西非K斷塊地層出砂機(jī)理分析及出砂預(yù)測(cè)方法研究

樂(lè)濤濤

摘? 要：地層出砂是油田開發(fā)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題，對(duì)油井正常生產(chǎn)甚至地面管線會(huì)造成嚴(yán)重的危害。文章將從微觀和宏觀方面，將地層出砂分為游離砂析出、弱膠結(jié)砂巖層出砂、砂巖骨架破碎出砂三種類型，開展了剪切破壞和拉伸破壞等力學(xué)分析，并分地質(zhì)和開發(fā)兩個(gè)方面共9個(gè)主要影響因素進(jìn)行分析。建立了一種新的以定性分析和定量預(yù)測(cè)相結(jié)合的出砂預(yù)測(cè)方法，該方法可操作性強(qiáng)，對(duì)油井完井和采取防砂措施具有重要意義。運(yùn)用該方法對(duì)西非新發(fā)現(xiàn)的K斷塊K-1井進(jìn)行了地層出砂分析和預(yù)測(cè)，該井3個(gè)油層嚴(yán)重出砂、1個(gè)油層輕微出砂，在生產(chǎn)中應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)姆郎按胧?/p>

關(guān)鍵詞：地層出砂機(jī)理;定性分析;定量預(yù)測(cè);防砂措施

中圖分類號(hào)：P618.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）22-0126-03

Abstract： Sand production is a common problem in the process of oilfield development， which will cause serious harm to the normal production of oil wells and even the surface pipelines. In this paper， from the micro and macro aspects， the formation sand production is divided into three types： free sand precipitation， sand production of weakly cemented sandstone and sand production by broken skeleton. The mechanical analysis of shear failure and tensile failure is carried out， and it is divided into nine main factors analysis of geology and development. A new method of sand production prediction based on the combination of qualitative analysis and quantitative prediction is established. The method has strong operability and is of great significance for well completion and sand control measures. This method is used to analyze and predict the formation sand production of well K-1 of a newly discovered K fault block in West Africa. Three oil layers in this well are seriously sand production and one oil layer is slightly sand production， so appropriate sand control measures should be taken in production.

Keywords： formation sand production mechanism; qualitative analysis; quantitative prediction; sand control measures

地層出砂是油田開發(fā)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題，對(duì)油井正常生產(chǎn)甚至地面管線會(huì)造成嚴(yán)重的危害。地層出砂會(huì)造成電泵砂卡、磨蝕等，檢泵周期縮短，增加作業(yè)成本;出砂會(huì)砂埋油層，造成產(chǎn)量降低甚至停產(chǎn)，沖砂作業(yè)增加作業(yè)成本;嚴(yán)重出砂會(huì)引起井壁坍塌，破壞地層原始滲透率，損壞套管;出砂會(huì)磨蝕井口設(shè)備和地面管線，并在處理罐中沉積，增大維護(hù)工作量，加大地面處理系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。對(duì)于疏松砂巖油藏，由于地質(zhì)沉積、巖石力學(xué)、開發(fā)開采等因素，都會(huì)不同程度地影響出砂類型、出砂規(guī)律，分析地層的出砂機(jī)理、有針對(duì)性的開展出砂預(yù)測(cè)，對(duì)于提前采取防砂措施、保證油井正常，具有十分重要的意義[1]。

西非K斷塊為新發(fā)現(xiàn)斷塊，目前僅鉆有少量探井、評(píng)價(jià)井，暫無(wú)井投產(chǎn)。該斷塊以構(gòu)造油藏類型為主，油藏埋藏較淺，主力油層埋深1200～1400m，總體沉積環(huán)境為三角洲前緣沉積，油層以中孔中滲儲(chǔ)層為主。通過(guò)對(duì)地層出砂機(jī)理分析，及能夠較容易獲取的鉆井取心、測(cè)井解釋、試油等資料的綜合分析，進(jìn)行地層出砂預(yù)測(cè)研究，找到一套預(yù)測(cè)可靠、在實(shí)際生產(chǎn)中可操作性強(qiáng)的地層出砂預(yù)測(cè)方法，以便采取適當(dāng)?shù)姆郎按胧?，在油田開發(fā)中具有重要意義。

