雷61儲氣庫人工井壁防砂試驗評價與應(yīng)用

匡韶華

中國石油遼河油田分公司 鉆采工藝研究院（遼寧 盤錦 124000）

0 引言

雷61儲氣庫是繼雙6儲氣庫建成后，遼河油田在建的第二個儲氣庫，屬于遼河儲氣庫群的重要組成部分。雷61塊構(gòu)造位于遼河坳陷西部凹陷陳家洼陷北側(cè)，高點埋深約為1 192 m，構(gòu)造幅度約200 m，目的層為S3，屬于淺層邊底水氣藏。儲層巖性以砂礫巖為主，平均孔隙度27%，平均滲透率638.8×10-3μm2，屬高孔高滲儲層。在儲層取心過程中發(fā)現(xiàn)巖心膠結(jié)松散，經(jīng)出砂預(yù)測分析，該區(qū)塊出砂風(fēng)險大，必須采取防砂措施。

雷61儲氣庫前期已建成的井全部采用篩管防砂完井，但是，雷61-3井射孔完井后，通井遇阻，下入防砂篩管施工風(fēng)險大。經(jīng)研究論證，決定采用人工井壁防砂措施。人工井壁防砂技術(shù)是指采用壓裂車組將樹脂涂覆砂填充到地層虧空帶和射孔孔眼中，在地層溫度或固化劑作用下，固結(jié)成一定強(qiáng)度和滲透性的人工井壁[1-3]，達(dá)到防砂目的。該技術(shù)在淺層?中層疏松砂巖油氣藏中應(yīng)用普遍[4-8]，在超深碳酸鹽巖油井進(jìn)行了嘗試性應(yīng)用[9-10]，但是，在儲氣庫及高壓氣井中沒有應(yīng)用先例。

人工井壁防砂技術(shù)在儲氣庫中是否具有適應(yīng)性，需要重點考慮人工井壁的沖蝕強(qiáng)度，但是，目前沒有相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)做支撐。為此，本文采用自主研制的試驗裝置，開展了樹脂涂覆砂人造巖心在高壓大排量下的沖蝕試驗，評價了多種樹脂涂覆砂的耐沖蝕性能，為儲氣庫防砂提供了重要技術(shù)參考。

1 人工井壁破壞機(jī)理

樹脂涂覆砂在地層虧空帶及射孔孔道中形成人工井壁后，與近井地層巖石膠結(jié)成一體，其破壞機(jī)理可以參照油氣層出砂機(jī)理。從力學(xué)角度分析，油氣層出砂機(jī)理一般歸結(jié)為兩種巖石破壞機(jī)理：剪切破壞機(jī)理和拉伸破壞機(jī)理[11-12]。

剪切破壞機(jī)理是由于射孔井眼周圍巖石所受周向應(yīng)力與徑向應(yīng)力差，超過巖石抗剪強(qiáng)度時，造成巖石剪切破壞，導(dǎo)致地層出砂，主要受生產(chǎn)壓差影響。

拉伸破壞機(jī)理是由于流體向井筒中流動時，對射孔井眼周圍巖石產(chǎn)生壓力梯度和流體拖拽力，使巖石受到拉伸應(yīng)力，當(dāng)其超過巖石的抗拉強(qiáng)度時，造成巖石拉伸剝離破壞，導(dǎo)致地層出砂，主要受流體流速影響。

2 試驗方案

2.1 總體思路

按照上述人工井壁破壞機(jī)理，制定沖蝕試驗總體技術(shù)思路：采用樹脂涂覆砂加工成人造巖心，裝入巖心夾持器中，按照由低到高的注氣量對涂覆砂巖心進(jìn)行沖蝕試驗；根據(jù)巖心沖蝕前后的重量變化、強(qiáng)度變化，以及定性觀察，判斷巖心是否發(fā)生沖蝕破壞；依據(jù)巖心沖蝕破壞時對應(yīng)的注氣量和過流壓差，評價人工井壁是否滿足儲氣庫注采氣量和生產(chǎn)壓差的要求。

2.2 試驗裝置

試驗裝置由供氣系統(tǒng)、巖心夾持器、環(huán)壓泵和數(shù)據(jù)采集器組成（圖1）。涂覆砂巖心裝入巖心夾持器中，由環(huán)壓泵為巖心提供周向應(yīng)力。為了滿足高壓大排量沖蝕試驗要求，采用注氮車提供穩(wěn)定高壓氣源，最大注氣量1 200 m3/h，最大注入壓力35 MPa。氣體進(jìn)入巖心夾持器后，通過涂覆砂巖心中的孔隙，從巖心夾持器出口排出。數(shù)據(jù)采集器能夠記錄注入氣量和注入壓力。

