春光油田沙湾组疏松砂岩油藏出砂规律

李春云，刘洪涛，解勇珍，毛为成，李 洲，李晓平

（中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院，河南南阳 473132）

春光油田新近系沙湾组（N1s）储层以细砂岩为主，泥质胶结，胶结疏松，泥质分布不均匀，油层单一且厚度薄；地层出砂严重，泥质和粉细砂含量较高，防砂难度大。出砂是制约疏松砂岩油藏高效开发的重要因素之一[1-4]。地层出砂受多种因素影响，同时存在多种形式[5]:一是由于岩石内颗粒固结弱或没有固结，形成“流砂或半流砂”；二是弱胶结附着的颗粒，易产生速敏性出砂；三是骨架颗粒破坏性出砂。本文通过对春光油田沙湾组不同单元储层岩石力学参数计算，利用综合疏松指数对储层岩石胶结类型进行细分，明确了不同单元的出砂机理和出砂规律；同时根据砂岩油藏三种微观出砂机理[6]，考虑储层非均质性，建立了沙湾组疏松砂岩油藏岩石颗粒的受力模型和储层出砂过程的微观动态模型，研究出砂规律和出砂形态，为防砂工艺参数优化提供依据。

1 疏松砂岩油藏出砂特征

根据春光油田沙湾组砂岩粒度分析数据和地层砂粒径分类标准，开展了不同开发单元地层砂粒径中值的统计和油藏出砂特征的分析。

1.1 砂粒度分析

沙湾组岩心砂粒度中值为0.15～0.35 mm，主体约为0.25 mm（图1），平均约为0.24 mm；均匀系数为1.98，细粉砂岩含量较低，属于均匀中细砂或中粗砂。

沙湾组的产出砂主要来自于未防砂井或防砂水平井的二次出砂，产出砂粒度中值为0.10～0.30 mm，主体为0.15～0.25 mm，平均约为0.23 mm；均匀系数为1.68，细粉砂岩含量较低，属于均匀中细砂或中粗砂。

沙湾组产出砂粒径及均匀系数与岩心砂基本一致，说明在不防砂的情况下出砂严重，骨架砂遭受破坏，导致接近岩心砂组分的地层砂全部产出。

图1 沙湾组储层岩心砂与产出砂粒度中值对比

1.2 不同含水阶段油井出砂状况分析

受强边水影响，春光油田沙湾组储层含水不断上升，油井见水后，出砂加剧，持续跟踪分析不同时间、不同含水阶段地层出砂情况。经统计发现，含水上升后，油井多轮次出砂，出砂粒径逐渐变小（图2）。分析其原因主要为:①储层胶结疏松，含水上升，岩石强度降低，含水大于40%时，岩石强度下降60%；含水大于80%时，岩石强度下降70%；临界流速降低，同样采液强度下，会加剧出砂。②储层泥质含量高，平均10%～15%，最高达23%，含水上升引起泥质细粉砂分散运移堵塞，从而造成防砂失效井占比为69.1%。

2 不同单元岩石固结类型及出砂机理

2.1 疏松砂岩岩石力学特征

图2 排2 区块N1s1组不同含水阶段与出砂粒径关系

使用纵波时差及密度测井资料对春光油田沙湾组各个单元进行岩石力学参数计算，沙湾组储层岩 石杨氏弹性模量为5 000.0～12 000.0 MPa，且各单元间差异明显，各单元储层岩石内聚强度为0.9～3.3 MPa，内摩擦角约25.9°。由图3 可知，春光油田不同单元储层岩石抗压强度为8.0～17.5 MPa，抗拉强度为1.8～2.6 MPa，岩石强度弱，容易出砂。

图3 沙湾组不同单元储层岩石强度对比

2.2 储层岩石固结类型划分

砂岩储层岩石类型划分依据包括孔渗参数、岩石强度、胶结物含量等参数，为了定量划分砂岩储层岩石类型，提出了划分方法和技术界限指标，并利用综合疏松指数（S）进行综合判断。综合疏松指数的计算公式如下:

