孤东油田储层出砂机理分析及防砂工艺的研究

顾百峰

摘 要：孤东油田是1984年发现，1986年投入开发的大型稠油疏松砂岩油藏。在国内油田出砂机理及防砂技术研究中具有极其重要的地位，油层出砂总是具有两方面的原因，先天的地质特征和后天的开发方式共同决定。本文旨在通过对孤东油田出砂机理的深入研究及油田防砂成功经验取得的总结概括，期望能够对油田特高含水期开发的稳产起到重要的保障作用。

关键词：孤东油田；砂岩油藏；出砂；防砂；

1 孤东油田出砂简况

孤东油田是1984年发现的，1986年投入开发的大型稠油疏松砂岩油藏。馆陶组油层由于埋藏浅（1190-1460m），压实程度差，生产过程出砂十分严重。据统计生产馆陶组的1163口油井作业过程冲砂量资料，出砂井有957口，占82.3%。由于油井出砂造成卡管、砂埋、砂卡、杆断、泵漏等原因停产的油井217口，占油田同期关井数334口的65%（表1-1）。

孤东油田正式投入开发以后，针对油层出砂严重的问题，采取了绕丝筛管、金属滤砂管、干灰砂、化学防砂（包括地下合成、涂料砂）、复合防砂等防砂措施，从而保证了油田的正常生产。由于油层地质条件差，以及采液强度大，油层结构遭到破坏，油层出砂日趋严重。孤东油田2006-2015年集输站大罐清砂表明，采万吨液出砂量由2.45m3增加到4.21m3，采万吨油出砂量由2.86m3增加到59.6m3，出砂量成倍增长。事故井次数也随之增多，由2006年的27口上升至2015年的85口，到目前累计1156口，其中套变井数也由3口增至34口，累计套变井数达317口，影响了油田开发效果（表1-2）。

表1-2孤东油田分年度出砂情况统计表

从孤东油田分年度出砂情况统计曲线上我们可以明显的看到，随着油田开发的深入，油田出砂对于油田产量的制约有着越来越大的影响，这从另外一个方面给我们也带来了机遇，随着出砂机理的深入研究，防砂技术的进一步提高，损失的地质储量能够得到一定的弥补，从而给油田的上产带来一定的主动，同时也说明了出砂规律的研究有着越来越大的重要性。

2 孤东油田油气藏出砂地质特征

目前全世界许多油气田存在严重的油气井出砂问题，这是油气开采过程中需要重点解决的问题。油气田产层出砂除与后天的钻井方式、开采方式、增产措施及管理方式有关外，另一个主要原因是存在具有一定出砂潜能的地层。

我国出砂油气田的地质特征主要有：油气层埋藏浅；压实程度差；胶结疏松；胶结物含量高、泥质成分所占比重大；非均质性严重。

孤东油田为第三系油气田，油藏埋藏较浅，井深一般在1190-1460米左右。成岩性差，胶结疏松，胶结物以泥岩为主。储层一般以泥质粉砂岩和细粉砂岩为主。粒径在0.04-0.07mm之间，最大粒径为0.12mm，小于0.01mm占14%。孤东油田的开发过程一直受到出砂问题的困扰。孤东油田的主要生油层段为馆陶组，同时又可以按照沉积类型分为馆陶组上段及馆陶组下段，属于早成岩期阶段的产物，地层埋藏深度较浅，有机质未成熟，岩石疏松，尚未完全固结，原生孔隙发育，一般未见石英的次生加大现象，长石溶解也不普遍，有时见有早期碳酸盐胶结，砂岩和粘土岩中，富含蒙脱石，伊利石含量较少，并见有高岭石粘土矿物。这些因素都决定了孤东油田这样一个砂岩油藏必然具有的严重的出砂特性。

3 油气藏出砂危害

1、产层出砂增加渗流阻力，造成减产、停产

由于产层出砂，当液量小到不足以将其带出地面时，将部分或全部堵塞产油层段，使液量下降，甚至停产。如孤东油田3-18-34井，因为地层出砂造成液量下降导致躺井，作业不成功导致现无法正常生产，接近于停产状态。

2、井底沉砂破坏抽油机设备

对于抽油井井来说，大量泥沙便会沉积井底堵塞井筒，卡死固定凡尔和游动凡尔；有砂的地层水会增大柱塞与泵筒间的摩擦力，损坏柱塞皮碗，降低泵效，缩短检泵周期，增加生产成本。

3、采出地面的砂粒将加快地面设备损坏

伴随液体采出地面的砂粒和高速流动的气体一起，迅速冲刷地面流程中的设备、管件，使地面设备损坏加快、安全系数降低；同时使节流阀及其它阀件关闭、密封不严，给生产调节、地层测试、计量测试等带来危害。

