胡南，夏宏泉

（1．西南石油大學應用技術學院，四川 南充637000；2．西南石油大學石油工程測井實驗室，四川 成都615000）

0 引 言

隨著油氣田勘探開發(fā)步伐逐漸加快，產層出砂已成為困擾油氣井生產的重要問題之一［1］。油氣井出砂的預測基本上都是采用出砂指數或斯倫貝爾比等經驗參數，主要適用于中淺層。深儲層由于壓實作用強，巖石致密且穩(wěn)定性好［2］，其特點與中淺儲層不同，以往用于中淺層出砂預測的經驗值或判別標準已不能滿足深油氣層的出砂評價需要。本文從產層出砂機理分析入手，結合現(xiàn)有的出砂指數和斯倫貝爾比等出砂評價指標，借助測井資料計算臨界生產壓差、斯倫貝爾比、出砂指數等參數，并對其進行標準化處理，消除了不同產層埋深的影響。提出了一套適用于淺層、中深層及深層的出砂判別新標準，該標準已成功應用于塔里木油田庫車地區(qū)E—K系深氣層的出砂評價。

1 產層出砂機理分析

1．1 巖石力學角度主要分為剪切破壞和拉伸破壞

井眼以及射孔后炮孔周圍的巖石所受的應力超過巖石本身的強度，使地層產生剪切破壞，從而產生了破裂面。破裂面降低了巖石的承載能力，使巖石進一步破碎和向外擴張。由于產液流動的拖曳力［3］，將破裂面上的砂子攜帶出來，造成突發(fā)性出砂，嚴重時會砂埋井眼，造成油氣井報廢，其嚴重程度與生產壓差的大小密切相關。

產層流體的流動使作用于炮孔周圍的地層顆粒上的拖曳力過大，炮孔壁巖石所受徑向應力超過其本身的抗拉強度，部分顆粒脫離母體而導致出砂。無論是單向拉伸還是處于復雜應力狀態(tài)，只要巖石所受的最小有效主應力達到其抗拉強度，巖石即發(fā)生拉伸破壞而導致出砂，其嚴重程度與開采流速及液體黏度的高低有關［3］。

氣層和油層流體性質的差別較大，氣體的密度和黏度等物性參數要小于油，氣層的流體流動所產生的拖曳力遠遠小于油層，故從上述地層破壞機理分析，氣層出砂的可能性要小于油層。

1．2 巖石強度及生產壓差

油氣井的出砂現(xiàn)象也可從巖石強度參數和生產參數上加以解釋。常見的預測產層出砂的巖石強度參數有斯倫貝爾比和出砂指數，其值越小，表明地層巖石強度越低，產層巖石越容易受到破壞而出砂，這是產層出砂的內因。

常見的生產工程參數主要是生產壓差和臨界生產壓差。當生產壓差過大并超過其臨界生產壓差時，孔隙流體拖曳力超過了巖石抗剪強度，導致巖石發(fā)生剪切破壞和張性拉伸破壞，這是產層出砂的主要外因；而生產壓差過小，則生產速度過低、產能降低。從節(jié)約成本和安全生產的角度，臨界生產壓差計算準確與否將直接影響油氣生產井的質量以及后期的生產作業(yè)等。

埋藏較深的氣層由于其特殊的形成條件，使得其地層巖石強度大于淺層，即地層更穩(wěn)定，不易出砂；但異常高壓氣層生產時需要較大的生產壓差，這是導致深氣層出砂的主要原因。

2 出砂評價參數計算及新標準的建立

2．1 出砂評價參數計算

2．1．1 臨界生產壓差

根據巖石破壞理論，巖石所受的綜合應力大于其極限強度時會引起巖石結構發(fā)生破壞，導致地層出砂［4］。對于任意角度的定向井，其防砂判據為

如果式（1）成立，表明在生產壓差Δps下井壁巖石是堅固的，地層不會出砂?？傻贸雠R界生產壓差（Δpc）計算公式

式中，UCS為巖石單軸抗壓強度，MPa；Δps為生產壓差，MPa；p0為上覆巖層壓力，MPa；θ為井斜角，（°）；pp為孔隙壓力，MPa；μ為泊松比；α為 Biot系數。

