李春云，劉洪濤，解勇珍，毛為成，李 洲，李曉平

（中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南南陽 473132）

春光油田新近系沙灣組（N1s）儲(chǔ)層以細(xì)砂巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)疏松，泥質(zhì)分布不均勻，油層單一且厚度??；地層出砂嚴(yán)重，泥質(zhì)和粉細(xì)砂含量較高，防砂難度大。出砂是制約疏松砂巖油藏高效開發(fā)的重要因素之一[1-4]。地層出砂受多種因素影響，同時(shí)存在多種形式[5]:一是由于巖石內(nèi)顆粒固結(jié)弱或沒有固結(jié)，形成“流砂或半流砂”；二是弱膠結(jié)附著的顆粒，易產(chǎn)生速敏性出砂；三是骨架顆粒破壞性出砂。本文通過對(duì)春光油田沙灣組不同單元儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算，利用綜合疏松指數(shù)對(duì)儲(chǔ)層巖石膠結(jié)類型進(jìn)行細(xì)分，明確了不同單元的出砂機(jī)理和出砂規(guī)律；同時(shí)根據(jù)砂巖油藏三種微觀出砂機(jī)理[6]，考慮儲(chǔ)層非均質(zhì)性，建立了沙灣組疏松砂巖油藏巖石顆粒的受力模型和儲(chǔ)層出砂過程的微觀動(dòng)態(tài)模型，研究出砂規(guī)律和出砂形態(tài)，為防砂工藝參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 疏松砂巖油藏出砂特征

根據(jù)春光油田沙灣組砂巖粒度分析數(shù)據(jù)和地層砂粒徑分類標(biāo)準(zhǔn)，開展了不同開發(fā)單元地層砂粒徑中值的統(tǒng)計(jì)和油藏出砂特征的分析。

1.1 砂粒度分析

沙灣組巖心砂粒度中值為0.15～0.35 mm，主體約為0.25 mm（圖1），平均約為0.24 mm；均勻系數(shù)為1.98，細(xì)粉砂巖含量較低，屬于均勻中細(xì)砂或中粗砂。

沙灣組的產(chǎn)出砂主要來自于未防砂井或防砂水平井的二次出砂，產(chǎn)出砂粒度中值為0.10～0.30 mm，主體為0.15～0.25 mm，平均約為0.23 mm；均勻系數(shù)為1.68，細(xì)粉砂巖含量較低，屬于均勻中細(xì)砂或中粗砂。

沙灣組產(chǎn)出砂粒徑及均勻系數(shù)與巖心砂基本一致，說明在不防砂的情況下出砂嚴(yán)重，骨架砂遭受破壞，導(dǎo)致接近巖心砂組分的地層砂全部產(chǎn)出。

圖1 沙灣組儲(chǔ)層巖心砂與產(chǎn)出砂粒度中值對(duì)比

1.2 不同含水階段油井出砂狀況分析

受強(qiáng)邊水影響，春光油田沙灣組儲(chǔ)層含水不斷上升，油井見水后，出砂加劇，持續(xù)跟蹤分析不同時(shí)間、不同含水階段地層出砂情況。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，含水上升后，油井多輪次出砂，出砂粒徑逐漸變?。▓D2）。分析其原因主要為:①儲(chǔ)層膠結(jié)疏松，含水上升，巖石強(qiáng)度降低，含水大于40%時(shí)，巖石強(qiáng)度下降60%；含水大于80%時(shí)，巖石強(qiáng)度下降70%；臨界流速降低，同樣采液強(qiáng)度下，會(huì)加劇出砂。②儲(chǔ)層泥質(zhì)含量高，平均10%～15%，最高達(dá)23%，含水上升引起泥質(zhì)細(xì)粉砂分散運(yùn)移堵塞，從而造成防砂失效井占比為69.1%。

2 不同單元巖石固結(jié)類型及出砂機(jī)理

2.1 疏松砂巖巖石力學(xué)特征

圖2 排2 區(qū)塊N1s1組不同含水階段與出砂粒徑關(guān)系

使用縱波時(shí)差及密度測井資料對(duì)春光油田沙灣組各個(gè)單元進(jìn)行巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算，沙灣組儲(chǔ)層巖 石楊氏彈性模量為5 000.0～12 000.0 MPa，且各單元間差異明顯，各單元儲(chǔ)層巖石內(nèi)聚強(qiáng)度為0.9～3.3 MPa，內(nèi)摩擦角約25.9°。由圖3 可知，春光油田不同單元儲(chǔ)層巖石抗壓強(qiáng)度為8.0～17.5 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.8～2.6 MPa，巖石強(qiáng)度弱，容易出砂。

圖3 沙灣組不同單元儲(chǔ)層巖石強(qiáng)度對(duì)比

2.2 儲(chǔ)層巖石固結(jié)類型劃分

砂巖儲(chǔ)層巖石類型劃分依據(jù)包括孔滲參數(shù)、巖石強(qiáng)度、膠結(jié)物含量等參數(shù)，為了定量劃分砂巖儲(chǔ)層巖石類型，提出了劃分方法和技術(shù)界限指標(biāo)，并利用綜合疏松指數(shù)（S）進(jìn)行綜合判斷。綜合疏松指數(shù)的計(jì)算公式如下:

