣藏中部深度4 950 m，計(jì)算上覆地層壓力116.8 MPa，地層壓力為106.2 MPa，計(jì)算有效上覆壓力為10.6 MPa。

(1)地層壓力下降引起的有效上覆壓力整體上升。地層壓力逐年下降，巖石受到的有效上覆壓力逐年整體抬升。氣藏初始有效上覆壓力10.6 MPa，目前有效上覆壓力升至35.0 MPa，臨界出砂壓差隨之下降。開發(fā)越久，有效上覆壓力越大，同樣的生產(chǎn)壓差下出砂風(fēng)險(xiǎn)也越大。

(2)越靠近射孔底部巖石受到的有效上覆壓力越大。受上覆巖層密度和地層壓力梯度差異影響，越靠近射孔底部巖石受到的有效上覆壓力越大，越容易出砂。迪那2氣田單井射孔跨度大，平均266 m(50～388 m)，射孔段頂?shù)讕r石受到的有效上覆壓力差平均值 5.4 MPa(1～7.76 MPa)。

(3)污染、集流、應(yīng)力敏感等引起的附加表皮因數(shù)加大生產(chǎn)壓差，生產(chǎn)壓差越大，流壓越小，近井帶地層壓力越低，巖石受到的有效上覆壓力越大。單井自身而言，生產(chǎn)時(shí)，離井筒越近，地層壓力越低，巖石受到的有效上覆壓力越大，越容易出砂。井間對(duì)比而言，生產(chǎn)壓差越大越易出砂。20世紀(jì)70年代初Exxon公司發(fā)現(xiàn)當(dāng)生產(chǎn)壓差為巖石剪切強(qiáng)度的1.7倍時(shí)［8］，巖石開始破壞并出砂。南海某氣藏生產(chǎn)壓差控制在單軸強(qiáng)度的0.4倍以內(nèi)時(shí)［9］，可有效防止氣井出砂。迪那2氣田實(shí)測(cè)23井次流溫流壓梯度測(cè)試，生產(chǎn)壓差均值15.60 MPa(0.77～56.62 MPa)，為單軸強(qiáng)度的0.06 倍(0.01～0.22 倍)。根據(jù)研究，排除配產(chǎn)影響，導(dǎo)致迪那2氣田單井生產(chǎn)壓差大的主控因素為鉆完井污染、集流、應(yīng)力敏感等引起的表皮因數(shù)增大。壓恢實(shí)測(cè)單井表皮因數(shù)平均值為393(40～1 210)，表皮壓降占比均值 60%(11%～90%)；理論計(jì)算分解表皮因數(shù)后發(fā)現(xiàn)［10-12］，非達(dá)西表皮因數(shù)很小，可忽略，近井帶應(yīng)力敏感附加表皮因數(shù)為8、集流表皮因數(shù)為151、污染及其他表皮因數(shù)為234。污染、集流、應(yīng)力敏感表皮因數(shù)之所以大，原因是：(1)單井鉆完井平均漏失673 m3，漏失量大；水鎖實(shí)驗(yàn)滲透率損害率21%，根據(jù)巖心測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算水鎖指數(shù)均值-0.60，遠(yuǎn)小于水鎖臨界值0.8，水鎖效應(yīng)明顯，滲透率損害率不止21%；儲(chǔ)層傷害影響大。(2)產(chǎn)氣剖面實(shí)測(cè)主力產(chǎn)出層厚度占比僅19.9%，采氣強(qiáng)度大，集流效應(yīng)明顯。(3)迪那應(yīng)力敏感塑性變形幅度較大［13-14］，根據(jù)巖心情況實(shí)測(cè)滲透率可永久損失8.9%～80.1%(裂縫越發(fā)育、滲透率越低、共存水含量越高、巖屑含量越高，應(yīng)力敏感越強(qiáng))，應(yīng)力敏感較強(qiáng)。

2.3 主要影響因素

在以上分析及提及的相關(guān)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)比各影響因素影響程度。估算礫巖和含礫巖層強(qiáng)度薄弱帶可導(dǎo)致巖石抗壓強(qiáng)度下降31 MPa，估算斷層、裂縫強(qiáng)度薄弱帶可導(dǎo)致巖石抗壓強(qiáng)度下降112 MPa，估算射孔、酸化強(qiáng)度薄弱帶可導(dǎo)致巖石抗壓強(qiáng)度下降136 MPa，計(jì)算地層壓力下降引起有效上覆壓力上升24 MPa，計(jì)算射孔底部受到的有效上覆壓力比射孔頂部高達(dá)6 MPa，污染、集流、應(yīng)力敏感等引起的附加表皮因數(shù)可導(dǎo)致有效上覆壓力提高56 MPa?？梢姵錾爸饕绊懸蛩貫樯淇?、酸化強(qiáng)度薄弱帶和斷層、裂縫強(qiáng)度薄弱帶，次要因素為礫巖和含礫巖強(qiáng)度薄弱帶以及污染、集流、應(yīng)力敏感等附加表皮導(dǎo)致的有效上覆壓力增加。

