海上油气井出砂防治与管理现状分析

邱浩，文敏，曹砚锋，范志利，王彬，闫新江 (中海油研究总院有限责任公司， 北京 100020)

油气井出砂问题是油气田开发急需解决的难题之一，其危害主要表现在造成井下及地面设施的磨损、堵塞甚至砂埋等问题的产生，引起在役油气井的减产或停产，极端情况下会造成套管挤毁，并最终导致油气井报废[1,2]。此外，油气井出砂还可能伴随井控风险及环境污染等灾难性事件的发生[3]。因此，如何保证油气田全寿命周期内出砂防治与管理的有效性，一直以来是世界各大油公司普遍关注的问题。

1 海上油气井出砂现状

根据最新的统计数据，目前中海油大约有18个油气田存在出砂问题，主要分布在渤海海域、南海西部和东部海域。三大海域在役井的总数约3800余口，其中约200口井存在不同程度的出砂问题，即出砂井的井数占在役井总数的5.3%，由此表明中海油针对海上油气井出砂防治工作的整体效果较好，与其长期以来在油气井出砂防治技术方面所做的大量研究和实践探索息息相关[4]。

虽然目前海上存在出砂问题的油气井数较少，但出砂的油气井在渤海海域、南海西部和东部海域均有分布，并且考虑到海上在役井的总井数相对较少，每一口井对保证油气田产量方面都具有重要意义。因此，为了加强海上在役井的后期生产管理，避免或尽可能降低出砂井的产生概率，中海油急需开展海上油气井出砂防治与管理改进方面的研究工作。

为了有效避免出砂给油气井正常生产带来的不利影响，工作重点在于油气井的出砂原因分析，找到出砂风险的识别方法，并根据识别结果，有针对性地开展油气井出砂的预防并制定治理改进措施。油气井出砂管理是一项系统的工程，内容包括油气井早期防砂设计和防砂施工、后期生产制度管理、出砂风险识别、出砂监测及出砂治理等，即油气井的出砂防治与管理工作伴随其全寿命周期[5]。

2 海上油气井出砂原因分析

油气井是否产生出砂问题涉及的影响因素有多种，如储层沉积相、构造类型、泥质含量、流体物性、防砂完井方式、筛管类型、防砂工艺、生产工作制度调整等。将这些影响因素进行归类，主要分为地质因素、完井因素和生产管理因素3大类。针对出砂井的出砂原因分析，也主要从以上3个方面的影响因素予以展开。通过对目前海上所有出砂井的出砂原因分析发现，由地质因素和完井因素造成出砂的油气井数相对较少，而由于后期不合理的生产制度管理导致出砂的油气井数相对较多，从而说明相对于地质因素和完井因素而言，油气井后期不合理的生产管理是导致出砂的更重要因素。

2.1 地质因素

油气井产生出砂问题的首要条件是地层出砂，造成地层出砂的地质因素包括储层构造、沉积相、岩性、岩石胶结类型、胶结物种类、黏土矿物成分、泥质含量、储层流体类型等[6,7]，这些影响因素属于客观存在的内在因素，主要通过岩石强度和粒度分布2个方面来影响出砂风险的大小。岩石本身强度较低、储层见水造成岩石强度降低[8,9]或开发中后期储层压力衰竭造成岩石所受有效应力增加等，这些因素均会增加储层岩石的出砂风险。如果地层砂的粒径过小，海上常用的机械防砂介质也不能有效挡住地层出砂，从而产生油气井出砂问题。

图1 南海某气田2口出砂井全寿命出砂预测成果图

南海某气田目的储层的岩石强度较低(单轴抗压强度约10～15MPa)、地层砂粒径较小(D50分布在70～110μm范围内)且细粉砂体积分数也比较高(约为36%)，因此气井均采用优质筛管进行防砂。该气田开发中后期出现储层压力衰竭，部分气井井底流压与地层压力曲线超出安全三角区(见图1)而产生出砂问题，后期通过限制出砂井的生产压差，即可达到控制气井出砂的目的。因此，分析认为，该气田出砂的原因为岩石强度较低、后期储层压力衰竭增加部分气井的出砂风险，且地层砂的粒径偏小，使优质筛管不能有效挡住部分地层砂而产生出砂问题。