1 出砂機(jī)理分析

1.1 出砂類型

從地層出砂的微觀方面分析，是砂粒由于受到流體流動(dòng)的沖刷而從巖石骨架上剝落、運(yùn)移，地層出砂分為以下三種類型。游離砂析出：未膠結(jié)的砂粒，隨油氣流帶出巖石進(jìn)入井筒，加強(qiáng)排液，不必采取防砂措施。游離砂有利于疏通孔隙吼道，提高產(chǎn)能。弱膠結(jié)砂巖層出砂：巖石較疏松，當(dāng)流體拖曳力超過(guò)聯(lián)結(jié)強(qiáng)度時(shí)，形成出砂。隨流體流量增加而增大，隨采液時(shí)間延長(zhǎng)而加劇[2]。砂巖骨架破碎出砂：膠結(jié)強(qiáng)度較高的砂巖層，生產(chǎn)初期無(wú)出砂，中后期出砂，一般為骨架砂。

1.2 地層出砂的力學(xué)分析

從地層出砂的宏觀方面分析[3]，是由于地層巖石力學(xué)特征發(fā)生區(qū)域性破壞而引起出砂，主要分為以下兩個(gè)方面。剪切破壞：巖石所受的應(yīng)力超過(guò)了巖石抗剪切應(yīng)力，使地層造成剪切破壞，剪切出砂。拉伸破壞：地層流體在產(chǎn)出過(guò)程中對(duì)地層顆粒的拖曳力大于巖石的抗拉伸強(qiáng)度時(shí)造成巖石拉伸破壞，脫落的砂粒形成出砂。剪切破壞可能造成災(zāi)難性的出砂后果，拉升破壞具有“自穩(wěn)定”效應(yīng)。

1.3 地層出砂影響因素

1.3.1 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素主要是地層性質(zhì)決定的[4]，是地層出砂與否的先天因素，主要包括：應(yīng)力狀態(tài)：油層鉆開后，井壁巖石的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，引起巖石變形和破壞，開采過(guò)程中引起地層出砂。巖石強(qiáng)度：巖石中膠結(jié)物種類、含量、膠結(jié)方式、成巖作用和壓實(shí)作用有關(guān)。埋藏淺、壓實(shí)作用弱的油層易出砂。膠結(jié)程度和巖石強(qiáng)度是造成地層出砂的重要因素。沉積微相：儲(chǔ)層沉積微相帶對(duì)油層出砂具有一定控制作用。河口壩下部、水下分流間、遠(yuǎn)端沉積等多為細(xì)、粉砂巖，泥質(zhì)含量較高，注水后油層容易出砂。地層非均質(zhì)性：儲(chǔ)層非均質(zhì)性是宏觀上的沉積微相和微觀上的巖石結(jié)構(gòu)、物性等因素的綜合反映，油層出砂的各種地質(zhì)因素最終都表現(xiàn)在儲(chǔ)層非均質(zhì)性上。

1.3.2 開發(fā)因素

開發(fā)因素是在油田開發(fā)、油井生產(chǎn)過(guò)程中各種因素造成地層出砂，是地層出砂的外部因素，主要包括：地層壓降：油藏壓力下降到某一極限值時(shí)，巖石發(fā)生塑性形變，破壞巖石骨架，可造成嚴(yán)重出砂。生產(chǎn)壓差：生產(chǎn)壓差越大，滲流速度越高，當(dāng)流速大于臨界流速時(shí)，地層會(huì)加劇出砂。地層流體粘度：地層流體粘度越大，對(duì)巖石的拖曳力和摩擦力就越大，地層出砂的可能性就越大。水侵或注水：水能溶解或軟化沙粒之間的部分膠結(jié)物，使地層膠結(jié)強(qiáng)度下降。油井工作制度的改變：工作制度急劇變化、開關(guān)井操作不平穩(wěn)，使弱膠結(jié)地層承受過(guò)大的應(yīng)力，也容易引起出砂[5]。

