采油井中出砂原因分析及防砂技術(shù)研究

朱英斌

（中國石油大港油田石油工程研究院，天津市 300280）

油井出砂問題已成為制約油氣開發(fā)企業(yè)發(fā)展的重要問題，不僅會增加油泵卡死事故出現(xiàn)的可能，還會提高油氣生產(chǎn)成本，降低油氣的產(chǎn)量，如果不能及時采取有效措施解決還會加劇油井出砂問題，給油氣企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，油井出砂治理工作必須引起高度重視。某采油廠采區(qū)地層膠結(jié)疏松，井下1840m段屬于薄層短井段，成巖性差，油井存在較為嚴(yán)重的出砂情況，經(jīng)常出現(xiàn)油泵卡死、修井作業(yè)，資源浪費(fèi)，制約采油廠生產(chǎn)效率的提高。因此，采用適宜的防砂方法，解決油區(qū)出砂問題至關(guān)重要。

1 當(dāng)前防砂方法現(xiàn)狀分析

1.1 機(jī)械防砂

常用的機(jī)械防砂如下：第一種是運(yùn)用施工較為簡單的機(jī)械管柱完成，但是使用壽命較短；第二種是管柱礫石充填，施工時在井筒內(nèi)下入機(jī)械管柱之后用礫石填充機(jī)械管柱和套管之間的環(huán)形空間，形成多層濾沙屏障，實(shí)現(xiàn)油井擋沙，具有擋砂效果明顯、使用周期長、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是施工工藝復(fù)雜、投資大，礫石尺寸選擇不合適會影響油井過油能力和產(chǎn)量。

1.2 化學(xué)防砂

化學(xué)防砂需要將化學(xué)試劑和砂漿的混合物注入油井周圍，以此實(shí)現(xiàn)固化地層的目的，防砂形式有人工膠結(jié)地層和人工井壁兩種。前者使用樹脂等固砂劑完成，打入近井地層使其固結(jié)強(qiáng)化，還要保留原有的滲透能力?；瘜W(xué)防砂適用于薄層短井段，施工完成不留任何機(jī)械裝置，后期處理方便，但是成本較高、油層溫度較差對油藏溫度的適應(yīng)性較差、使用周期短、影響滲透能力。

1.3 其他方法

除了機(jī)械防砂和化學(xué)防砂之外還有焦化防砂和復(fù)合防砂，其中焦化防砂是對油層加熱使其油層焦化物固結(jié)于砂粒表面，提高砂粒表面的粘著力，提高其流動阻力，焦化方法有注熱空氣固砂和短期火燒油層固砂，焦化防砂的固砂效果較差，強(qiáng)度一般。復(fù)合防砂是采用兩種及兩種以上傳統(tǒng)防砂方法，實(shí)現(xiàn)多重防砂目的[5]。

2 地層出砂原因及預(yù)測方法分析

2.1 出砂原因及機(jī)理分析

2.1.1 地層出砂原因

地層出砂原因較多，包括近井地層地質(zhì)情況和油井的生產(chǎn)情況，前者為地層的先天條件，油氣生產(chǎn)過程參數(shù)能夠改善或者加重出砂程度。骨架砂和填隙物是主要的地層砂，區(qū)別在于粒徑的大小不同，其中骨架砂多為石英、長石等，填隙物多為粘土礦物[6]。導(dǎo)致地層砂出現(xiàn)的主要原因是油氣開采過程中打破了近井巖層的應(yīng)力平衡，較大應(yīng)力下會使巖層破裂，細(xì)砂流經(jīng)巖層縫隙即可進(jìn)人井底，導(dǎo)致出砂問題。

2.1.2 出砂機(jī)理分析

油井出砂的主要是由周圍巖層的破裂導(dǎo)致的，多出現(xiàn)于弱膠結(jié)和中等膠結(jié)砂巖油層，膠結(jié)性能較差，稍微出現(xiàn)生產(chǎn)壓差就會導(dǎo)致井底周圍地層破裂出砂。出砂機(jī)理主要有兩種，首先是剪切機(jī)理，出砂程度不僅受炮孔周圍應(yīng)力影響明顯，還與井底周圍的壓差密切相關(guān)；其次是拉伸機(jī)理，由流體流經(jīng)巖層產(chǎn)生的拖拽力導(dǎo)致，與開采速度和流體流速相關(guān)[7]。

