（油气田开发工程专业论文）纤维复合防砂理论与技术研究.pdf

摘要 新第三系和第四系细粉砂油气藏储层，由于储层沉积时间短、欠压实、胶结疏松、 成岩性差，储层细粉砂粒径较小，颗粒流动的启动压力和启动流速均很低，出砂是这 类油气藏高效开采的主要难题。传统防砂技术防砂的同时影响了防砂后的油气井产 能，并且防细粉砂的效果也不理想。而纤维复合防砂技术因其具有增产及防止地层出 砂的双重效果，并对防细粉砂有较好的效果，弥补了传统防砂技术的缺陷。基于涩北 气田出砂机理研究成果和大量的实验研究，研n - 防砂用特种纤维，并进行了纤维的 性能( 耐酸、碱、盐以及耐温性能等) 评价，形成了纤维复合防砂技术体系；研究确 定了影响纤维复合体增强性能的相关因素( 纤维的长度、直径、支撑剂粒径等) ，总 结分析了纤维复合防砂技术体系的作用机理，建立了一套完善的纤维复合防砂技术的 评价体系并在此基础上研究了纤维复合防细粉砂配套技术，其技术核心包括：( 1 ) 高矿化度、无伤害清洁压裂液及预处理液体系：( 2 ) 特制纤维和纤维复合体系；( 3 ) 纤维复合防砂工艺。纤维复合防砂技术是基于“解、稳、固、防、保、增”进行细 粉砂防治的。使用有机酸液和压裂手段来“解”除近井地带的储层污染与堵塞；利用 稳砂剂带正电荷的长链与储层细粉砂通过电性吸附，聚结成细粉砂聚集体，而加以 “稳”定；利用纤维一树脂砂复合体三维网状结构“固”砂，达到无筛管防砂目的； 利用井筒四周和压裂短宽缝中形成的稳定、高渗纤维树脂砂复合体“防”砂；使用清 洁压裂液作为携砂液，最大限度地降低储层伤害，“保”护储层、增加裂缝面导流能 力；利用端部脱砂压裂防砂技术大幅度“增”加防砂后的气井产量。纤维复合防细粉 砂技术在涩北气田共进行了2 3 口井，现场试验取得了很好的效果。纤维复合防砂施 工方便，可操作性强，防砂效果明显，投入产出比达到1 ：1 7 以上，单井增产1 8 3 2 7 5 倍，有效期长。为涩北气田高效开发提供了有力的技术支持，为解决疏松细粉砂岩油 气藏出砂这一难题探索出了一条有效的技术途径。 关键词：防细粉砂；纤维复合体系；无筛管防砂；端部脱砂；清洁压裂液 i i s t u d y o fs a n dc o n t r o lt h e o r ya n d t e c h n i q u eb yf i b e r - r e s i ns a n d c o m p l e x b y z h o u ，f u j j a n d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：z h a n g ，q i ( p r o f e s s o r ) ( c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ) ( d e v e l o p m e n te n g i n e e r i n gi no i l & g a sf i e l d ) a b s t r a c t s i n c et h en e o - t e r t i a r ya n dq u a t e r n a r ys i l t s t o n e sa n dp e f i t i os i l t s t o n e sr e s e r v o i rh a s r e l a t i v e l ys h o r ts e n t i m e n tt i m e ，u n d e r c o m p a c t i o n , l o o s ec e m e n t a t i o na n dp o o rd i a g e n i s m ， i t sf i n e s j l t ys a n d sg r a i ns i z eh a sv e r yl o ws t a r t i n gp r e s s u r ea n ds t a r t i n gv e l o c i t y s a n d c o n t r o li st h em o s td i f f i c u l ti s s u ef a c e db yo p e r a t i o no ft h er e s e r v o i r s t r a d i t i o n a ls a n d c o n t r o lt e c h n i q u e sn o to n l ya r ei n e f f e c t i v eb u ta l s oh a v eg r e a ti m p a c to nt h ep r o d u c t i v i t yo f o i l g a sw e l l s t h ef i b e r - c o m p l e xs a n dc o n t r o lt e c h n i q u ec a na c h i e v eb o t hw i t h o u ts a n d p r o d u c t i o na n do i l g a sp r o d u c t i o ns t i m u l a