（石油与天然气工程专业论文）高含水期细粉砂岩油藏防砂配套技术.pdf

摘要 卞海霞( 石油与天然气工程) 指导教师：樊灵( 副教授) 吴建平( 高级工程师) 胜利油区所属的各主力油田多为疏松砂岩油藏，其中细粉砂岩油藏又占相当大的比 例。目前，各主要疏松砂岩油田都已进入高含水期开发，为了稳产，提液强度日趋增大， 地层砂骨架结构遭到破坏，出砂r 益加剧，防砂难度也变的越来越大。加之油田大面积 注水后，油层温度普遍降低( 大都降至6 0 以下) ，地层水矿化度在1 0 0 0 0 m g l 以下， 普通固砂剂固砂后容易形成弱胶结，强度低，化学固砂的有效期大大缩短，尤其是在细 粉砂岩油藏中。针对高含水期疏松砂岩防砂的难题，开展了各种类型防砂技术的研究。 首先从出砂机理研究入手，有针对性的开展了高压挤压砾石充填防砂工艺研究，该技术 对于细粉砂油藏出砂井防砂效果明显，在充填过程中为减少携砂液对地层的污染，解除 近井地带的堵塞，研制合成出经济型油基携砂液，以柴油为基液，加入增粘剂，提高粘 度至携砂要求。同时开展了稳砂固砂技术研究，稳砂固砂技术是一种在稳定地层骨架基 础上进行防砂的技术，能够解决疏松砂岩油田尤其是粉细砂岩油藏高含水期防砂的难 题。优选出的抑砂剂r s 1 能有效防止粘土膨胀运移，具有较好的稳砂抑砂作用，可以 增强地层的耐冲刷能力，能够满足高含水期提液强度的要求；研制出的f a 1 低聚物固 砂剂流动性好，对中低矿化度含水砂岩固结能力强，防砂作业后对油井的产能影响小； 开发出的润湿反转剂d m p 1 0 能够减少地层岩石表面束缚水对固砂效果的影响，在很大 程度上提高了固砂剂的固砂强度，从而使得固砂剂能够更好地满足高含水期疏松砂岩油 藏防砂的要求。最后通过对地层预处理技术，复配活性柴油以解除地层中的有机质堵塞， 利用复合酸解除地层中的固相颗粒的堵塞。通过屏蔽暂堵技术，向地层中挤入暂堵剂， 暂时堵塞高渗透孔道，然后再挤固砂剂，这样可以保证固砂剂在出砂地层均匀分布，从 而提高防砂效果。地层预处理技术和屏蔽暂堵技术的应用，能够进一步解除地层污染， 提高近井地带渗透率，使得稳砂固砂技术能够适应复杂的地层条件，拓宽了防砂技术的 应用范围。高含水期细粉砂岩油藏稳砂固砂技术和防砂配套技术经现场试验，成功率高， 防砂有效期长，油井产能降低少，防砂效果良好，能够满足高含水期疏松砂岩防砂的要 求，尤其适应高含水期细粉砂岩油藏防砂。 关键词：高含水期；细粉砂；固砂；d m p 1 0 润湿反转剂；高压挤压砾石充填 s a n dc o n t r o lt e c h n i q u ei nt h ef i n e s i l t ys a n d s t o n er e s e r v o i r s a tt h eh i g hw a t e r - c u ts t a g e b i a nh a i x i a ( p e t r o l e u ma n dn a t u r eg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rf a nl i n g a b s t r a c t t h em a i no i lf i e l do fs h e n g l io i l f i e l da l em o s t l yu n c o n s o l i d a t e ds a n d s t o n er e s e r v o i r s w i t hs h a l l o wb u r i a l ，a n dm o s to fw h i c ha l ef i n e s i l t ys a n d s t o n er e s e r v o i r s a tp r e s e n t ，t h e m a j o ru n c o n s o l i d a t e ds a n d s t o n eo i lf i e l dh a v ea l r e a d yc o m ei n t ot h eh i g hw a t e r - c u ts t a g e i n o r d e rt os t e a d y i n gt h ep r o d u c t i o n ，t h eo i l f i e l dh a st oe n h a n c ee x t r a c t i n gi n t e n s i t y , l e a d i n gt o d e s t r u c t i o no fs k e l e t o ns t r u c t u r eo ft h ef o r m a t i o ns a n d ，s a n dp r o d u c t i o np h e n o m e n ao fo i l w e l l sa r ev e r ys e r i o u sa n ds a n dc o n t r o lb e c o m e sm o r ea n dm o r ed i f f i c u l t i na d d i t i o n ，a f t