4 油气藏出砂机理

因气藏与油藏无论是所含流体的性质还是驱动方式都存在着较大的差异，特别是流速、拖曳力、过流面积等。因此，气层出砂与油层出砂机理既有一些相似性，也有着较大的不同。这里主要是对国内学者对于疏松砂岩油藏或气藏出砂机理研究的一些总结。

4.1“渗流砂”的流动

疏松砂岩油藏在开发过程中，因地层本身胶结弱，储层中存在大量细小的、弱胶结的颗粒，这部分颗粒的最大特点是易于启动，即使产量很低的情况下也能够在储层中产生运移，这种原始地层微粒称为“渗流砂”。学者们通过实验研究了“渗流沙”的启动压差与流砂微粒粒径含量间的关系。实验发现颗粒启动压差比较低，即使在0.1MPa的启动压差条件下，这种流砂也会渗流，也就是说这部分微粒的运移是不可避免的。。渗流砂粒径分布范围比较广，微粒集中分布在10～35μm。结合气藏储层的地质特征，估计实际气层中“渗流砂”的含量为3%～4%，甚至更低。不同岩石类型中“渗流砂”颗粒的含量不同。对于“渗流砂”而言，建议在气藏开发过程中让其排出，且尽量逐渐排出，防止渗流砂过多和过快，造成架桥堵塞孔喉，降低产层渗透率。同时通过改善完井方法和射孔方法，改变流场，减少渗流砂集中。

4.2弱胶结附着的颗粒

这部分颗粒绝大部分属于填隙物，包括杂基和胶结物，产状呈分散状和粒间充填；其次是弱胶结的骨架颗粒。如涩北气田储层岩性主要为泥质粉砂岩，骨架颗粒粒径与填隙物粒径呈连续分布，这给气层的防砂和控砂增加了一定的难度，即填隙物颗粒出砂必然削弱骨架颗粒的稳定性，从而形成“蚯蚓”洞。此类颗粒对储层伤害的机理为速敏，通过控制气层的产量，可以防止其对储层的伤害和出砂。但如果遇上与地层不配伍的工作液、碱液或酸液等，势必破壞填隙物的微结构，以及它们与骨架颗粒间的附着力，变为易于运移的砂粒。所以也称为填隙物破坏型出砂。预防弱固结颗粒出砂的办法是，通过对完井、射孔方法的改进，改变流场。控制产层的产量，也是一个有效的办法。可以采用的措施为：①利用屏蔽暂堵技术，在钻井过程中形成快、牢、致密、浅的薄污染层，阻止外来工作液进入储层，或使滤液作用范围尽可能减小；②增强工作液配伍性，减少滤液对侵入带胶结物的破坏，不增加外来沉淀堵塞孔喉。

4.3骨架破坏型出砂

这部分颗粒受制于钻井、完井、射孔等工艺措施的合理性和参数的选择。主要原因是施工过程中外来压力所引起的应力、应变，造成地层变形、滑动，使岩石成为（或部分成为）散砂，引起地层严重出砂，甚至井壁不稳定。影响因素包括以下几个方面：①二次应力场分布；②起下钻波动压力；③高压水射流冲击；④机械扰动；⑤钻井过程中的出砂；⑥射孔过程中的出砂。

4.4砂穴崩落型出砂

对于裸眼井，地层出砂后形成洞穴，其顶部由于失去支撑，且不能形成稳定砂拱，块状脱落造成流砂。对于套管井，地层首先沿射孔孔眼出砂后，形成蚯蚓洞，然后形成小的崩落型洞穴。预防这种类型出砂的办法是减轻弱胶结和骨架颗粒的出砂量，避免它们引起质的变化，形成崩落型出砂。

5 一次性高压充填防砂配套工艺

5.1发展历程

1、涂料砂防砂和复合防砂工艺阶段

1996年开始进行了涂料砂防砂实验，由于常温涂料砂最佳的固结温度在60℃左右，而浅层油田的地层温度一般在50℃以下，造成常温涂料砂固结不好。为提高涂料砂固结强度，1998年针对地层温度较低的情况，引进了地层预清洗后低温涂料砂（30℃就有较高的固结强度）防砂工艺技术，取得了一定效果。但从施工效果看，也存在防砂有效期短的现象，同时由于部分涂料砂在高压充填过程中发生破碎，造成油井堵塞，使防砂无效。1993-1999年共采用低温涂料砂防砂29井次，平均单井年增油754吨，平均有效率76.9%，平均有效期8.5月。

