海上油氣井出砂防治與管理現(xiàn)狀分析

邱浩，文敏，曹硯鋒，范志利，王彬，閆新江 (中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100020)

油氣井出砂問題是油氣田開發(fā)急需解決的難題之一，其危害主要表現(xiàn)在造成井下及地面設(shè)施的磨損、堵塞甚至砂埋等問題的產(chǎn)生，引起在役油氣井的減產(chǎn)或停產(chǎn)，極端情況下會(huì)造成套管擠毀，并最終導(dǎo)致油氣井報(bào)廢[1,2]。此外，油氣井出砂還可能伴隨井控風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境污染等災(zāi)難性事件的發(fā)生[3]。因此，如何保證油氣田全壽命周期內(nèi)出砂防治與管理的有效性，一直以來(lái)是世界各大油公司普遍關(guān)注的問題。

1 海上油氣井出砂現(xiàn)狀

根據(jù)最新的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前中海油大約有18個(gè)油氣田存在出砂問題，主要分布在渤海海域、南海西部和東部海域。三大海域在役井的總數(shù)約3800余口，其中約200口井存在不同程度的出砂問題，即出砂井的井?dāng)?shù)占在役井總數(shù)的5.3%，由此表明中海油針對(duì)海上油氣井出砂防治工作的整體效果較好，與其長(zhǎng)期以來(lái)在油氣井出砂防治技術(shù)方面所做的大量研究和實(shí)踐探索息息相關(guān)[4]。

雖然目前海上存在出砂問題的油氣井?dāng)?shù)較少，但出砂的油氣井在渤海海域、南海西部和東部海域均有分布，并且考慮到海上在役井的總井?dāng)?shù)相對(duì)較少，每一口井對(duì)保證油氣田產(chǎn)量方面都具有重要意義。因此，為了加強(qiáng)海上在役井的后期生產(chǎn)管理，避免或盡可能降低出砂井的產(chǎn)生概率，中海油急需開展海上油氣井出砂防治與管理改進(jìn)方面的研究工作。

為了有效避免出砂給油氣井正常生產(chǎn)帶來(lái)的不利影響，工作重點(diǎn)在于油氣井的出砂原因分析，找到出砂風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別方法，并根據(jù)識(shí)別結(jié)果，有針對(duì)性地開展油氣井出砂的預(yù)防并制定治理改進(jìn)措施。油氣井出砂管理是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程，內(nèi)容包括油氣井早期防砂設(shè)計(jì)和防砂施工、后期生產(chǎn)制度管理、出砂風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、出砂監(jiān)測(cè)及出砂治理等，即油氣井的出砂防治與管理工作伴隨其全壽命周期[5]。

2 海上油氣井出砂原因分析

油氣井是否產(chǎn)生出砂問題涉及的影響因素有多種，如儲(chǔ)層沉積相、構(gòu)造類型、泥質(zhì)含量、流體物性、防砂完井方式、篩管類型、防砂工藝、生產(chǎn)工作制度調(diào)整等。將這些影響因素進(jìn)行歸類，主要分為地質(zhì)因素、完井因素和生產(chǎn)管理因素3大類。針對(duì)出砂井的出砂原因分析，也主要從以上3個(gè)方面的影響因素予以展開。通過對(duì)目前海上所有出砂井的出砂原因分析發(fā)現(xiàn)，由地質(zhì)因素和完井因素造成出砂的油氣井?dāng)?shù)相對(duì)較少，而由于后期不合理的生產(chǎn)制度管理導(dǎo)致出砂的油氣井?dāng)?shù)相對(duì)較多，從而說明相對(duì)于地質(zhì)因素和完井因素而言，油氣井后期不合理的生產(chǎn)管理是導(dǎo)致出砂的更重要因素。

2.1 地質(zhì)因素

油氣井產(chǎn)生出砂問題的首要條件是地層出砂，造成地層出砂的地質(zhì)因素包括儲(chǔ)層構(gòu)造、沉積相、巖性、巖石膠結(jié)類型、膠結(jié)物種類、黏土礦物成分、泥質(zhì)含量、儲(chǔ)層流體類型等[6,7]，這些影響因素屬于客觀存在的內(nèi)在因素，主要通過巖石強(qiáng)度和粒度分布2個(gè)方面來(lái)影響出砂風(fēng)險(xiǎn)的大小。巖石本身強(qiáng)度較低、儲(chǔ)層見水造成巖石強(qiáng)度降低[8,9]或開發(fā)中后期儲(chǔ)層壓力衰竭造成巖石所受有效應(yīng)力增加等，這些因素均會(huì)增加儲(chǔ)層巖石的出砂風(fēng)險(xiǎn)。如果地層砂的粒徑過小，海上常用的機(jī)械防砂介質(zhì)也不能有效擋住地層出砂，從而產(chǎn)生油氣井出砂問題。