式中:S 為綜合疏松指數(shù)，無量綱；k 為巖石滲透率，μm2；φ 為巖石孔隙度，小數(shù)；oC 為巖石內(nèi)聚強(qiáng)度，MPa；cE 為巖石楊氏模量，104MPa；cV 為巖石的泥質(zhì)含量，小數(shù)。

將砂巖儲(chǔ)層按巖石固結(jié)程度劃分為五類，分別為強(qiáng)固結(jié)儲(chǔ)層、中固結(jié)儲(chǔ)層、弱固結(jié)儲(chǔ)層、半流砂儲(chǔ)層和流砂儲(chǔ)層。砂巖儲(chǔ)層固結(jié)類型定量界定指標(biāo)見表1。

將所有參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后繪制成圖（圖4），由圖可知，春光油田儲(chǔ)層固結(jié)類型包括中固結(jié)儲(chǔ)層、弱固結(jié)儲(chǔ)層和半流砂儲(chǔ)層三類，其中以弱固結(jié)儲(chǔ)層和半流砂儲(chǔ)層為主，分別占總數(shù)的48.44%和37.50%，中固結(jié)儲(chǔ)層僅占總數(shù)的14.06%。

2.3 不同固結(jié)程度儲(chǔ)層微觀出砂機(jī)理

針對(duì)春光油田沙灣組巖石膠結(jié)類型，提出了類蚯蚓洞和連續(xù)垮塌兩種微觀出砂機(jī)理，并對(duì)儲(chǔ)層出砂機(jī)理進(jìn)行計(jì)算，分析沙灣組不同單元出砂機(jī)理。

表1 砂巖儲(chǔ)層固結(jié)類型定量界定指標(biāo)

圖4 沙灣組不同層位儲(chǔ)層綜合疏松指數(shù)展布

2.3.1 類蚯蚓洞出砂機(jī)理

類蚯蚓洞出砂機(jī)理適用于砂巖油藏弱固結(jié)儲(chǔ)層。對(duì)于弱固結(jié)儲(chǔ)層，孔隙多為粒間孔隙，滲透性好，產(chǎn)量高，所以在砂巖油藏開采過程中，儲(chǔ)層中流體流速高，對(duì)巖石顆粒的拖拽力大。儲(chǔ)層流體流動(dòng)產(chǎn)生的拖拽力首先將流通通道中的填隙物（多為黏土）和一定粒徑未固結(jié)的巖石顆粒（游離砂）攜帶進(jìn)入井筒；弱固結(jié)儲(chǔ)層的大部分巖石顆粒膠結(jié)性差，固結(jié)強(qiáng)度低，流通通道暢通后，流體流速更高，對(duì)巖石顆粒的拖拽力更大，流通通道壁上的部分固結(jié)砂粒，在流體拖拽力作用下也將被剝落下來，隨流體流入井筒；弱固結(jié)儲(chǔ)層的部分固結(jié)巖石顆粒從固結(jié)強(qiáng)度薄弱點(diǎn)開始被剝落后，將沿著流通通道壁開始延伸，而剝落的一定粒徑的巖石顆粒被儲(chǔ)層流體攜帶進(jìn)入井筒后，流通通道成為高滲透帶，儲(chǔ)層中逐步形成類蚯蚓洞的出砂形態(tài)。所以，弱固結(jié)儲(chǔ)層的出砂為巖石顆粒被剝落和固液耦合多孔介質(zhì)流動(dòng)的過程。

2.3.2 連續(xù)垮塌出砂機(jī)理

連續(xù)垮塌出砂機(jī)理適用于砂巖油藏半流砂儲(chǔ)層和流砂儲(chǔ)層。對(duì)于半流砂儲(chǔ)層和流砂儲(chǔ)層，儲(chǔ)層中流體流速低，對(duì)巖石顆粒的拖拽力小。流砂儲(chǔ)層（未固結(jié)儲(chǔ)層）的填隙物含量很少，巖石顆粒之間多呈凹凸?fàn)罨蚩p合線狀鑲嵌在一起，流體的拖拽力很難攜帶這些鑲嵌在一起的巖石顆粒。當(dāng)套管射孔后，炮眼周圍的巖石顆粒將垮塌，破壞巖石顆粒之間的鑲嵌結(jié)構(gòu)，地層流體可以攜帶一定粒徑的巖石顆粒通過炮眼流入井眼，從而引起儲(chǔ)層繼續(xù)垮塌。隨著巖石顆粒的不斷垮塌，出砂量越來越大，在垮塌區(qū)圍繞炮眼形成砂拱；半流砂儲(chǔ)層和流砂儲(chǔ)層的出砂為未固結(jié)巖石顆粒連續(xù)發(fā)生垮塌，砂拱穩(wěn)定，近井儲(chǔ)層逐步向外被掏空的過程。

