超深碳酸鹽巖油井復合防砂技術及其應用

張洪寶, 匡韶華,2*, 郭 濤,2, 柳燕麗

(1.遼河油田鉆采院，盤錦 124010； 2.塔里木油田油氣工程院，庫爾勒 841000)

塔里木盆地的超深碳酸鹽巖油井在生產過程中普遍存在井壁垮塌、出細粉砂和泥砂的現象。目前，該類油井主要采用機械篩管防砂，但是仍有部分井出現了篩管堵塞、篩管破損、儲層反復砂埋等問題，嚴重影響了油井的正常生產，需要進一步優(yōu)化防砂方法和防砂參數，提高防砂效果?，F根據油藏條件和出砂特點，提出了復合防砂技術對策。

復合防砂技術[1]是將機械防砂和化學防砂結合起來，進行優(yōu)勢互補的組合防砂技術。一方面采用化學防砂在地層中建立具有一定強度和滲透性的擋砂屏障，另一方面在井筒中下入防砂篩管或者礫石充填，建立高強度的擋砂屏障。復合防砂具有防砂效果好，有效期長，適應性廣的特點。

目前，復合防砂技術在淺層-中層疏松砂巖油氣藏中應用較普遍[2-6]，主要是采用化學防砂與單級防砂篩管結合應用。相比于淺層-中層疏松砂巖油氣井，超深碳酸鹽巖油井的工況要復雜的多。采用復合防砂能否在裸眼完井的碳酸鹽巖油井中構件良好的擋砂屏障尚不明確，并且在該類油井中沒有復合防砂技術的應用經驗。現考慮裸眼井壁垮塌、砂樣分選性差、細粉砂和泥質含量高的特點，創(chuàng)新采用樹脂砂填充碳酸鹽巖裸眼虧空帶，防止井壁垮塌；同時采用兩級防砂篩管進行多級過濾，降低篩管堵塞風險。優(yōu)化設計的復合防砂技術在英買XX區(qū)塊進行了探索性應用，應用效果較好。

1 地質特征及出砂概況

英買XX區(qū)塊位于塔北隆起西部的英買力低凸起，南部緊鄰滿加爾生烴凹陷，目前已成為塔北最有潛力的勘探目標區(qū)之一[7]。該區(qū)塊主力儲層段為一間房組和鷹山組上部。一間房組巖性以亮晶顆?；?guī)r為主，夾薄層生物灰?guī)r和泥晶灰?guī)r；鷹山組上部巖性以泥晶灰?guī)r為主，夾砂屑灰?guī)r[8]。儲層類型以洞穴型、裂縫-孔洞型為主，洞穴型儲層占64.7%，裂縫-孔洞型儲層占27.5%?；|孔隙低、儲集性能差，溶蝕縫洞儲集性能好；基質平均孔隙度為1.14%，平均滲透率0.53×10-3μm2。原始地層壓力64.16 MPa，地層溫度130.4 ℃，儲層深度5 800 m左右。

該區(qū)塊主要以裸眼完井為主，生產過程中部分井井壁垮塌及出砂嚴重[9-10]，頻繁造成抽油泵/電泵砂卡、磨損，以及儲層段砂埋，增加了檢泵作業(yè)次數，同時導致產量下降。隨著地層壓力下降及地層出水，出砂井數逐年增加。

該區(qū)塊屬于碳酸鹽巖油藏，出砂特點與疏松砂巖油藏存在較大的區(qū)別。由于生產壓差過大、應力釋放和地層壓力下降導致井壁垮塌；同時，裂縫及洞穴中填充的地層砂和泥質隨流體產出導致地層出砂[11-12]。出砂特點是：砂樣非均質性嚴重，成分復雜，既有井壁垮塌掉下來的大塊巖屑，也有從裂縫和洞穴中流出的地層砂和泥質，并且細粉砂和泥質含量高。出砂砂樣如圖1所示。