圖1 南海某氣田2口出砂井全壽命出砂預(yù)測(cè)成果圖

南海某氣田目的儲(chǔ)層的巖石強(qiáng)度較低(單軸抗壓強(qiáng)度約10～15MPa)、地層砂粒徑較小(D50分布在70～110μm范圍內(nèi))且細(xì)粉砂體積分?jǐn)?shù)也比較高(約為36%)，因此氣井均采用優(yōu)質(zhì)篩管進(jìn)行防砂。該氣田開發(fā)中后期出現(xiàn)儲(chǔ)層壓力衰竭，部分氣井井底流壓與地層壓力曲線超出安全三角區(qū)(見圖1)而產(chǎn)生出砂問題，后期通過限制出砂井的生產(chǎn)壓差，即可達(dá)到控制氣井出砂的目的。因此，分析認(rèn)為，該氣田出砂的原因?yàn)閹r石強(qiáng)度較低、后期儲(chǔ)層壓力衰竭增加部分氣井的出砂風(fēng)險(xiǎn)，且地層砂的粒徑偏小，使優(yōu)質(zhì)篩管不能有效擋住部分地層砂而產(chǎn)生出砂問題。

2.2 完井因素

完井因素主要分為油氣井防砂設(shè)計(jì)和防砂作業(yè)2個(gè)方面的因素，其中防砂設(shè)計(jì)包括防砂方式選擇、擋砂精度、防砂參數(shù)和防砂篩管設(shè)計(jì)等，而防砂作業(yè)因素主要包括作業(yè)中是否造成篩管損壞、充填效率是否滿足充填作業(yè)要求、充填滑套是否關(guān)閉等內(nèi)容。如果防砂設(shè)計(jì)階段儲(chǔ)層地質(zhì)油藏資料不全或設(shè)計(jì)人員對(duì)儲(chǔ)層地質(zhì)油藏資料的認(rèn)識(shí)不夠全面，從而造成油氣井的防砂設(shè)計(jì)不合理或防砂作業(yè)過程不滿足相關(guān)的作業(yè)規(guī)范、破壞防砂管柱的結(jié)構(gòu)完整性，這些因素均會(huì)導(dǎo)致油氣井產(chǎn)生出砂問題。

如渤海某油田3口礫石充填防砂井G6H井、G7H井和G24H井，投產(chǎn)不久即產(chǎn)生出砂問題，檢泵沖砂作業(yè)中發(fā)現(xiàn)泵吸入口存在陶粒粘附現(xiàn)象、返出的砂粒也以陶粒為主，而且作業(yè)中發(fā)現(xiàn)防砂管柱上的充填滑套處于打開狀態(tài)，從而說明這3口井的出砂原因是防砂作業(yè)結(jié)束后充填滑套未關(guān)所致。通過相關(guān)作業(yè)關(guān)閉充填滑套后，3口井均停止出砂，恢復(fù)正常生產(chǎn)。

2.3 生產(chǎn)管理因素

通過對(duì)海上出砂井的出砂原因分析，發(fā)現(xiàn)油氣井后期不合理的生產(chǎn)制度管理是導(dǎo)致油氣井出砂更重要的因素，這些不合理的生產(chǎn)管理制度包括頻繁調(diào)整工作制度、大幅度提液、放大生產(chǎn)壓差等。不合理的油氣井生產(chǎn)管理主要通過改變井筒附近的地層應(yīng)力場(chǎng)或破壞篩管外的自然砂橋2種途徑[10，11]來(lái)增加油氣井的出砂風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，不合理的生產(chǎn)管理制度還可能造成油氣井防砂篩管的完整性破壞，從而直接導(dǎo)致油氣井防砂失效而出砂。油氣井生產(chǎn)階段，防砂篩管完整性破壞的常見形式包括沖蝕破壞和擠壓變形破壞2種類型。

2.3.1 篩管沖蝕

由于長(zhǎng)期受到含砂流體的作用，篩管局部出現(xiàn)沖蝕破壞，最終導(dǎo)致防砂失效的現(xiàn)象普遍存在[12]。油氣井正常生產(chǎn)情況下篩管不發(fā)生泥質(zhì)堵塞，產(chǎn)出流體均勻通過篩管，則一般不會(huì)發(fā)生篩管的沖蝕破壞。只有當(dāng)篩管的部分區(qū)域出現(xiàn)堵塞后，流體就會(huì)從未堵塞區(qū)域通過，從而形成局部供液“熱點(diǎn)”，流體通過局部“熱點(diǎn)”的流速增大，造成篩管的沖蝕破壞。