式中:S 为综合疏松指数，无量纲；k 为岩石渗透率，μm2；φ 为岩石孔隙度，小数；oC 为岩石内聚强度，MPa；cE 为岩石杨氏模量，104MPa；cV 为岩石的泥质含量，小数。

将砂岩储层按岩石固结程度划分为五类，分别为强固结储层、中固结储层、弱固结储层、半流砂储层和流砂储层。砂岩储层固结类型定量界定指标见表1。

将所有参数进行计算后绘制成图（图4），由图可知，春光油田储层固结类型包括中固结储层、弱固结储层和半流砂储层三类，其中以弱固结储层和半流砂储层为主，分别占总数的48.44%和37.50%，中固结储层仅占总数的14.06%。

2.3 不同固结程度储层微观出砂机理

针对春光油田沙湾组岩石胶结类型，提出了类蚯蚓洞和连续垮塌两种微观出砂机理，并对储层出砂机理进行计算，分析沙湾组不同单元出砂机理。

表1 砂岩储层固结类型定量界定指标

图4 沙湾组不同层位储层综合疏松指数展布

2.3.1 类蚯蚓洞出砂机理

类蚯蚓洞出砂机理适用于砂岩油藏弱固结储层。对于弱固结储层，孔隙多为粒间孔隙，渗透性好，产量高，所以在砂岩油藏开采过程中，储层中流体流速高，对岩石颗粒的拖拽力大。储层流体流动产生的拖拽力首先将流通通道中的填隙物（多为黏土）和一定粒径未固结的岩石颗粒（游离砂）携带进入井筒；弱固结储层的大部分岩石颗粒胶结性差，固结强度低，流通通道畅通后，流体流速更高，对岩石颗粒的拖拽力更大，流通通道壁上的部分固结砂粒，在流体拖拽力作用下也将被剥落下来，随流体流入井筒；弱固结储层的部分固结岩石颗粒从固结强度薄弱点开始被剥落后，将沿着流通通道壁开始延伸，而剥落的一定粒径的岩石颗粒被储层流体携带进入井筒后，流通通道成为高渗透带，储层中逐步形成类蚯蚓洞的出砂形态。所以，弱固结储层的出砂为岩石颗粒被剥落和固液耦合多孔介质流动的过程。

2.3.2 连续垮塌出砂机理

连续垮塌出砂机理适用于砂岩油藏半流砂储层和流砂储层。对于半流砂储层和流砂储层，储层中流体流速低，对岩石颗粒的拖拽力小。流砂储层（未固结储层）的填隙物含量很少，岩石颗粒之间多呈凹凸状或缝合线状镶嵌在一起，流体的拖拽力很难携带这些镶嵌在一起的岩石颗粒。当套管射孔后，炮眼周围的岩石颗粒将垮塌，破坏岩石颗粒之间的镶嵌结构，地层流体可以携带一定粒径的岩石颗粒通过炮眼流入井眼，从而引起储层继续垮塌。随着岩石颗粒的不断垮塌，出砂量越来越大，在垮塌区围绕炮眼形成砂拱；半流砂储层和流砂储层的出砂为未固结岩石颗粒连续发生垮塌，砂拱稳定，近井储层逐步向外被掏空的过程。

通过对春光油田沙湾组储层出砂机理进行统计分析（表2），沙湾组储层整体出砂机理以类蚯蚓洞出砂为主，部分存在连续垮塌出砂机理。其中，排2井、排206-斜15 井单元出砂机理以类蚯蚓洞出砂机理为主；排2-30 井、排8 井、春133E 井单元出砂机理多为类蚯蚓洞出砂或连续垮塌出砂机理。

