[科普中国]-出砂预测

出砂

出砂是指油气水井在生产过程中，由于生产压差过大、砂岩油气层岩石胶结疏松等原因，使地层砂流入井筒，堵塞油气通道，造成油气井停产的现象。

石油工业中，油井生产出砂是个普遍性问题，而且油井生产出砂问题的研究十分困难，原因是：

①无法直接观测出砂过程。油田开发在地层深处进行，在地面无法直接观测；

②岩石力学性质(rock mechanical properties )复杂。地层岩石的力学性质可能在较大范围内变化，地层深部取心不但花费昂贵，而且也有一定的偶然性、局限性，如地层深部的含水率、温度和压力条件在地面上难以保持，而这些因素对地层岩石的力学性质有很大影响；

③储层条件复杂。随着生产的进行和各种增产措施的实施，使储层变得十分复杂，这也给研究出砂机理带来困难。

④油井出砂影响因素多。油井出砂受许多复杂因素的影响，如；地质条件、岩石力学性质、生产参数等；

在一口井最终完成之前以及在其生产过程中，准确地预测其是否出砂是至关重要的，因为无论采取何种防砂措施费用都会很高，所以不必要的采取防砂措施，不仅使生产费用增加，而且污染油气层，降低生产效率。 但是对那些因出砂而被放弃或不能继续开发的井，采取防砂措施又是使油井成为有开采价值的唯一方法。

出砂危害油、气井出砂是石油开采遇到的重要问题之一。每年要花费大量人力物力进行防治和防砂(sand control )研究。出砂给生产带来的危害可概括为以下三类：

(1)井下、井口采油设备的磨损和腐蚀

产液中带砂使各种采油泵、管线受到磨损，大大缩短了它们的寿命。对于输油管线由于砂粒磨损加快了腐蚀速度；

(2)井眼稳定(borehole stability )问题 由于出砂使井眼失稳而导致套管挤毁、油井报废。通过对胜利油田某疏松砂岩区块资料分析发现：随着出砂的加剧和原地层压力的降低，套损井逐年增加，疏松砂岩储层油井套管(casing)损坏严重，总数已占10%以上，个别区块已达30%以上。

（3）出砂会导致减产或停产作业油井出砂磨损泵筒与柱塞，降低泵效，甚至损坏采油泵，造成油井减产或停产。

影响因素影响油井出砂的因素很多，概括起来可分为三大类：

①地质力学因素，包括：原地应力状态（垂直地应力与原始水平地应力）、孔隙压力、原地温度、地质构造等；

②砂岩储层的综合性质：井深、砂岩的强度和变形特征、孔隙度、渗透率、泄流半径、流体的组成（油、气、水的含量及分布等）、粘土含量、岩石组成、颗粒尺寸和形状及压实情况等；

③工程因素，包括完井类型、井身结构参数（井深．井斜、方位、井径）、完井液的性能、增产措施（压裂、酸化等）、生产工艺参数（流速、生产压差及流量）、油层损害（表皮系数增大）、放油或关井方案、人工举升技术、油藏衰竭、累计出砂量等。

这些因素和参数相互作用、相互影响、使研究出砂问题变得十分复杂，对某一油田，只凭现场经验很难决定哪些因素是地层出砂的主要因素。

发展历程出砂预测方法的研究走过了漫长的发展道路。初期是通过岩心、初始动态等生产资料进行预测,这是出砂预测方法发展的第一阶段。经过对岩石性质如弹性模量、剪切模量等的认识,找出了一个地区不出砂的岩石特性临界值来预测出砂,这是出砂预测方法发展的第二个阶段,其较为著名的方法就是组合模量法和斯伦贝谢法。20世纪80年代以后,出砂预测向实验室模拟研究[1]和数值计算方向发展,从前两个阶段的定性研究转向定量的研究,可以得出油气井不出砂的产量或生产压差临界值。这是出砂预测的第三阶段。

出砂预测模型的发展历史较短。Stein首先引入了第一个重要的技术概念,他将地层的剪切强度与油井出砂联系起来,利用声波测井及密度测井数据建立出砂井与分析井生产状态之间的联系[2]。此法的局限性在于油井必须进行完井与试验,要求大量地出砂后才能获得可靠的数据,而未考虑油藏

压力衰减及产水的影响,并假定不存在油层损害,故其结果只能反映生产中的瞬时问题而无法预测油井是否出砂。Tixier等人采用类似于Stein的方法,用测井资料分析评价当前生产状态下的油井出砂[3],该方法的主要缺陷是只能判断油井是否出砂,不能给出定量结果,故无法计算最大的无砂产油速度。后来,Coast等人提出“砂岩强度”测井模型,它利用莫尔圆应力分析的方法描述了出砂的可能性与井眼应力状态之间的关系[4],可用于产水量不大的油井出砂预测。沈琛等利用三轴试验提出了弱胶结砂岩油藏岩石破坏准则及出砂预测方法[5]。

出砂预测的方法很多,常见的有现场预测法[6]、经验公式及经验图表法、实验室法、理论分析模型以及出砂预测的神经网络法等。1

出砂预测方法现场预测法1、岩心观察

用肉眼观察、手触摸等方法判断岩心强度,若存在下列情况之一则属易于出砂:①一触即碎;②停放数日自行破裂;③用指甲可以在岩心上刻痕;④用水或盐水浸泡,岩心松散破坏。

2、岩石胶结

油层出砂与岩石胶结物种类、数量和胶结方式有着密切的关系。砂岩的胶结物主要有粘土、碳酸盐、硅质和铁质等,以硅质和铁质的胶结强度最大,碳酸盐次之,粘土最差。对于同一类型的胶结物,其数量越多,胶结强度越大,越不容易出砂,反之亦然