3 強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)巖石破壞的判斷

就巖石材料而言，只有拉伸和剪切2種破壞形式。承受拉應(yīng)力的巖石破壞特征，因試驗(yàn)方法的困難和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散，尚缺乏明確結(jié)論；壓應(yīng)力下剪切破壞已有大量的理論和試驗(yàn)研究［15-16］。到目前為止，關(guān)于不同材料的破壞規(guī)律曾經(jīng)提出了上百個(gè)模型或準(zhǔn)則，但由于材料性質(zhì)的復(fù)雜性，大多數(shù)模型或準(zhǔn)則都不具有普適性。常見的強(qiáng)度準(zhǔn)則有Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則、Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則、Drucker-Prager強(qiáng)度準(zhǔn)則和Griffith強(qiáng)度準(zhǔn)則等。其中Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則［17-18］是通過對(duì)幾百組巖石三軸試驗(yàn)資料和大量現(xiàn)場(chǎng)巖體試驗(yàn)成果的統(tǒng)計(jì)分析、結(jié)合巖石性狀方面的理論研究成果和實(shí)踐檢驗(yàn)提出的，在巖石工程中應(yīng)用最為廣泛、影響最大，已充分得到巖石力學(xué)與工程研究者的認(rèn)同、研究和應(yīng)用。因此，本文選用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)迪那巖體進(jìn)行破壞判斷；由于廣義Hoek-Brown巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則需要三位待定參數(shù)，獲取困難；因而進(jìn)一步選用Hoek-Brown巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，其表達(dá)式為

式中，σ1、σ3分別為最大、最小壓應(yīng)力，MPa；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；mi為巖石量綱一的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，反映巖石的軟硬程度。

通過計(jì)算，迪那2氣藏當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)下，巖石臨界抗壓強(qiáng)度均值為49 MPa。射孔、酸化強(qiáng)度薄弱帶和斷層、裂縫強(qiáng)度薄弱帶兩者對(duì)強(qiáng)度的綜合影響程度未查到計(jì)算方式或類似可借鑒的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合兩者獨(dú)立影響程度定性判斷綜合影響后的巖石抗壓強(qiáng)度可低于49 MPa，達(dá)到破壞條件。至于微觀的破壞機(jī)理，巖石力學(xué)學(xué)者有一些研究成果。

4 防治辦法

通過優(yōu)化射孔層段和射孔方位、加大孔密和穿深［19-21］、采用清潔完井工藝等方式可防治部分出砂。

(1)針對(duì)礫巖和含礫巖層強(qiáng)度薄弱、射孔底部巖石受到的有效上覆壓力更大的問題，射孔時(shí)可避開相關(guān)層段，并沿最大水平主應(yīng)力方位定向射孔。

(2)針對(duì)裂縫導(dǎo)致巖石抗壓強(qiáng)度下降、集流表皮問題，首先承認(rèn)裂縫是把雙刃劍，既是易出砂區(qū)，也是高滲流通道，但通過各種手段的綜合作用，可盡量避免這種矛盾。打開裂縫密集層段，比如前期迪那2氣藏射孔層段主要以測(cè)井解釋的氣層、差氣層為目標(biāo)，未考慮裂縫發(fā)育密集程度，后期大修時(shí)重新補(bǔ)充射孔裂縫密集層段，并取得效果；增大穿深、孔密并優(yōu)化射孔方位等射孔參數(shù)，射孔時(shí)井底壓力越大，射孔層段巖石抗壓強(qiáng)度越高，對(duì)應(yīng)射孔穿深會(huì)越小，迪那2氣田最大穿深1 656 mm、最小穿深84.6 mm(見表3)；開展清潔完井等鉆完井優(yōu)化。以上手段的綜合作用，可提高單個(gè)孔眼連通的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及孔眼的有效性，實(shí)現(xiàn)主力產(chǎn)出層厚度的增加，達(dá)到不降產(chǎn)量低壓差生產(chǎn)目的。

表3 迪那2氣田部分單井射孔參數(shù)Table 3 Perforation parameter of some single wells in Dina 2 Gasfield

(3)針對(duì)污染、集流、應(yīng)力敏感等引起的附加表皮因數(shù)和酸化巖石強(qiáng)度破壞問題，通過清潔完井工藝減少儲(chǔ)層傷害后，根據(jù)單井情況可不考慮酸化。此外，還可開展井位優(yōu)化、陶瓷防砂［22-24］等意向性防治研究。

5 結(jié)論

(1)迪那2氣田基質(zhì)巖石抗壓強(qiáng)度整體很高，單純的基質(zhì)強(qiáng)度問題很難引起目前的出砂現(xiàn)狀。

(2)選用Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則對(duì)迪那巖體進(jìn)行破壞判斷，迪那臨界抗壓強(qiáng)度均值為49 MPa。拋開配產(chǎn)的影響，在3種巖石抗壓強(qiáng)度薄弱區(qū)和3種有效上覆壓力高值區(qū)的綜合作用下，部分巖石的抗壓強(qiáng)度可低于49 MPa，達(dá)到破壞條件，促使迪那出砂。其中主要因素為射孔、酸化強(qiáng)度薄弱帶和斷層、裂縫強(qiáng)度薄弱帶，次要因素為礫巖和含礫巖強(qiáng)度薄弱帶以及污染、集流、應(yīng)力敏感等附加表皮導(dǎo)致的有效上覆壓力增加。

(3)通過優(yōu)化射孔層段和射孔方位、加大孔密和穿深、采用清潔完井工藝等方式可防治部分出砂，提高單個(gè)孔眼連通的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及孔眼的有效性，實(shí)現(xiàn)主力產(chǎn)出層厚度的增加，達(dá)到不降產(chǎn)量、低生產(chǎn)壓差生產(chǎn)目的。