油层出砂机理研究调研油层出砂是油田开发过程中经常遇到的问题,不仅给采油工艺带来许多麻烦,而且影响储层采油速度及油气采收率,严重时甚至造成井壁坍塌、套管损坏,乃至油井报废.目前,国内外在防砂工艺方面均有长足发展,但在出砂机理方面研究成果相对较少.徐守余、王宁在研究大量文献基础上,对油层出砂机理进行了深入分析和总结,以期为更好地防砂、控砂及提高油井经济效益等提供保障.油层出砂影响因素,从大方面可分为地质因素和工程因素2大类.地质因素主要包括沉积相、构造应力、砂岩颗粒大小及形状、岩矿组成、储层敏感性、润湿性、压实情况、胶结物类型及胶结程度、油层压力、流体性质及分布等.在开发过程中,生产条件的改变会对地质因素产生不同程度的影响,从而改善或恶化出砂程度;工程因素包括开采因素和完井因素,这些因素在多数情况下受工程活动控制,包括生产压差、液体流动速度,多相流动及相对渗透率、毛细管作用力、含水变化、完井类型、井深结构、生产工艺等.这些因素相互作用、相互影响,只有深入研究油层出砂机理,找出这些因素与出砂之间的内在联系,才能达到防砂、控砂及出砂,提高油田开发效益.1 地质因素与出砂机理1.1 构造应力的影响在砂岩地层中钻井后,会在井壁附近形成一个塑性变形地带,由岩石力学理论可知,塑性带的稳定条件是:σ1−p0 =2S0tanβ式中:σ1——最大主应力,MPa；P0——地层孔隙压,MPa；S0——岩石固有剪切强度,MPa；β——破坏角.左端是岩石颗粒承受的有效径向应力.通常,若径向应力σ1>2 MPa,则会破坏其稳定条件,使塑性半径向外扩张,即骨架结构失去平衡,开始出砂。
断裂带及地层破碎带部位,受构造应力的影响较大,导致地层内部岩石骨架遭受破坏,降低S0,是最易出砂的部位或出砂最严重的地区,而远离断裂带及地层相对完整区域出砂程度相对缓和.因此,在油藏开采早期,应尽量避免油井靠近这些地区,或尽早采取防砂措施,以防止严重出砂情况的发生.1.2 砂岩性质通常,地层埋藏越深,压实作用越强,胶结程度越好,岩石压实紧密,地层不易出砂.砂岩胶结程度是影响出砂的主要因素.胶结性能与埋藏深度、颗粒大小及形状、胶结物类型和胶结方式等密切相关.钙质胶结为主的砂岩较致密,地层强度高,不易出砂;以泥质胶结为主的砂岩较疏松,强度低,较易出砂.砂岩颗粒接触关系是影响油层出砂的另一重要因素,研究表明:如果砂岩颗粒为点接触,油层压实作用较弱,地层则容易出砂. 出砂模拟实验表明:对于疏松砂岩,出砂过程的开始阶段是从胶结最弱处先开始出砂,然后出现砂体结构变化和破坏,使得渗流场变化,形成高渗区域,流体集中在高渗区域流动,使砂体结构破坏而大量出砂,形成出砂道,继而砂道进一步扩展增大形成砂窟.1.3 储层敏感性与流体性质1.3.1 储层敏感性储层中的自生矿物与原始油层中的流体通常处于平衡状态,当不同流体进入时,原始平衡会遭到破坏,对出砂产生影响.速敏性因流体变化而引起地层微粒运移,堵塞喉道,导致流体渗流阻力局部增大,增大了流体对岩石的拖拽力,未被阻挡的更细微粒随流体进入井筒造成出砂.酸(碱)敏性酸(碱)液进入储层后与某些敏感性矿物及流体发生反应产生沉淀或者颗粒,这些颗粒一方面作为地层砂被携带进入井底,另一方面堵塞喉道,造成流体对岩石的拖拽力增大,使更细微粒进入井筒造成出砂.水敏性地层中粘土矿物在接触低盐度流体时,可能产生水化膨胀、分散,大大降低地层强度,导致出砂.盐敏性盐液进入储层后,由于粘土矿物的水化和膨胀导致地层出砂。