t i o np u r p o s e s i ti sv e r ye f f e c t i v ef o rf r e e s i l t y s a n d st h u si to v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lm e t h o d s b a s e do nt h er e s e a r c ho f s e b e ig a sf i e l d ss a n dp r o d u c t i o nm e c h a r l i s ma n dl o t so fe x p e r i m e n t s ，t h i sr e s e a r c hh a s d e v e l o p e das p e c i a ls a n dc o n t r o lf i b e ra n dd i dt h ee v a l u a t i o no ft h ef i b e r s u c ha st h e i m p a c to fa c i d ，a l k a l i ，s a l ta n dt e m p e r a t u r e s e r i e sf i b e r - c o m p l e xs a n dc o n t r o lt e c h n i q u e s w e r ed e v e l o p e d s t u d i e sw e r ed o n eo i lt h ev a r i o u sf a c t o r s ，s u c ha st h el e n g t ha n dd i a m e t e r o ft h ef i b e r p r o p p a n ts i z e ，e c t , i m p a c to nt h ef i b e r sa b i l i t yi nf i x i n gt h es a n db o d y t h e m e c h a n i s mo ft h es a n dc o n t r o lt e c h n i q u e sh a sb e e na n a l y z e da n dc o m p l e t ee v a l u a t i o n s y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ec o r eo ft h et e c h n i q u e sc a l lb es u m m a r i z e da s ：( 1 ) h i 曲 m i n e r a l i z a t i o n , z e r od a m a g ec l e a rf r a c t u r i n gf l u i da n dp r e l r e a t m e n tf l u i d ；( 2 ) s p e c i a lf i b e r a n df i b e r - c o m p l e x ；a n d ( 3 ) t h ef i b e r - c o m p l e xs a n dc o n t r o lo p e r a t i o nt e c h n i q u e t h e f i b e r - c o m p l e xs a n dc o n t r o l a c h i e v e ss a n dc o n t r o lb ye m b r a c i n g “c l e a np o l l u t i o n ”， “s t a b i l i z a t i o no fs a n d ”，f i x i n gs a n d ， p r e v e m i o n ， p r o t e c t i o nr e s e r v o i r a n d i n c r e a s e p r o d u c t i o n ”t e c h n i q u e s t h e “c l e a np o l l u t i o n m e a n sc l e a r i n gt h ew e l ln e a r b yp o l l u t i o n a n do b s t a c l e sb yu s i n go r g a n i ca c i d so rf l a c t u r i n gt e c h n i q u e s ；s t a b i l i z a t i o no fs a n d i sb y i i i u s i n gp o s i t i v ec h a r g e dl o n gb r a n c hp o l y m e rt oa d h e r ef i n e s i l t ys a n d st os t a b i l i z et h es a n d s ； s p e c i a ls a n dc o n t o lf i b e rc a l lf o r ma3 - d i