2、以绕丝管管外砾石充填防砂工艺为主的防砂工艺阶段

随着油田开发时间的延长，地层出砂程度加剧，亏空加大，防砂难度增加，单一绕丝筛管防砂工艺难以适应不同井况油井防砂的需要。绕丝管管外砾石充填防砂工艺投产后，取得了良好的防砂效果。1999年开始采用了先进行地层预充填，然后进行绕丝管循环充填的两步复合防砂工艺，1999-2003年共施工117井次，成功率96.6%，有效率86.4%，平均单井年增油974吨，平均有效期34.4月。该工艺技术占井周期长，施工工序复杂，配套车辆及劳务费用高。

3、复合防砂工艺、一次性高压充填防砂工艺阶段

从2003年至今，以复合防砂工艺为主导工艺，同是引进并完善一次性高压充填防砂工艺。

5.2前期一次性高压充填防砂工艺的缺陷

1、充填工具存在缺陷在工具丢手部位，当压力高于25Mpa时，会出现断裂现象，导致丢手困难。充填工具内径小，不能进行大砂比充填；充填工具不能进行循环充填，在施工过程中加完砂不涨时，不能进行环空充填，这样会使环空充填不致密，影响了防砂效果。

2、施工工艺有待完善填砂后反洗井因地层内压力高存在严重的反吐现象，导致大量地层砂进入充填层，降低其渗透率；水携砂液充填砂比小，不能最大程度提高近井地带渗透率和阻止地层砂运移。

5.3一次性高压充填防砂工艺的改进和完善

1、充填工具的改进

（a）增加了丢手部位强度，防止施工过程中压力过高发生断裂而丢手。

（b）工具充填内径由∮38mm更改为∮45mm，防止大砂比充填导致充填工具堵塞。

（c）增加循环充填装置，使一次性高压充填防砂工艺既能进行高压地层充填，又能进行环空循环充填。当高压充填施工末期压力不起时，开套管闸门，对环空进行正循环充填，这样就能达到对地层和环空同时充填的目的。

2、防砂管柱组配的改进

在防砂管柱中增加信号筛管，当高压充填施工末期充填压力不起时，打开套管闸门对环空进行正循环充填砾石，将防砂主体筛管掩埋压实，并逐渐将信号筛管掩埋，充填压力上升，达到对地层和环空同时进行充填的目的。

3、施工工艺的改进和完善

（a）加砂前大排量挤前置液，一是起到类似于压裂造缝的作用，提高加砂量。二是清洗炮眼内及近井地带的地层砂，将其推入地层深处，防止充填过程中地层砂和充填砂相混。

（b）分层充填施工。对层数较多且层间渗透率差异较大的新井进行了多次射孔、多次充填防砂实验，加强对低渗透层改造，提高其动用程度。

（c）采用高性能的羟丙基瓜胶水基溶液作为携砂液以提高携砂比，在高压充填过程中，若砂比过低，油井防砂投产后，随着生产时间的延长，大量地层砂很容易进入充填层并与充填砂相混，会降低近井地带渗透率，产生堵塞。针对这种情况，借鉴BJ公司压裂防砂的先进经验，研究应用了高性能的羟丙基瓜胶水基溶液作为携砂液以提高携砂比，达到抑制地层砂运移，减少地层砂和充填砂相混的机会。

（d）配套采用了高压滑动井口，在充填施工结束后，不用卸井口，直接上提管柱进行带压倒扣丢手，关闭充填通道后，再反洗井，防止了反洗井过程中地层吐砂影响充填效果现象的发生。

5.4认识与评价

一次性高压充填防砂工艺是将防砂管柱及充填工具一次性下入井内，使地层预充填及管内砾石充填一次完成，施工作业周期短，施工简便，减少了配套车辆及劳务费用，成功率高，油井增产显著，防砂效果好。稀酸解堵及负压反排解堵工艺能够解堵油层，提高防砂效果。可作为油田部分油井解堵的主要工艺，应用了高性能的羟丙基瓜胶水基溶液作为携砂液以提高携砂比，达到抑制地层砂运移，减少地层砂和充填砂相混的机会，提高了防砂井产量。分层射孔、分层充填防砂工艺，能使渗透率有差异的各小层得到均衡动用。

6 几点认识

1、地层出砂对生产造成较为严重的影响，出砂机理复杂，防砂困难，应当引起生产单位重视。

2、加强气田出砂机理研究；深入研究地层中气-液-沙三相渗流问题，丰富多相渗流研究内容，指导生产实际。

3、发展一种适合于油井的考虑到动量交换影响的携砂模型。

4、需开展以气体为流动介质的大型出砂实验研究，以检验多相流理论。

5、在具体的防砂处理过程中，应将经验公式法、实验研究和理论预测结合起来，同时从不同的角度提出解决办法，以达到最好的防砂效果。

参考文献：

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