篩管的沖蝕速率既受到篩管本體因素(如篩管的材質(zhì)和結(jié)構(gòu))的影響，又受到外部條件的影響，如含砂流體沖蝕速度、沖蝕時(shí)間、含砂濃度、砂粒直徑等。中海油依托國(guó)家重大專項(xiàng)，針對(duì)篩管沖蝕開展了大量的試驗(yàn)研究。通過改變篩管沖蝕試驗(yàn)中的外部條件，得到大量篩管沖蝕的試驗(yàn)結(jié)果，擬合建立了篩管沖蝕的質(zhì)量磨損率與流體速度、砂粒粒徑、砂粒濃度等參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，如式(1)所示：

(1)

式中：ms為篩管沖蝕的質(zhì)量損失，%；D50為砂粒粒度中值，μm；c為砂粒濃度，%；v為流體沖蝕速度，m/s；t為沖蝕時(shí)間，s；K為擬合常數(shù)，1；i、j、n為擬合指數(shù),1。

針對(duì)渤海某油田出砂井的篩管沖蝕分析，假設(shè)地層產(chǎn)出液的含砂量和含砂粒徑均為定值，對(duì)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的篩管沖蝕模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到篩管沖蝕程度C值的計(jì)算模型：

C=vn·t

(2)

C值表征含砂流體的沖蝕作用程度，當(dāng)C值達(dá)到某一臨界值Ccritical時(shí)，說明篩管發(fā)生了由沖蝕造成的完整性破壞。根據(jù)篩管沖蝕程度C值計(jì)算模型，結(jié)合該油田的出砂井及鄰近未出砂井的歷史動(dòng)態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和井下篩管柱結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算得到各井的篩管沖蝕程度C值，如圖2所示。

從圖2可以看出，鄰近未出砂井C值均要明顯低于出砂井C值，說明C值在表征篩管沖蝕程度方面具有較好的預(yù)警性，可取出砂井C值中的低值作為評(píng)價(jià)該油田井下篩管是否發(fā)生沖蝕破壞的臨界值Ccritical=0.18。除此之外，圖2中出砂井對(duì)應(yīng)C值的差異較大，主要由于式(2)篩管沖蝕的簡(jiǎn)化模型假設(shè)了地層流體含砂量和含砂粒徑均為定值(僅考慮了篩管沖蝕速度和沖蝕時(shí)間)，而不同出砂井實(shí)際篩管沖蝕過程中流體含砂量和含砂粒徑不完全相同。

2.3.2 篩管變形

油氣井工作制度的調(diào)整、提液生產(chǎn)，造成地層壓力降低、生產(chǎn)壓差增大，以及生產(chǎn)中儲(chǔ)層見水造成巖石強(qiáng)度降低，這些因素均會(huì)增加井筒附近地層巖石的出砂風(fēng)險(xiǎn)。地層巖石出砂后，產(chǎn)出砂的細(xì)顆粒在地層流體的攜帶作用下積聚在篩管的擋砂介質(zhì)(金屬棉或網(wǎng)布)外堵塞篩管，從而使較大的生產(chǎn)壓差直接作用于篩管的擋砂介質(zhì)。篩管的擋砂介質(zhì)在生產(chǎn)壓差的擠壓作用下發(fā)生變形、錯(cuò)位，造成篩管的擋砂精度增大，甚至當(dāng)生產(chǎn)壓差增大到一定程度后直接造成篩管擋砂介質(zhì)的擠毀，并最終導(dǎo)致油氣井防砂失效而引起井筒出砂。

南海某油田出砂井B27H井采用優(yōu)質(zhì)篩管的防砂方式，出砂前的歷史動(dòng)態(tài)生產(chǎn)曲線如圖3所示。從圖3可以看出，B27H井投產(chǎn)初期的生產(chǎn)壓差經(jīng)過2次快速放大、增加至6.5MPa左右，生產(chǎn)約2a的時(shí)間后產(chǎn)生嚴(yán)重的出砂問題。因此，分析認(rèn)為B27H井是由于投產(chǎn)初期生產(chǎn)壓差快速增大，造成井下篩管的擋砂介質(zhì)發(fā)生變形損壞而導(dǎo)致生產(chǎn)出砂。