2.2 完井因素

完井因素主要分为油气井防砂设计和防砂作业2个方面的因素，其中防砂设计包括防砂方式选择、挡砂精度、防砂参数和防砂筛管设计等，而防砂作业因素主要包括作业中是否造成筛管损坏、充填效率是否满足充填作业要求、充填滑套是否关闭等内容。如果防砂设计阶段储层地质油藏资料不全或设计人员对储层地质油藏资料的认识不够全面，从而造成油气井的防砂设计不合理或防砂作业过程不满足相关的作业规范、破坏防砂管柱的结构完整性，这些因素均会导致油气井产生出砂问题。

如渤海某油田3口砾石充填防砂井G6H井、G7H井和G24H井，投产不久即产生出砂问题，检泵冲砂作业中发现泵吸入口存在陶粒粘附现象、返出的砂粒也以陶粒为主，而且作业中发现防砂管柱上的充填滑套处于打开状态，从而说明这3口井的出砂原因是防砂作业结束后充填滑套未关所致。通过相关作业关闭充填滑套后，3口井均停止出砂，恢复正常生产。

2.3 生产管理因素

通过对海上出砂井的出砂原因分析，发现油气井后期不合理的生产制度管理是导致油气井出砂更重要的因素，这些不合理的生产管理制度包括频繁调整工作制度、大幅度提液、放大生产压差等。不合理的油气井生产管理主要通过改变井筒附近的地层应力场或破坏筛管外的自然砂桥2种途径[10，11]来增加油气井的出砂风险。除此之外，不合理的生产管理制度还可能造成油气井防砂筛管的完整性破坏，从而直接导致油气井防砂失效而出砂。油气井生产阶段，防砂筛管完整性破坏的常见形式包括冲蚀破坏和挤压变形破坏2种类型。

2.3.1 筛管冲蚀

由于长期受到含砂流体的作用，筛管局部出现冲蚀破坏，最终导致防砂失效的现象普遍存在[12]。油气井正常生产情况下筛管不发生泥质堵塞，产出流体均匀通过筛管，则一般不会发生筛管的冲蚀破坏。只有当筛管的部分区域出现堵塞后，流体就会从未堵塞区域通过，从而形成局部供液“热点”，流体通过局部“热点”的流速增大，造成筛管的冲蚀破坏。

筛管的冲蚀速率既受到筛管本体因素(如筛管的材质和结构)的影响，又受到外部条件的影响，如含砂流体冲蚀速度、冲蚀时间、含砂浓度、砂粒直径等。中海油依托国家重大专项，针对筛管冲蚀开展了大量的试验研究。通过改变筛管冲蚀试验中的外部条件，得到大量筛管冲蚀的试验结果，拟合建立了筛管冲蚀的质量磨损率与流体速度、砂粒粒径、砂粒浓度等参数之间的数学模型，如式(1)所示：

(1)

式中：ms为筛管冲蚀的质量损失，%；D50为砂粒粒度中值，μm；c为砂粒浓度，%；v为流体冲蚀速度，m/s；t为冲蚀时间，s；K为拟合常数，1；i、j、n为拟合指数,1。

针对渤海某油田出砂井的筛管冲蚀分析，假设地层产出液的含砂量和含砂粒径均为定值，对通过试验数据建立的筛管冲蚀模型进行简化，得到筛管冲蚀程度C值的计算模型：

C=vn·t

(2)

C值表征含砂流体的冲蚀作用程度，当C值达到某一临界值Ccritical时，说明筛管发生了由冲蚀造成的完整性破坏。根据筛管冲蚀程度C值计算模型，结合该油田的出砂井及邻近未出砂井的历史动态生产数据和井下筛管柱结构参数，计算得到各井的筛管冲蚀程度C值，如图2所示。

从图2可以看出，邻近未出砂井C值均要明显低于出砂井C值，说明C值在表征筛管冲蚀程度方面具有较好的预警性，可取出砂井C值中的低值作为评价该油田井下筛管是否发生冲蚀破坏的临界值Ccritical=0.18。除此之外，图2中出砂井对应C值的差异较大，主要由于式(2)筛管冲蚀的简化模型假设了地层流体含砂量和含砂粒径均为定值(仅考虑了筛管冲蚀速度和冲蚀时间)，而不同出砂井实际筛管冲蚀过程中流体含砂量和含砂粒径不完全相同。