e r l a r g e - a r e aw a t e ri n j e c t i o n ，t h et e m p e r a t u r eo fr e s e r v o i r sg e n e r a l l yf a l l s ( b e l o w6 0 c ) t h e f o r m a t i o nw a t e rs a l i n i t yb e l o wl0 0 0 0 m g l ，n o r m a ls a n dc o n s o l i d a t i o na g e n t sc a nc a u s ew e a k c e m e n t a t i o na n dl o wi n t e n s i t ye a s i l ya f t e rs a n dc o n s o l i d a t i o n ，t h et e r mo fv a l i d i t yo fc h e m i c a l s a n dc o n s o l i d a t i o ni sg r e a t l ys h o r t e n e d ，e s p e c i a l l yi nt h ef i n e - s i l t ys a n d s t o n er e s e r v o i r s 。f o r t h ep r o b l e m so fs a n dc o n t r o lf o ru n c o n s o l i d a t e ds a n d s t o n ea tt h eh i 曲w a t e r - c u ts t a g e ，t h e o i l f i e l dd or e s e a r c ho nv a r i o u st y p e so fs a n dc o n t r o lt e c h n o l o g y i no r d e rt or e m o v ep o l l u t i o n n e a rw e l l b o r e ，i m p r o v ep e r m e a b i l i t y , f i r s t ，s t a r tw i t ht h em e c h a n i s mo f s a n dp r o d u c t i o n ，c a r r y o u tt a r g e t e dr e s e a r c ho ns a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h eh i 曲p r e s s u r eg r a v e lp a c k i n g ，f o r s a n dc o n t r o lf o rf i n e s i l t ys a n d s t o n er e s e r v o i r ss a n dp r o d u c t i o nw e l l s ，t h ee f f e c to ft h e t e c h n o l o g yi so b v i o u s o nt h ep r o c e s so fp a c k i n gg r a v e l ，i no r d e rt or e d u c ep o l l u t i o no ft h e s a n dc a r r i e rt ot h ef o r m a t i o n ，r e m o v ep l u g g i n gr e a l w e l l b o r e ，e c o n o m i co i l b a s e ds a n dc a r r i e r h a sb e e nd e v e l o p e d ，t h es a n dc a r r i e rb a s e so nd i e s e l ，a d d st a c k i f i e r , i m p r o v ev i s c o s i t yt om e e t t h ed e m a n do fc a r r y i n gs a n d r e s e a r c h so fs a n ds t a b i l i t ya n ds a n dc o n s o l i d a t i o nh a v eb e e n d o n ea tt h es a m et i m e ，i ti sat e c h n o l o g yw h i c hc a r r i e so u ts a n dc o n t r o lo nt h eb a s i so f s t e a d y i n gt h ef o r m a t i o ns k e l e t o na n d c a ns o l v et h ep r o b l e mo fs a n dc o n t r o lf o ru n c o n s o l i d a t e d s a n d s t o n eo