圖1 人工井壁沖蝕試驗裝置流程示意圖

2.3 巖心樣件

采用遼河油田常用的3種樹脂涂覆砂材料制成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的人造巖心，具體參數(shù)見表1。這3種樹脂涂覆砂各有優(yōu)點，其中，1#涂覆砂圓球度好、強(qiáng)度高、滲透率高；2#涂覆砂密度小、懸浮性好，能夠保證良好填充質(zhì)量；3#涂覆砂成本低。涂敷砂在套管及水泥環(huán)孔眼中的沖蝕強(qiáng)度是影響人工井壁防砂效果和有效期的關(guān)鍵因素，因此，取試驗用巖心長度為23 mm，約等于套管及水泥環(huán)孔眼長度。

表1 涂覆砂巖心基本參數(shù)

2.4 參數(shù)設(shè)計

依據(jù)雷61儲氣庫設(shè)計運行參數(shù)（表2），確定合理的注入氣量是保證人工井壁沖蝕試驗成功的關(guān)鍵。考慮地層非均勻產(chǎn)氣，取有效產(chǎn)氣段7 m（10%有效產(chǎn)氣段），折算成單孔產(chǎn)氣量為100.4 m3/h。試驗巖心直徑為25 mm，其過流面積為射孔孔眼過流面積的6.25倍，折算試驗等效氣量應(yīng)為627.5 m3/h。為測試巖心的極限沖蝕破壞值，取450、650、850 m3/h 3個注入氣量進(jìn)行試驗。

表2 雷61儲氣庫定向井設(shè)計運行參數(shù)

3 試驗分析

3.1 巖心滲透性分析

滲透性是反映人工井壁防砂性能的一項重要指標(biāo)，尤其是在高產(chǎn)油氣井中，人工井壁滲透性的差異會對產(chǎn)量造成較大影響。試驗測得三種涂覆砂巖心在不同注氣量下的過流壓差，如圖2所示。由圖2可以看出，在450 m3/h氣量下，3種巖心的過流壓差基本接近；隨著氣量增大，3種巖心的過流壓差的差異性加大；1#涂覆砂巖心由于采用圓球度非常好的陶粒加工，形成規(guī)則、均勻、連通性好的孔隙，其滲透性要好于2#和3#涂覆砂巖心。

圖2 涂覆砂巖心在不同氣量下的過流壓差

一般來說，人工井壁滲透率要遠(yuǎn)大于地層滲透率，在常規(guī)油氣井中對產(chǎn)量影響很小，所以，選擇涂覆砂時通常不需要重點考慮滲透率指標(biāo)。但是，本試驗發(fā)現(xiàn)，在大排量氣體通過時，不同涂覆砂巖心的流動壓差相差較大，因此，對于高產(chǎn)油氣井需要重點關(guān)注涂覆砂的滲透率指標(biāo)。

3.2 巖心質(zhì)量變化分析

如果涂覆砂巖心在沖蝕過程中出現(xiàn)破壞，脫落的砂粒會導(dǎo)致巖心質(zhì)量發(fā)生變化。試驗測得3種涂覆砂經(jīng)不同氣量沖蝕后的巖心質(zhì)量，見表3。從表3可以看出，1#巖心沖蝕后的質(zhì)量基本不變；2#巖心沖蝕后的質(zhì)量略有減小，結(jié)合試驗觀察，判斷為試驗操作中對巖心的磕碰，導(dǎo)致質(zhì)量損失；3#巖心在450 m3/h和650 m3/h氣量下沖蝕，巖心質(zhì)量基本無變化，但是在850 m3/h氣量下沖蝕后，質(zhì)量損失較明顯，結(jié)合試驗觀察，判斷巖心發(fā)生了沖蝕破壞。

表3 涂覆砂巖心沖蝕前后質(zhì)量變化

3.3 巖心強(qiáng)度變化分析

高強(qiáng)度的氣體沖蝕可能會造成涂覆砂巖心膠結(jié)強(qiáng)度的下降，因此，通過巖心沖蝕前后強(qiáng)度的變化，可以反映氣體沖蝕是否對巖心造成了影響。取同種涂覆砂材料，在相同條件下制成兩塊相同巖心，分別測試沖蝕前抗壓強(qiáng)度，以及經(jīng)過6 h沖蝕后的抗壓強(qiáng)度，見表4。由表4可以看出，考慮到測試誤差以及巖心制作差異，3種涂覆砂巖心沖蝕前后的抗壓強(qiáng)度并無明顯變化，說明大排量氣體沖蝕不會對人工井壁的抗壓強(qiáng)度造成明顯影響。

表4 涂覆砂巖心沖蝕前后抗壓強(qiáng)度變化

按照巖心破壞機(jī)理，試驗中，3種涂敷砂巖心承受的過流壓差均未超過巖心的抗剪強(qiáng)度，巖心沒有發(fā)生剪切破壞。

3.4 巖心沖蝕破壞定性分析

3種涂覆砂巖心在每次沖蝕試驗后，取出巖心觀察其是否發(fā)生破壞。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，1#巖心和2#巖心經(jīng)不同氣量沖蝕后，都未出現(xiàn)破碎、裂紋、砂粒脫落等破壞現(xiàn)象。3#巖心在450 m3/h和650 m3/h氣量下沖蝕后，均未發(fā)現(xiàn)巖心破壞現(xiàn)象；但是，在850 m3/h氣量下沖蝕后，巖心出口端面產(chǎn)生明顯的凹坑，如圖3所示。經(jīng)分析判斷，這種凹坑是由于氣體沖蝕導(dǎo)致砂粒剝離脫落而形成的，符合巖石拉伸破壞機(jī)理。