2.3.2 筛管变形

油气井工作制度的调整、提液生产，造成地层压力降低、生产压差增大，以及生产中储层见水造成岩石强度降低，这些因素均会增加井筒附近地层岩石的出砂风险。地层岩石出砂后，产出砂的细颗粒在地层流体的携带作用下积聚在筛管的挡砂介质(金属棉或网布)外堵塞筛管，从而使较大的生产压差直接作用于筛管的挡砂介质。筛管的挡砂介质在生产压差的挤压作用下发生变形、错位，造成筛管的挡砂精度增大，甚至当生产压差增大到一定程度后直接造成筛管挡砂介质的挤毁，并最终导致油气井防砂失效而引起井筒出砂。

南海某油田出砂井B27H井采用优质筛管的防砂方式，出砂前的历史动态生产曲线如图3所示。从图3可以看出，B27H井投产初期的生产压差经过2次快速放大、增加至6.5MPa左右，生产约2a的时间后产生严重的出砂问题。因此，分析认为B27H井是由于投产初期生产压差快速增大，造成井下筛管的挡砂介质发生变形损坏而导致生产出砂。

图3 南海某油田出砂井B27H生产曲线图

3 海上油气井防砂及出砂治理技术体系

图4 油气井防砂及出砂治理技术体系内容概况图

基于油气井出砂原因分析过程中得到的相关规律性认识，并结合海上油气井有效的生产管理措施，编制形成了《海上油气井防砂及出砂治理技术体系》，内容涵盖了油气井防砂设计、防砂施工、后期工作制度调整、出砂监测、出砂治理等油气井的全寿命周期，如图4所示。《海上油气井防砂及出砂治理技术体系》是中海油应对海上采油采气井出砂防治问题的第一部系统化技术体系，为海上油气井防砂设计、防砂施工、后期生产制度管理、出砂监测、出砂治理等方面提供了明确的设计要求及技术指导。

相对于地质因素和完井因素而言，海上油气井后期不合理的生产制度管理是导致出砂的更重要因素。因此，海上油气井出砂防治的工作重点应放在油气井的生产管理阶段。在油气井生产过程中对其出砂动态进行监测，及时了解海上在役井的出砂时机，方便及时采取合适的应对措施，使油气井达到最佳的生产状态。针对油井而言，现场通常采取井口取样化验的方式，实现对产出液含砂量的定期监测。考虑到气井出砂可能会造成更严重的冲蚀磨损问题，现场通常采用在线监测仪对气井出砂量进行实时监测。由于井口取样化验的监测方法存在取样量少、代表性差、监测结果滞后、不连续、操作难度大等缺点，中海油亟待开展油气井出砂在线监测的技术研究，实现在线监测设备的国产化，并推广应用于海上在产的油气井。

处于正常生产状态的油气井应尽量避免频繁的工作制度调整并合理控制生产压差，当确实需要调整工作制度时，调整前需要进行油气井的出砂风险评估。同时根据油气井在线监测的出砂情况，将在役的油气井划分为未出砂井、间歇出砂井和连续出砂井3大类。连续出砂井需要重点关注，出砂风险排查的频率应相对较高，间歇出砂井和未出砂井的出砂风险排查频率可以适当降低。出砂风险分析方法主要包括筛管冲蚀分析和筛管变形分析2种，具体分析方法如上所述。除此之外，在修井措施或关井复产后、油井产液量出现异常等情况下也需要及时进行出砂风险评估。

4 结论及建议

1)油气井出砂原因分析是一项全面而系统的工作，需要结合储层地质油藏条件，从油气井前期防砂设计、防砂作业及后期生产制度管理等多方面进行全方位的分析。

2)基于对海上出砂油气井出砂原因的全面深入分析，并结合海上在产油气井的有效生产制度管理，编制形成了《海上油气井防砂及出砂治理技术体系》，对海上油气井出砂防治各环节提出了明确的设计作业要求和技术指导。

3)出砂在线监测能实时准确地获取海上油气井的出砂信息，方便及时采取有针对性的预防治理措施，建议开展实时出砂监测技术及设备的研发推广，实现出砂在线监测产品的工业化应用。筛管冲蚀损坏是海上油气井常见的防砂失效形式，为了提高现有冲蚀模型的准确性，并有效地推广应用至其他油气田，建议开展筛管冲蚀深入的理论研究和全尺寸试验研究。