m e n s i o n a lr e t i c u l a rs t r u c t u r et o “f i xr e s i n ，c o a t e d s a n d s ”a n df o r mal i k ek i n ds c r e e np i p e 刃j es c r e e np i p el i k ep a c k i n gf o r m e dn e a rt h ew e l l a n di nt h ef r a c t u r ec a n “p r e v e n t t h ef m e s i l t ys a n d st of l o wi n t ot h ep r o d u c t i o nw e l l ；t h e z e r od a m a g ec l e a rf r a c t u r i n gf l u i dc a l l p r o t e c tr e s e r v o i r a n di t sp e r m e a b i l i t ya n df i n a l l y t h et s ot e c h n i q u ec a n “i n c r e a s ep r o d u c t i o n f o rag r e a td e a l t h ef i b e r - c o m p l e xs a n d c o n t r o lt e c h n i q u e sh a v e b e e ns u c c e s s f u l l yu s e di n2 3w e l l s s a n dc o n t r o ii ns e b e ig a sf i e l d n l et e c h n i q u ei ss i m p l et oo p e r a t e e f f e c t i v ei ns a n dc o n t r o la n dw i t h1 ：1 7o rh i g h e r c o s t b e n e mr a t i o i t sp r o d u c t i v i t ya f t e rt r e a t m e n tc a ni n c r e a s et o1 8 3 - - 2 7 5t i m e s i t s p e r i o do fv a l i d i t yi sl o n g t h i st e c h n i q u ep r o v i d e ss t r o n gt e c h n i q u es u p p o f lf o rs e b e ig a s f i e l d so p e r a t i o na sw e l la sad i r e c t i o nf o rr e s o l u t i o no fs a n dc o n t r o li nl o o s e nf r e e - s i l t y s a n dr e s e r v o i r k e yw o r d s ：f m e s u t ys a n dc o n t r o l ；f i b e r - c o m p l e x ；n o n - s c r e e np i p es a n dc o n t r o l ；t i ps c r e e n o u t ；c l e a rf r a c t u r i n gf l u i d 纤维复合防砂理论与技术研究 创新点摘要 1 提出了“解、稳，固、防、保、增”的纤维复合防细粉砂综合技术 使用有机酸液和压裂手段来“解”除近井地带的储层污染与堵塞；利用稳砂剂带 正电荷的长链将储层细粉砂通过电荷吸附，聚结成粒径较大颗粒，而加以“稳”定； 使用纤维树脂砂三维网状复合体“固”砂，达到无筛管防砂目的；利用井筒四周和 压裂短宽缝中形成的稳定、高渗纤维树脂砂复合体“防”砂；使用清洁压裂液作为携 砂液，最大限度地降低液体对储层的损害，“保”护储层、增加裂缝面导流能力；利 用端部脱砂压裂防砂技术的表皮系数值小于一般压裂充填防砂，大幅度“增”加防砂 后的油气井产量。( 第3 章) 2 依据纤维力学分析建立了纤维复合防砂物理模型和实验方法，系统地研究了纤维 复合防砂理论 依据单根纤维的受力分析和影响纤维复合体强度的因素及影响规律的研究，建立 了纤维复合体的物理模型和数学模型：通过实验研究了纤维对复合体稳定性影响规 律，建立了一套完善的评价纤维复合体稳定性的方法和描述纤维复合体稳定性的数学 模型。( 第4 章) 3 研制了防砂用的纤维复合体 根据纤维复合防砂的理论，选择了防砂用纤维、纤维表面处理剂、支撑剂，进而 研制了防砂用的纤维复合体。( 第5 章) 4 研制了低损害中高密度清洁携砂液体系 针对涩北气田储层敏感性特点和潜在的损害类型，结合纤维复合防砂对携砂液的 要求及携砂液损害机理，提出符合涩北气田条件的纤维复合防砂用的中密度盐湖水基 清洁表面活性剂胶束携砂液体系及其使用技术。( 第6 章) v 第l 章引言 第1 章引言 防砂是胶结疏松的油气藏开发过程中控制储层出砂的基本工艺措施。