圖3 3#涂覆砂巖心沖蝕前后對比

目前，抗壓強(qiáng)度和滲透率是選擇涂敷砂主要關(guān)注的2個技術(shù)指標(biāo)。從試驗中可以看出，在同等抗壓強(qiáng)度和滲透率條件下，不同涂敷砂的耐沖蝕性能差異較大。因此，對于高產(chǎn)油氣井有必要進(jìn)行涂敷砂的沖蝕試驗評價。

3.5 涂覆砂選擇

通過上述試驗分析可知，陶粒涂覆砂和輕質(zhì)涂覆砂具有很好的耐沖蝕性能，可以滿足雷61儲氣庫防砂要求。陶粒涂覆砂與攜砂液密度相差較大，需以較大的排量和低攜砂比充填，大量液流對井壁沖刷嚴(yán)重，易造成地層傷害；輕質(zhì)涂敷砂與攜砂液密度相差較小，易被攜帶,能在較低排量下以較高的攜帶比充填地層，更易在井壁附近堆積，充填質(zhì)量好，攜砂液用量少[13]。因此，綜合對比考慮，雷61儲氣庫人工井壁防砂采用輕質(zhì)涂覆砂。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

雷61-3井采用人工井壁防砂，2020年8月進(jìn)行防砂施工，2020年10月13日開始投入注采試運行，注氣壓力5.1~5.8 MPa，日注氣量（7.1~9.9）×104m3，日采氣量（15~28）×104m3。為了分析人工井壁對注氣效果的影響，對比了兩口篩管完井的鄰井（雷61-2和雷61-4）注氣效果，如圖4所示。從注氣情況可以得到3點認(rèn)識：①注氣壓力和日注氣量相對穩(wěn)定，說明在目前的注氣參數(shù)下，人工井壁的強(qiáng)度滿足要求，沒有發(fā)生破壞；②相對于篩管完井，在相同注氣壓力下，人工井壁防砂的注氣量偏小，對儲氣庫注氣量有一定的影響；③試采過程中，地面除砂器中未發(fā)現(xiàn)返出的地層砂和涂覆砂，說明人工井壁膠結(jié)層非常穩(wěn)定，防砂效果好。人工井壁防砂采用涂覆砂填充射孔孔道，減小了射孔孔道的流通面積，對注采氣量勢必造成一定的影響。但是，由于人工井壁防砂對儲層巖石起到支撐作用，阻止了地層砂運移，長期看，人工井壁的滲透性保持相對穩(wěn)定，注采氣量也會保持穩(wěn)定。而根據(jù)篩管防砂的普遍經(jīng)驗，生產(chǎn)初期，篩管防砂對產(chǎn)量影響較小，但是，生產(chǎn)中后期，由于地層砂運移，會造成篩管堵塞，導(dǎo)致產(chǎn)量下降。因此，人工井壁防砂與篩管防砂在儲氣庫中的應(yīng)用效果，仍需對現(xiàn)場生產(chǎn)進(jìn)行更長時間的跟蹤評價。

圖4 雷61-3井與鄰井注氣效果對比

5 結(jié)論與建議

1）對3種涂敷砂按照由低到高的氣量進(jìn)行沖蝕試驗，最高氣量850 m3/h，最高壓力7.25 MPa，遠(yuǎn)超雷61儲氣庫設(shè)計的注采氣量和生產(chǎn)壓差。試驗表明：1#涂敷砂和2#涂敷砂沖蝕后的質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度無明顯變化，巖心未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，滿足雷61儲氣庫注采強(qiáng)度要求；3#涂敷砂出現(xiàn)砂粒剝離脫落現(xiàn)象，不適合高氣量井防砂。

2）在儲氣庫中進(jìn)行人工井壁防砂探索應(yīng)用，在高強(qiáng)度注氣條件下，人工井壁保持穩(wěn)定。此次應(yīng)用，為淺層儲氣庫防砂提供了一種可行的技術(shù)對策，也為類似高壓油氣井防砂提供了借鑒作用。

3）防砂有效期是儲氣庫防砂重點考慮的因素之一。由于樹脂的自然老化，以及高速氣流的沖蝕磨損，會導(dǎo)致人工井壁的膠結(jié)強(qiáng)度隨時間下降，影響人工井壁防砂有效期。建議將涂敷砂老化實驗與沖蝕試驗結(jié)合起來，預(yù)測防砂有效期，更好地指導(dǎo)儲氣庫防砂。