2.2 出砂預(yù)測方法分析

出砂預(yù)測涉及出砂及出砂量兩個方面，是否發(fā)生出砂取決于近井地層出砂的臨界流速和壓差，超出臨界值就會出現(xiàn)出砂問題[8]。常用的出砂預(yù)測方法有現(xiàn)場觀測法、經(jīng)驗(yàn)分析法、應(yīng)力分析法等。其中應(yīng)力分析法不能兼顧空隙孔隙壓力和流體摩擦等因素，存在不足之處；經(jīng)驗(yàn)分析應(yīng)用較多，當(dāng)時但是主觀影響因素較多，一般采用多種預(yù)測方法相結(jié)合的形式進(jìn)行地層出砂預(yù)測，雖然能夠取得很好的預(yù)測效果，但是做不到生產(chǎn)參數(shù)對出砂程度影響的預(yù)測。較為合理的出砂預(yù)測方法是依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算地層強(qiáng)度參數(shù)和臨界參數(shù)數(shù)值，進(jìn)一步分析預(yù)測油井是否出砂。

3 生產(chǎn)參數(shù)對出砂規(guī)律的影響

3.1 生產(chǎn)壓差與地層出砂的關(guān)系

采油過程中液體滲流會對近井周圍的砂粒產(chǎn)生拖拽力，是油井出砂的主要原因。液體的滲出會降低地層的壓力，使巖石顆粒的擠壓應(yīng)力增大，提高巖石顆粒的脫落，也會引起油井出砂問題[9]。油井開采條件相同時，生產(chǎn)壓差越大，近井地帶的液流沖刷作用越明顯，而當(dāng)生產(chǎn)壓差一定時，地層是否會出現(xiàn)出砂，與生產(chǎn)壓差出現(xiàn)的方式有關(guān)。生產(chǎn)壓差突然出現(xiàn)，就會對井壁產(chǎn)生較大的沖擊，容易破壞地層的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致出砂問題。為了得到生產(chǎn)壓差與地層出砂的關(guān)系，需要計(jì)算油井的臨界產(chǎn)液量、臨界井底流壓、臨界壓差。

以井為例，其實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)如下：產(chǎn)液量為7.64m3，產(chǎn)油量為1.31m3，產(chǎn)水量為6.48m3，含水量為86%，動液面為1694m，沉沒度為109.56m；通過對油井1840m的延9段的巖層做靜態(tài)應(yīng)變試驗(yàn)可知其泊松比為0.29，因地下條件存在三向圍壓和溫度的影響，巖石泊松比會相應(yīng)降低，經(jīng)相應(yīng)換算選取巖石泊松比μ=0.15，0.18，0.2開展研究工作。基于上述參數(shù)計(jì)算得出油井的臨界產(chǎn)液量、臨界井底流壓、臨界壓差數(shù)值如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可以看出臨界流壓和臨界產(chǎn)量受泊松比的影響明顯，泊松比越小臨界井底的流壓越小，出砂臨界產(chǎn)量越高，換言之近井周圍的巖石越密實(shí)，強(qiáng)度就越高，抗出砂能力越強(qiáng)。油井的實(shí)際產(chǎn)液量為7.64m3/d，超過了臨界產(chǎn)液量7.61m3/d，是油井出現(xiàn)出砂的主要因素。還可以看出不同泊松比時的臨界產(chǎn)液量不同，油井產(chǎn)液量不超過4.16m3/d時，不存在出砂問題?？梢姰?dāng)前的產(chǎn)液量已經(jīng)引起了出砂問題，而降低產(chǎn)液量必將導(dǎo)致油井產(chǎn)量的降低，故宜采用保持產(chǎn)液量不變、增大近井地層膠結(jié)強(qiáng)度的方法進(jìn)行防砂處理。

表1 油井計(jì)算臨界值

3.2 井筒攜砂規(guī)律研究

井筒攜砂規(guī)律涉及小粒徑砂的上升和大粒徑砂的下沉兩種運(yùn)動狀態(tài)。油井的產(chǎn)液量為7.61m3/d，含水率為86%，可攜帶砂粒粒徑0.0264mm。實(shí)際生產(chǎn)中的井筒可攜帶砂粒粒徑在0.0756mm左右時，底部依然會存在部分砂粒沉積。由上述數(shù)據(jù)可以看出，油井存在較為嚴(yán)重的積砂問題，原因是產(chǎn)液量可攜帶的砂粒粒徑較小，大部分的砂粒不能隨產(chǎn)液流出井外，沉積在井筒中所致。井底積砂較多時，就會導(dǎo)致井下抽油泵的卡死，增加修井的次數(shù)，統(tǒng)計(jì)得出該油井的年平均修井次數(shù)達(dá)7.8次，幾乎全部為卡泵。要想改進(jìn)油井積砂卡泵問題，需要采取相應(yīng)的機(jī)械防砂措施，以便保證油井較高的產(chǎn)量和效率。

4 油井防砂技術(shù)研究

4.1 防砂思路設(shè)計(jì)