新第三系和 第四系油气藏储层，由于储层沉积时间短、欠压实、胶结疏松、成岩性差，在一定的 流动压力与流速条件下储层中未胶结颗粒就会发生流动，导致出砂。油、气井出砂， 不仅会导致油气井减产或停产，还会对地面和井下设备磨蚀，严重时还会损坏套管甚 至导致油井报废出砂是提高这类油气藏的开采速度的主要障碍和高效开采的主要难 题。 我国目前经济高速发展，能源的供求矛盾日益突出，石油天然气的勘探开发满足 不了我国经济发展的需要为了满足经济的需求，向那些过去难以开采出砂严重、防 砂难度大的油气藏要产量是解决这一矛盾的重要举措之一。防砂技术发展到现在，对 于出砂粒径较粗的井的防砂问题，已经基本解决，能够满足生产要求；而对于防治细 粉砂目前还没有很好的办法。对细粉砂井进行治理并提高其开采速度，已是目前防砂 重要难题之一 本论文是中国石油股份公司重点科研项目“疏松砂岩气藏防砂技术研究”的 重要部分。青海柴达木盆地涩北气田是我国目前已探明的第四大气田，探明加控制储 量约为3 0 0 0 x 1 0 8 m ? 。该气田埋藏深度差异大，埋深5 4 0 1 7 4 0 m ，储层主要为第四系 粉砂岩和泥质粉砂岩，欠压实、成岩性差、胶结疏松，具有三高( 高粘土、高泥质、 高矿化度) 一强( 敏感性强) 、出细粉砂( 0 ，0 4 0 0 7 n 1 i ：n ) 严重等特点，大部分井只 能靠控制压差生产，3 4 的井产量只能限制在5 0 x 1 0 4 m 3 d 以内，大大地限制了气井产 能的发挥。涩北气田是国内疏松细粉砂岩气田的典型代表( 储量总和占到我国这类气 藏的9 0 以上) 。近十多年来，针对涩北气田的严重出砂问题，青海油田先后开展了 化学固砂、机械防砂、分层开采、压裂防砂等多种常规防砂工艺，防砂效果较差或无 效，还没有根本解决防砂问题。结合青海涩北气田的实际情况，对该气田已用的防砂 技术进行总结，并结合国内外现有的先进防砂技术分析，提出新的防砂思路，研究新 的防砂理论和技术，解决细粉砂的防治难题。为类似涩北气田这样的细粉砂气藏经济 高效开发提供技术支持。 防砂的英文以前是使用s a n dc o n 拓o l ，近年来越来越多使用s a n dc o n t r o l m a n a g e m e n t ，即防砂的真正含义是砂的控制与管理，就是出砂井的综合治理。出砂 井综合治理的主线已不是简单的控制储层出砂，而是以油气井开采的经济效益为标 准，出砂并治理的目的是为了提高安全条件下的开采效益。防砂不是仅仅狭义上的将 砂防住、不再出砂，而是通过综合治砂，提高油气井的无砂产量，达到高效、经济开 第1 章引言 采，提高油气藏的开采效益。防砂的意义是提高油气井的产量，不但要防砂还要增产 因此，防砂不是目的，只是油气藏商效开发的手段。 随着防砂理论研究的进展和突破，防砂技术也随之发展。但随着油气田开发复杂 程度的加大，以及出砂严重的难动用油气藏的大规模开发，随之暴露出新的难题，需 要进行一些新的防砂理论研究和新的防砂技术研究。 从防砂理论与技术的发展来看，近年来防砂理论与技术的研究重点转向防砂的同 时怎样尽可能少影响产能或不影响产能到增加产能方面研究【”。 近年来防砂的技术发展趋势概括为：将防砂与储层保护相结合，防砂技术中首 先要考虑储层保护，储层保护是防砂技术的主要组成部分；将防砂与储层改造相结 合，防砂的同时要考虑到防砂后油气井的产能，不能将砂防住了，油气也不产出了， 防砂与储层改造有机结合，如使用压裂技术大幅度增加泄气面积或使用酸化技术改善 储层渗透能力，以便在无砂生产压差下，可以大幅度提高油气井的产能；使用无筛 管防砂技术，以节省成本、方便修井和重复防砂作业；对于细粉砂，通过预处理， 使易动微粒变大，以提高其运移启动生产压差，防止运移微粒对充填体堵塞。总之， 防砂技术必须从单一型向复合型发展。 国外气井防砂目前主要是采用管内绕丝筛管砾石充填，其次是预充填绕丝筛管、 树脂胶结、涂层预包砂充填，还有一些新的工艺技术，如酸化砾石充填复合防砂、压 裂砾石充填复合防砂、纤维复合防砂等。对于疏松砂岩气藏，耳前主要是绕丝筛管砾 石充填、双层预充填绕丝筛管防砂工艺。对于储层砂粒粒度中值相对较粗，分选性较 好的气藏，防砂效果比较理想；对于较细的地层砂，采用树脂砂浆人工井壁化学防砂 工艺，见到过不同程度的防砂效果。国外气藏防砂还使用过一些复合防砂工艺技术， 如酸化砾石充填、压裂砾石充填、纤维防砂等防砂工艺，也取得过较好的防砂效果。 但国内外气井防砂资料调研表明，使用筛管防砂增加了流体流入井简的附加阻 力，影响了防砂后的油气井的产能，降低了经济效益传统防砂技术对储层有一定的 损害，目前常用的树脂化学防砂和筛管砾石充填机械防砂都在一定程度上对储层造成 伤害。对于细粉砂的防治目前还没有行之有效的技术。 新的防砂技术是建立在新的防砂理论的基础之上，而新的防砂理论又是建立在对 应的出砂机理和防砂机理研究之上，因此，深入研究细粉砂的出砂机理，使用物理模 型和数学方法研究影响细粉砂出砂量的因素及其规律；研究细粉砂的防治机理，提高 细粉砂的启动流速和启动压差，以提高产量。 