油井出砂的危害及防砂技術(shù)分析

陳同驍

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300459）

石油資源作為當(dāng)下重要的能源，是國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展中必不可少的資源。隨著社會(huì)高效發(fā)展，社會(huì)大眾生活質(zhì)量不斷提升，石油開采過程經(jīng)常出現(xiàn)各類問題，其中油井出砂便是常見情況，這對(duì)油井正常使用極為不利，破壞作用突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因油井出砂導(dǎo)致的油井損害、油井減產(chǎn)問題高達(dá)20%，造成不可低估的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)過石油工作者的長期努力，石油油井出砂問題已經(jīng)得到了有效遏制，借助技術(shù)性措施進(jìn)行防范，可有效控制油井出砂導(dǎo)致的減產(chǎn)問題。

1 油井出砂概述

1.1 油井出砂的概念及危害

油田生產(chǎn)期間，油井出砂一般是因儲(chǔ)油層巖石過于脆弱、開采期間巖石不合理等引發(fā)的。由于操作不合理，進(jìn)而引發(fā)儲(chǔ)油層區(qū)域的巖石結(jié)構(gòu)易受損害，進(jìn)而導(dǎo)致巖石脫落。脫落后的巖石會(huì)隨著原油進(jìn)入采油設(shè)備中。由于巖石一般體積大，極易導(dǎo)致設(shè)備故障。巖石脫落嚴(yán)重的情況下，還會(huì)導(dǎo)致油井內(nèi)部的巖石穩(wěn)定性大打折扣，進(jìn)而引發(fā)油井坍塌、停產(chǎn)等問題。常見的油井出砂后果主要包括減產(chǎn)，更嚴(yán)重的情況下油井會(huì)發(fā)生停產(chǎn)事故。

1.2 陸地和海上油井出砂生產(chǎn)壓差的區(qū)別

對(duì)于陸地油田、海上油田而言，油井出砂的主要差異原因是巖石結(jié)構(gòu)不同、油質(zhì)不同導(dǎo)致。陸地油田中，儲(chǔ)層巖包括細(xì)砂巖時(shí)，其結(jié)構(gòu)方面主要是點(diǎn)線接觸，結(jié)構(gòu)形式上為膠結(jié)物、巖層結(jié)構(gòu)方面多為方解石結(jié)構(gòu)，同時(shí)巖石結(jié)構(gòu)的孔隙較多、孔隙密度高達(dá)30%?？紫秲?nèi)部存在較好的連通效果，膠層間的縫隙極大，在地殼運(yùn)動(dòng)下易受影響。海上油田方面，油井出砂時(shí)主要是以稠油形式為主，稠油田中，受地質(zhì)條件影響，巖層區(qū)域經(jīng)常發(fā)生地層出砂現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)海上油田油井的出砂生產(chǎn)壓差存在較大差異。上述現(xiàn)象的原因：①高溫蒸氣作用下，巖層發(fā)生明顯破壞。海上油田的油井與陸地區(qū)域相比，深度大、承壓大，同時(shí)海上巖層結(jié)構(gòu)相對(duì)而言活動(dòng)更為頻繁，其成巖能力相對(duì)較低，膠質(zhì)層更薄弱，易出現(xiàn)巖層出砂問題。②油井出砂情況方面，海上油田與陸地油田相比，生產(chǎn)的壓差更大，原因在于陸地油田的巖層結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固、更加穩(wěn)定，含泥量相對(duì)更低。此外，海上油田油井的深度更大，因此對(duì)架構(gòu)技術(shù)的要求更高，上述差異都會(huì)導(dǎo)致海上油田油井的生產(chǎn)壓差更高。

2 油井出砂影響因素分析

2.1 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素，即油田的地質(zhì)條件，包括油田外部區(qū)域的膠結(jié)形式、地質(zhì)年代等信息。一般情況下，油田地質(zhì)年代過晚情況下，地層內(nèi)部的膠結(jié)礦物的含量將會(huì)更少，砂粒之間的膠結(jié)能力相對(duì)薄弱，此時(shí)在油井生產(chǎn)作業(yè)中，出砂問題相對(duì)嚴(yán)重。另一方面，油井出砂問題主要是由于地層膠結(jié)作用、顆粒摩擦導(dǎo)致，為此從地層膠結(jié)情況出發(fā)，可將地層分為三大類：流砂地層、膠結(jié)地層、脆性砂地層。第一種地層下，地層內(nèi)部無膠結(jié)能力，地層中的砂石之間沒有膠結(jié)物，砂石可自主進(jìn)行流動(dòng)，在進(jìn)行這一類地層的處理期間，一般會(huì)發(fā)生相對(duì)嚴(yán)重的出砂問題。此外，鉆井工程施工期間還易發(fā)生卡鉆的情況。部分膠結(jié)地層內(nèi)，膠結(jié)物的含量較低，砂石處于膠結(jié)形式但是黏結(jié)力薄弱，強(qiáng)度低，這類油井也會(huì)發(fā)生出砂問題。對(duì)于脆性砂地層，膠結(jié)物的比例相對(duì)較高，砂石內(nèi)部的膠結(jié)作用強(qiáng)大，地層強(qiáng)度比較高，此時(shí)油井作業(yè)期間出砂幾率會(huì)明顯下降，一般不會(huì)發(fā)生出砂問題。