目前油區(qū)采取了防砂篩管的機(jī)械防砂方法，以便降低抽油泵的沖擊和磨損程度，雖然取得了一定的效果，但是防砂問題并未徹底解決，主要原因是近井區(qū)域的砂粒較細(xì)，其直徑均小于0.25mm，而篩管過徑尺寸在0.3～0.5mm之間，導(dǎo)致過多的細(xì)砂流入油井底部并沉積。因此制定防砂措施時需要防住大沙粒的同時，確保細(xì)砂粒也要隨油水一起被采出，結(jié)合生產(chǎn)參數(shù)對油井出砂的影響分析結(jié)果，提出了防砂泵防砂和化學(xué)固砂相結(jié)合的綜合治砂方案。

4.2 防砂泵防砂

油層內(nèi)固體顆粒種類有石英、長石、粉狀石灰石等，其中石英具有較高的硬度，粒徑小于0.25mm，硬度值在HV1000左右。抽油泵的泵筒、柱塞等的硬度僅為HV650～HV720，可以看出石英是抽油泵磨損卡死的主要顆粒[10]。抽油泵柱塞運(yùn)動時，如固體顆粒粒徑大于柱塞和泵筒的配合間隙，就可能出現(xiàn)抽油泵的磨損和卡死，結(jié)合油區(qū)現(xiàn)狀，選擇長柱塞防砂抽油泵，該泵具有長柱塞短泵筒與環(huán)空沉砂相結(jié)合的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，可防止油井正常生產(chǎn)或停抽時砂卡、砂埋柱塞及砂磨泵筒、柱塞，有效地解決出砂油井用常規(guī)泵無法正常生產(chǎn)的難題。

4.3 化學(xué)固砂

油區(qū)出砂問題較為嚴(yán)重，主要是細(xì)粉砂，具有出砂量大、粒徑小的特點(diǎn)，因此擬采用化學(xué)固砂工藝中的樹脂膠結(jié)地層固砂法進(jìn)行防砂處理，直接向近井周圍松軟的地層中注入樹脂，提高砂粒之間的膠結(jié)力，增大地層的強(qiáng)度、抗沖刷、抗拖拽能力，避免大量砂粒沉淀入井，達(dá)到防砂目的。通過查閱大量資料，結(jié)合筆者多年的工作經(jīng)驗(yàn)，確定了環(huán)氧樹脂固砂劑的配方如下：采用濃度為7.5%的環(huán)氧樹脂，固化劑用量為6%～18%，軟化劑用量為10%～20%，稀釋劑用量占主劑的10%～30%，固砂劑用量約為1PV。

為了確定最優(yōu)的化學(xué)固化劑的配比，開展了不同化學(xué)固化劑用量與初固時間的關(guān)系研究，該井區(qū)地層的溫度通常高于60℃，研究時溫度對比選擇60℃和75℃。稱取環(huán)氧樹脂45g，加入稀釋劑5g，配置試驗(yàn)環(huán)氧樹脂稀釋液，取5g稀釋液，加入3%～20%的固化劑，混勻之后放入恒溫箱內(nèi)進(jìn)行固化處理，間隔半小時取出進(jìn)行拉絲檢測，直至不拉絲時即可記錄初固時間。

4.3.1 固化劑用量與初固時間關(guān)系

不同固化劑用量對應(yīng)的固化時間統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示，由圖1可以看出，較高的固化溫度情況下，固化時間較短，主要原因是固化屬于化學(xué)反應(yīng)，溫度越高，反應(yīng)速度越快，固化時間越短。隨著固化劑用量的增加，固化時間逐漸減小，當(dāng)固化劑的用量為6%-8%時，固化時間為0.5h左右，具有很好的固化效果。結(jié)合油井區(qū)域的環(huán)境條件，選擇固化劑為6%即可滿足現(xiàn)場要求。

圖1 不同固化劑用量對應(yīng)的固化時間

4.3.2 軟化劑用量對初固時間的影響

為了調(diào)節(jié)固砂劑的強(qiáng)韌性，需加入軟化劑，不同軟化劑用量對初固時間統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示，由圖2可以看出，固化劑用量為6%時，不同的溫度條件下，軟化劑的添加都會使初固時間增加。加入過量的軟化劑，會出現(xiàn)固化劑凝固不徹底情況，軟化劑用量在14%-17%為宜。結(jié)合油井實(shí)際情況，確定軟化劑用量為16%。

圖2 不同軟化劑用量對初固時間的影響

4.3.3 稀釋劑用量對初固時間的影響

通常固化劑主劑環(huán)氧樹脂的粘度較大，需要添加稀釋劑之后方可使用。稀釋劑用量對初固時間的影響如圖3所示。由圖3可以看出，在溫度條件為60℃和75℃時，稀釋劑用量超過25%時，初固時間明顯增長，同時稀釋劑具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，有助于固化劑滲透率的提升。稀釋劑用量在20%-25%具有很好的稀釋效果，結(jié)合油井實(shí)際情況確定稀釋劑配比為20%為宜。