纤维复合防砂理论是结合细粉砂出砂机理研究成果和纤维复合体系的防砂机理 研究结论，顺应防砂技术的发展趋势而提出的一种新型防砂理论【2 翔，它将防砂与储 层保护和储层改造相结合，防砂的同时不损害储层，同时改善储层的渗流条件。提出 第1 章引言 了纤维增强理论，建立了纤维稳定砂体物理模型，研究纤维复合防砂理论，在此基础 上提出了纤维复合防砂技术。纤维复合防砂的核心是：一是使用软纤维吸附细粉砂颗 粒使之成为细粉砂颗粒集合体，提高细粉砂的启动压差与流速，达到稳砂的目的；二 是利用特制纤维的弯曲、卷曲、螺旋型，互相勾结形成稳定的三维网状结构，将砂粒 束缚于其中，形成较为牢固的过滤体，且具有一定的渗透率将纤维复合体充填到压 开的裂缝中，并且由于出砂层段较软，纤维复合体还可以充填在水泥环的周围，形成 环状的似外充填筛管，达到防砂的目的。该技术就是将储层保护、储层改造、无筛管 等技术有机组合而形成的复合型防砂技术。 论文主要研究五个方面：结合国内外气井细粉砂防治技术现状，分析青海涩北 气田出砂机理，优选出适合青海疏松砂岩气藏的防砂技术途径；含水气井出砂机理 研究；纤维复合防砂理论与实验研究和纤维对复合体增强性能及其规律研究；研 制适合涩北气田纤维复合防砂的低伤害盐水基清洁压裂液和纤维复合体；纤维复合 防砂矿场试验研究。 通过调研，分析国内外气井细粉砂防治技术，评价青海涩北气田出砂状况和已使 用的防砂技术的适应性及效果，并在此基础上优选出适合青海第四系疏松泥质粉砂岩 气藏的有效防砂途径。 用疏松砂岩气藏岩心砂样压制成模拟储层渗透率范围的人造岩心，使用岩心流动 实验，研究涩北气田储层出砂机理。采用可以同时注入模拟地层水和注气的岩心流动 试验装置，研究出砂影响因素及规律。模拟评价同时产水与产气情况下储层的出砂情 况。通过称量试验前后岩心的重量变化，确定出砂程度。改变注入液体与气体流量， 研究产气与产水量的影响。改变驱替压差与岩心的渗透率，研究生产压差与储层渗透 性对出砂的影响。 对纤维的性能进行测定，从理论上推导纤维增强机理，再结合模拟实验研究纤维 复合防砂机理；根据纤维复合防砂的要求，结合涩北气田的特点，选择防砂用的纤维， 评价纤维在储层条件下的稳定性，研制具有防砂功能的纤维复合体，用小型材料试验 机测定纤维复合体的抗压与抗折强度，用岩心流动实验仪评价纤维复合体的渗透性。 依据携砂液携砂能力强，利于端部脱砂，易破胶、破胶液易返排、低残渣、不影 响导流能力和储层损害小、本身性能稳定和抗剪切能力强、摩阻小等原则优选携砂液 类型、添加剂品种与加量，以及优化携砂液配方。在不同温度下、剪切不同时间，通 过测定携砂液的粘度变化，确定携砂液的抗温性、抗剪切性和稳定性；通过加入破胶 剂后测定不同时间的携砂液粘度变化，确定其破胶难易与彻底程度；通过过滤试验和 岩心流动试验，确定破胶液残渣量、返排难易程度、影响导流能力和损害储层情况； 第1 章引言 通过沉降试验，评价携砂液的携砂能力：用流变仪研究携砂液的流变性。 通过模拟现场条件配制携砂液，研究携砂液的现场使用工艺。用模拟软件进行数 值模拟计算，进行施工优化设计，进行纤维复合防砂矿场试验研究。 论文共分为9 章。第l 章为引言，阐述论文研究内容、研究目的意义及技术路 线：第2 章为涩北气田出砂机理研究。主要是针对涩北气田的储层特征，对储层砂 进行粒径分析，进行储层敏感性实验研究，并研究储层出砂影响因素及其对出砂的影 响规律；第3 章为纤维复合防砂技术的提出，分析涩北气田细粉砂的出砂与防砂现 状，结合国外气田细粉砂技术调研，提出纤维复合防细粉砂技术；第4 章为纤维复 合防砂机理研究，主要从理论与实验两方面来研究纤维复合体的防砂机理；第5 章 为纤维复合体系技术研究，主要进行防砂纤维的选择、纤维复合体研制、纤维复合体 性能评价以及软纤维处理细粉砂技术研究。第6 章是中高密度低损害清洁压裂液研 究，主要包括中高密度低损害清洁压裂液的提出，中商密度低损害清洁压裂液的化学 成因，到中高密度低损害清洁压裂液的研制和性能综合评价；第7 章为纤维复合防 砂矿场试验研究，主要研究了纤维复合防砂工艺，并介绍了纤维复合防砂在涩北气田 矿场试验情况；第8 章是结论。论文的逻辑结构如下图所示： 纤维复合荫砂意义 l研究背景卜专i1 弓瞎 _ 研究内容及技术路线 u 譬燃陋龇平叶日羹瓣 芦内井细耪砂防j 旨技术调研卜爿3 纤维复合防砂技术提出扣一纤维复合防治细糟砂碌理 纤维复台防砂理论研究 i - * 4 纤维复合肪砂机理研究 h 纤维复合防砂实验研究 + 纤维夏台体研制与性能评价 一叫5 防砂纤维复台体系研究研i i p 纤维对细耢砂处理技术i lt 中船度低清洁删液貅i 七 。i 纤维复合腓工艺研究i l7 纤维复台防砂矿场试验l 上j _ l8 结论i 图1 - l 论文章节逻辑结构图 4 第2 章涩北气田出砂机理研究 第2 章涩北气田出砂机理研究 要进行纤维复合防砂理论与技术研究，就必须先进行储层出砂机理和出砂影响因 素的研究。本章首先对涩北气田储层出砂机理与出砂影响因素进行调研分析，再对出 砂机理进行实验研究。 2 1 气井出砂机理概述 气井出砂通常是由于井底附近地带的岩层结构遭受破坏引起的。在未打开地层之 前，地层内部应力系统是平衡的；打开后，近井地带地层应力平衡被破坏，当岩石颗 粒承受的应力超过岩石自身的抗剪或抗压强度，地层塑性变形或发生坍塌。