人工井壁防砂在渤海油田適用性分析及效果評(píng)價(jià)*

袁偉偉 張啟龍 賈立新 徐濤 閆切海

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司；海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

渤海油田儲(chǔ)層多為疏松砂巖油藏，隨著開(kāi)采年限的延長(zhǎng)，篩管破損導(dǎo)致防砂失效的問(wèn)題日益突出[1-2]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，渤海油田因油井出砂造成停產(chǎn)進(jìn)行大修作業(yè)的井?dāng)?shù)每年占比近10%[3]。目前，針對(duì)篩管破損井的治理方式主要為打撈失效篩管、下小篩管防砂、漏點(diǎn)卡封、開(kāi)窗側(cè)鉆以及人工井壁二次防砂等[3-8]。其中：打撈篩管及開(kāi)窗側(cè)鉆由于難度較大且所用工期長(zhǎng)，導(dǎo)致修井費(fèi)用居高不下；下小篩管二次防砂及對(duì)篩管漏點(diǎn)卡封雖可降低修井投資，但由于刺漏點(diǎn)位置較難判斷以及縮小原井筒通徑，對(duì)后期實(shí)施分采有一定影響，應(yīng)用范圍受到了很大限制。人工井壁防砂技術(shù)利用覆膜砂通過(guò)篩管破損點(diǎn)擠注至虧空地層，并進(jìn)行高溫固化封堵建立具有一定滲透率的人工井壁，以滿足防砂需求。由于該技術(shù)不需要找刺漏點(diǎn)且不影響原井防砂通徑，所以在篩管刺漏出砂井的治理中應(yīng)用逐年增多。

針對(duì)人工井壁防砂技術(shù)研究，目前多集中在礫石表層覆膜材質(zhì)的選擇和分析中[9-14]，且多應(yīng)用于儲(chǔ)層的增產(chǎn)壓裂以及稠油熱采開(kāi)發(fā)[15-18]。針對(duì)人工井壁技術(shù)在篩管刺漏的治理應(yīng)用中，雖然部分研究人員做了相關(guān)報(bào)道，但主要涉及人工井壁防砂技術(shù)的施工流程及施工工藝研究[18-20]，而關(guān)于人工井壁技術(shù)的適用條件分析少有研究，特別是影響施工效果的影響因素及影響權(quán)重研究。隨著該技術(shù)應(yīng)用井?dāng)?shù)的不斷增多，亟待開(kāi)展人工井壁技術(shù)應(yīng)用后的評(píng)估研究，以期為今后選井及修井方案的制定提供必要的依據(jù)。

1 人工井壁防砂技術(shù)原理

人工井壁防砂技術(shù)原理是利用攜砂液將覆膜砂攜帶至井筒，在篩管破損處及儲(chǔ)層虧空部位充填和堆積并壓實(shí)，在固化劑和高溫循環(huán)注入作用下，顆粒表面的樹(shù)脂軟化粘連并固結(jié)，形成具有良好滲透性和強(qiáng)度的人工井壁，以防止油氣層出砂。人工井壁防砂作業(yè)流程如圖1所示，主要包括全井筒沖砂、下防砂作業(yè)管柱、擠壓充填篩管破損點(diǎn)至飽和、下沖砂管柱沖砂清潔井筒及下加熱管循環(huán)加熱固化覆膜砂。

圖1 人工井壁防砂作業(yè)流程圖Fig.1 Flow chart for sand control operation of artificial borehole wall

覆膜砂是在礫石或石英砂表面通過(guò)物理方法預(yù)涂覆一層樹(shù)脂層，經(jīng)過(guò)烘干晾曬后形成的一種防砂材料，再經(jīng)過(guò)高溫加熱至一定溫度(>40 ℃)后，其表面樹(shù)脂發(fā)生軟化，礫石之間通過(guò)樹(shù)脂發(fā)生粘連，停止加熱后覆膜砂開(kāi)始重新固結(jié)，形成具有一定強(qiáng)度及滲透率的整體，其微觀圖如圖2所示。圖3為覆膜砂固結(jié)強(qiáng)度隨加熱溫度的變化曲線。

