南海深水氣田防砂設(shè)計研究

閆新江，曹硯鋒，讓書杰，鄧金根，王利華

1.中海油研究總院有限責(zé)任公司 （北京 100028）

2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院 （北京 102249）

3.長江大學(xué)石油工程學(xué)院 （湖北 武漢 434023）

深水油氣開發(fā)是當(dāng)今油氣勘探與開發(fā)的發(fā)展趨勢［1］，2006年在珠江口盆地發(fā)現(xiàn)了中國第一個深水氣田——南海深水氣田。南海深水氣田高點水深1 500 m，巖石膠結(jié)性差，一旦生產(chǎn)制度不合理容易導(dǎo)致氣井大量出砂。由于深水氣田惡劣的開發(fā)環(huán)境，出砂危害比常規(guī)氣田更大，水下井口修井更加困難，地層砂進(jìn)入海底管線后造成管線堵塞、沖蝕等。因此有必要對南海深水氣田出砂臨界壓差、適合南海深水氣田高效開發(fā)的防砂方式及參數(shù)做深入的研究。

1 出砂預(yù)測

出砂預(yù)測是以儲層巖石的應(yīng)力狀態(tài)為基礎(chǔ)，巖石所受徑向應(yīng)力差過大，巖石會發(fā)生剪切破壞從而形成滑移破壞面。地層流體的流動過程中會產(chǎn)生拖曳力，將剪切破壞面上的松散砂攜帶出來，形成井口出砂。為了定量計算儲層是否出砂，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種出砂預(yù)測模型［2-6］，根據(jù)南海深水氣田地應(yīng)力、巖石力學(xué)參數(shù)及測井?dāng)?shù)據(jù)，利用自主編制的出砂預(yù)測軟件計算了Vaziri模型、Morita模型、經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷某錾芭R界生產(chǎn)壓差。Vaziri模型計算結(jié)果較高，Morita模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷念A(yù)測值較低且比較接近。從計算結(jié)果可以看出，南海深水氣田開發(fā)初期臨界生產(chǎn)壓差低，生產(chǎn)壓差若超過4.5 MPa就會出砂。

氣田通常采取衰竭式開采，儲層壓力衰竭后出砂臨界壓差也會發(fā)生改變。蔚寶華［7］根據(jù)砂巖氣藏力學(xué)特性建立模型，提出壓力衰竭時出砂井底流壓為：

式中：m為儲層氣體壓縮指數(shù)，無量綱；r為地層到井筒軸線的距離，m；Po為儲層壓力，MPa；Pwf為井底壓力，MPa；Cr為地層殘余黏聚力，MPa；φr為地層殘余內(nèi)摩擦角，（°）。

結(jié)合儲層孔隙壓力和巖石應(yīng)力分布規(guī)律對南海深水氣田出砂極限井底壓力隨壓力衰竭的變化規(guī)律進(jìn)行計算。儲層壓力與出砂極限井底壓力之差即為出砂臨界生產(chǎn)壓差。開采初期臨界生產(chǎn)壓差為4.55 MPa，隨著地層壓力下降，臨界生產(chǎn)壓差隨儲層壓力的降低而降低，當(dāng)?shù)貙訅毫ο陆抵?.82 MPa時，開采即出砂。

南海深水氣田出砂臨界生產(chǎn)壓差低，儲層壓力衰竭后臨界生產(chǎn)壓差會進(jìn)一步降低。深水環(huán)境惡劣，出砂帶來的危害將是巨大的，為了保證南海深水氣田長期高效安全開發(fā)，開發(fā)初期必須進(jìn)行防砂。因此有必要對南海深水氣田防砂設(shè)計做進(jìn)一步研究。

2 防砂方式初步設(shè)計

2.1 設(shè)計依據(jù)

儲層粒度特性及黏土礦物含量是進(jìn)行防砂設(shè)計的基礎(chǔ)，南海深水氣田儲層激光粒度測試、XRD分析結(jié)果見表1。南海深水氣田儲層巖石粒度屬細(xì)砂巖到中砂巖，均質(zhì)性好，黏土礦物含量中等，黏土礦物吸水膨脹偏弱。