在地层流 体产出时，地层砂就会被携带进入井底，造成出砂。 从力学角度分析地层出砂机理主要有两个一剪切破坏机理和拉伸破坏机理。前 者是炮孔周围应力作用的结果，与过低的井底压力和过大的生产压差有关；后者则是 开采过程中流体作用于炮孔周围地层颗粒上的拖曳力所致，与过高的开采速度或过大 的流体速度有关。这两个机理相互作用，相互影响。 2 1 1 剪切破坏机理 弱固结的砂岩储层射孔后，岩石强度会受到破坏，使炮孔周围往外岩石依次可以 分为颗粒压碎、岩石重塑、塑性受损及交化较小的较小受损区，如图2 1 所示。远离 炮孔的a 区是大范围的弹性区，其受损小，b l a b 2 区是一个弹塑性区，包括塑性硬 化和软化，地层具有不同程度的受损，c 区是一个完全损坏区，岩石经受了重新塑化， 近于产生安全塑性状态的应变。紧挨炮孔周围的岩石受到剧烈震动被压碎，部分水泥 环也受到松动损害。 图2 1 炮眼周围地层受损情况1 4 1 第2 章涩北气田出砂机理研究 由于井筒及射孔孔眼附近岩石所受周向应力及径向应力差过大，造成岩石剪切破 坏，离井筒或射孔孔眼的距离不同，产生破坏的程度也不同，羞岩石的抗剪切强度低， 抵抗不住孔周围的轴向、径向应力差引起的剪切破坏，井壁附近岩石将产生塑性破坏， 引起出砂。从力学角度分析，这种条件下的气层出砂机理为剪切( 压缩) 破坏机理， 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。 形成剪切破坏的主要因素是气藏压力的衰减或生产压差过大，如果气藏能量得不 到及时补充或者生产压差超过岩石的强度，都会造成地层的应力平衡失稳，形成剪切 破坏 2 1 2 拉伸破坏机理 在开采过程中，流体由气藏储层渗流至井筒，沿程会与地层颗粒产生摩擦，流速 越大，摩擦力越大，施加在岩石颗粒表面的拖曳力越大，即岩石颗粒前后的压力梯度 越大。在这种井筒周围压力梯度及流体的摩擦携带作用下，岩石承受拉伸应力，当此 力超过岩石的抗拉强度时，岩石发生拉伸剥离破坏，而引起出砂这种机理的微观模 型如图2 - 2 所示。 图2 - 2 拉伸破坏微观型示意图【4 l 流体对岩石的拉伸破坏在炮眼周围是非常明显的，由于过流面积减小，流体在炮 眼周围形成汇聚流，流速远大于地层内部，对岩石颗粒的的拖曳力也会增加。 实际上，剪切和拉伸两种机理同时起作用，且会相互影响，受剪切破坏的地层会 对流体的拖曳力更加敏感。当剪切破坏是主要机理的情况下，流体流动对携带颗粒进 第2 章涩北气田出砂机理研究 入到井中也是很重要的。 除剪切和拉伸两种机理外，还有微粒运移出砂机理。在疏松砂岩地层，地层内部 存在着大量的自由微粒，在流体流动时，微粒会在地层内部运移，直至井筒。如果这 些微粒在被地层孔喉阻挡后，会使流体渗流阻力局部增大，增大了流体对岩石的拖曳 力，未被阻挡的更细微粒随流体进入井筒，造成出砂。 2 2 涩北气田出砂现状【5 ，6 】 国内疏松砂岩气藏主要以青海涩北气田为典型代表，涩北气田探明储量3 0 0 0 亿 方，占我国探明储量的1 0 左右。涩北气田的储层主要为第四系粉砂岩和泥质粉砂岩， 欠压实、成岩性差、胶结疏松，具有三高( 高粘土、高泥质、高矿化度) 一强( 敏感 性强) 、出砂严重等特点，大部分井只能靠控制压差生产，3 4 的井产量只能限制在 5 o x l 0 4 0 ，d 以内，大大地限制了气井产能的发挥因此，纤维复合防砂理论与技术 研究是以青海涩北气田为工作区块。 表2 i 统计了涩北气田部分气井出砂的临界生产压差，出砂前最大生产压差 9 7 7 ，出砂时最大生产压差1 2 9 ，平均临界生产压差小于6 ，最小值为 0 9 1 - - 2 1 5 。气层成岩性差是出砂的主要原因。 表2 1 涩北气田部分气井出砂的临界生产压差表 井段气层压力流压( ，a )产气量 生产压差( ) 备 井号 ( 米)( m p a )出砂前出砂时 ( m 3 ，d )出砂前出砂时 注 涩深1 51 3 5 6 2 - 1 3 5 8 01 5 3 7 01 5 2 3 01 5 0 4 04 0 0 0 00 9 l2 1 5 涩“1 4 6 3 8 - 1 4 7 3 2 1 6 9 7 01 6 2 3 01 5 6 3 5 09 0 1 9 04 4 7 9 涩中l 1 2 8 4 0 1 2 9 7 6 1 4 5 3 01 3 1 l o1 2 7 8 05 9 0 0 09 7 71 2 0 4 s 3 _ 41 3 l o 0 1 3 5 5 01 6 5 6，1 5 - 3 34 9 3 0 9，7 4 3 涩“1 3 8 6 7 - 1 4 5 0 01 5 7 41 4 4 4 1 3 7 l5 2 2 7 98 2 6 1 2 9 0 涩 1 4 6 8 3 1 4 8 1 21 6 5 71 6 3 81 6 3 5 74 3 1 7 71 2 21 2 3 试气时 涩4 81 3 8 5 o - 1 3 9 2 01 5 5 l1 5 0 41 4 9 86 5 5 2 13 0 33 4 2试气时 涩4 1 21 4 7 6 o - 1 4 8 6 5 1 6 5 2 1 5 5 5 1 5 4 9 5 8 6 7 95 8 86 2 3试气时 涩4 1 41 3 7 8 8 - 1 3 9 4 61 5 5 41 5 2 91 5 1 1 56 6 0 1 21 6 l 2 7 3试气时 涩4 1 51 4 4 7 8 ，1 4 5 6 41 6 7 31 6 5 01 6 3 65 9 9 3 41 3 72 2 l 试气对 平均3 6 55 8 4 另外，涩北气田储层气水关系复杂，气水层间互，存在边水和底水，在开发中后 期产水将严重，产水将加重出砂。