稠油油藏防砂技术研究

稠油油藏防砂技术研究

由于发现大部分重油，辽河油田的勘探面积（尤其是辽河油区）。自2003年底以来，已确定稠油地质储量106699104g，占所有勘探石油储量的46.3%，年重油达到800104t。辽河油田已投入开发的30个稠油区块油层都不同程度出砂,其中比较严重的区块有12个,油层出砂已成为制约区内稠油油藏开发效果的主要因素之一。关于稠油油藏出砂机理及影响因素,国内外众多学者从不同角度进行了分析与研究,在地层强度、应力条件变化、生产压差等对出砂的影响方面取得了一定的认识,但对于岩石粒度、物性等与出砂的关系尚需进一步探讨。本文基于辽河油田稠油油藏防砂实践,着重分析了稠油油藏出砂机理及影响因素,结合各种防砂工艺现场应用效果,针对不同类型油藏提出了相应的防砂技术对策。1井筒周围砂拱对油层出砂井次的影响油藏开发过程中的动、静态资料统计结果表明,辽河油田稠油油藏油层出砂规律主要表现为:(1)油层出砂时间主要集中在蒸汽吞吐的第1～3周期,并且随着吞吐周期的增加,油层的出砂程度呈减弱的趋势。如图1所示,杜229块在蒸汽吞吐投产初期,油井普遍不同程度出砂,原油中的含砂量较高,导致油井砂卡频繁,其中第1～3周期的出砂井次占统计出砂井次的88.1%;第3周期之后,受井筒周围砂拱对油层出砂的抑制作用的影响,出砂井次逐渐减少,仅占统计出砂井次的11.9%。(2)在每个吞吐周期内,油井的出砂规律均表现为弱—强—弱的趋势。受蒸汽驱油作用的影响,油井注汽之后,在井筒周围常形成一定范围的高含水带。下泵转抽后,初期含水可达90%,此时油井一般很少出砂;随着排水期结束,含水率逐渐下降,油层开始大量出砂,往往造成油井的断、卡或砂埋油层。在周期生产末期,油层的供液能力下降,产量降低,当油井的日产液量低于7～8m3/d时,油层出砂程度减弱,油井可以正常生产。(3)出砂层位多位于厚层块状水下分流河道砂体的上部,其次为前缘席状砂体及河口坝砂体的中下部,岩性以细砂岩、粉砂岩及不等粒砂岩为主,结构疏松,孔隙度多大于30%,占统计出砂层数的63.2%。油井在生产过程中主要出细砂及粉砂,占井口砂样的80%以上(图2)。2油砂处理(1)管井注汽压力辽河油田稠油区块的完井方式以射孔完井为主,射孔弹穿深0.6～1.2m,平均射开油层厚度25m,受弹孔控制的地层体积达28～113m3。油层在射孔前处于应力平衡状态,射孔后这种平衡状态被打破,导致弹孔周围地层应力集中,并形成一定厚度的塑变区;当这种塑性变形超过岩石的极限塑性应变值时,弹孔周缘的骨架砂粒便会剥落、坍塌,造成油层出砂。受此影响,辽河油田稠油区块蒸汽吞吐时的注汽压力明显高于其它生产井,下泵投产后即出砂,严重时注不进蒸汽,往往需要进行二次射孔。例如,D62-22井邻近D32断层,1998年6月投产,射孔井段986～1037m,投产后因注汽压力过高导致注气失败,后注灰上返;作业时冲砂0.57m3,砂样以细砾为主,远远大于储层的孔喉直径,不可能通过孔喉网络在储层中“流动”。分析认为,造成该井注汽失败主要是弹孔附近岩石的塑性变形超过了极限塑性应变值,弹孔周缘地层坍塌、剥落导致油层出砂所致。(2)“能”型砂粒拉伸破坏是指当外界的拉张应力超过岩石的抗张强度时,岩石发生塑性变形或破裂的现象。稠油油藏普遍具有中高渗、大孔喉、胶结差、结构疏松的特点。在热采过程中,由于高温高压蒸汽的压裂、溶蚀、水化膨胀等作用,进一步降低了储层的岩石强度,当流体对岩石的冲刷力与拖拽力超过岩石的抗拉强度时,颗粒便会从骨架中剥离下来,呈游离相悬浮于原油当中(图3),并随之一起运移至井底,导致油层出砂。随着颗粒不断剥离,在靠近弹孔部位常常形成与之垂直或斜交的“蚯蚓洞”。