油层出砂机理与防砂方法综述

1998年 特　种　油　气　藏 第5卷第4期

油层出砂机理与防砂方法综述

王玉纯Ξ　顾宏伟　张晓芳

油井出砂可加速设备腐蚀,严重时,可造成设备无法工作。对于稠油油藏,由于稠油的长期作用,油层往往处于弱胶结状态。当油井处于中后期且油层亏空较大或油井见水时,油井出砂会加剧。本文在调研大量中外文献及结合现场实践经验基础上,对油井出砂机理及防砂方法进行综述。

油层出砂机理

油层出砂机理很复杂。从宏观上看,油层出砂是井筒不稳定和射孔孔眼不稳定造成的;从微观上看,其与岩石强度、胶结状况、变形特征、所受外力(地应力、孔隙中流体压力、毛管力等)及外力施加过程等因素有关。

射孔后,首先在井筒周围形成较细长的圆柱形孔眼。根据材料力学理论,在孔眼周围的壁面上产生应力集中,且形成一层塑性变形区。在流体力作用下,该区中单个颗粒开始脱落,并随流体带入井底。随着单个颗粒脱落并带走,孔眼趋于变成一个较大且较稳定的球形[1]。颗粒会在球形孔腔壁附近聚集并形成一层较稳定的砂拱,这与建筑上所用的拱形牢固原理相类似[2]。若孔腔周围液体径向压力梯度较大(如流量较大)或地应力较大(如油藏亏空较大),都会引起该砂拱坍塌,且会产生新的塑变区[3,4],继而,又会形成一个扩大了的新砂拱。砂拱的渗透率和孔隙度都较大,T1K1Perkins等[3]对其给出了定量描述。

油层出砂的影响因素

11　岩石强度、岩石变形特性和地应力的影响

Y Wang等[5]提出了出砂的两个准则:孔腔或井筒周围的有效压应力大于地层强度;井底压降大于临界井底压降(即可将脱落的颗粒带走时的井底压降)。

随着作用在岩石上外力的增加,岩石由弹性变形向塑性变形转化,塑变中,由于硬化作用,岩石变形加剧,且随作用力增大,塑变区中塑应变与弹应变之比加大,该比值大小与岩石固结强度有关,固结强度越大,该比值越小。Y1Wang[6]给出了塑变区中弹应变和塑应变的解析分析。结果表明,塑变区和弹变区的周向应力在二区交界处最大,且不连续,而径向应力连续。结合式(1)不难看出,孔腔壁的应力集中对出砂的影响甚大。

Ξ辽河石油勘探局欢喜岭采油厂　辽宁　盘锦　124114

21　井底压降(ΔP w )的影响ΔP w 由完井段压降、油藏中压降和油井亏空压降(即原始地层压力与目前地层压力之差)组成。

ΔP w 增大后,孔腔周围岩石受剪加剧且剪切区扩大,从而易造成剪破坏出砂。31　塑变区渗透率的影响

塑变区渗透率由于压实及来自远处细砂的堵塞而减小,从而增大该区的流动压力梯度,进而易造成拉破坏出砂。

41　油井见水的影响

油井见水后,或突发出砂,或出砂比以前加重。其原因为:

a ,　水侵使粘结颗粒的毛管力大大降低;

b ,　增加了流动的阻力,通常油藏压力下降;

c ,　见水后,通常油井压力下降;

d ,　见水后,为保持原油产量,必须降低井底压力。前二者可引起拉破坏出砂,后二者可引起剪破坏出砂。

51　交替开、

关井的影响

关井后,地层压力趋于恢复平衡,孔腔附近的孔隙压力升高,而有效地应力下降;开井后,孔腔附近的孔隙压力下降,而有效地应力升高。因此,开、关井一方面可引起孔腔壁附近岩石的疲劳,另一方面可加剧其剪破坏,从而在流体力作用下使出砂更严重。

另外,射孔参数及扩大的孔腔形状对出砂的影响,可参阅N 1M orita 等人[7]的叙述。

防砂措施

11　完井中的防砂措施

(1)　对射孔完井选择好射孔参数　

射孔完井时,应优选射孔参数。

a ,　对多层段情况,选择较强层段射孔。

b ,　选择合适的井筒方向和射孔孔眼方

向可使井筒及孔腔稳定。图1[8]是射孔方向、

井筒方向对孔腔稳定性影响的一个例子(沿与

射孔孔眼垂直平面中的最大主应力方向的角

度为0°

)。从图1可看出,对垂直井,射孔方向为40°

时,孔腔最稳定;对沿最大主应力方向的水平

井,射孔方向为30°时,孔腔最稳定;对沿最小

4

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主应力方向的水平井,射孔方向为90°时,孔腔最稳定;水平井孔腔比垂直井孔腔稳定;沿最大主应力方向的水平井比沿最小主应力方向的水平井稳定。但图1形状要随地应力、岩石强度不同而变化。

c ,　射孔密度ρ的确定应综合考虑流体流动阻力和孔腔稳定性两个因素。若ρ太大,则流动阻力小,但相邻孔腔扩大后可能相互影响,孔腔更加不稳定;若ρ太小,则流动阻力大。

d ,　射孔相角 的确定。经数值分析[8], =60°时的孔腔比 =90°时稳定。

e ,　孔眼长度L 不能太长,也不能太短。若太长,则不能形成近于圆形的稳定孔腔;若太短,则流动阻力大。

f ,　射孔时反洗压差(地层压力与井底压力之差)ΔP 应尽可能大,以便尽量将不稳定孔腔壁中的塑变区脱掉并带入井底,从而形成稳定孔腔。

(2)　砾石充填完井　

包括管内和管外砾石充填。这一方法防砂效果好,但对胶结弱、渗透率大及油层较厚的油井可造成油层伤害,致使表皮系数增大。

(3)　压裂与砾石充填混合技术　该技术既可防砂,又能增加油层产能,其表皮系数为负值,适合于薄层和弱胶结层。D 1M 1G rubert [9]介绍了这一技术的初次利用过程。

21　开采中的防砂措施

a ,　滤砂管防砂。

b ,　化学固砂其优点是简单、经济、效果好,缺点是对温度敏感,使用时间短。

c ,　控制流量在临界流量以下。流量越大,孔腔越易遭受拉破坏。

d ,　控制井底压降在临界井底压降以下。井底压降越大,越易造成剪破坏和拉破坏出砂问题[10]。

e ,　注水保持油层压力P r 。P r 下降后,地应力增大,使油层岩石遭受剪破坏;另外,P r 下降后,油层岩石可产生压实和水化膨胀现象,致使油层渗透率降低。

f ,　尽量减少频繁开关井。

g ,　采用允许产砂的设备开采,如螺杆泵[11]。其优点在于油层砂流出后,表皮系数降低,采油指数增大。但砂过多流出会破坏套管。

结　束　语

对于一口井的防砂,最好在完井设计中加以考虑,这就要求设计人员必须弄清影响出砂的因素并决定如何在完井中进行防砂,而在设计前必须获得岩石强度、地应力及变形特征等有关资料。

参　考　文　献

1　T erzaghi K arl V.S tress distribution in dry and in saturated sand above a yielding trap door.Proc.First lnt con f on s oil mechanism and foundation engineering ,Harvard ,Cambridge M A.1936:307—311

2　Bratli R K,Risnes R.S tability and failure of sand arches.SPE ,1981,236—248

3　Perkins T K,Weingarten J S.S tability and failure of spherical cavities in uncons olidated sand and weekly cons olidated

R ock.SPE 18244

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