圖1 英買-A井沖砂砂樣圖片

前期主要采用泵掛金屬棉篩管進行防砂，防砂方式單一，防砂效果較差，存在以下問題：防砂篩管破損、堵塞現象普遍，導致泵卡、磨損和供液不足；儲層段垮塌砂埋，導致油井產量下降。因此，需要優(yōu)化防砂方法和防砂參數來提高油井防砂效果。

2 防砂技術對策

針對英買XX區(qū)塊奧陶系碳酸鹽巖油藏出砂特點和防砂問題，提出復合防砂技術對策，并且應用多級防砂理念設計防砂篩管。多級防砂[13-14]是在井筒中懸掛不同擋砂精度的防砂篩管，對非均質嚴重的地層砂進行逐漸擋砂和過濾，降低篩管堵塞風險，提高防砂效果。

總體防砂技術方案如下：采用樹脂砂填充近井地層虧空帶和裂縫，構建人工井壁，恢復對井壁的支撐，防止井壁垮塌[15-16]；井筒中丟手懸掛一級防砂篩管，形成二次擋砂屏障，防止人工井壁防砂失效帶來的出砂問題；機采管柱泵掛二級防砂篩管，形成三次擋砂屏障，防治泥砂進入抽油泵/電泵。一級防砂篩管的擋砂精度小于二級防砂篩管擋砂精度，進行多級防砂過濾，降低篩管堵塞風險。一級防砂篩管懸掛在生產套管中下部，不進入裸眼產層段，可以有效防止防砂管柱被埋卡，便于后期作業(yè)過程中打撈防砂管柱[17]。

3 防砂工藝設計

3.1 人工井壁防砂設計

樹脂砂選用酚醛樹脂覆膜石英砂，樹脂砂技術要求：①覆膜率大于98%；②抗折強度大于3 MPa；③抗壓強度大于6 MPa；④固化后滲透率大于8 μm2；⑤固化時間24～48 h。

按照Saucier經驗公式，根據地層砂的粒度中值，計算樹脂砂粒度中值范圍：樹脂砂粒度中值=(5～6)地層砂粒度中值[18]。但是，由于碳酸鹽巖地層砂樣非均質嚴重，砂樣差異性大，砂樣取樣代表性差，雜質成分多，取得的砂樣難以反映真實的地層粒度情況。因此，為了保證防砂有效性，按照人工井壁防砂經驗，選擇充填用樹脂砂的粒徑值范圍為：0.3～0.6 mm，既能有效防止地層出砂，又有利于泥質排出。

樹脂砂準備量設計[19]：樹脂砂準備量V=地層填充量V1+井筒留塞量V2+附加砂量V3。具體計算方法：①地層填充量V1按照人工井壁處理半徑(地層虧空半徑)計算，一般根據歷次作業(yè)累計沖砂量確定；如果缺少沖砂量數據，可按照處理半徑0.5～1.0 m計算，具體可根據實際情況調整，折算加砂強度約為每米油層0.7～3.0 m3；②井筒留塞量V2按照留塞高度200～300 m計算；③對于疏松砂巖油藏，一般附加砂量為地層填充量的0.2倍，考慮到碳酸鹽巖油藏存在裂縫及洞穴情況，附加砂量按照地層填充量的0.4倍計算。

最高施工泵壓取生產套管抗內壓強度的0.8倍或者采油樹承壓能力兩者之間的最小值。英買2區(qū)塊采用φ177.5 mm×10.36 mm生產套管，抗內壓強度77.4 MPa。該區(qū)塊采油樹壓力等級為35 MPa，由于采油樹使用年限較長，可能存在腐蝕及密封件性能下降的情況，因此，確定最高施工泵壓為30 MPa?？紤]該區(qū)塊油層厚度較大，并借鑒前期酸壓施工經驗，設計施工排量為0.5～2.5 m3/min。設計攜砂液充填砂比為3%～20%，待壓力穩(wěn)定后開始向攜砂液中加砂，根據施工壓力變化情況控制砂比，若壓力上升不明顯，則依次間隔提高砂比5%，至壓升敏感，則停止加砂。