鉴于储层敏感性对油层出砂的影响,在油气开采过程中,要严格控制入井液中的固相颗粒入侵.尽量采用较低的注采速度,对注水井采取防膨措施,可选用有机聚合物类防膨剂.酸化时慎重选择用酸,入井液的pH 值应控制在8.5 以下,达到防止出砂的目的.1.3.2 流体性质流体粘度王凤清等通过实验模拟流体粘度与出砂量的实验表明,油层开始出砂的临界流速随流体粘度的升高而下降.也就是说,流体粘度越大,越容易出砂。
当流速高于出砂临界流速时,在相同流速下,流体粘度越大,出砂量越大.流体的粘滞性在出砂过程中表现出2 种机制:一是悬砂、携砂;二是携砂流体对砂体的冲刷和剥蚀.流体粘度升高,携砂、悬砂能力增强,流动过程中的拖拽力也就增大,对砂体的冲刷和剥蚀就更加严重,最终导致出砂加剧.由此可见,在油藏开采过程中,应尽量保持地层压力高于饱和压力,防止由于脱气改变原油性质,流体粘度增大,导致出砂.流体pH 值汪伟英等通过实验研究表明,注入流体的pH值对出砂有一定的影响,pH 值增大,临界出砂流速减小.当pH 值达到14 时,出砂量急剧增大.出现这种现象的原因是pH 值的升高,使岩石粘土矿物中晶层间斥力增大,导致粘土矿物更易分散、脱落,随流体的流动而运移,造成出砂.另外,pH 值同样会改变非粘土颗粒表面的电荷分布,使颗粒与基质间的范氏力减弱,那些胶结基质不好或非胶结的颗粒将被释放到流体中去,导致自由颗粒的数目增多,出砂可能性增大.因此,在钻井、完井以及井下作业过程中,应注意控制入井流体的pH值,以防由于pH值过高造成油井严重出砂.2 油田开发与出砂机理2.1 地层压降及生产压差对出砂的影响地层压力是原油从地层流向井底的动力.上覆岩层压力是靠孔隙内流体压力(即地层压力)和岩石本身的强度(有效应力)来平衡的.即:p0=P P+σ式中:P0——上覆岩层压力;P p——地层压力或地层孔隙压力;σ——骨架之间受到的接触应力.当油层未打开时,P p保持不变,岩层处于稳定状态.随着开采进行,地层压力P p下降.若为衰竭式开采方式,地层压力会急剧下降.因上覆岩层压力不变,地层压力的下降将导致岩石颗粒上的有效应力越来越大,当大到超过地层强度时,岩石骨架就会遭受破坏,地层颗粒被流体携带至井底,引起出砂. 朱彩虹等人在对胜利油田永八块油层出砂机理的研究中,通过岩心驱替流动出砂实验,在模拟油藏及井眼周围岩石性质的情况下,对不同生产压差下的出砂量进行了预测,得出的结论是:在其他条件相同的情况下,生产压差越大,出砂量越多.所以在实际的油藏开采过程中,要将生产压差控制在临界生产压差之内,以防止生产压差过大导致出砂.2.2 流速对出砂的影响流体导致出砂的关键是流体拖拽力能否克服砂岩基质的阻力.流体流经砂岩时,拖拽力主要是粘滞力(体积力).砂岩基质的阻力基本上是面积力,表现为胶结力、吸附力和接触力.这些面积力结合起来与体积力抗衡. 出砂机理研究中将使充填砂运动的流速定义为门限流速,而将使骨架砂变为自由砂的流速定义为临界流速.当流速大于临界流速时,其后果只能是加剧出砂.通过对埕岛油田馆上段油层出砂和流速的关系模拟实验可以看出,随着流速的增加,出砂量也随之增大.因此,在油藏的开采过程中,要尽量将流速控制在临界之内,从而在一定程度上减小出砂的机率.2.3 含水饱和度或注水对出砂的影响①含水饱和度上升使支持砂粒粘合的毛细管力下降,导致地层强度降低,引起出砂;②矿化水与某些矿物间的化学反应产生沉淀堵塞喉道,加剧出砂;③胶结物被水溶解,特别是一些粘土矿物,如蒙脱石遇水膨胀、分散,岩石结构被破坏,导致地层强度降低,颗粒运移,加剧出砂;④注水对地层的冲刷作用导致地层强度的降低,引起或加剧出砂.2.4 完井因素射孔孔道充填物对出砂的影响弹孔尺寸对油流阻力会产生巨大的影响。