圖2 覆膜砂加熱固化后微觀圖Fig.2 Microgram of precoated sand after thermosetting

圖3 覆膜砂固結(jié)強(qiáng)度隨加熱溫度的變化曲線Fig.3 Variation curve of consolidated strength and heating temperature of precoated sand

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)選取的覆膜砂固化溫度及強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)分析，固結(jié)后的覆膜砂單軸抗壓強(qiáng)度在4.1～7.9 MPa(見(jiàn)圖3)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加熱數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，井口注入溫度一般為90～98 ℃，井底壓力計(jì)計(jì)量溫度高于70 ℃。

2 渤海油田應(yīng)用情況分析

防砂篩管刺漏后，地層砂隨原油被攜帶至井筒，大量地層砂在井下電泵吸入口堆積并堵塞生產(chǎn)油管，影響油井的產(chǎn)能，嚴(yán)重的出砂會(huì)造成井下采油電泵損壞。

渤海油田于2016年開(kāi)始利用人工井壁防砂技術(shù)治理篩管刺漏導(dǎo)致出砂停產(chǎn)的油井，目前累計(jì)應(yīng)用生產(chǎn)井?dāng)?shù)17口且逐年增加，累計(jì)實(shí)施19井次(其中2口井進(jìn)行過(guò)二次人工井壁防砂)。通過(guò)施工前、后穩(wěn)定期的平均產(chǎn)量對(duì)比分析，其中11口井施工后可完全恢復(fù)原產(chǎn)能，其余6口井未能完全恢復(fù)原井產(chǎn)能，CFD-A17井人工井壁防砂修井后啟泵無(wú)產(chǎn)液，如圖4所示。

圖4 人工井壁防砂后產(chǎn)能恢復(fù)比Fig.4 Productivity restoration ratio after sand control of artificial borehole wall

通過(guò)渤海油田目前應(yīng)用情況分析，人工井壁防砂技術(shù)在篩管刺漏出砂井的治理中具有一定效果，但并非完全適用，從產(chǎn)能未恢復(fù)的6口井統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，4口井有二次出砂現(xiàn)象，其中2口井經(jīng)過(guò)二次人工井壁防砂治理，3口井由于產(chǎn)量較低防砂后進(jìn)行酸化解堵措施，產(chǎn)量恢復(fù)效果不佳，具體如表1所示。

表1 應(yīng)用人工井壁防砂技術(shù)后產(chǎn)能未恢復(fù)井統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics for wells where productivity is not restored after application of artificial borehole wall sand control technology

3 人工井壁效果影響因素分析

影響人工井壁防砂效果的因素較多，本文通過(guò)對(duì)渤海油田17口生產(chǎn)井應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，梳理了地質(zhì)因素、原井參數(shù)、施工參數(shù)以及生產(chǎn)制度等4大影響因素。其中：地質(zhì)因素主要包括儲(chǔ)層滲透率、含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)及孔隙度；原井參數(shù)主要包括防砂方式、防砂長(zhǎng)度及篩管容積等；施工參數(shù)主要包括泵入砂量、鋪砂濃度及施工流速等；生產(chǎn)制度參數(shù)主要為生產(chǎn)過(guò)程中的壓差控制。

從10個(gè)影響因素的統(tǒng)計(jì)分析中得到，儲(chǔ)層滲透率、孔隙度、防砂方式及泵入砂量等4個(gè)因素對(duì)防砂后效果影響無(wú)明顯差異，其余6個(gè)因素的影響具有一定的規(guī)律性。

3.1 地質(zhì)因素

通過(guò)對(duì)實(shí)施人工井壁治理的17口井儲(chǔ)層含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析，11口產(chǎn)能恢復(fù)井含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.90%～15.20%，平均含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%，6口產(chǎn)能未恢復(fù)井含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.50%～32.00%，平均含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)層含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics for argilliferous mass fraction of reservoir

原因分析：儲(chǔ)層中含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，吸水膨脹性較強(qiáng)，在防砂治理作業(yè)中與大量攜砂液接觸，吸水膨脹后堵塞篩管及礫石層流道，影響產(chǎn)能，其中CFD-A17井平均含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%，開(kāi)泵生產(chǎn)后無(wú)產(chǎn)液。這說(shuō)明含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)篩管破損防砂后產(chǎn)能恢復(fù)影響的敏感性較強(qiáng)。