表1 南海深水氣田儲層粒度特性及黏土礦物含量

2.2 防砂方式理論設(shè)計

國內(nèi)外學(xué)者在防砂方式設(shè)計方面研究很多，代表性的人物有：Johnson、Tiffin［8-9］等。 根據(jù)南海深水氣田儲層物性參數(shù)，使用Johnson方法和Tiffin方法對南海深水氣田進(jìn)行防砂方式設(shè)計。Tiffin方法根據(jù)非均質(zhì)系數(shù)及細(xì)粉砂含量推薦采用礫石充填防砂，Johnson方法根據(jù)粒度特征值數(shù)據(jù)推薦采用優(yōu)質(zhì)篩管防砂。2種方法設(shè)計結(jié)果誰更適合南海深水氣田，有必要通過室內(nèi)出砂模擬實驗驗證，確保南海深水氣田生產(chǎn)的安全和高效開發(fā)。

3 出砂模擬實驗

使用氣井出砂模擬裝置［10］進(jìn)行模擬實驗，實驗裝置包括電子測量壓力計、高壓釜體及供氣系統(tǒng)。高壓釜體中填充石英砂，通過加壓可有效模擬地層真實應(yīng)力狀態(tài)。實驗時記錄各點壓力、流量及出砂量，實驗流程如圖1所示。

圖1 出砂模擬試驗流程圖

海上油氣田完井經(jīng)驗表明：不同類型防砂管的防砂效果差別很大，此外礫石充填完井通常比不充填礫石的防砂效果要好。根據(jù)這一經(jīng)驗出砂模擬實驗分為2部分。首先使用金屬網(wǎng)布優(yōu)質(zhì)篩管（PS）和繞絲篩管(WWS)進(jìn)行獨(dú)立防砂和礫石充填(GP)2種完井方式下的出砂模擬實驗，確定適合南海深水氣田高效開發(fā)的防砂方式。然后針對選定的完井方式進(jìn)行防砂參數(shù)的優(yōu)選。

3.1 防砂方式優(yōu)選

根據(jù)南海深水氣田粒度特性（非均質(zhì)系數(shù)為3～5，d50為180 μm）確定2種篩管的擋砂精度及礫石尺寸（表2）。2種篩管的出砂量都大于礫石充填防砂出砂量，使用篩管獨(dú)立防砂無法滿足南海深水氣田苛刻的水下環(huán)境，必須采取礫石充填防砂。雖然優(yōu)質(zhì)篩管礫石充填的產(chǎn)能低于繞絲篩管礫石充填，但其出砂量少，防砂效果好。

表2 實驗條件對比

南海深水氣田儲層物性好，采氣速率高，高流速含砂氣體會對篩管及井下生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的沖蝕力，深水氣田對出砂量比常規(guī)氣田控制更為嚴(yán)格。綜合考慮防砂后的產(chǎn)能及出砂量，推薦南海深水氣田使用優(yōu)質(zhì)篩管+礫石充填完井。

3.2 礫石層厚度優(yōu)選

對于裸眼礫石充填井，通常進(jìn)行擴(kuò)眼作業(yè)以提高礫石充填系數(shù)。增加礫石層厚度，可提高防砂系統(tǒng)的可靠性，但深水氣田完井日費(fèi)高，礫石層厚度增加意味著作業(yè)時間長，完井費(fèi)用高，而且擴(kuò)眼會引起氣體流速增大，出砂量增加。為了找到產(chǎn)能與出砂量之間的平衡點，利用出砂模擬實驗來確定改變礫石層充填厚度帶來的產(chǎn)能、出砂量變化關(guān)系。從圖2可以看出，提高礫石層厚度，米采氣指數(shù)成線性增加，但流速過高會引起井底紊流，進(jìn)而造成出砂量增加。深水氣田開發(fā)環(huán)境惡劣，在滿足產(chǎn)能要求的條件下，礫石充填層應(yīng)盡可能滿足防砂效果的需求，確保水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全。根據(jù)南海深水氣田產(chǎn)能要求及出砂模擬實驗結(jié)果，推薦南海深水氣田礫石層厚度為5 cm。

圖2 產(chǎn)能及出砂量隨礫石層厚度變化關(guān)系圖

4 結(jié)論

1）開發(fā)初期南海深水氣田出砂臨界生產(chǎn)壓差小于4.5 MPa，壓力衰竭后出砂臨界壓差會進(jìn)一步降低。

2）優(yōu)質(zhì)篩管礫石充填的產(chǎn)能低于繞絲篩管礫石充填，但其出砂量少，防砂效果好。

3）理論設(shè)計與出砂模擬實驗相結(jié)合，確定南海深水氣田使用優(yōu)質(zhì)篩管與礫石充填方式完井，推薦深水氣田礫石層厚度為5 cm。