3.2 井筒一級篩管防砂設計

井筒一級防砂篩管選用金屬環(huán)切縫篩管。該防砂篩管由打孔基管、不銹鋼金屬環(huán)和保護罩組成(圖2)。金屬環(huán)疊加嵌套在打孔基管外，通過金屬環(huán)之間的定位片產生過濾縫隙。金屬環(huán)截面為梯形結構，保證產生的過濾縫為梯縫結構，從而使得篩管具有“自潔”能力，不容易發(fā)生堵塞。金屬環(huán)切縫篩管具有過流面積大、強度高、抗堵塞、耐腐蝕的優(yōu)點。

圖2 金屬環(huán)切縫篩管結構示意圖

井筒懸掛金屬環(huán)切縫篩管起到二次擋砂屏障和井筒一級過濾的作用，防止人工井壁失效造成的樹脂砂返排和地層出砂，主要用于過濾中粗砂。因此，金屬環(huán)切縫篩管擋砂精度按照2/3樹脂砂最小粒徑設計，即篩管擋砂精度=2/3×0.3 mm=0.2 mm。

井筒篩管丟手懸掛器選用液壓可取式封隔器[20]，如圖3所示。它是通過油管內打壓，活塞下移使卡瓦張開、壓縮膠筒坐封，其內部設計有倒齒棘爪機構，坐封后將膠筒保持在壓縮狀態(tài)。解封是通過上提管柱剪斷解封銷釘來實現解封。使用于直井、斜井、水平井完井；可用于油氣井常規(guī)完井、注水井、雙封堵水管柱、水平井堵水管柱、射孔完井聯(lián)作管柱。適合于5″～7 5/8 ″規(guī)格套管，內徑45～60 mm，承壓級別70 MPa，耐溫204 ℃。液壓可取式封隔器上端配置丟手接頭，用于丟手和打撈防砂管柱。

圖3 液壓可取式封隔器

3.3 泵下二級篩管防砂設計

泵下二級防砂篩管連接在抽油泵或電泵的吸入口位置，防止砂粒進入到抽油泵或電泵中。二級防砂篩管選用繞絲動態(tài)自潔防砂篩管。該篩管由基管、支撐泄流層、過濾介質和外護管構成。支撐泄流層由若干不銹鋼筋條沿軸向焊接在基管上，形成支撐骨架和無數泄流通道。過濾介質是由數百根連續(xù)不斷的不銹鋼絲纏繞包裹在支撐泄流層上加工而成。由于不銹鋼絲的彈性作用，在一定的驅動力下產生蠕動變形，細顆?？梢酝ㄟ^過濾層，降低過濾介質堵塞風險，達到“自潔”作用。擋砂實驗表明，該篩管抗堵塞能力優(yōu)于金屬網復合篩管。在稠油、細粉砂和黏土含量高的井中使用時，防砂效果明顯優(yōu)于常規(guī)篩管。

二級防砂篩管的擋砂精度要高于一級防砂篩管，用于防止細粉砂及部分泥質進入到抽油泵或電泵中，考慮抽油泵和電泵的耐磨及防砂卡的能力，二級防砂篩管擋砂精度選用0.1～0.05 mm。

3.4 防砂作業(yè)施工程序設計

英買XX區(qū)塊碳酸鹽巖油井復合防砂作業(yè)主要施工步驟如下：①下光油管帶筆尖沖砂管柱或平底磨鞋沖砂管柱探砂面，并沖砂至人工井底；②通井刮壁至預定位置；③下多臂井徑儀，測裸眼段井徑，評價地層垮塌及出砂程度；④下樹脂砂充填管柱(光油管帶筆尖)至裸眼段以上200～300 m；⑤擠前置液→擠樹脂砂→擠固化劑→擠頂替液，若施工壓力過高則停泵，反循環(huán)洗井，帶壓關井；⑥關井侯凝48 h以上；⑦下鉆塞管柱(牙輪鉆頭或刮刀磨鞋)，鉆塞至人工井底；⑧下7＂液壓可取式封隔器丟手防砂管柱，丟手懸掛一級防砂篩管；⑨下抽油泵/潛油電泵完井管柱(泵掛二級防砂篩管)。按要求進行下一步作業(yè)。