2 斷塊出砂預(yù)測(cè)

2.1 技術(shù)思路

目前已經(jīng)有很多研究者都對(duì)地層出砂原因及預(yù)測(cè)方法開展了研究[6]，但進(jìn)行定量、準(zhǔn)確的地層出砂預(yù)測(cè)具有一定難度。已開發(fā)油田可根據(jù)油田開發(fā)的出砂數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、預(yù)測(cè);而新發(fā)現(xiàn)斷塊則沒(méi)有生產(chǎn)井可以借鑒出砂，地層出砂預(yù)測(cè)難度較大。本文試圖從眾多出砂原因分析中找出最關(guān)鍵的影響因素，針對(duì)新發(fā)現(xiàn)的斷塊地層出砂預(yù)測(cè)，利用測(cè)井、巖心、試油等作業(yè)中較方便獲取的數(shù)據(jù)，建立一套地層出砂預(yù)測(cè)的定性分析和定量預(yù)測(cè)新方法，在實(shí)際應(yīng)用中預(yù)測(cè)地層出砂可靠、可操作性強(qiáng)，能夠在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行廣泛的應(yīng)用和推廣。本文預(yù)測(cè)地層出砂的主要技術(shù)思路如圖1所示，針對(duì)新發(fā)現(xiàn)、未投產(chǎn)的油藏，利用測(cè)井、試油、巖心分析等資料，對(duì)儲(chǔ)層巖石相、巖石強(qiáng)度、儲(chǔ)層物性等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，開展地層出砂定性預(yù)測(cè)和地層出砂定量分析，對(duì)潛在的出砂層位及出砂程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，為確定合理的完井方式及防砂措施提供參考。

2.2 地層出砂預(yù)測(cè)方法

2.2.1 地層出砂定性分析

（1）巖心觀察。對(duì)取心巖心進(jìn)行觀察是預(yù)測(cè)出砂最直觀的一種方法[7]。用眼睛觀察、用手觸摸巖心，若巖心的膠結(jié)狀態(tài)較差、巖石強(qiáng)度較弱，則在生產(chǎn)過(guò)程中容易出砂。由于受取心成本及工作量限制，一般情況下只有部分?jǐn)鄩K會(huì)取巖心。但可以通過(guò)對(duì)巖心的觀察分析，與其他出砂預(yù)測(cè)方法互相補(bǔ)充、互相印證，能大大提高預(yù)測(cè)方法的可靠性和準(zhǔn)確性。（2）沉積微相。儲(chǔ)層沉積微相對(duì)油層出砂具有一定控制作用。河口壩下部、水下分流間、遠(yuǎn)端沉積等多為細(xì)、粉砂巖，泥質(zhì)含量較高，注水后油層容易出砂。（3）試油試井。參考該斷塊或其它斷塊試油試井、生產(chǎn)的出砂情況。

2.2.2 地層出砂定量預(yù)測(cè)

本文通過(guò)分析，認(rèn)為地層膠結(jié)程度弱、地層強(qiáng)度差是地層出砂的根本原因，是影響地層出砂最重要的因素，而通過(guò)生產(chǎn)測(cè)井獲取的孔隙度、聲波時(shí)差、巖石密度等數(shù)據(jù)可以相對(duì)比較直觀、準(zhǔn)確的反應(yīng)地層，因此采用孔隙度法、聲波時(shí)差法、組合模量法進(jìn)行地層出砂定量預(yù)測(cè)。根據(jù)地層出砂對(duì)生產(chǎn)的影響，將地層出砂分為三個(gè)級(jí)別。嚴(yán)重出砂：地層出砂量較大，嚴(yán)重影響油井的正常生產(chǎn)，必須采取防砂措施;輕微出砂：地層出砂量較小，對(duì)油井生產(chǎn)影響較小，可根據(jù)實(shí)際情況采取簡(jiǎn)易防砂或不防砂;不出砂：地層不出砂或極少量出砂，對(duì)生產(chǎn)的影響忽略不計(jì)，不必采取防砂措施。