2.2 開采因素

該因素主要是指在進(jìn)行原油開采期間，開采速度、速度變化方面的影響。原油開采作業(yè)中，液體的滲流能力必須引起足夠重視，這一參數(shù)會(huì)對(duì)地層內(nèi)部的砂石拖曳力產(chǎn)生影響，進(jìn)而會(huì)對(duì)出砂結(jié)果產(chǎn)生影響。如果生產(chǎn)條件大體一致，地層內(nèi)部的生產(chǎn)壓差相對(duì)較高，則此時(shí)地層液體便會(huì)存在較高的滲流能力，地層液體將會(huì)不可避免地對(duì)地層進(jìn)行沖刷，沖刷力越高導(dǎo)致出砂問題越嚴(yán)重。另一方面，生產(chǎn)作業(yè)期間，地層一旦發(fā)生出水現(xiàn)象，地層內(nèi)部的黏土在水作用下便會(huì)發(fā)生松散問題，進(jìn)而對(duì)砂石內(nèi)部的膠結(jié)作用產(chǎn)生不利影響，砂石之間的膠結(jié)作用力下降，顆粒內(nèi)部的相對(duì)位移增加，此時(shí)油井出砂幾率將會(huì)明顯提升。此外，油井開采速度的快速變化，也會(huì)破壞油層，進(jìn)而增加出砂幾率。

2.3 人為因素

人為因素作用下，低滲透油田出砂會(huì)受到嚴(yán)重影響。對(duì)低滲透油田而言，它們自身并未存在產(chǎn)能，這種油田應(yīng)及時(shí)進(jìn)行壓裂改造，這種狀況下的油井方可具有較高的生產(chǎn)能力。在進(jìn)行油田改造過程中，井壁巖石在外力作用下會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的破壞作用，同時(shí)壓裂作業(yè)期間，諸多油井可能在裂縫并未完全閉合的情況下便進(jìn)行排液，此時(shí)裂縫中的砂石便會(huì)隨著排液進(jìn)入井底，導(dǎo)致油井內(nèi)部發(fā)生較為嚴(yán)重的出砂情況。

3 油井防砂技術(shù)分析

3.1 機(jī)械防砂技術(shù)

一般情況下，油井防砂工作中較為常見的包括兩種形式：①防砂管柱技術(shù)，該技術(shù)落實(shí)中需要考慮在采油泵下端安置防砂設(shè)備，如繞絲篩管、多層篩管等，從而降低地層砂的影響，保證砂都隔離在采油泵外部。該技術(shù)應(yīng)用難度小、操作方便，可有效防止中粗砂巖層出砂問題，但是在細(xì)砂情況下易發(fā)生堵塞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致采油泵的使用壽命、性能等下降。②在第一種技術(shù)基礎(chǔ)之上進(jìn)行的改進(jìn)優(yōu)化。首先將防砂管柱置于油井內(nèi)部，然后進(jìn)行填充處理，形成一個(gè)多級(jí)濾砂屏障，從而達(dá)到防止出砂的功效。一般填充物為礫石、陶粒等，該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用起來效果良好，在熱采井、垂直井、細(xì)砂巖層中均有所應(yīng)用。

3.2 化學(xué)防砂技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)的核心是向地層中注入一定比例的化學(xué)試劑、化學(xué)試劑混合砂漿，從而保證地層強(qiáng)度有所提升，達(dá)到固結(jié)作用，使得地層密實(shí)度增強(qiáng)。這項(xiàng)防砂技術(shù)應(yīng)用期間，主要分為兩種方法，包括人工膠結(jié)地層法、人工井壁法。前者主要是向地層內(nèi)部添加樹脂等化學(xué)試劑，起到防砂功效，固結(jié)地層；后者則是在井筒周邊區(qū)域注入泥砂漿、乳化水泥、灰砂等物質(zhì)，固結(jié)后便會(huì)形成滲透性良好、強(qiáng)度較高的井壁，進(jìn)而起到防砂功效，這一方法不會(huì)受外界套管的束縛，同時(shí)會(huì)在出砂虧空的井中獲得良好的防砂效果。化學(xué)防砂處理期間，必須確保固井質(zhì)量較高，滿足實(shí)際需求。要有效避免套管外串問題，在均勻滲透的薄層地段需采用合適的化學(xué)防砂技術(shù)。一般化學(xué)方法不會(huì)在井內(nèi)留下過多的雜物，同時(shí)在異常高壓的井層范圍內(nèi)也可應(yīng)用，但是該方法的缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)地層滲透率產(chǎn)生影響。