3.2 原井參數(shù)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)施工井防砂段內(nèi)容積，11口產(chǎn)能恢復(fù)井防砂段內(nèi)容積范圍為2.7～11.3 m3，平均內(nèi)容積為5.0 m3。產(chǎn)能未恢復(fù)井內(nèi)容積范圍為1.2～2.3 m3，平均內(nèi)容積為1.7 m3，防砂段內(nèi)容積較小井在進(jìn)行人工井壁修井后產(chǎn)能恢復(fù)比較低，其中BZ-A03井防砂段內(nèi)容積為1.2 m3，施工后依然恢復(fù)產(chǎn)能，如圖6所示。

圖6 防砂段篩管內(nèi)容積統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics for internal volume of screen pipe in sand control section

原因分析：由于防砂段較短篩管內(nèi)容積小，在擠注充填作業(yè)過(guò)程中大排量的前置液會(huì)導(dǎo)致井筒徑向流速較高，破壞近井地帶礫石堆積方式，結(jié)合原井防砂方式分析，產(chǎn)能未恢復(fù)井均為礫石充填方式，而B(niǎo)Z-A03井雖然內(nèi)容積小，但其防砂方式為篩管防砂，大排量前置液的沖刷并不會(huì)破壞近井地帶滲透率。

3.3 施工參數(shù)分析

通過(guò)對(duì)人工井壁應(yīng)用井施工作業(yè)參數(shù)統(tǒng)計(jì)，11口產(chǎn)能恢復(fù)井?dāng)D注流速范圍為2.0～3.2 m/s，平均流速為2.5 m/s。6口產(chǎn)能未恢復(fù)井作業(yè)期間擠注流速范圍為3.4～5.9 m/s，平均流速為4.5 m/s，其中，JX-A10井雖然擠注期間流速較高，但作業(yè)后產(chǎn)能依然恢復(fù)，如圖7所示。

圖7 防砂作業(yè)最大流速Fig.7 Maximum flow rate of sand control operation

原因分析：人工井壁修井作業(yè)中，大排量的引導(dǎo)液及攜砂液進(jìn)入井筒及地層，導(dǎo)致防砂段液體流速過(guò)快，對(duì)原井筒防砂礫石層及井壁破壞嚴(yán)重，特別是針對(duì)礫石充填防砂井，過(guò)高流速導(dǎo)致原井礫石層堆積方式發(fā)生破壞，與近井地帶地層砂會(huì)進(jìn)行充分混合重新堆積，降低近井地帶滲透率。而JX-A10井防砂方式為優(yōu)質(zhì)篩管簡(jiǎn)易防砂，雖然過(guò)高流速會(huì)對(duì)近井地帶進(jìn)行沖刷，但不影響滲透率。

3.4 生產(chǎn)制度

通過(guò)對(duì)人工井壁應(yīng)用井生產(chǎn)制度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，11口產(chǎn)能恢復(fù)井后期穩(wěn)定生產(chǎn)壓差為1.16～6.00 MPa，平均生產(chǎn)壓差為4.00 MPa。而6口產(chǎn)能未恢復(fù)井生產(chǎn)壓差為6.70～9.00 MPa，平均生產(chǎn)壓差為8.00 MPa。其中CFD-A17井雖然初期投產(chǎn)生產(chǎn)壓差為2.32 MPa，但開(kāi)泵后一直無(wú)產(chǎn)出。生產(chǎn)壓差與產(chǎn)能恢復(fù)對(duì)比如圖8所示。

圖8 生產(chǎn)壓差與產(chǎn)能恢復(fù)對(duì)比Fig.8 Correlation of drawdown pressure and productivity restoration

原因分析：人工井壁防砂機(jī)理是利用礫石表層樹(shù)脂固化連接，根據(jù)室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在高溫固結(jié)后的覆膜砂抗壓強(qiáng)度為6～8 MPa，過(guò)大的生產(chǎn)壓差會(huì)造成人工井壁發(fā)生擠壓或剪切破壞，防砂失效導(dǎo)致二次出砂。從生產(chǎn)制度統(tǒng)計(jì)情況分析，產(chǎn)能未恢復(fù)的5口井生產(chǎn)壓差均大于6 MPa，導(dǎo)致人工井壁發(fā)生破壞防砂失效，因此后期應(yīng)嚴(yán)格控制人工井壁的生產(chǎn)制度。