3、综合测井法

现代测井技术给出了丰富的井下地层信息,利用测井资料和生产测试资料预测井的出砂是较好的方法。霍树义等利用测井资料对出砂层位进行预测,利用声波时差和密度测井等获得岩石的强度,据此预测油井生产时是否出砂。

4、试井法

对同一口井在不同时期进行试井测试,绘制渗透率随时间的变化曲线,从渗透率的变化来判断油井是否出砂。

经验法及经验图表法1、出砂指数法

出砂指数法未考虑射孔及产液对岩石颗粒拖曳力的影响,出砂指数临界值是根据经验得出来的,它是多种因素影响的结果。不同油田的出砂指数临界值是不一样的,它可以由测井资料计算。因此,该方法在一定程度上得到了应用。根据德莱赛公司介绍,采用英制单位时,出砂指数大于3为不出砂;出砂指数小于2为出砂;出砂指数为2～3时是少量出砂。

2、斯伦贝谢法

斯伦贝谢法主要考察剪切模量与体积模量乘积,石油勘探开发科学研究院应用此方法,将二者的乘积定为5.9×107MPa作为判断是否出砂的定量指标(临界门限值)。

3、斯伦贝谢比

斯伦贝谢比值越大,岩石强度大、稳定性好、不易出砂,反之易出砂。

4、声波测井法

声波测井法测出的声波时差值同岩石的孔隙度有良好的对应关系。较小的声波时差,代表低孔隙度、坚硬、高密度岩石;较大的声波时差值,代表高孔隙度、松软、低密度岩石。通过出砂井的对比,可以得出其出砂临界值。

5、地层强度法

预测出砂应考虑地层岩石的强度,可以通过剪切强度与生产压差比较来确定某井的临界生产压差。20世纪70年代初,Exxon公司开始寻求二者之间的关系,发现当生产压差是岩石剪切强度的1.7倍时,岩石开始被破坏并出砂。

6、双参数法

以声波时差为横轴,生产压差为纵轴,把数口井

的时差、压差数据点绘在坐标图上,则出砂井数据点形成一个出砂区。要把预测井的数据点绘在同一坐标图上,若落点在出砂区则该井出砂,否则不出砂。

7、多参数法

建立一个出砂井与深度、开采速度、生产压差、采油指数、泥质含量、含水率等的判别函数,用该函数判别油井是否出砂。

实验室试验法1、岩心实验模型

在模拟井下温度、压力、产液量、生产压差下用大、小岩心进行模拟试验。大岩心实验所用的岩心直径为102～245mm、长度为204～506mm,流体流量200mL/s左右。用这种岩心进行破坏实验,可测定岩心破坏应力。若岩心破坏应力大于近井筒垂直有效应力,则地层出砂,否则不出砂。该方法考虑了射孔的影响,国内外应用较多,典型的有厚壁圆柱筒简化模型。

在无法取得大岩心的条件下,可以采用常规小岩心模拟出砂试验。该方法的缺点在于未考虑射孔的影响,预测结果不够准确。

2、室内模拟实验

该方法的模拟对象是采油井井壁炮眼处的地层小单元,实验样品为制作成圆柱型的油层实际岩样。模型有两种类型,一种适用于低压试验,便于反映出砂状况;另一种适用于高压试验,可以模拟改变各种生产工艺参数对出砂状况的影响。该方法在埕岛油田出砂预测中取得较好的结果。

3、三轴试验及破坏模型

用三轴实验对弱胶结地层的变形破坏性质进行试验研究,建立了极限塑性变形破坏准则。通过流体—固体力学耦合计算建立炮孔出砂的预测模型。

4、其他室内试验模型

斯伦贝谢采用了一个简单、易于监测的出砂试验系统,可分别改变单个变量,考察对出砂的影响。1992年,壳牌公司采用岩石岩样尺寸为0.7m×0.7m×0.81m进行了大型出砂实验室试验,目的是研究应力和流速对出砂的影响。试验装置可以模拟三维地应力、孔隙压力等。2

技术手段1、测井技术

测井技术作为认识和识别油气层的重要手段,在出砂预测中具有重大意义。声波测井资料获取方便,是广泛应用的出砂预测方法。

21世纪初的10a内,测井领域重点发展的关键技术有成像测井、核磁共振测井、超声多参数工程测井、井间声波/电磁成像测井、随钻测井、过套管测量地层电阻率测井以及仪表化油田技术与测井信息处理和解释一体化技术等。中国自1947年玉门油矿自制第一台半自动测井仪以来,至今已开发了电磁波传播测井仪、自然伽马能谱测井仪和超声成像测井仪等高科技测井仪器。

2、󰀁数据挖掘技术

数据挖掘技术是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的和随机的实际应用数据中,提取隐含在其中的、事先不知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程;它是通过预测未来趋势及行为,做出前摄性的、基于知识的决策;其目标是从数据库中发现隐含的、有意义的知识,主要具有自动预测趋势和行为、关联分析、聚类、概念描述和偏差检测5类功能。目前,该技术常用的方法有人工神经网络、决策树、遗传算法、近邻算法和规则推导等。

3、󰀁试验模拟技术

中国关于研究和预测油井出砂的工作起步于20世纪90年代初,在防砂工艺研究方面取得了较大成绩,但在试验预测研究方面却无大的突破。胜利油田的王建等以采油井井壁炮眼处的地层小单元作为室内出砂模拟试验的对象,建立了适用于低压试验且便于直观地反映出砂状况的模型Ⅰ,以及适用于高压试验并可模拟各种生产工艺参数的改变对出砂状况的影响的模型Ⅱ;同时考虑了含水率、过液量、过液强度和环压改变等因素对样品出砂状况的影响,并通过岩石力学分析来判断出砂类型(自由砂或骨架砂)。