涩北气田饥试采和开发资料显示，该气田属于高产 气田，但储层成岩性差，胶结疏松，产量稍大就会引起气井出砂。 7 第2 章涩北气田出砂机理研究 2 3 影响气井出砂因素分析 影响涩北气藏出砂的因素很多，总的可分三类：地层因素、开采因素4 1 和完井因 素。第一类地层因素，包括构造应力、沉积相、岩石颗粒大小、形状、岩矿组成、胶 结物及胶结程度、流体类型及性质等；第二、三类因素是可以人为控制的，包括生产 压差、流体流动速度、多相流动及相渗、地层损害、含水情况、生产作业及射孔工艺 条件等。通过寻找这些因素与出砂之间的内在关系，可以有目的地避免或减缓出砂。 2 3 1 地质因素 影响储层出砂的地质因素主要包括地层的类型、颗粒胶结性质、流体、水层情况、 地层敏感性等因素 9 1 。 ( 1 ) 涩北气藏地层情况 涩北气藏储层为第四系湖相气藏，为第四系下更新统涩北组( q l + 2 ) ，地层厚度 在1 7 0 0 m 左右，为一套湖相暗色的砂泥岩地层，既为生气层，又为储气层。岩性主 要为灰色，深灰色泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩次之，里不等厚间互，夹有细砂岩和钙 质泥岩。因此岩石强度低，地层容易出砂 ( 2 ) 颗粒胶结性质 颗粒胶结程度是影响出砂的主要因素，胶结性能是地层埋深，胶结物种类、数量 和胶结方式、颗粒尺寸形状的函数。 用岩石强度表征岩石胶结程度，涩北气藏地层埋深较浅，一般在5 4 2 5 1 5 1 8 0 米，压实作用弱，并且为第四系地层，沉积时间短，沉积速度快，成岩性差，地层岩 石强度低 以泥质胶结的砂岩较疏松，强度较低。胶结方式中以孔隙式胶结性能最好，以孔 隙一接触式、接触式的胶结强度较低。颗粒的大小、形状及分选性也影响胶结强度， 细的、分选差而带有棱角的颗粒胶结较好，粗颗粒、分选好的圆颗粒则表现为弱胶结。 使用对电镜扫描涩北气藏储层岩石进行分析，研究储层岩石颗粒的大小、形状及分选 性，胶结性质以及孔隙内壁覆盖物及孔隙内的充填物的矿物成分等资料其研究情况 如下： 对涩北气田涩2 0 井和涩2 3 井的i 类储层，、i 类储层典型岩石进行电镜扫描 分析( i 类储层共4 个样品，i i 、i 类储层岩石6 个样品) ，其电镜扫描分析结果见图 2 3 图2 1 2 。 第2 章涩北气田出砂机理研究 图2 - 3 涩2 3 井1 4 5 7 8 0 m 储层岩心的电镜扫描照片 ( 细砂岩储层中粒问孔发育，颗粒分选性好，呈次圆状，杂基含量低) 图2 - 4 涩2 3 井1 4 5 7 8 0 m 储层岩心的电镜扫描照片 ( 细砂岩储层中粒同孔发育，颞粒呈圆状，杂基含量低，粒袭存在呈薄膜牡的晶形差的粘土 矿物) 图2 - 5 涩2 0 并1 3 4 7 5 2 m 储层岩心的电镜扫描照片 ( 细砂岩储层中粒间孔发育，杂基含量极低，有微晶的方解石和白云石胶结物) 9 第2 章涩北气田出砂机理研究 图2 - 6 涩2 0 井1 3 4 7 5 2 m 储层岩心的电镜扫描照片 ( 细砂岩储层中粒间孔发育，颗粒呈圆状，杂基含量低。粒表存在里薄膜状的晶形差的粘土矿物) 图2 7 涩2 3 井7 6 7 2 0 m 储层岩心的电镜扫描照片 ( 泥质粉沙岩中粒间孔发育。孔隙的发育程度受泥质含量影响，泥质疏松胶结颗粒) 图2 - 8 涩2 3 井1 4 7 8 4 0 m 储层岩心的电镜扫描照片 ( 泥质粉沙岩中以粒间孔为主，孔隙不均匀分布，泥质胶结粘土矿物晶型差) l o 第2 章涩北气田出砂机理研究 图2 - 9 涩2 3 井1 3 1 0 o o m 储层岩心的电镜扫描照片 ( 含粉砂的泥岩储层中发育有分布不均的粒间孔和微孔隙) 图2 1 0 涩2 3 井1 4 7 8 4 0 m 储层岩心的电镜扫描照片 ( 泥质粉沙岩中，晶形差的高岭石呈粒间充填。伊利石星桥接状) 图2 一ii 涩2 0 并1 4 8 5 1 0 m 储层岩心的龟镜扫描照片 ( 泥岩中的泥质颗粒无序堆积，存在一定量的微孔) 第2 章涩北气田出砂机理研究 图2 1 2 涩2 3 井1 4 5 8 o m 储层岩心的电镜扫描照片 ( 泥岩中的含无机盐沉淀) 由图2 3 一图2 - 6 的电镜扫描照片可以看出，涩北气田的i 类储层的细砂岩中粘土 矿含量较低( 在3 5 左右) ，粒间孔发育，杂基含量低，以泥质胶结为主，有部分有 微晶的方解石和白云石胶结物( 如图2 5 和图2 6 ) 。 由图2 7 图2 8 的电镜扫描照片可以看出，涩北气田的储层，泥质粉砂岩粒 间孔发育，孔隙不均匀分布，泥质胶结，粘土矿物晶型差，粘土含量较高 由图2 - 9 。