i l f i e l de s p e c i a l l yt h ef i n e s i l t ys a n d s t o n er e s e r v o i r sa tt h eh i g hw a t e r c u ts t a g e t h es a n do l i g o m e r sa g e n tf a 一1w h i c hi so p t i m i z e dh a sg o o dm o b i l i t y ，s t r o n gc o n s o l i d a t i o n i i a b i l i t yf o rt h em e d i u m l o ws a l i n i t yw a t e r - b e a r i n gs a n d s t o n e ，t h ep r o d u c t i o no fw e l l sa f f e c t s m a l la f t e rt h eo p e r a t i o no fs a n dc o n t r o l ；t h ew e t t i n ga g e n td m p 一10i sa b l et or e d u c et h e e f f e c to ft h eb o u n dw a t e ro ff o r m a t i o nr o c ks u r f a c eo nt h ee f f e c to fs a n dc o n s o l i d a t i o n ， i m p r o v et h es a n dc o n s o l i d a t i o ni n t e n s i t yo fs a n dc o n s o l i d a t i o na g e n ta tal a r g ee x t e n t ，t h u s c a nm a k et h es a n dc o n s o l i d a t i o na g e n tm e e tb e t t e rd e m a n do fs a n dc o n t r o lf o ru n c o n s o l i d a t e d s a n d s t o n er e s e r v o i r sa tt h eh i g hw a t e r - c u ts t a g e f i n a l l yt h r o u g ht h ef o r m a t i o np r e - t r e a t m e n t t e c h n o l o g y ，m a t c h i n gw i t ha c t i v a t e dd i e s e l t or e m o v eo r g a n i cm a t t e rp l u g g i n gi nt h e f o r m a t i o n ，u s i n gc o m p o u n da c i dt or e m o v es o l i d p h a s ep a r t i c l e sp l u g g i n gi nt h ef o r m a t i o n t h r o u g ht h et e m p o r a r yp l u g g i n gt e c h n o l o g y ，s q u e e z i n gt h et e m p o r a r yp l u g g i n ga g e n ti n t ot h e f o r m a t i o nt o p l u gt h eh i g hp e r m e a b i l i t yp o r et e m p o r a r i l y ，t h e ns q u e e z i n gi n t o t h es a n d c o n s o l i d a t i o na g e n tt om a k es u r et h es a n dc o n s o l i d a t i o na g e n ti su n i f o r m l yd i s t r i b u t e di nt h e s a n dp r o d u c t i o nf o r m a t i o n ，t h ee f f e c to fs a n dc o n t r o lc a l lb ei m p r o v e d t h ea p p l i c a t i o no ft h e f o r m a t i o np r e - t r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dt h et e m p o r a r yp l u g g i n gt e c h n o l o g yc a nr e m o v et h e s t r a t i g r a p h i cp u l l o t i o nf u r t h e ra