3.3 復(fù)合防砂技術(shù)

該技術(shù)應(yīng)用中，有效結(jié)合了機(jī)械防砂技術(shù)、化學(xué)防砂技術(shù)。首先，應(yīng)用化學(xué)防砂技術(shù)，可在油井地層周邊形成人工井壁，該井壁具有較高的滲透效果，然后借助機(jī)械防砂技術(shù)可形成一個(gè)二次阻砂的屏障，進(jìn)而達(dá)到雙層保護(hù)的功效。上述防砂技術(shù)應(yīng)用中，防砂效果良好，使用時(shí)間長，具有較為廣泛的適用性，可在復(fù)雜化的油井中有所應(yīng)用，一般將其稱為復(fù)合防砂技術(shù)。但是復(fù)合防砂技術(shù)與單一的機(jī)械防砂、化學(xué)防砂方法相比，具有成本昂貴的不足，工藝相對(duì)復(fù)雜。因此，一般首選機(jī)械、化學(xué)防砂方法，防砂效果不滿足實(shí)際需求的情況下才會(huì)建議采用復(fù)合防砂技術(shù)。

3.4 新時(shí)期應(yīng)用廣泛的新型防砂技術(shù)

（1）壓裂充填防砂技術(shù)。一般情況下，這一防砂技術(shù)主要在高滲透疏松巖層中有所應(yīng)用，這類油藏一般具有開發(fā)時(shí)間長的特點(diǎn)，在外界連續(xù)沖刷、溶蝕油層膠結(jié)的作用下，油層膠結(jié)強(qiáng)度必然會(huì)逐漸下降。當(dāng)油藏進(jìn)入中后期時(shí)，從提高油田產(chǎn)量、穩(wěn)定性出發(fā)，必須提高開采速度，此時(shí)油層出砂問題將會(huì)更加嚴(yán)峻。為了保證油田穩(wěn)定生產(chǎn)，同時(shí)還要從防砂角度出發(fā)，必須將壓裂、砂石填充防砂方式進(jìn)行有效結(jié)合。具體工作原理為：人工壓裂的方法在油層區(qū)域形成一個(gè)高導(dǎo)流的裂縫，降低流體阻力，增產(chǎn)后可對(duì)出砂問題進(jìn)行有效遏制。裂縫內(nèi)部進(jìn)行礫石填充后，也會(huì)逐步形成人工井壁，進(jìn)而便會(huì)達(dá)到過濾、多級(jí)分選的效果。壓裂填充防砂技術(shù)中，有效兼容了濾砂、擋砂等功能，包括兩種工藝方法：隨著壓裂施工進(jìn)行的地層尾追涂層礫石、套管礫石填充。

（2）防排技術(shù)。治砂技術(shù)發(fā)展期間，由于國內(nèi)科學(xué)技術(shù)水平的提升，業(yè)內(nèi)專家在防砂理念方面也發(fā)生了較大的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)階段，油井防砂工作正朝著防砂、排砂結(jié)合的方向發(fā)展。出砂井的地層一般包括地層骨架砂、游離砂兩大類。其中，游離砂可明顯提升油井產(chǎn)量。近些年來，國內(nèi)港東油田在稀油油藏排量選取、地層供液匹配的螺桿泵排砂處理中發(fā)現(xiàn)，這一類螺桿泵具有較高耐磨性、攜砂能力強(qiáng)、運(yùn)行平穩(wěn)。同時(shí)與其他地層細(xì)粉砂油藏相比，也具有較高參考價(jià)值。一般化學(xué)防砂技術(shù)不能進(jìn)行上述油藏的滲透率控制，而采用機(jī)械防砂，可能還會(huì)導(dǎo)致管柱發(fā)生堵塞問題。