拉伸破坏和流体的粘度与渗流速度有关,原油粘度越高、渗流速度越大,对砂粒的冲刷力与拖拽力越强,拉伸破坏越严重。在低流速条件下,砂粒可在弹孔端部及部分“蚯蚓洞”中发生於塞而形成砂拱,一定程度上可以缓解地层出砂强度;而在高流速条件下,会对先前形成的砂拱造成破坏甚至不能形成砂拱,导致地层大量出砂。例如杜229块D57-39井,该井第1周期开始平稳注汽时的注汽压力为16.2MPa,注汽干度为75%,期间因锅炉故障等原因停炉两次,排除故障后再次启炉注汽时的注汽压力升至17MPa,注汽干度降至50%而无法正常注汽,经作业冲砂(砂柱83m)后恢复正常。分析认为,地层流体在近井筒地带巨大压差作用下高速流向井筒,流动过程中对储层造成拉伸破坏是导致该井油层严重出砂的主要原因。(3)层间压力的平衡作用剪切破坏是指当岩石承受的剪应力超过其自身的抗剪强度时,内部发生剪切而形成一系列破裂面的现象。在原始状态下,地层内部的应力场基本上处于平衡状态;油藏投入开发之后,随着原油采出程度增大,地层压力逐渐下降,对上覆地层压力的平衡作用减小,部分上覆地层压力转移到岩石颗粒上,增加了颗粒之间的压应力,并可分解出呈一定夹角的两组剪应力σJ1与σJ2(图4)。随着纵向上有效压应力的增高,剪应力值相应增大,当超过岩石的抗剪切强度时,骨架颗粒间的稳定状态被打破,常沿着剪应力的方向发生颗粒错动而形成大量的微破裂面,从而降低了岩石强度,导致大量颗粒从岩石骨架上脱落,随流体运移至井筒内,造成油井大量出砂。例如,锦45块目前已进入开发中后期,原始地层压力下降幅度较大,对储层的剪切破坏非常明显,尤其是近年来加密新井出砂严重,个别井出砂程度已超过其投入开发初期的出砂水平。该区块取心井的物性夹层中可以见到剪切成因的微裂缝,分析认为这是造成油层严重出砂的主要原因。3油层砂层的形成主要影响因素(1)储层粒度分布特征对油藏出砂趋势的预测稠油油藏储层的沉积成因类型多样,岩石的粒度分布比较复杂。从杜229块地层砂与井口砂样粒度分布的对比结果(图2)来看,细砂及粉砂级碎屑对油层出砂影响最大,而中砂级以上碎屑对油层出砂影响较小,后者的出砂量仅占井口砂样的8.3%,因此确定地层中细砂及粉砂级碎屑与油层出砂之间的关系是研究岩性对油层出砂影响程度的关键。一般说来,随着地层中细砂及粉砂级碎屑含量增高,岩性变细,声波时差值相应增大(细砂岩及粉砂岩的声波时差值多大于400μs/m)。从杜229块油井日出砂量与油层声波时差关系图(图5)可以看出,声波时差值越大,油层越容易出砂;而声波时差值越大,表明岩性越细,细砂及粉砂级碎屑含量越高。因此,根据储层的粒度分布特征,可以对油藏的出砂趋势进行有效预测。表1列举了辽河油田9个典型稠油区块油藏的粒度、物性与流体性质参数及依据当前普遍应用的出砂指数分类法对各油藏出砂程度进行分类的结果。从表1中可以看出,储层粒度分布参数与油藏出砂程度之间的相关性最大,当储层粒度中值小于0.3mm,细砂及粉砂级碎屑含量大于50%时,油层严重出砂(图6);当储层粒度中值为0.3～0.5mm,细砂及粉砂级碎屑含量为25%～50%时,油层中等程度出砂;当储层粒度中值大于0.5mm,细砂及粉砂级碎屑含量小于25%时,油层出砂程度弱或不出砂(图7)。(2)储层微相控制油层出砂特征稠油油藏储层的沉积体系类型以河流、三角洲、扇三角洲及水下重力流沉积为主,可以划分出河道、天然堤、水下分流河道、辫状水道、分流间及前缘薄层砂、河口砂坝等沉积微相。由于储层岩石相的空间分布主要受沉积相控制,因此储层沉积微相带对油层出砂具有一定的控制作用。