n di m p r o v en e a rw e l l b o r ep e r m e a b i l i t y ，m a k es a n ds t a b i l i t y a n ds a n dc o n s o l i d a t i o nb ea b l et oa d a p tt ot h ec o m p l e xf o r m a t i o nc o n d i t i o n s ，b r o a d e nt h e s c o p eo fa p p l i c a t i o no fs a n dc o n t r 0 1 h i g hw a t e r c u ts t a g es o l i df i n es a n d s t o n er e s e r v o i rs a n d s a n ds a n dc o n t r o lt e c h n o l o g i e sa n dt e c h n i q u e sb yt h ef i e l dt e s t ，t h es u c c e s sr a t ei sh i g ha n d l o n gs a n dv a l i d ，l o w e r i n go i lp r o d u c t i o nc a p a c i t yl e s st h ee f f e c to fag o o ds a n dt om e e tt h e h i g hw a t e rc u ts t a g eu n c o n s o l i d a t e d s a n d s t o n es a n d ，p a r t i c u l a r l yh i g hw a t e rc u ts t a g e a d a p t a t i o nf i n es a n ds a n d s t o n er e s e r v o i r k e yw o r d s ：h i g hw a t e r - c u ts t a g e ，f i n e s i l t s t o n er e s e r v o i r , s a n dc o n t r o la g e n tw e t t i n ga g e n t d m p 10 ，h i g hp r e s s u r eg r a v e lp a c k i n g i i i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部i - 1 ( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 艚狮躲奖宴 日期： 日期： 年 年 月 月 日 日 中国石油人学( 华东) _ t 程硕士学位论文 第1 章前言 目前，国内各主要疏松砂岩油田都已进入高含水期开发，为了稳产，提液强度日趋 增大，地层因出砂亏空严重，套管变形井逐年增多，防砂难度越来越大，使用常规防砂 技术作业后防砂成功率低且有效期短，因此防砂井重复作业现象频频发生，年防砂施工 在3 0 0 0 井次左右。如何疏通液流通道，稳定地质结构，提高高含水期出砂井防砂效果 已成为疏松砂岩油田开发后期一项极其重要的工作。 多年来广泛采用的机械防砂技术用于高含水期细粉砂岩防砂效果较差，防砂失败时 有发生。而直以施工工艺简单等优势备受青睐的化学防砂技术也在高含水期渐渐失去 了其原有的地位，这是因为随着地层含水升高和井温降低，原来适应于低含水采油期的 防砂剂难以满足出砂井防砂的需要。虽然控制远井地带微粒运移的稳砂抑砂技术在新井 无水采油期或低含水采油期取得了一定的效果，但在含水达9 0 的高含水期，油田要稳 产，其提液强度是无水采油期的1 0 倍，常用的抑砂剂已难以适应高含水期稳砂的要求。 而常用的固砂剂在高含水井中固结强度差或不固结，难以形成完整的人工井壁；还有的 固砂剂固结后渗透率差，造成油井防砂后产能严重下降。 针对高含水期疏松砂岩防砂的各种技术正在研究并不断发展口1 ，高压充填等方法 用于出砂井防砂取得了一定效果，但这些技术仍有待于改进和完善。高含水期稳砂固砂 技术是指高含水期在油井远井地层使用抑砂剂控制微粒运移，而在近井地带使用固砂剂 固砂，使井筒周围形成渗透率良好的坚固挡砂屏障，从而有效阻止地层出砂。这是一种 在稳定地层骨架基础上进行防砂的技术，能够解决疏松砂岩油田尤其是粉细砂岩油藏高 含水期防砂的难题。 第2 章防砂技术现状 第2 章防砂技术现状 2 1 目前国内外主要防砂技术 随着防砂工艺技术的不断发展，已经形成了多种成熟的防砂工艺。目前国内外主要 采用以下几种防砂技术口m 1 ： ( 1 ) 绕丝筛管砾石充填防砂：将不锈钢绕丝筛管下入油层射孔段，并在筛管与套管 之间的环空充填密实的高渗透人工砾石，从而形成筛管挡砾石、砾石阻挡地层砂的二级 挡砂屏障，达到防止地层砂进入井筒的目的。 ( 2 ) 滤砂管防砂：将各种不同类型的过滤材料按一定挡砂要求，加工成防砂滤砂管 下到油层部位，以阻挡地层出砂。 ( 3 ) 树脂涂层砂防砂：将一种均匀涂有酚醛树脂的石英砂挤入地层出砂部位，在地 层温度作用下形成一个高渗透挡砂层，阻止地层出砂。 ( 4 ) 固砂剂固砂：将具有较强固结能力的固砂剂挤入油层射孔段，在地层温度和催 化剂的作用下，将地层砂固结起来，形成具有一定强度和渗透率的挡砂层。 ( 5 ) 压裂防砂晦卜西1 ：通过高压大排量在近井地带形成新的短、宽水力裂缝，然后以 大排量、高砂比充填支撑这些裂缝带。通过造缝和充填以克服地层原有损害，并改变井 底近井地带的渗流条件( 因裂缝导流能力很高) 。这种防砂完井既能有效的控制出砂， 还能使油井获得高产。 ( 6 ) 高压挤压充填防砂n 们叫1 2 3 ：是指采用高压将炮眼及近井地带挤满石英砂，然后 再进行管内砾石充填( 或带管柱进行一次封隔挤压砾石充填) ，也可根据具体情况选用 涂料砂封口。 ( 7 ) 复合防砂：将两种( 或两种以上) 的防砂方法相结合即复合防砂技术。首先在 油井井筒之外对地层进行固结，然后在油井内用机械装置阻挡地层砂。现场应用的主要 复合防砂方法包括： 涂料砂+ 滤砂管； 涂料砂+ 绕丝筛管砾石充填； 干灰砂+ 滤砂管； 干灰砂+ 绕丝筛管砾石充填。 后两种主要用于既要求防砂又要求堵水的高含水油井，而且成本也比前两种低。这 些复合防砂技术由于是成熟的单一防砂技术的组合，故现场应用顺利。关键是如何针对 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 地层和井况来选择何种组合才能取得最佳防砂效果。由于采用复合防砂，一些原来单一 防砂方法无法奏效的出砂井重新恢复了活力。目前，复合防砂主要用于胜利的孤东、孤 岛油田，因其成本高故未得到大规模应用，但对某些防砂“老大难”井却十分有效，在 油田开发的特高含水期，占有一席之地。 2 2 高含水期防砂的难题 疏松砂岩油田开发进入高含水期，地层砂骨架结构遭到破坏，地层亏空严重，油层 温度普遍降低( 大都降至6 0 。c 以下) ，地层水矿化度在1 0 0 0 0 m g l 以下。在这样的中低 矿化度、低温且高含水地层，防砂用主剂粘土稳定剂和防膨抑砂剂已经对砂岩油藏 开发后期起不到有效作用，因为固砂剂固砂容易形成弱胶结。 高含水油田开发要稳产，提高采液强度是主要措施。若某井在无水采油期日产量为 1 优，当含水达9 0 时，它的日产液量为1 0 0 m 3 ，才能使油井产油稳定在1 m ，因而液流 的冲刷强度是无水采油期的1 0 倍。表2 1 列出了油井稳产时含水与产液量的关系。 表2 - 1 油井稳产时含水与产液量的关系 t a b l e2 - 1s t a b l eo i lp r o d u c t i o nw h e nt h ea q u i f e ra n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea m o u n to ff l u i d 含水， o 1 0 2 0 3 0 8 0 9 0 油量，t 1 01 01 01 01 01 0 产液量，m 3 d1 0 1 1 11 2 5 1 4 2 5 0 1 0 0 近几年化学防砂技术得到了迅速发展，并在各油田进行了大面积推广应用，现场取 得了良好的防砂效果，并逐步完善配套形成了系列的化学防砂技术。其中树脂固砂就是 将液念的、易流动的树脂( 如酚醛、环氧、聚酯等树脂) 液泵入地层，并使之较均匀地 分布在地层孔隙中，然后逐渐固化，在砂粒间接触点形成胶结状态，从而阻止地层出砂。 另外还有烯类单体地下聚合、有机硅化合物的地下水解等等。国内的树脂溶液固砂技术 始于7 0 年代，由孤岛会战指挥部与长春应用化学所合作，先后开展了酚醛地下合成及 地面合成实验，即用苯酚、甲醛、s n c l 2 或b a ( o h ) 2 三组分在地下和地面合成酚醛树脂 进行固砂研究，后来又发展了环氧树脂、脲醛树脂、呋喃树脂固砂技术及有机聚季胺阳 离子控砂、稳砂、抑砂技术。而这些化学防砂方法存在以下弊端： ( 1 ) 采用树脂地下合成固砂时，因注入地下的都是单体，聚合反应在地下难以均衡 进行，且反应不彻底，造成有些地层砂不固结； ( 2 ) 采用树脂地面合成固砂时，因树脂粘度高，加外固化剂后，反应速度快，所以 第2 章防砂技术现状 在挤注树脂溶液固砂时，易堵塞地层。树脂固结后，往往造成地层渗透率严重下降，只 能保持原始渗透率的4 0 6 0 ； ( 3 ) 除脲醛树脂固砂不需要特殊的增孔液外，其它树脂固砂都要求使用特殊的增孔 液； ( 4 ) 这些树脂耐水性差，在水相中易造成固结强度低； f 5 ) 有机聚季胺阳离子抑砂剂控砂、稳砂，只能在冲刷强度低的无水采油期或低含 水期减缓地层出砂，但在高含水期起不到很好的稳砂和抑砂作用。 虽然发明了不少的油水井防砂方法，但在高含水期疏松砂岩油藏防砂技术方面仍存 在着许多缺陷，其中最为严重的莫过于粉细砂岩的出砂问题。