4 防砂效果影響因素權(quán)重分析

根據(jù)前文分析，影響人工井壁作業(yè)后產(chǎn)能恢復(fù)的因素除了儲(chǔ)層含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)、施工流速、防砂方式以及生產(chǎn)壓差外，還與防砂長(zhǎng)度、泵入砂量、鋪砂濃度及篩管容積等因素有關(guān)。分析各影響因素在修井后產(chǎn)量恢復(fù)中的權(quán)重大小，對(duì)后期人工井壁作業(yè)的選井和施工具有重要指導(dǎo)意義。

灰色關(guān)聯(lián)度分析方法是一種多因素的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，通過(guò)對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行無(wú)量綱化處理后，利用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)子序列以及母序列計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)以及關(guān)聯(lián)度，并進(jìn)行關(guān)聯(lián)度排序，進(jìn)而判斷每個(gè)參數(shù)對(duì)防砂效果的影響權(quán)重。

4.1 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算模型建立

灰色關(guān)聯(lián)度分析法通過(guò)計(jì)算子序列和母序列之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，進(jìn)而求解關(guān)聯(lián)度并對(duì)其進(jìn)行排序，從而定量地衡量系統(tǒng)中各因素對(duì)目標(biāo)值的影響程度。根據(jù)人工井壁防砂后產(chǎn)能恢復(fù)比與各影響因素之間的關(guān)系，建立灰色關(guān)聯(lián)模型：

(1)

式中：ξi(k)是母序列y與子序列xi的關(guān)聯(lián)度系數(shù)；子序列為xi=(xi(1),xi(2),……，xi(n))；將描述人工井壁防砂后產(chǎn)能恢復(fù)比作為母序列y=(y(1),y(2),……，y(n))；ξ為分辨系數(shù)，一般取0.5。

根據(jù)防砂后產(chǎn)能恢復(fù)與影響因素的關(guān)聯(lián)模型，確定關(guān)聯(lián)度的處理方法，具體如下。

(1)確定子序列和母序列。分別將防砂長(zhǎng)度、篩管容積、泵入砂量、鋪砂濃度、施工流速、生產(chǎn)壓差及含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)等作為子序列，將施工后產(chǎn)量相對(duì)于施工前產(chǎn)量恢復(fù)比作為母序列。

(2)對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。由于各子序列和母序列采用的量綱不同，所以在計(jì)算時(shí)需要將所有參數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

(3)求極值運(yùn)算。依據(jù)式(2)、式(3)和式(4)，分別求差序列Δi、兩級(jí)最小差以及兩級(jí)最大差。

Δi=|x0(k)-xi(k)|

(2)

(3)

(4)

(4)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)。將計(jì)算的極值帶入式(1)，求取關(guān)聯(lián)度系數(shù)ξi(k)。

(5)計(jì)算關(guān)聯(lián)度ri。關(guān)聯(lián)度為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)的算數(shù)平均值。

(5)

(6)子序列權(quán)重排序。通過(guò)計(jì)算不同子序列的關(guān)聯(lián)度數(shù)值ri后，按照其值的大小進(jìn)行排序，即可得到子序列對(duì)母序列影響權(quán)重的大小。

4.2 人工井壁防砂影響因素關(guān)聯(lián)度分析

本文按照灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，建立了人工井壁防砂效果影響因素灰色關(guān)聯(lián)度分析模型。分析通過(guò)引入修井防砂后產(chǎn)能與修井前穩(wěn)定期產(chǎn)能的比值作為母序列，依據(jù)第3章的防砂效果主要影響因素，包括防砂段長(zhǎng)度、防砂段內(nèi)容積、鋪砂濃度、施工流速、生產(chǎn)壓差以及含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)6個(gè)因素，將影響因素作為子序列，具體的子系列數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 子序列和母序列參數(shù)Table 2 Parameters of subsequence and parent sequence

對(duì)母序列及子序列數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理，由于子序列中施工流速、生產(chǎn)壓差以及含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)與母序列存在負(fù)相關(guān)性，所以先對(duì)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行倒數(shù)化處理，后采用均值化對(duì)所有序列進(jìn)行無(wú)量綱處理，具體結(jié)果如表3所示。

