春光油田沙灣組疏松砂巖油藏出砂規律

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研究院，河南南陽 473132）

春光油田新近系沙灣組（N1s）儲層以細砂巖為主，泥質膠結，膠結疏松，泥質分布不均勻，油層單一且厚度薄；地層出砂嚴重，泥質和粉細砂含量較高，防砂難度大。出砂是制約疏松砂巖油藏高效開發的重要因素之一[1-4]。地層出砂受多種因素影響，同時存在多種形式[5]:一是由于巖石內顆粒固結弱或沒有固結，形成“流砂或半流砂”；二是弱膠結附著的顆粒，易產生速敏性出砂；三是骨架顆粒破壞性出砂。本文通過對春光油田沙灣組不同單元儲層巖石力學參數計算，利用綜合疏松指數對儲層巖石膠結類型進行細分，明確了不同單元的出砂機理和出砂規律；同時根據砂巖油藏三種微觀出砂機理[6]，考慮儲層非均質性，建立了沙灣組疏松砂巖油藏巖石顆粒的受力模型和儲層出砂過程的微觀動態模型，研究出砂規律和出砂形態，為防砂工藝參數優化提供依據。

1 疏松砂巖油藏出砂特征

根據春光油田沙灣組砂巖粒度分析數據和地層砂粒徑分類標準，開展了不同開發單元地層砂粒徑中值的統計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；均勻系數為1.98，細粉砂巖含量較低，屬于均勻中細砂或中粗砂。

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

沙灣組產出砂粒徑及均勻系數與巖心砂基本一致，說明在不防砂的情況下出砂嚴重，骨架砂遭受破壞，導致接近巖心砂組分的地層砂全部產出。

圖1 沙灣組儲層巖心砂與產出砂粒度中值對比

1.2 不同含水階段油井出砂狀況分析

受強邊水影響，春光油田沙灣組儲層含水不斷上升，油井見水后，出砂加劇，持續跟蹤分析不同時間、不同含水階段地層出砂情況。經統計發現，含水上升后，油井多輪次出砂，出砂粒徑逐漸變小（圖2）。分析其原因主要為:①儲層膠結疏松，含水上升，巖石強度降低，含水大于40%時，巖石強度下降60%；含水大于80%時，巖石強度下降70%；臨界流速降低，同樣采液強度下，會加劇出砂。②儲層泥質含量高，平均10%～15%，最高達23%，含水上升引起泥質細粉砂分散運移堵塞，從而造成防砂失效井占比為69.1%。

2 不同單元巖石固結類型及出砂機理

2.1 疏松砂巖巖石力學特征

圖2 排2 區塊N1s1組不同含水階段與出砂粒徑關系

使用縱波時差及密度測井資料對春光油田沙灣組各個單元進行巖石力學參數計算，沙灣組儲層巖 石楊氏彈性模量為5 000.0～12 000.0 MPa，且各單元間差異明顯，各單元儲層巖石內聚強度為0.9～3.3 MPa，內摩擦角約25.9°。由圖3 可知，春光油田不同單元儲層巖石抗壓強度為8.0～17.5 MPa，抗拉強度為1.8～2.6 MPa，巖石強度弱，容易出砂。

圖3 沙灣組不同單元儲層巖石強度對比

2.2 儲層巖石固結類型劃分

砂巖儲層巖石類型劃分依據包括孔滲參數、巖石強度、膠結物含量等參數，為了定量劃分砂巖儲層巖石類型，提出了劃分方法和技術界限指標，并利用綜合疏松指數（S）進行綜合判斷。綜合疏松指數的計算公式如下:

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

將砂巖儲層按巖石固結程度劃分為五類，分別為強固結儲層、中固結儲層、弱固結儲層、半流砂儲層和流砂儲層。砂巖儲層固結類型定量界定指標見表1。

將所有參數進行計算后繪制成圖（圖4），由圖可知，春光油田儲層固結類型包括中固結儲層、弱固結儲層和半流砂儲層三類，其中以弱固結儲層和半流砂儲層為主，分別占總數的48.44%和37.50%，中固結儲層僅占總數的14.06%。