细粉砂主要特点是运移距 离长，随着井底生产压差的不断扩大，地层远处的此类微粒将不断向井筒运移，而近井 地带压降“漏斗”区域内见图2 - 1 ，由远及近，油流速度由缓到急，携砂能力由弱到 强，细粉 图2 - 1 近井压降蒲斗区域内防砂区描述示意圈 f i g2 - 1n e a rw e l l b o r ep r e s s u r ed r o pf u n n e lt h er e g i o ns c h e m a t i c d e s c r i p t i o no fs a n dr r e s s 要解决以上问题，必须把高含水期疏松砂岩防砂当成一项系统工程来对待，“疏 通液流通道，远稳近固，建立多级挡砂屏障的防砂方法”一即在稳定地层骨架砂基础上 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 由固到防形成多级挡砂层，防排结合，最大程度的减少微粒运移的可能性以及储层伤害。 固砂区可通过提高地层微粒与骨架颗粒的固结强度和其本身的抗冲刷、抗拖曳能力，防 止近井地带因流速升高将大量微粒携带到井底而导致近井地层导流能力降低，才能从根 本上解决细粉砂地层防砂的难题，降低出砂井防砂作业的次数，延长出砂井的寿命，从 而很好地解决高含水期疏松砂岩防砂的难题，给疏松砂岩油田的后期开发带来活力。 第3 章出砂机理及影响同砂的油藏条件 第3 章出砂机理及影响固砂的油藏条件 3 1 地层出砂原因 要较好地解决高含水期防砂的难题，必须从地层出砂原因晗u 入手，影响地层出砂的 因素主要有内因和外因两大类。内因主要包括构造应力、地层流体性质的变化、及颗粒 胶结性质与胶结物成份等方面，一般属于不可控因素或调控难度很大。外因属于可控因 素，进行各项工艺的优化及疏松砂岩油藏的保护，可以有效的防止地层出砂，在实施可 控因素调节之前，必须了解各类疏松砂岩油藏的出砂类型及机理。弄清地层出砂的机理， 才能采取合适的措施有效防止地层出砂。 3 1 1 出砂内因一砂岩油藏的地质条件 ( 1 ) 应力状态 油层被钻开后，井壁附近岩石原始应力的平衡状态遭到破坏，造成井壁附近岩石应 力集中。在其它条件相同的情况下，油层埋藏越深，岩石的垂向应力越大，井壁的水平 应力相应增大，所以井壁附近的岩石就越容易变形和破坏，从而引起采油过程中地层出 砂，甚至井壁坍塌。 ( 2 ) 岩石的胶结状态 地层出砂与地层岩石胶结物种类、数量和胶结方式有着密切的关系。通常地层砂岩 的胶结物主要有粘土、碳酸盐和硅质铁质三种，硅质和铁质胶结物的胶结强度最大，碳 酸盐胶结物次之，粘土胶结物最差。对于同一类型的胶结物，其数量越多，胶结强度越 大。 ( 3 ) 渗透率的影响 渗透率的高低是地层岩石颗粒组成、孔隙结构和孔隙度等岩石物理属性的综合反 映。当其它条件相同时，油层的渗透率越高，其胶结强度越低，油层越容易出砂。 3 1 2 出砂外因一开采因素 ( 1 ) 固井质量 由于固井质量差，使得套管外水泥环和井壁岩石没有粘在一起，在生产中形成高压 层和低压层的串通，使井壁岩石不断受到冲刷，粘土夹层膨胀，岩石胶结遭到破坏，因 而导致油井出砂。 ( 2 ) 射孑l 密度 射孔完井是目前普遍采用的沟通油流通道的方法，如果射孔密度过大，有可能使套 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 管破裂和砂岩油层结构遭到破坏，引起油井出砂。 ( 3 ) 油井工作制度 在油井生产过程中，流体渗流而产生的对油层岩石的冲刷力和对颗粒的拖曳力是 疏松砂岩出砂的重要原因。在其它条件相同时，生产压差越大，流体渗流速度越高，则 井壁附近流体对岩石的冲刷力就越大。另外，油、水井工作制度的突然变化，使得油层 岩石受力状况发生变化，也容易引起油层出砂。 ( 4 ) 油层含水和其它措施 油层含水后，部分胶结物被溶解，使得岩石胶结强度降低或油层压力降低，增加 了地应力对岩石颗粒的挤压作用，扰乱了颗粒间的胶结，可能引起油井出砂。不适当的 措施如压裂和酸化等，降低了油层岩石胶结强度，使得油层变得疏松而出砂。 3 2 出砂机理及规律分析 3 2 1出砂地层类型及出砂特征 根据疏松砂岩地层砂胶结强度大小分三类，具有各自的出砂特征： ( 1 ) 流砂地层。地层中主要是没有胶结的地层砂，泥质含量特别高，地层砂仅靠 很小的流体附着力和周围圈闭压实力聚集。这类地层一旦开井投产便连续不断出砂，但 产出液含砂量相对稳定，基本上为一常数。虽然累计出砂量不断增大，但套管周围不会 出现地层空穴，只是地层越来越松。 ( 2 ) 部分胶结地层。这类地层含胶结物量少，胶结力弱，地层强度比较低，这类地层 投产后地层砂会在炮眼附近剥落，逐渐发展成空穴，剥落的地层砂进入井筒极易添满井 底，掩埋产层。这类地层产出液含砂量变化很大。 ( 3 ) 脆性砂地层。这类地层也称易碎砂地层，含有较多的胶结物，属于中等胶结强度 砂岩。这类地层开始投产时出砂几天或几周，随后出砂量大减，几乎无砂产出，到一定 时期可能重新出砂。这样间歇性出砂主要是由于出砂过程中套管外部地层冲蚀空穴突然 增大，过流面积成倍增长，地层流体流速大幅下降，导致出砂量明显下降。当单位面积 流体流速达到一定值时，又会出现地层砂大块坍塌，过流面积倍增而停止出砂，出现另 一个周期。周而复始任其发展，洞穴将越来越大，最终形成灾难性地层坍塌，使套管变 形而报废。 