据辽河油田稠油油藏出砂特点及其与沉积相带关系分析结果,位于河道侧缘、分流间及前缘薄层砂、河口砂坝微相砂体中下部的油层,多为细、粉砂岩,油层容易出砂;而位于辫状水道与水下分流河道等微相主体部位的油层,岩石粒径粗,油层投产后一般不出砂。(3)速度mpa地层中原油流动的渗流速度公式如下:V=K⋅(Pg−Pj)r⋅μ⋅ln(RgRj)V=Κ⋅(Ρg-Ρj)r⋅μ⋅ln(RgRj)式中:K为渗透率,μm2;Pg为供液边缘油层压力,MPa;Pj为井底流压,MPa;μ为地层原油粘度,mPa·s;Rg为供液半径,m;Rj为井筒半径,m;V为距井筒距离r处的渗流速度,m/s;r为距井筒距离,m。从上式可以看出,当其它条件一定时,生产压差越高,流体的渗流速度越大,对储层骨架颗粒的冲击力与拖拽力也越强,生产时容易出砂。生产压差的建立方式也影响着油层的出砂程度,注汽过程中频繁停炉或放喷期间压力下降过快,都会造成生产压差建立过快,导致流体的渗流速度瞬间急剧增大,激动油层而加剧油层出砂。(4)储层渗透率预测稠油油藏储层一般处于早成岩阶段,因此,机械压实作用是影响稠油油藏储层孔隙度演化的主要因素。孔隙度值在一定程度上反映了地层成岩作用的强弱,孔隙度值越大,油层出砂越严重(表1)。孔隙度值可以作为预测油层出砂趋势的一项辅助指标,但具体应用时必须结合储层粒度特征参数。原油在储层中流动时,首先需要克服毛细管力等渗流阻力,储层渗透率与毛细管力之间呈明显的负相关。因此,当油藏条件相同时,储层渗透率越高,原油渗流速度越大,对储层的破坏能力越强。从杜229块油井日出砂量与渗透率关系图(图8)可以看出,随着渗透率的增加,油井日出砂量增大,表明油层出砂程度加重。另外,热采时高温、高压蒸汽沿着高渗透层汽串也会加剧油层出砂程度。4稠油储油防砂技术对策在上述油层出砂机理及影响因素分析的基础上,结合各种防砂工艺现场应用效果,提出如下稠油油藏防砂技术对策:(1)储层“四性”关系理论由于稠油油藏出砂程度与储层岩石相、岩石强度、流体性质等因素密切相关,因此在油藏投入开发之前,可以利用岩心、录井、测井等资料研究储层的“四性”关系,对储层岩石相、岩石强度、流体性质等进行客观评价,对潜在的出砂层位及平面出砂程度及趋势进行预测,为确定合理的完井方式及防砂工艺奠定基础。(2)射孔控制储层拉伸破坏射孔工艺与射孔参数在一定程度上影响着地层流体的渗流速度,弹孔入口越大、密度越高,流体的流动截面越大,在相同的采液强度下,流体的渗流速度越小,可以有效地减小流体对岩石颗粒的冲刷力和拖拽力。因此,在对稠油油藏出砂油层进行射孔时,宜采用大孔径、高孔密的射孔方式,以防止储层遭受拉伸破坏而出砂。另外,射孔前还应对射孔井段进行优选,避开可能的强出砂层。(3)防砂工艺的技术特点对于投产后出砂的稠油油藏,应选择适当的防砂工艺进行防砂。目前的防砂工艺大体上可分为机械防砂、化学防砂与复合防砂三大技术系列,每一种防砂工艺的技术原理与防砂适应性见表2。表2内容是在调研前人稠油油藏防砂实践与认识的基础上,对辽河油田稠油油藏防砂实践的总结。必须要强调的是,为了保证防砂效果,在优选防砂工艺时,必须要结合油藏的地质特点与出砂特征。(4)控制好油气藏生产压差除了优选射孔工艺与防砂工艺之外,在稠油油藏开发过程中还应注意加强油井的生产管理,控制好油井生产压差与油藏注采比,避免人为因素对储层造成拉伸与剪切破坏而导致油层出砂。5利用资料预测油层出砂层位(1)稠油油藏出砂机理主要为地层坍塌及剥落出砂、拉伸破坏出砂和剪切破坏出砂,其中剪切破坏出砂主要见于开发中后期的严重亏空油藏,而拉伸破坏出砂则贯穿于油藏开发的整个过程,且以早期开发阶段为主。(2)出砂层在电性上具有高电阻率、高声波时差、高渗透率、低密度的特点,综合录井与测井资料可以有效地预测出砂层位。(3)影响稠油油藏油层出