生產壓差指標既包含地層強度和穩(wěn)定性這一內在因素，又包含生產過程這一外在因素。當Δps—Δpc＞5MPa時，產層嚴重出砂；當0＜Δps—Δpc＜5MPa時，地層輕微出砂；當Δps＜Δpc時，地層不出砂。

2．1．2 出砂指數（BK）

出砂指數亦稱垮塌指數，可反映砂巖強度及其穩(wěn)定性。定義為

式中，ρb為地層密度測井值，g／cm3；Δtc為地層縱波時差測井值，μs／ft＊非法定計量單位，1ft＝12in＝0．3048m，下同；BK為出砂指數，GPa。BK范圍一般在1～100之間，BK越大，巖石強度越大，穩(wěn)定性越好，油氣層不易出砂。當BK＞20GPa時，正常生產方式下產層不出砂；當15GPa＜BK＜20GPa時，正常生產時產層輕微出砂；當BK＜15GPa，產層將嚴重出砂。

2．1．3 斯倫貝爾比（SR）

斯倫貝爾比可以更全面地描述地層強度及其穩(wěn)定性，其定義為

式中，SR為斯倫貝爾比，×108MPa2；Δts為地層橫波時差測井值，μs／ft。

經驗表明，SR越大，地層穩(wěn)定性越好，越不容易出砂。當SR＞3．95×108MPa2時，正常生產方式下地層不出砂；當2．75×108MPa2＜SR＜3．95×108MPa2時，地層輕微出砂；當SR＜2．75×108MPa2時，地層嚴重出砂。

2．2 異常高壓情況下孔隙壓力的計算

塔里木油田庫車地區(qū)產層埋藏較深，地層沉積過程中壓實現(xiàn)象嚴重［1］，形成了異常高壓。統(tǒng)計資料得出該地區(qū)地層孔隙壓力系數在1．8左右。地層孔隙壓力是計算臨界生產壓差的重要參數。高壓氣層生產需要較高的生產壓差，而生產壓差又是決定產層是否出砂的重要因素，故需要準確地計算地層孔隙壓力，依此確定合理的生產壓差。

伊頓法是計算地層孔隙壓力的常用方法，其使用前提是作出相應參數的正常壓實趨勢線，更適用于異常高壓地層。圖1為庫車地區(qū)泥巖正常壓實趨勢線圖，可以看出在4500m以下出現(xiàn)異常高壓，數據點偏離了趨勢線。

伊頓法計算地層孔隙壓力公式為

圖1 庫車地區(qū)泥巖地層正常壓實趨勢線圖

式中，pw為地層靜水柱壓力，MPa；x為伊頓指數，由工區(qū)資料反算得出；Δte為計算點深度對應的趨勢線上的縱波時差，μs／ft。

2．3 深氣層出砂評價標準建立

通過查閱文獻［6－7］及統(tǒng)計分析工區(qū)多口井的巖石強度參數和臨界生產壓差及出砂情況，認為上述預測出砂的評價標準主要適用于中淺層出砂判別，不適用于塔里木盆地中深層尤其是高壓深氣層的出砂判別。為了消除產層埋深對出砂評價參數的影響，經大量統(tǒng)計分析對比與驗證，將各出砂判別參數進行標準化處理，構成生產井眼產層出砂評價新標準。

表1 地層出砂評價新標準

3 應用實例分析

表2、表3為庫車地區(qū)多口井出砂預測結果，分別使用了出砂指數法和斯倫貝爾比法進行預測。從表3中可以看出，用未標準化的BK和SR指標預測產層出砂的結論與實際生產情況的符合率分別為67%和88%，而用標準化后的新指標預測產層出砂的結論與實際生產情況的符合率則分別為100%和92%，表明了新的出砂評價標準更準確，且不受產層埋深等因素的影響，適用范圍更廣。