3 2 2 地层出砂的机理 ( 1 ) 剪切破坏 新层投产射孔完井时，紧靠弹孔周围的岩石受到剧烈振动被压碎，形成破碎压实带。 7 第3 章出砂帆理及影响固砂的油藏条件 从力学角度分析，这种条件下的力学机理是近井地层岩石所受的剪应力超过了岩石固有 的抗剪切强度。油藏压力的衰减或生产压差过大，如果油藏能量得不到及时补充或注水 效果差，导致油藏压力逐渐 降低。 在原始状态下，地层上 覆岩层压力由孔隙压力与骨 架应力共同平衡。随着开采 的逐步进行施加在骨架上 压力越来越大，当该力超过 岩石抗剪切应力时，岩石就 会被剪切应力破坏。这些都 会造成地层的应力平衡失 稳，形成剪切破坏如图3 一l 所示。离井筒或射孔孔眼的 j 覆岩+ 寸山山 层压力 5e 7瓣 【- 亲应力 7 距离不同，产生破坏的程度也不同 ( 2 ) 拉伸破坏 产生摩擦，流速越大，摩擦力越大 前后的压力梯度越太而最后造成 拉伸破坏。流体对岩石的拉伸破坏 在炮眼周围非常明显。由于过流面 积缩小，流体在炮眼周围形成汇聚 流，流速远远大于地层内部。另外， 近井地带因压力较低，流体易脱气 使原油粘度增大，对岩石颗粒的拖 曳力也会增加如图3 2 、3 - 3 所示。 在正常生产过程中，剪切和拉伸两 种破坏机理将同时起作用且相互影 圄3 - 1 地层剪切破坏机理图 r i 9 3 - 1s h e a r d a m a g e f o r m a t i o a m e c h a n i s m o f f i g u r e 流体由油藏渗流至井筒，沿程与地层颗粒 施加在岩石颗粒表面的拖拽力也越大，即岩石颗粒 图3 - 2 拉伸玻坏机理图 f 迎3 - 2 t e n s i l e f a i l u r e m e c h a n i s m m a p 响，剪切破坏的地层会对流体的拖曳力更加敏感。 中国石油大学( 华东) 工程硕+ 学位论文 ( 3 ) 微粒运移的影响 在疏松砂岩油藏中，地层中 存在诸如粘土之类的大量的自由 微粒，会随地层流体一起运移， 造成井壁周围渗透率降低( 地层 损伤的一种) ，尤其是地层流体粘 度较高时，增加了流体的拖曳力， 自由微粒会在地层内部运移直至 图3 - 3 孔穴壁的拉伸破坏示意图 f i g3 - 3c a v i t yw a l ld i a g r a mo ft e n s i l ed a m a g e 流入井筒造成出砂。有关学者进行的室内研究表明，颗粒越大，所受到的水动力越大， 使砂粒越容易启动，因此油层中若大粒径砂粒比例越高，越容易引起出砂。 综合上述出砂机理，砂粒产出的微观模型如图3 4 所示。 图3 4 固相颗粒产出的微观模型 f i g3 - 4s o l i d - p h a s em i c r o - p a r t i c l em o d e lo u t p u t s 3 2 3 地层出砂规律 疏松砂岩从打开油层开始到正式投产，始终要贯串防止地层出砂的思路，一般出砂 是由于在诱使油流从地层渗流到井筒的过程及从井底举升到地面的过程中，压差偏大， 激动地层出砂，一般是由颗粒运移引起拉伸破坏，长时间后导致剪切破坏。 9 第3 章出砂机理及影响固砂的油藏条件 而压差和产能一般成正比，考虑到正常开采，在保证地层不出砂、不考虑防砂措施、 不增加成本的情况下，需要确定不引起地层出砂的最大的生产压差，可以为开发提供指 导性的建议。 ( 1 ) 疏松砂岩油藏油水关系复杂井易出砂 垦东地区由于成藏原因，导致油水关系复杂，疏松砂岩油藏中易被一些小的泥质夹 层或泥质隔层分割开来，如图3 - 5 所示，或者是由于成藏过程中的灌注及驱替能量的原 因，驱替原生水不充分，形成上油下水的油藏。但是从岩性、电性、物性，含油性等方 面来说还是属于一套层系，只是由于隔层的阻挡作用，造成这样的油藏油水关系十分复 杂，在试油测试过程中易出砂。 昆+ - b 搿 o 图3 - 5 砂岩油气藏成藏模式示意图 3 - 5s a n d s t o n er e s e r v o i ra c c u m u l a t i o nm o d e ld i a g r a m 垦东斜1 9 5 ，本层测井解释5 # 层1 2 2 1 4 1 2 2 9 o m ，7 6 m ，上油层下油水同层，油层 有效厚度4 6 m 如图3 - 6 左，含水饱和度5 7 7 9 9 ；井段1 2 2 1 4 - 1 2 2 9 o m 岩屑录井为棕 褐色油浸细砂岩，槽面棕褐色油花5 ；井壁取心见油斑、油浸；气测全烃3 0 9 6 、甲 烷2 7 3 5 。试油测试过程中油管输送1 2 7 枪1 2 7 弹王实际射开1 2 2 1 4 1 2 2 3 o m ，1 6 m ， 底部避射6 o m 。抽汲排液出水7 1 m 3 ，见油花，井筒内砂柱高度8 0 m ，严重出砂，掩埋油 层，出砂粒径不一，粗细混杂。 该层试油过程中出砂主要是由于改层油水关系复杂，由于储层中没有明显的隔层， 水的流动性比原油流动性要强得多，水的流动在炮眼周围形成汇聚流，流速远远大于地 层内部，且速度比原油或比单纯的原油携砂流动速度要快，因此，拉伸破坏和剪切破坏 力量更大，导致地层骨架砂的产出。 