4 新時(shí)期油井出砂治理方法分析

4.1 構(gòu)建出砂模型

為了有效解決出砂問題，首先，需要建立合適的出砂模型，進(jìn)而預(yù)測油井出砂情況。預(yù)測出砂問題后，方可根據(jù)要求制定防砂方案。構(gòu)建上述模型期間，相關(guān)人員必須了解油藏安全情況，并對(duì)其進(jìn)行全面分析，目標(biāo)在于充分考慮油藏內(nèi)部地質(zhì)條件、油藏情況等方面的膠結(jié)情況。此外，經(jīng)過全面合理的油藏分析還可為后續(xù)原油開采奠定良好基礎(chǔ)。油藏分析之后，相關(guān)工作人員要結(jié)合油田的現(xiàn)場資料進(jìn)行油藏特殊性的分析，收集現(xiàn)場資料利于工作人員對(duì)現(xiàn)場情況有更加清晰的認(rèn)知。一般情況下，收集資料越全面，對(duì)應(yīng)后續(xù)出砂模型將會(huì)越加合理。最后，相關(guān)工作人員應(yīng)結(jié)合收集到的資料對(duì)出砂情況進(jìn)行預(yù)測?，F(xiàn)階段，最為常見的出砂模型包括三大類：應(yīng)力應(yīng)變模型、沖蝕模型、虹蚓洞模型?，F(xiàn)場工作人員可結(jié)合實(shí)際情況選擇相應(yīng)模型。

4.2 生產(chǎn)情況監(jiān)控

從上述分析中可以看出，油井出砂問題的影響因素較多，部分因素為可控因素，但是部分因素為不可控因素，因此，油井生產(chǎn)期間，必須及時(shí)對(duì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行全面分析、嚴(yán)格監(jiān)控，這一操作十分重要。地層情況十分復(fù)雜，正是由于這種復(fù)雜性，導(dǎo)致工作人員可能無法掌握地層所有信息，進(jìn)而無法經(jīng)由生產(chǎn)狀況進(jìn)行全面監(jiān)控管理。相關(guān)工作人員可能無法進(jìn)行井下狀況的全面判斷，為此，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，確保判斷依據(jù)的及時(shí)性、有效性，從而避免出砂問題，這也是當(dāng)下降低油井發(fā)生出砂問題的根本方法?，F(xiàn)階段，在進(jìn)行出砂問題分析中，油田管理人員都十分重視油井的監(jiān)控工作，應(yīng)保證對(duì)油井出砂問題的有效控制。

4.3 試井完井技術(shù)的優(yōu)化

為了降低油井出砂幾率，現(xiàn)代企業(yè)也逐步加強(qiáng)了試井完井技術(shù)的優(yōu)化。經(jīng)過試井操作可對(duì)出砂地層進(jìn)行全面合理的分析與評(píng)價(jià)，并可對(duì)油田的生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測和處理，進(jìn)而獲取地層壓力、儲(chǔ)層物性等信息，利于相關(guān)人員及時(shí)制定合理的防砂方案。在進(jìn)行完井作業(yè)及油田作業(yè)中，要結(jié)合油井產(chǎn)量進(jìn)行種類的區(qū)分。根據(jù)地層特點(diǎn)進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，完井方案應(yīng)該保證最優(yōu)化，以完井操作對(duì)地層損害最低為首要目標(biāo)。此外，還要考慮開發(fā)方法，及時(shí)進(jìn)行油管尺寸、套管尺寸的有效選擇。

4.4 兩步法進(jìn)行防砂

油井發(fā)生防砂問題時(shí)，可采取兩步法進(jìn)行防砂處理。首先，要及時(shí)在油層上方區(qū)域進(jìn)行封隔器的安裝，保證防砂效果，同時(shí)，在油井周邊地區(qū)還要注入一定量的石英砂，一般選用高密度的石英砂，力求有效提升相關(guān)區(qū)域的充實(shí)度，避免周邊地層的砂石進(jìn)入到油層內(nèi)部。其次，需在防砂層內(nèi)部進(jìn)行繞私篩管的安裝，篩管內(nèi)需要填充陶粒砂。這一方法可有效避免地層內(nèi)部的砂石發(fā)生遷移現(xiàn)象。在采用兩步法防砂處理期間，必須合理落實(shí)下述三大原則：①在考慮防砂效果基礎(chǔ)之上確定最為合理的防砂技術(shù)，并及時(shí)進(jìn)行油井工藝、參數(shù)化分析等操作。②防砂施工必須選擇最優(yōu)化的工藝條件，有效避免防砂問題對(duì)油井作業(yè)的負(fù)面作用。③必須充分考慮經(jīng)濟(jì)效益的作用，最大程度提升防砂施工的質(zhì)量、防砂施工的成功率。

5 結(jié)語

油井出砂防砂技術(shù)并非短期工程，必須將其看作一項(xiàng)復(fù)雜化、長期性的工作。近年來，國內(nèi)出砂防砂技術(shù)已經(jīng)取得了良好效果，但是在油田開采期間仍然存在不足之處。為此，必須提高油井防砂工作的分析，及時(shí)進(jìn)行出砂危險(xiǎn)因素的分析，找到油井出砂的主要機(jī)理，結(jié)合實(shí)際情況制定科學(xué)合理的油井防砂措施，以提高油井開采質(zhì)量、開采效率，促進(jìn)油田企業(yè)的長期可持續(xù)發(fā)展。