3 疏松砂岩储层微观出砂规律

储层出砂是一个非常复杂的固液流动过程。根据微观出砂机理或过程分析，储层出砂必须满足如下三个基本条件:①砂粒必须具备从岩石骨架或基质上剥落的条件，或者砂粒原本以游离砂形式存在；②砂粒从砂源地（即砂粒原始存在的地方）到井筒，必须具有比自身尺寸大的产出物理通道；③砂粒在产出通道中必须能达到被流体携带的条件。

3.1 出砂微观模型建立

为了模拟砂岩油藏的微观出砂形态，建立砂岩油藏出砂过程的物理模型和数学模型[7]。在砂岩油藏开发过程中，骨架砂的剥落首先从流通孔道壁面上最薄弱处开始。

表2 沙湾组不同单元储层出砂机理统计

在模拟砂岩油藏出砂过程时，砂粒粒径设置为0.10～10.00 mm，根据测井数据设置骨架砂在纵向上的固结强度，而骨架砂在横向上的固结强度是随机的；同时由测井资料确定砂岩油藏强度的非均质性，并在模拟砂岩储层出砂的过程中，考虑产量流速、黏度和地应力等因素的影响。通过对砂粒的微观受力分析，判断流通通道中的游离砂是否被运移，骨架砂颗粒是否被剥离及被流体运移。

3.2 出砂规律分析

选取具有代表性的半流砂储层的春110E 井为例（储层有效厚度共2.2 m），根据岩石内聚强度随井深变化情况进行出砂形态模拟（图5）。

在出砂初期，各个射孔段均匀出砂（图5a）；到出砂中期，内聚强度较低的储层由于岩石颗粒胶结性差，固结强度低，出砂速度明显加快（图5b）；在出砂中后期，随着内聚强度低的储层岩石颗粒不断剥落，成为高渗透带，近井出砂区域逐步扩大，前端呈类似蚯蚓洞状扩展（图5c）；储层最终出砂形态呈现明显的纵向及平面非均质性（图5d）。

微观出砂形态模拟结果表明，对于弱固结或半流砂储层，出砂总是先从射孔孔眼外部开始，呈类蚯蚓洞状沿弱固结方向扩展；储层出砂趋势呈现明显的纵向及平面非均质性，其规律取决于测井资料体现的岩石强度的非均质性；储层厚度越大，由测井资料决定的非均质性越明显，最终出砂剖面的非均质性越强。

4 结论与认识

（1）春光油田沙湾组各单元储层固结类型可划分为中固结储层、弱固结储层和半流砂储层三类，其中以弱固结储层和半流砂储层为主，出砂严重。

（2）春光油田沙湾组疏松砂岩出砂机理以类蚯蚓洞状为主，部分存在连续垮塌出砂机理，防砂难度大。

（3）微观出砂形态模拟结果表明，对于弱固结储层或半流砂储层，出砂总是先从射孔孔眼外部开始，呈类蚯蚓洞状沿弱固结方向扩展；储层出砂趋势呈现明显的纵向及平面非均质性。

图5 春110E 井沙湾组储层出砂形态模拟

[4] 吕广忠，张建乔，孙业恒.疏松砂岩油藏出砂机理室内实验研究[J].石油钻采工艺，2005，27（5）: 63-66.

[5] HOLT R M，KJOLAASBB J，LARSEN I，et al.Comparison between controlled laboratoryexperiments and discrete particle simulationsof the mechanical behavior of rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2005，42（7/8）:985-995.

[6] VAZIRI H H, XIAOB Y, ISLAMB R, et al.Physicalmodeling study of the influence of shale interbedsand perforation sequence on sand production[J].Journal of Petroleum Science and Engineering, 2003，37（1/2）:11-23.

[7] PAPAMICHOS E, VARDOULAKIS I, TRONVOLL J, et al. Volumetric sand production model andexperiment [J]. International Journal for Numericaland Analytical Methods in Geomechanics，2001，25（8）:789-808.