1 0 中国石油太学( 华东) 工程硕士学位论文 。，。：1 9 呷c 。o 2 静!麟潮 j ”哗甜4_ r 一 _ 事 匿 瞠 一_ 氧 弱 ： ” _ _ 一簦： 求一 1 ：_ _ i i 莽 z 羚 舯 菇 黔 ：瓢一鼍- * t 一 1 黟 甘_ ， i 娃三 遂雾 拦 篓： j 隧 1 r “一 x 搿m 一f _ 。一垂 图3 _ 6 垦东斜1 9 5 井和垦东斜1 1 0 井测井曲线圈 f i 9 3 - 6 l o g g i n g e i n k e n d o n g x - 1 9 5a n dx - 1 1 0 w e l l 垦东斜1 1 0 井，2 0 # 层1 3 6 2 o - 1 3 6 6 3 ，4 3 m 测井解释上油层下含油水层，油层 有效厚度2 7 m 如图3 - 6 右，含水饱和度8 0 9 1 4 ，试油测试过程中油管输送1 2 7 枪1 2 7 弹王射孔实际射开1 3 6 2 0 - 1 3 6 3 5 m ，i 5 m ，底部避射2 8 m ，抽汲排液，出水1 3 2 一见油 花，出砂1 4 1 寸，井筒内砂柱高度7 0 m ，掩埋部分油层，出砂粒径不一，粗细混杂。其 出砂的主要原因还是和大量出水有直接的关系。 该井绕丝筛管砾石循环充填防砂后，下大螺杆泵排液，日产油1 2 5 t ，日产水8 6 m s ， 达到了工业油流。 在垦东地区，类似的由于油水关系复杂井因为出水导致出砂的井还有还有垦东1 9 2 、 垦东1 0 2 等井。 还有一种情况是，油层、水层距离比较近，固并时水层流体的活动导致水层段固井 质量不好或胶结很差，延伸到目的层段管外胶结差，形成窜槽，试油作业射开油层时， 其实已经带开水层，由于油水的渗流速率差异，地层出水导致出砂。 第3 章出砂机理及影响固砂的油藏条件 ( 2 ) 疏松砂岩油藏脉冲式捞空易出砂 在试油作业过程中，对于疏松砂岩，一般也力求不防砂求取最大自然产能，强调射 开油层后的压差要平稳。在排液过程中，有时采用抽汲的方式进行，抽汲相对于其它的 排液方式来说，最直接、快速、费用少而有效，抽汲时强调保持一定的沉没度，就是保 持合理压差的做法，即井底流压力小于临界井底流压值。但是在实际抽汲的过程中，抽 汲是对油藏形成一种脉冲式的回压，若稍微控制不好，只需要抽汲几次就会导致实际井 底流压小于临界井底流压，引起岩石结构破坏，导致大量出砂。 垦东7 0 1 井，试油第一层馆陶组，2 4 # 层，井段1 0 0 1 7 0 1 0 0 7 2 0 m ，5 5 m 1 层，测 井解释油层。孔隙度3 6 4 1 ；渗透率1 6 5 6 6 x 1 0 一岬2 ；含水饱和度2 9 8 ；泥质含量7 4 0 ， 平均砾岩含量3 2 3 。2 0 0 5 年1 月5 日油管输送1 4 0 枪大孔径弹射孔，实际射孔井段 1 0 0 1 7 1 0 0 5 0 m ，3 3 m ，1 0 0 发射。射孔后抽汲见油，出水1 5 4 m 3 后不出液，起出射孔 抽汲管柱，冲出地层砂4 3 9 m 3 ，砂柱高度2 1 9 m 。防砂后下螺杆泵求产，日油2 7 1 t ，水 1 0 3 m 3 ( 该水证实是防砂后的窜槽水) 。 该目的层大量出砂，主要是由于脉冲式捞空，导致该油藏出砂，如果抽汲时从井口 平稳加深抽汲深度，应该可以获得该层的自然产能。 垦东7 0 1 井试油第二层馆陶组，井段9 6 3 0 9 6 8 6 m ，5 6 m 1 层，孔隙度3 0 7 9 0 ； 渗透率8 7 1 0 8 8 x 1 0 刁l x m 2 ；含水饱和度5 9 0 5 0 ；泥质含量1 4 8 3 0 ，射孔后下g l b l 2 0 3 6 螺杆泵排液，泵深8 4 8 1 m ，6 0 r m i n ，累计出水1 1 3 m 3 后不出液，出砂o 7 7 m 3 ，砂埋油 层1 4 m ，出砂大大少于第一层。 垦东1 8 2 井试油馆陶组，5 # 层，井段1 0 7 7 6 1 0 7 9 0 m ，1 4 m 1 层，孔隙度为2 6 8 4 ， 渗透率为6 4 1 x 1 0 刁l a m 2 ，油层。射孔后抽汲深度1 5 0 m ，动液面保持在1 0 0 m ，出砂1 2 m 3 ， 通过以上井例可以看出，疏松砂岩油藏脉冲式的回压相比较平稳的泵抽而言易造成大量 出砂，一般不宜采用，除非有排砂的需求。 3 3 影响固砂效果的油藏条件 3 3 1 疏松砂岩油藏的地质特征 以胜利油田为例说明疏松砂岩油藏的地质特征幢3 卜瞳引。胜利油田所处的济阳坳陷是 一个油气含量十分丰富的大型复式油气聚集区，不但断块多，层系多，而且油藏类型多， 这就决定了出砂油藏的复杂性： ( 1 ) 油藏矿物组成是粘土胶结的石英砂和长石颗粒，出砂层系为馆陶组和馆陶组东 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 营组，见表3 1 。 表3 - 1 胜利油田主要疏松砂岩油藏岩石矿物组成 t a b l e3 - 1s h e n g l io i l f i e l du n c o n s o l i d a t e ds a n d s t o n er