2.3 不同固結程度儲層微觀出砂機理

針對春光油田沙灣組巖石膠結類型，提出了類蚯蚓洞和連續垮塌兩種微觀出砂機理，并對儲層出砂機理進行計算，分析沙灣組不同單元出砂機理。

表1 砂巖儲層固結類型定量界定指標

圖4 沙灣組不同層位儲層綜合疏松指數展布

2.3.1 類蚯蚓洞出砂機理

類蚯蚓洞出砂機理適用于砂巖油藏弱固結儲層。對于弱固結儲層，孔隙多為粒間孔隙，滲透性好，產量高，所以在砂巖油藏開采過程中，儲層中流體流速高，對巖石顆粒的拖拽力大。儲層流體流動產生的拖拽力首先將流通通道中的填隙物（多為黏土）和一定粒徑未固結的巖石顆粒（游離砂）攜帶進入井筒；弱固結儲層的大部分巖石顆粒膠結性差，固結強度低，流通通道暢通后，流體流速更高，對巖石顆粒的拖拽力更大，流通通道壁上的部分固結砂粒，在流體拖拽力作用下也將被剝落下來，隨流體流入井筒；弱固結儲層的部分固結巖石顆粒從固結強度薄弱點開始被剝落后，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層流體攜帶進入井筒后，流通通道成為高滲透帶，儲層中逐步形成類蚯蚓洞的出砂形態。所以，弱固結儲層的出砂為巖石顆粒被剝落和固液耦合多孔介質流動的過程。

2.3.2 連續垮塌出砂機理

連續垮塌出砂機理適用于砂巖油藏半流砂儲層和流砂儲層。對于半流砂儲層和流砂儲層，儲層中流體流速低，對巖石顆粒的拖拽力小。流砂儲層（未固結儲層）的填隙物含量很少，巖石顆粒之間多呈凹凸狀或縫合線狀鑲嵌在一起，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構，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，從而引起儲層繼續垮塌。隨著巖石顆粒的不斷垮塌，出砂量越來越大，在垮塌區圍繞炮眼形成砂拱；半流砂儲層和流砂儲層的出砂為未固結巖石顆粒連續發生垮塌，砂拱穩定，近井儲層逐步向外被掏空的過程。

通過對春光油田沙灣組儲層出砂機理進行統計分析（表2），沙灣組儲層整體出砂機理以類蚯蚓洞出砂為主，部分存在連續垮塌出砂機理。其中，排2井、排206-斜15 井單元出砂機理以類蚯蚓洞出砂機理為主；排2-30 井、排8 井、春133E 井單元出砂機理多為類蚯蚓洞出砂或連續垮塌出砂機理。

3 疏松砂巖儲層微觀出砂規律

儲層出砂是一個非常復雜的固液流動過程。根據微觀出砂機理或過程分析，儲層出砂必須滿足如下三個基本條件:①砂粒必須具備從巖石骨架或基質上剝落的條件，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出物理通道；③砂粒在產出通道中必須能達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，建立砂巖油藏出砂過程的物理模型和數學模型[7]。在砂巖油藏開發過程中，骨架砂的剝落首先從流通孔道壁面上最薄弱處開始。

表2 沙灣組不同單元儲層出砂機理統計

在模擬砂巖油藏出砂過程時，砂粒粒徑設置為0.10～10.00 mm，根據測井數據設置骨架砂在縱向上的固結強度，而骨架砂在橫向上的固結強度是隨機的；同時由測井資料確定砂巖油藏強度的非均質性，并在模擬砂巖儲層出砂的過程中，考慮產量流速、黏度和地應力等因素的影響。通過對砂粒的微觀受力分析，判斷流通通道中的游離砂是否被運移，骨架砂顆粒是否被剝離及被流體運移。

3.2 出砂規律分析

選取具有代表性的半流砂儲層的春110E 井為例（儲層有效厚度共2.2 m），根據巖石內聚強度隨井深變化情況進行出砂形態模擬（圖5）。

在出砂初期，各個射孔段均勻出砂（圖5a）；到出砂中期，內聚強度較低的儲層由于巖石顆粒膠結性差，固結強度低，出砂速度明顯加快（圖5b）；在出砂中后期，隨著內聚強度低的儲層巖石顆粒不斷剝落，成為高滲透帶，近井出砂區域逐步擴大，前端呈類似蚯蚓洞狀擴展（圖5c）；儲層最終出砂形態呈現明顯的縱向及平面非均質性（圖5d）。

微觀出砂形態模擬結果表明，對于弱固結或半流砂儲層，出砂總是先從射孔孔眼外部開始，呈類蚯蚓洞狀沿弱固結方向擴展；儲層出砂趨勢呈現明顯的縱向及平面非均質性，其規律取決于測井資料體現的巖石強度的非均質性；儲層厚度越大，由測井資料決定的非均質性越明顯，最終出砂剖面的非均質性越強。

4 結論與認識

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

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

（3）微觀出砂形態模擬結果表明，對于弱固結儲層或半流砂儲層，出砂總是先從射孔孔眼外部開始，呈類蚯蚓洞狀沿弱固結方向擴展；儲層出砂趨勢呈現明顯的縱向及平面非均質性。

圖5 春110E 井沙灣組儲層出砂形態模擬

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