射孔参数对油层出砂的影响弹孔流道面积直接影响弹孔压降.对每个弹孔而言,要提高孔径;对整个井段而言,是要增加孔密.增大孔径、提高孔密的综合效果是提高了有效流动面积,降低了流动阻力,也降低了流速,从而有利于减缓出砂.井斜的影响当井斜倾角小于45°时,仍可把它当作垂直井,不会对出砂产生重大影响.只有当井斜大于45°时,对高倾角斜井,甚至水平井,由于与油层段接触面大大增加,在保持相同产量的条件下,将使出砂减缓.这就是为什么超长的水平井出砂轻微的原因.射孔相位角研究表明90°时最好,这是由于地层流线以井轴为中心,相对对称,减少了流线的弯曲和收缩,阻力最小,有利于减少出砂。
总之,为防止油井中后期出砂,应该在早期钻井阶段和完井阶段进行预防,如尽量采用大套管、高密度射孔完井,用较小的流速和压差采油.同时可利用包括现场预测法、经验公式及经验图表法、实验室法、理论分析模型、数值模型、数值计算以及神经网络法等一系列出砂预测方法对油井出砂进行预测,针对油井的地层条件、井身结构及施工因素,综合考虑出砂的原因,选择具体的防砂工艺,从而达到防砂的目的.3 油层出砂力学机理油层出砂通常是由于井底附近岩层结构遭受破坏引起的.从力学角度分析,油层出砂有2 个基本机理:剪切破坏机理和拉伸破坏机理.前者与地层压力和生产压差有关,后者与流体性质和开采速度有关.剪切破坏机理破坏是大多数现场出砂的基本原因.它是由于炮孔或井眼周围岩石所受应力超过岩石本身强度,使岩石产生剪切破坏而出砂.主要原因是油藏压力的衰减或生产压差的过大.剪切破坏将造成大量突发性出砂,严重时砂埋井眼,造成油井报废.拉伸破坏机理流动作用于炮孔周围地层颗粒上的拖拽力过大,使炮孔壁岩石所受径向应力超过其本身的抗拉强度,脱离母体而导致出砂.这与过大的开采流速与流体性质有关.拉伸破坏引起的油层出砂量小,出砂使孔穴通道增大,而孔穴增大又导致流速降低,从而使出砂有“趋停”趋势,具有稳定效应。
微粒运移机理是一个单独的砂粒或者砂的集合体从砂的骨架上脱离,运移到一个流动的流体中的过程.一方面,在流体流动拖拽力作用下产生移动进入井眼造成出砂;另一方面,导致井底周围地层的渗透率降低,增大流体的拖拽力,加剧出砂. 砂拱稳定出砂机理力学理论认为,射孔后在井眼附近形成一塑性变形区.在流体压力作用下,该区单颗粒开始脱落,并随流体进入井底,孔眼变成一较大且稳定的球形,颗粒在球形孔腔壁附近聚集形成砂拱。
研究表明,当润湿相浓度小于某个临界值时,砂拱将保持稳定;如果润湿相浓度达到某个临界值时,砂拱将被破坏。
另外,砂拱的稳定能力与砂拱的尺寸、润湿相大小有关,围绕在孔眼周围的砂粒必须具有一定的润湿相才能形成砂拱,稳定砂拱必须具有一定的外界应力和自身的凝聚力.润湿相浓度与砂拱稳定性的关系如下:①单相浓度的砂粒构成不了稳定的砂拱;②强烈的引力使孔眼增大;③两相环境下的砂拱稳定性好,在实验条件下:S w大于3%形成稳定的砂拱(S w为润湿相饱和度);Sw小于20%有出砂的迹象;当S w大于20%而小于32%时,连续出砂;当S w大于32%有大量流砂产生;④在两相区环境下,仅润湿相携带砂粒;⑤在润湿相饱和度较小的环境下,液流速增加,砂拱尺寸也随之增加,随流速的降低砂拱保持稳定;⑥润湿相浓度超过某一临界值时,砂拱将发生坍塌破坏。