表3 初始數(shù)據(jù)無(wú)量綱化處理結(jié)果Table 3 Dimensionless processed results of initial data

依據(jù)式(2)～式(4)分別計(jì)算絕對(duì)差序列、兩級(jí)最小值及兩級(jí)最大值，并求得每個(gè)子序列的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)值排序，結(jié)果如表4所示。

表4 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算及子序列權(quán)重Table 4 Gray correlation degree calculation and subsequence weight

4.3 結(jié)果分析及建議

通過(guò)采用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，分別對(duì)渤海油田17口篩管破損井應(yīng)用人工井壁修井后的影響因素進(jìn)行分析，其影響因素按照權(quán)重從大到小排序?yàn)閮?chǔ)層含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)>施工流速=防砂段篩管容積>生產(chǎn)壓差>防砂段長(zhǎng)度>鋪砂濃度。其中，儲(chǔ)層含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)修井后效果影響權(quán)重最大，含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大的井(>20%)，應(yīng)用人工井壁技術(shù)防砂后產(chǎn)能恢復(fù)明顯降低，且隨著含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大產(chǎn)能恢復(fù)效果越差。施工流速以及生產(chǎn)壓差對(duì)人工井壁防砂后效果影響權(quán)重次之，但屬于可控因素，其中施工流速為擠注作業(yè)參數(shù)，從分析結(jié)果得到，流速越大，產(chǎn)能恢復(fù)效果越差，建議后期在人工井壁防砂作業(yè)中，擠注覆膜砂作業(yè)應(yīng)以小排量低砂比進(jìn)行。生產(chǎn)壓差為后期生產(chǎn)階段制度管理，由分析結(jié)果得到，較大的生產(chǎn)壓差(>6 MPa)會(huì)導(dǎo)致人工井壁發(fā)生一定的破壞，導(dǎo)致防砂失效，影響后期防砂效果及產(chǎn)量，所以在后期生產(chǎn)制度的管理上要嚴(yán)格控制生產(chǎn)壓差。

5 結(jié) 論

通過(guò)統(tǒng)計(jì)目前渤海油田人工井壁防砂技術(shù)應(yīng)用情況，對(duì)防砂后產(chǎn)量變化進(jìn)行了系統(tǒng)的分析及跟蹤，針對(duì)每口井的地質(zhì)參數(shù)、施工參數(shù)、原井參數(shù)以及生產(chǎn)制度等4個(gè)方面進(jìn)行了分析，利用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法將不同的影響因素對(duì)產(chǎn)能恢復(fù)的影響進(jìn)行了權(quán)重分析，對(duì)后續(xù)篩管破損井人工井壁防砂技術(shù)應(yīng)用的選井、施工和管理可起到指導(dǎo)作用，所得結(jié)論如下：

(1)利用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法建立了人工井壁防砂效果影響因素權(quán)重分析模型，影響因素權(quán)重大小依次為含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)>施工流速=防砂段篩管容積>生產(chǎn)壓差>防砂段長(zhǎng)度>鋪砂濃度；

(2)對(duì)于采用人工井壁防砂技術(shù)治理的篩管破損井應(yīng)嚴(yán)格分析其適用性，儲(chǔ)層含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響人工井壁防砂效果的敏感性較大，特別是針對(duì)儲(chǔ)層含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)>20%的井應(yīng)慎重選擇；

(3)大排量、高流速擠注充填會(huì)破壞原井筒近井地帶防砂方式，人工井壁防砂作業(yè)建議以小排量低砂比進(jìn)行；

(4)在后期生產(chǎn)制度的管理上，由于人工井壁防砂的特點(diǎn)，應(yīng)嚴(yán)格控制本井的生產(chǎn)壓差，建議生產(chǎn)壓差不得高于6 MPa，以保證人工井壁的完整性。

本文僅從渤海油田已發(fā)生篩管破損出砂后，采用人工井壁防砂技術(shù)治理的效果進(jìn)行分析和探討，從選井的適用性、施工參數(shù)以及管理方式等進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，對(duì)未來(lái)常規(guī)生產(chǎn)井采用人工井壁防砂技術(shù)同樣具有指導(dǎo)作用，可為人工井壁防砂技術(shù)的普及提供理論支持。