表4為使用生產壓差法判別庫車地區(qū)地層出砂結果?？梢钥闯?，實際生產壓差高于臨界生產壓差的井段均出砂，實際生產壓差低于臨界生產壓差的井段不出砂，用生產壓差法判別地層出砂結果與實際生產情況相符，準確率達92%。用經過標準化后的臨界生產壓差指標判別出砂結果與實際生產情況符合率達到了100%，表明標準化后的指標可更準確地反映地層出砂與否。

表4中各生產井有實際生產壓差數據，并不能體現(xiàn)出標準化后的臨界生產壓差指標的作用。本文著重選出一口無實際生產壓差數據的井進一步印證該方法的實用性、可靠性。DB301井預測井段6920～7040m，巖性為砂泥巖，是深氣層。從多口鄰井的實際生產情況不能發(fā)現(xiàn)其出砂規(guī)律，對該井的出砂預測無參考作用。

表2 部分井出砂指數法判別地層出砂結果對比

表3 部分井斯倫貝爾比法判別地層出砂結果對比

常規(guī)的聲波時差判別出砂標準為中淺深度地層＞90μs／ft時產層出砂，并且不適用于深層；而預測段為深井段，且產層位置的聲波時差值在62～74μs／ft之間變化，明顯判斷為不出砂。通過測井計算，該井段地層出砂指數為33GPa，預測分析不出砂；斯倫貝爾比1．9×108MPa2，預測分析嚴重出砂；經過標準化處理得出新的參數值分別為4．71GPa／km和0．27×108MPa2／km，均反映該井段地層嚴重出砂。其臨界生產壓差為16．85MPa，無實際生產壓差數據，無法用生產壓差法判別地層出砂；經過標準化處理后的臨界生產壓差參數值為2．41MPa／km，預測該井段嚴重出砂，建議采取防砂措施（見圖2）。分析其試油資料，發(fā)現(xiàn)該井段試油嚴重出砂，出砂量為133．1L，在該井的出砂判斷中，常規(guī)的經驗判別法出現(xiàn)了嚴重的判斷失誤。

4 結論與建議

（1）出砂指數和斯倫貝爾比等經驗法出砂預測指標目前在國內外采用最多，僅適用于淺層，不能套用或沿用到深產層，存在很大的應用局限性；通過實驗得出的出砂結果較為直觀，但受條件限制較多，具體應用較少。

（2）建立了新出砂評價標準，即當滿足Δpc／DEP≥3．0MPa／km、BK／DEP≥7．0GPa／km 和SR／DEP≥0．35×108MPa2／km 等條件正常生產時，產層不出砂。

（3）出砂評價新標準消除了儲層埋深的影響，在塔里木油田庫車地區(qū)E—K系深、中、淺砂巖儲層出砂預測中取得了良好的應用效果，為生產井具體防砂提供了及時決策的理論依據，可以推廣應用。

［1］夏宏泉，祁興中，黃磊，等．井筒酸化壓裂高度預測與出砂指數分析［R］．成都：西南石油大學，2009．

［2］李金柱，李雙林．巖石力學參數的計算及應用［J］．測井技術，2003，27（增刊）：15－18．

［3］張建國，程遠方．射孔完井出砂預測模型的建立及驗證［J］．石油鉆探技術，2001，29（6）：41－43．

［4］王勤田，趙彥超，楊晶．油井出砂臨界井底流壓計算模型及應用［J］．江漢石油學院學報，2002，24（2）：75－76．

［5］周林然．油井出砂預測模型研究［D］．四川：成都理工大學，2006．

［6］王治中，鄧金根，蔚寶華，等．弱固結砂巖油藏出砂量預測模型［J］．石油鉆采工藝，2006，28（2）：61－64．

［7］Alireza Nouri，Dalhousie U，Hans Vaziri，et al．Sand Production Prediction：A New Set of Criteria for Modeling Based on Large－scale Transient Experiments and Numerical Investigation［C］∥SPE，90723，2006．

［8］Pacheco E，Soliman M Y．Sanding Prediction in a Gas Well Offshore Mexico Using a Numerical Simulator［C］∥SPE，122962－MS，2009．

［9］Wu B，Tan C P．Sand Production Prediction for a Mature Oil Field：A Case Study［C］∥SPE，133375－MS，2010．