通過對(duì)春光油田沙灣組儲(chǔ)層出砂機(jī)理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表2），沙灣組儲(chǔ)層整體出砂機(jī)理以類蚯蚓洞出砂為主，部分存在連續(xù)垮塌出砂機(jī)理。其中，排2井、排206-斜15 井單元出砂機(jī)理以類蚯蚓洞出砂機(jī)理為主；排2-30 井、排8 井、春133E 井單元出砂機(jī)理多為類蚯蚓洞出砂或連續(xù)垮塌出砂機(jī)理。

3 疏松砂巖儲(chǔ)層微觀出砂規(guī)律

儲(chǔ)層出砂是一個(gè)非常復(fù)雜的固液流動(dòng)過程。根據(jù)微觀出砂機(jī)理或過程分析，儲(chǔ)層出砂必須滿足如下三個(gè)基本條件:①砂粒必須具備從巖石骨架或基質(zhì)上剝落的條件，或者砂粒原本以游離砂形式存在；②砂粒從砂源地（即砂粒原始存在的地方）到井筒，必須具有比自身尺寸大的產(chǎn)出物理通道；③砂粒在產(chǎn)出通道中必須能達(dá)到被流體攜帶的條件。

3.1 出砂微觀模型建立

為了模擬砂巖油藏的微觀出砂形態(tài)，建立砂巖油藏出砂過程的物理模型和數(shù)學(xué)模型[7]。在砂巖油藏開發(fā)過程中，骨架砂的剝落首先從流通孔道壁面上最薄弱處開始。

表2 沙灣組不同單元儲(chǔ)層出砂機(jī)理統(tǒng)計(jì)

在模擬砂巖油藏出砂過程時(shí)，砂粒粒徑設(shè)置為0.10～10.00 mm，根據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)設(shè)置骨架砂在縱向上的固結(jié)強(qiáng)度，而骨架砂在橫向上的固結(jié)強(qiáng)度是隨機(jī)的；同時(shí)由測井資料確定砂巖油藏強(qiáng)度的非均質(zhì)性，并在模擬砂巖儲(chǔ)層出砂的過程中，考慮產(chǎn)量流速、黏度和地應(yīng)力等因素的影響。通過對(duì)砂粒的微觀受力分析，判斷流通通道中的游離砂是否被運(yùn)移，骨架砂顆粒是否被剝離及被流體運(yùn)移。

3.2 出砂規(guī)律分析

選取具有代表性的半流砂儲(chǔ)層的春110E 井為例（儲(chǔ)層有效厚度共2.2 m），根據(jù)巖石內(nèi)聚強(qiáng)度隨井深變化情況進(jìn)行出砂形態(tài)模擬（圖5）。

在出砂初期，各個(gè)射孔段均勻出砂（圖5a）；到出砂中期，內(nèi)聚強(qiáng)度較低的儲(chǔ)層由于巖石顆粒膠結(jié)性差，固結(jié)強(qiáng)度低，出砂速度明顯加快（圖5b）；在出砂中后期，隨著內(nèi)聚強(qiáng)度低的儲(chǔ)層巖石顆粒不斷剝落，成為高滲透帶，近井出砂區(qū)域逐步擴(kuò)大，前端呈類似蚯蚓洞狀擴(kuò)展（圖5c）；儲(chǔ)層最終出砂形態(tài)呈現(xiàn)明顯的縱向及平面非均質(zhì)性（圖5d）。

微觀出砂形態(tài)模擬結(jié)果表明，對(duì)于弱固結(jié)或半流砂儲(chǔ)層，出砂總是先從射孔孔眼外部開始，呈類蚯蚓洞狀沿弱固結(jié)方向擴(kuò)展；儲(chǔ)層出砂趨勢呈現(xiàn)明顯的縱向及平面非均質(zhì)性，其規(guī)律取決于測井資料體現(xiàn)的巖石強(qiáng)度的非均質(zhì)性；儲(chǔ)層厚度越大，由測井資料決定的非均質(zhì)性越明顯，最終出砂剖面的非均質(zhì)性越強(qiáng)。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）春光油田沙灣組各單元儲(chǔ)層固結(jié)類型可劃分為中固結(jié)儲(chǔ)層、弱固結(jié)儲(chǔ)層和半流砂儲(chǔ)層三類，其中以弱固結(jié)儲(chǔ)層和半流砂儲(chǔ)層為主，出砂嚴(yán)重。

（2）春光油田沙灣組疏松砂巖出砂機(jī)理以類蚯蚓洞狀為主，部分存在連續(xù)垮塌出砂機(jī)理，防砂難度大。

（3）微觀出砂形態(tài)模擬結(jié)果表明，對(duì)于弱固結(jié)儲(chǔ)層或半流砂儲(chǔ)層，出砂總是先從射孔孔眼外部開始，呈類蚯蚓洞狀沿弱固結(jié)方向擴(kuò)展；儲(chǔ)層出砂趨勢呈現(xiàn)明顯的縱向及平面非均質(zhì)性。

圖5 春110E 井沙灣組儲(chǔ)層出砂形態(tài)模擬

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