4 現場應用

自2017年來，英買XX區(qū)塊累計實施復合防砂作業(yè)3井次(YM-A、YM-B、YM-C)。這三口井均采用裸眼完井，生產過程中均出現較嚴重的井壁垮塌和出砂泥砂問題，初期采用單一的泵掛篩管防砂，效果不理想。根據這3口井的出砂特征，決定采取復合防砂措施，防砂作業(yè)后的完井管柱結構如圖4所示，其中，YM-B井筒未懸掛一級防砂篩管。下面以YM-A井為例介紹防砂施工過程。

YM-A井于2010年投產，投產初期日產液105 t。2014年轉電泵生產，生產過程中多次因出砂導致檢泵作業(yè)。2015年產液量下降至29 t/d，電泵過載停機關井。2017年進行檢泵、沖砂、防砂作業(yè)。歷次作業(yè)累計沖砂34.06 m3，工程測井顯示裸眼段擴徑嚴重，且井壁不規(guī)則。正擠前置液8 m3，泵壓14 MPa，排量0.8 m3/min；正擠攜砂液238 m3(樹脂砂24 t)，泵壓14～25 MPa，排量0.8～1.0 m3/min；正擠頂替液22 m3，泵壓17～30 MPa，排量0.1～0.5 m3/min。關井侯凝固化72 h，井口壓力下降至0 MPa。鉆塞后，無漏失，井口壓力為0 MPa。正擠壓井液，壓力13.5 MPa不降。下3 1/2＂金屬環(huán)切縫篩管4根，擋砂精度0.2 mm。下抽油泵完井管柱，泵掛2 7/8金屬棉篩管5根，擋砂精度0.05 mm。完井管柱結構如圖4所示。防砂作業(yè)后投產，日產液26 t，累計生產120 d，未見出砂現象，但由于含水量大幅上升導致關井。

3口井的措施效果見表1，從增產情況來看，防砂措施前后，YM-A井產量變化不大，YM-B和YM-C井產量大幅提升。從防砂效果來看，YM-A和YM-C井防砂有效生產時間較長，未見出砂現象，截止目前仍正常生產；YM-B井防砂有效時間較短，檢泵周期只有98 d，且井筒中積砂較多。按照油井防砂效果評價方法[21]，三口井的綜合防砂效果評價等級為優(yōu)等。其中，YM-B井樹脂砂填充量較少，人工造壁質量較差，且井筒中未懸掛一級防砂篩管，缺少二級擋砂屏障，導致了該井防砂有效期較短。

綜合效果來看，采用兩級防砂篩管的復合防砂技術在碳酸鹽巖油井具有很好的應用效果。

5 結論與建議

(1)針對英買XX區(qū)塊井壁垮塌、砂樣非均質性嚴重、細粉砂及泥質含量高的出砂特點，提出復合防砂及多級防砂技術對策，結合化學防砂和機械防砂的優(yōu)勢，提高防砂效果。

(2)樹脂砂人工井壁技術可以有效防止碳酸鹽巖裸眼井地層垮塌，相對于金屬棉篩管的單級防砂方式，金屬環(huán)切縫篩管+金屬棉篩管的多級防砂方式，防砂效果更好。

(3)該技術在超深碳酸鹽巖油井中進行了探索性應用，施工成功率100%，增產效果明顯，防砂效果較好，起到增產-防砂雙重作用，為該類油藏防砂提供了借鑒作用。

(4)碳酸鹽巖油藏近井地層虧空情況、裂縫-洞穴發(fā)育情況直接影響樹脂砂的填充效果及作業(yè)風險，建議防砂作業(yè)前開展套后成像(IBC)+聲波掃描成像(SS)+過套管超熱電子(CHFP)組合測井，了解地層虧空及裂縫-洞穴發(fā)育情況，為人工井壁防砂作業(yè)提供參考。

(5)綜合考慮碳酸鹽巖油井出砂出水問題，選用具有控水功能的樹脂砂進行人工井壁防砂，起到控水防砂的作用，延長作業(yè)后油井的有效生產周期。

表1 英買XX區(qū)塊復合防砂效果統(tǒng)計