（1）孔隙度法。一般認(rèn)為，地層的孔隙結(jié)構(gòu)與地層的膠結(jié)強(qiáng)度有關(guān)，若地層孔隙度大于28%，地層出砂較為嚴(yán)重;孔隙度介于20%～28%之間，地層輕微出砂;孔隙度小于20%，地層不出砂。（2）聲波時(shí)差法。采用聲波在地層中的傳播時(shí)差（？駐tc）進(jìn)行出砂預(yù)測(cè)。研究表明，當(dāng)？駐tc≥390？滋s/m時(shí)，地層將會(huì)嚴(yán)重出砂;當(dāng)？駐tc介于310～390之間，地層會(huì)輕微出砂;當(dāng)？駐tc<310，地層不出砂。（3）組合模量法。除了應(yīng)用測(cè)井解釋的聲波時(shí)差預(yù)測(cè)出砂，再引入第三個(gè)參數(shù)——地層巖石體積密度。組合模量法預(yù)測(cè)出砂需根據(jù)聲速及密度測(cè)井資料，用下式（1）計(jì)算巖石的彈性組合模量Ec。

式中：Ec-巖石組合模量，MPa;？籽r-地層巖石體積密度，

g/cc;tc-縱波聲波時(shí)差，？滋s/m。

通過(guò)對(duì)大量地層出砂分析研究和計(jì)算，組合模量法對(duì)出砂預(yù)測(cè)較可靠，預(yù)測(cè)方法如下：當(dāng)Ec≥2.0×104MPa時(shí)，正常生產(chǎn)時(shí)地層不出砂;當(dāng)Ec介于（1.5～2.0）×104MPa時(shí)，正常生產(chǎn)時(shí)地層輕微出砂;當(dāng)Ec≤1.5×104MPa，正常生產(chǎn)時(shí)地層嚴(yán)重出砂[8]。

3 西非K斷塊出砂預(yù)測(cè)結(jié)果

西非K斷塊為該區(qū)域新發(fā)現(xiàn)斷塊，目前僅有一口井K-1井，通過(guò)該井已有的測(cè)井、試油和井壁取心數(shù)據(jù)進(jìn)行出砂預(yù)測(cè)（表1）。儲(chǔ)層以含礫中砂巖、中砂巖為主，孔隙膠結(jié)為主，膠結(jié)中等-差，地層本身膠結(jié)弱、成巖差，生產(chǎn)過(guò)程中易出砂（圖2）;沉積微相以河口壩、遠(yuǎn)砂壩為主，注水開發(fā)過(guò)程中可能出砂;4號(hào)油層試油出砂，含砂0.1%-0.5%，投產(chǎn)后可能出砂。通過(guò)對(duì)孔隙度、聲波時(shí)差、組合模量方法預(yù)測(cè)的綜合判斷，認(rèn)為3號(hào)油層生產(chǎn)會(huì)輕微出砂，1、2、4號(hào)油層生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)嚴(yán)重出砂，生產(chǎn)過(guò)程中需采取必要的防砂措施，以保證油井的正常生產(chǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)出砂類型、出砂力學(xué)因素、影響出砂地質(zhì)和開發(fā)因素進(jìn)行了分析，認(rèn)為膠結(jié)程度和巖石強(qiáng)度是造成地層出砂的重要因素。（2）利用測(cè)井、試油、巖心資料，對(duì)新發(fā)現(xiàn)斷塊，提出了一種以出砂定性分析和出砂定量預(yù)測(cè)相結(jié)合的出砂預(yù)測(cè)新方法，該方法具有較強(qiáng)的操作性和準(zhǔn)確性。（3）通過(guò)對(duì)西非K斷塊進(jìn)行出砂定性分析和定量預(yù)測(cè)，該斷塊3個(gè)油層嚴(yán)重出砂、1個(gè)油層輕微出砂，生產(chǎn)過(guò)程中需采取必要的防砂措施。

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