圖3 稀釋劑用量對初固時間的影響

4.3.4 環(huán)氧樹脂濃度對初固時間的影響

結(jié)合前面試驗(yàn)結(jié)果確定了固化劑含量為6%、軟化劑含量為16%、稀釋劑含量為20%，之后試驗(yàn)研究了環(huán)氧樹脂濃度對初固時間的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以知，兩種溫度下隨著環(huán)氧樹脂濃度的增大，固化時間逐漸降低，環(huán)氧樹脂濃度為20%時的固化時間最短，環(huán)氧樹脂濃度在2%-14%時具有很好的初固時間，結(jié)合井區(qū)實(shí)際施工要求確定環(huán)氧樹脂濃度為10%為宜。

圖4 環(huán)氧樹脂濃度對初固時間的影響

4.3.5 固砂劑用量對滲透性能的影響

化學(xué)防砂存在的缺點(diǎn)是影響油井滲透能力，其主要影響因素為固砂劑，為了檢驗(yàn)此處化學(xué)防砂方法的滲透性能，開展了固砂劑用量對固結(jié)體性能的影響試驗(yàn)。依據(jù)SY/T6572-2003防砂用樹脂性能評價方法，制備粒徑不大于0.106mm的試驗(yàn)用砂50g，試驗(yàn)溫度控制在60℃，選取上述優(yōu)化之后的環(huán)氧樹脂固砂劑。將試驗(yàn)砂倒入一端裝有帶孔膠塞的玻璃管中，帶孔膠塞上帶有一層銅絲網(wǎng)，注入不同量的固砂劑，混合均勻，每次垂直震動至砂面恒定。48h后取出固結(jié)體，切割為直徑25mm，長度25mm的試樣，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和滲透率測定，結(jié)果如圖5所示。

圖5 固砂劑用量對滲透性能的影響

由圖5試驗(yàn)結(jié)果可以看出，固砂劑用量提高之后固結(jié)體的抗壓能力增強(qiáng)，滲透能力減小。在固砂劑用量約等于1PV時，固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度為7.33MPa，滿足油井固砂要求，與此同時，滲透率338.65×10-3μm2，滲透率較好，因此此處化學(xué)防砂方法可行。

5 防砂效果評價

為了驗(yàn)證防砂泵防砂和化學(xué)固砂相結(jié)合的綜合治砂方案的防砂效果，對改進(jìn)防砂技術(shù)之后的油井出砂情況進(jìn)行了跟蹤記錄，結(jié)果表明，長柱塞防砂抽油泵的應(yīng)用，解決了油井產(chǎn)油與停抽時的卡泵和柱塞砂埋等問題，相較于防砂技術(shù)改進(jìn)之前年修井次數(shù)降低了5.2次，修井成本節(jié)約近18%。樹脂膠結(jié)地層固砂法的應(yīng)用，提高了近井周圍砂巖的膠結(jié)性能，注水試驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠保證很好的油井滲透率。在改進(jìn)之后的防砂技術(shù)條件下，油井的產(chǎn)液量為7.44m3/d，產(chǎn)油量升至了1.5m3/d，油井產(chǎn)油效率提高了近15%，預(yù)計(jì)能夠?yàn)槠髽I(yè)增加240萬/年的經(jīng)濟(jì)收益。

6 結(jié)論

（1）針對某采油廠采區(qū)油井出砂較為嚴(yán)重的問題，指出了油井常用的防砂技術(shù)方法，開展了油井出砂原因的分析，得出近井周圍地層膠結(jié)疏松、成巖性差是導(dǎo)致出砂問題的主要原因

（2）結(jié)合目前油井實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)，分析了生產(chǎn)壓差和地層出砂的關(guān)系以及井筒攜砂的規(guī)律，得出需要從提高地層膠結(jié)強(qiáng)度和抽油泵抗砂性能兩個方面進(jìn)行油井的防砂處理。

（3）提出了防砂泵防砂和化學(xué)固砂相結(jié)合的綜合治砂方案，確定了長柱塞防砂抽油泵和樹脂膠結(jié)地層固砂法的復(fù)合防砂方法。研究了不同化學(xué)固砂劑配比對于初固時間的影響規(guī)律，確定了最優(yōu)的環(huán)氧樹脂劑配比：固化劑含量為6%、軟化劑含量為16%、稀釋劑含量為20%、環(huán)氧樹脂濃度為10%。

（4）防砂泵防砂和化學(xué)固砂相結(jié)合的綜合治砂技術(shù)解決了油井出砂的問題，取得了很好的防砂效果。