圖3 南海某油田出砂井B27H生產(chǎn)曲線圖

3 海上油氣井防砂及出砂治理技術(shù)體系

圖4 油氣井防砂及出砂治理技術(shù)體系內(nèi)容概況圖

基于油氣井出砂原因分析過程中得到的相關(guān)規(guī)律性認(rèn)識(shí)，并結(jié)合海上油氣井有效的生產(chǎn)管理措施，編制形成了《海上油氣井防砂及出砂治理技術(shù)體系》，內(nèi)容涵蓋了油氣井防砂設(shè)計(jì)、防砂施工、后期工作制度調(diào)整、出砂監(jiān)測(cè)、出砂治理等油氣井的全壽命周期，如圖4所示?！逗Ｉ嫌蜌饩郎凹俺錾爸卫砑夹g(shù)體系》是中海油應(yīng)對(duì)海上采油采氣井出砂防治問題的第一部系統(tǒng)化技術(shù)體系，為海上油氣井防砂設(shè)計(jì)、防砂施工、后期生產(chǎn)制度管理、出砂監(jiān)測(cè)、出砂治理等方面提供了明確的設(shè)計(jì)要求及技術(shù)指導(dǎo)。

相對(duì)于地質(zhì)因素和完井因素而言，海上油氣井后期不合理的生產(chǎn)制度管理是導(dǎo)致出砂的更重要因素。因此，海上油氣井出砂防治的工作重點(diǎn)應(yīng)放在油氣井的生產(chǎn)管理階段。在油氣井生產(chǎn)過程中對(duì)其出砂動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解海上在役井的出砂時(shí)機(jī)，方便及時(shí)采取合適的應(yīng)對(duì)措施，使油氣井達(dá)到最佳的生產(chǎn)狀態(tài)。針對(duì)油井而言，現(xiàn)場(chǎng)通常采取井口取樣化驗(yàn)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)出液含砂量的定期監(jiān)測(cè)?？紤]到氣井出砂可能會(huì)造成更嚴(yán)重的沖蝕磨損問題，現(xiàn)場(chǎng)通常采用在線監(jiān)測(cè)儀對(duì)氣井出砂量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于井口取樣化驗(yàn)的監(jiān)測(cè)方法存在取樣量少、代表性差、監(jiān)測(cè)結(jié)果滯后、不連續(xù)、操作難度大等缺點(diǎn)，中海油亟待開展油氣井出砂在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，并推廣應(yīng)用于海上在產(chǎn)的油氣井。

處于正常生產(chǎn)狀態(tài)的油氣井應(yīng)盡量避免頻繁的工作制度調(diào)整并合理控制生產(chǎn)壓差，當(dāng)確實(shí)需要調(diào)整工作制度時(shí)，調(diào)整前需要進(jìn)行油氣井的出砂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。同時(shí)根據(jù)油氣井在線監(jiān)測(cè)的出砂情況，將在役的油氣井劃分為未出砂井、間歇出砂井和連續(xù)出砂井3大類。連續(xù)出砂井需要重點(diǎn)關(guān)注，出砂風(fēng)險(xiǎn)排查的頻率應(yīng)相對(duì)較高，間歇出砂井和未出砂井的出砂風(fēng)險(xiǎn)排查頻率可以適當(dāng)降低。出砂風(fēng)險(xiǎn)分析方法主要包括篩管沖蝕分析和篩管變形分析2種，具體分析方法如上所述。除此之外，在修井措施或關(guān)井復(fù)產(chǎn)后、油井產(chǎn)液量出現(xiàn)異常等情況下也需要及時(shí)進(jìn)行出砂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

4 結(jié)論及建議

1)油氣井出砂原因分析是一項(xiàng)全面而系統(tǒng)的工作，需要結(jié)合儲(chǔ)層地質(zhì)油藏條件，從油氣井前期防砂設(shè)計(jì)、防砂作業(yè)及后期生產(chǎn)制度管理等多方面進(jìn)行全方位的分析。

2)基于對(duì)海上出砂油氣井出砂原因的全面深入分析，并結(jié)合海上在產(chǎn)油氣井的有效生產(chǎn)制度管理，編制形成了《海上油氣井防砂及出砂治理技術(shù)體系》，對(duì)海上油氣井出砂防治各環(huán)節(jié)提出了明確的設(shè)計(jì)作業(yè)要求和技術(shù)指導(dǎo)。

3)出砂在線監(jiān)測(cè)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取海上油氣井的出砂信息，方便及時(shí)采取有針對(duì)性的預(yù)防治理措施，建議開展實(shí)時(shí)出砂監(jiān)測(cè)技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)推廣，實(shí)現(xiàn)出砂在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的工業(yè)化應(yīng)用。篩管沖蝕損壞是海上油氣井常見的防砂失效形式，為了提高現(xiàn)有沖蝕模型的準(zhǔn)確性，并有效地推廣應(yīng)用至其他油氣田，建議開展篩管沖蝕深入的理論研究和全尺寸試驗(yàn)研究。