图2 1 2 的电镜扫描照片可以看出，涩北气田的i 类储层的含粉砂的泥 岩中，分布着不均匀的粒间孔和微孔隙，泥质粉砂岩中，晶型差的高岭石在粒间充填， 伊利石呈挢接状；泥质颗粒的无序堆积，泥岩中存在一定量的微空隙，且泥岩中有无 机盐沉积。 涩北气藏地层主要以泥质胶结，直接影响岩石颗粒抗剪切强度，低胶结强度是涩 北气藏地层出砂的主要内因【1 0 1 。 ( 3 ) 流体性质 涩北气藏储层含气饱和度越高，则胶结较好；含气饱和度低，则胶结程度下降， 易造成出砂。 ( 4 ) 地层敏感性( 储层损害) u l 涩北气田的敏感性矿物主要有；粘土矿物；蒙脱石、伊利石、高岭石、绿泥石。 非粘士矿物：石英、长石、方解石、白云石、碳酸岩。储层是泥质缅粉砂岩，泥质含 量为4 0 , , - 6 0 ，粘土矿物的组成见表2 - 2 ，粘土矿物主要为伊利石( 占4 5 * , - 6 7 ) 、绿 泥石( 1 8 0 一2 9 ) 、高蛉石( 1 2 1 7 ) ，其次为伊蒙混层( 0 - , - 1 4 ，混层比为1 0 ) ， 还有1 左右少量的蒙脱石。由储层敏感性矿物分析，敏感性实验表明：储层具有强 的水敏、盐敏、酸敏损害。地层水矿化度约为1 5 l t x l 0 4 m g l ，因此，预测储层具有 强碱敏损害。 第2 章涩北气田出砂机理研究 表2 - 2 涩北气田储层粘土矿物x 射线衍射分析结果 井深相对含量( ) 井号岩性 ( m )蒙脱石 伊利石 高岭石绿泥石伊蒙间层混层比 涩2 0 井 1 2 7 8 2 5 泥岩 l5 61 21 8， 涩2 0 井 1 3 4 7 5 2 细砂岩 l 6 5 1 32 l， 涩2 0 井 1 4 8 5 1 0 泥岩 l 6 01 72 2| 涩2 3 井 5 6 6 4 5 泥岩 l6 11 32 5 ， 涩中6 井9 5 5 0 0致密泥岩 l 6 2 1 21 96 1 0 涩中6 井 1 0 7 5 0 0 粉沙质泥岩 l4 51 32 11 4 1 0 储层具有良好的物性，渗透率平均为1 0 4 9 x 1 0 4 u n l 2 ，孔隙度平均为3 0 6 。因 此可以预测储层具有强的应力敏感性。储层欠压实、成岩性差、胶结疏松，储层砂粒 为细粉砂，砂粒度0 0 4 - 4 ) 0 7 r a m ，粒径小于o o l m m 的占2 4 ，具有大量微粒，因此， 储层具有强速敏损害。孔隙度和渗透率都很高，一旦发生敏感性损害，微粒运移后就 会导致气井出砂。 在气藏开发过程中，各种作业引起储层损害，储层损害表征为储层渗透率降低。 储层的损害引起出砂，主要是外因所致，而外因又是通过储层自身的内因( 储层的强 敏感性) 起作用的。 储层损害主要分以下几方面：在钻井完井、试油、修井等过程中外来入井液对 储层的侵入，导致储层渗透率降低，如储层的水敏、盐敏、碱敏、酸敏等损害；外 来作业液中的固相颗粒的侵入，导致储层渗透率降低；在生产过程中，生产压差不 合适，导致储层渗透率降低，如压敏损害；在生产过程中，气体的流速过大，气体 的冲刷力增大，引起渗透率降低，如速敏；在生产过程中，地层水的锥进与冲刷， 引起储层细粉颗粒运移，导致渗透率降低。 储层的上述损害同时导致储层出砂，其一，储层各种损害导致储层的渗透率降低， 因此在维持相同产量生产时，其生产压差将增大，超过其临界生产压差，将导致储层 出砂严重；其二，储层渗透率的降低，部分孔喉变小，甚至有的孔喉被堵塞，使能够 流通的孔喉的气体流速增大，气体的冲刷力增大，超过储层岩石的临界出砂流速，引 起出砂；其三，外来流体的侵入，导致储层渗透率降低的同时，破坏了储层岩石的原 始胶结状态，降低了岩石强度，使其临界流速和临界出砂压差同时降低，导致严重出 第2 章涩北气田出砂机理研究 砂。下面表2 3 中给出储层损害与气藏储层出砂的相关性分析。将在气藏出砂机理实 验研究部分详细对涩北气藏储层的敏感性进行研究。 表2 - 3 气藏( 敏感性) 损害与出砂的相关性分析【1 损害 损害原因 渗透率 岩石强度变化出砂原因 类型 变化 破坏原始胶结，降低岩 降低了储层的临界流 水敏牯土矿物的水化分散，细粉颗粒的运移 降低 速和临界压差，生产 石的胶结强度 大量的细粉颗粒 盐度降低，导致粘土矿物的水化分敌、细粉 降低了储层的临界流 盐敏 降低 降低岩石的胶结强度速和临界压差。生产 颗粒的运移 大量的细粉颗粒 p h 值增大，导致粘土矿物的水化分敌、细粉 粘土矿物的水化分散，降低了储层的临界流 碱敏 降低 颗粒的运移导致胶结强度降低速和临界压差 酸敏储层绿泥石含量高，与酸反应生成沉淀 降低|导致流速增大 压敏压差增大，导致胶结疏松岩石部分孔隙闭合 降低增大导致流速增大 速敏 高流速的冲刷，细粉颗粒运移降低i导致流速增大 无机垢 堵塞 外来流体与地层水不配伍，导致无机盐沉淀 降低|导致流速增大 外来周 外来流体的同相颗粒的侵入堵塞部分孔隙 降低f导致流速增大 相侵入 地层水 地层水锥进，导致细粉颗粒运移降低胶结强度降低 降低了储层的临界流 锥进 速和临界压差 2 3 2 开采因素 气井开发因素是出砂三因素中唯一的外因，是人们在气开采中人为给出的，不恰 当的开采速度及开采制度突然变化，落后