基于多參數評分法的出砂風險評估方法

賀占國，王攀，車爭安，陳立強，沈小軍

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

產層出砂是困擾油氣井生產的重要問題之一。出砂的危害主要有：（1）影響產量。產層出砂會造成井筒砂堵或砂埋地層，使油氣井產量大幅度降低，甚至會導致油氣井停產。（2）損害井下完井生產管柱和地面設備。砂粒在井液高速流動攜帶下會對井下完井生產管柱（包括完井工具、電潛泵、油管等）和地面設備（包括采油樹和地面管線等）產生沖蝕和磨損[1]。因此判斷油氣井在開采過程中是否會出砂，選擇合適的完井方式，對于經濟有效地開采油氣田是非常重要的。

目前常用的出砂預測方法有經驗法、數值模擬計算法和室內試驗法[2]。這些方法主要是根據測井資料或用巖心的巖石力學試驗資料計算巖石強度參數，進行出砂預測。實際上，影響油氣出砂的因素還有很多，如產層出水、地層壓力衰竭、生產壓差過大等。本文綜合考慮以上因素，建立出砂風險評估體系，評估油氣井的出砂風險，為完井方式選擇提供決策依據。

1 出砂預測方法

1.1 經驗法

1.1.1 地層孔隙度法

砂巖孔隙度是反映地層致密程度的一個參數。一般當地層孔隙度大于30%時，膠結程度差，易出砂；孔隙度在20%～30%之間時，地層會少量出砂；孔隙度小于20%時，地層不易出砂。

1.1.2 聲波時差法

聲波測井測出的聲波時差(縱波)值同巖石的孔隙度有良好的對應關系，較小的聲波時差值代表低孔隙度、堅硬、高密度巖石；較大的聲波時差代表高孔隙度、松軟、低密度巖石。經驗表明，砂巖油層出砂聲波門限值為：

（1） Δt＜312μs/m，為穩定砂巖，不易出砂；

（2） Δt＞345μs/m，為不穩定砂巖，易出砂；

（3） Δt在312～345μs/m 之間，為難以判斷的砂巖。

1.1.3 出砂指數法

出砂指數法是利用測井資料中的聲波速度及密度等有關數據計算巖石力學參數，再計算地層的出砂指數，從而進行出砂預測的一種方法。地層出砂的判定標準為：

式中：B為出砂指數，MPa；E為巖石彈性模量，MPa；μ為巖石泊松比，無量綱。

根據現場經驗，出砂指數越大，穩定性越好，地層越不易出砂。通常情況下，當B＞2.0×104MPa時，地層不出砂或出砂輕微；當1.4×104MPa＜B＜2.0×104MPa 時，地層出砂；當B＜1.4×104MPa時，地層出砂嚴重。

1.1.4 斯倫貝謝法

斯倫貝謝出砂指數（S）為巖石的體積模量和剪切模量的乘積，其計算公式為：

式中：S為斯倫貝謝出砂指數，MPa2。S值越大，巖石強度越大，地層穩定性越好，越不易出砂；當S＜5.9×107MPa2時，地層可能出砂。

1.1.5 臨界生產壓差法

現場經驗表明，一般生產壓差小于儲層單軸抗壓強度的一半時，儲層不易出砂。因此認為臨界生產壓差：

式中：Δp為臨界生產壓差，MPa；pUCS為單軸抗壓強度，MPa。

1.2 數值計算法

數值計算法基于理論模型，利用有限差分法、有限元法及離散元法對井壁應力分布、流體流動情況及巖石特性進行評價。該方法的優點是考慮更多的出砂影響因素（如流體性質、巖石物理和巖石力學性質），缺點是計算過程復雜且耗時太長，而且對輸入參數準確性要求高[3-4]。

1.3 室內試驗法

目前很多公司和高校都自行研制了出砂模擬實驗裝置（圖1）。主要是模擬油井生產情況（含水率、產液速度、生產壓差等），通過巖心流動實驗，對出砂情況進行測量和分析，得到臨界生產壓差、臨界生產流速、出砂量等數據[5-9]。室內試驗法需要有巖心樣，一般試驗周期2 周以上，費用相對較高。

圖1 出砂模擬實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of sand production simulation experiment device

2 影響儲層出砂的因素

2.1 地層壓力衰竭

出砂臨界生產壓差與地層壓力密切相關，隨著地層壓力的衰減，臨界生產壓差隨之降低[10]。地層孔隙壓力隨著油氣開采不斷降低，最終達到保持井壁巖石穩定的臨界孔隙壓力，當地層孔隙壓力低于臨界孔隙壓力時，井壁巖石將發生剪切破壞導致井壁失穩，造成儲層出砂（圖2），這說明地層壓力衰竭增大了出砂風險。

圖2 地層壓力衰竭對臨界生產壓差的影響圖Fig.2 Influence of formation pressure depletion on critical production differential pressure

2.2 含水率

水能溶解砂粒之間的一部分膠結物,使地層的膠結強度下降。實驗表明見水后，砂巖的單軸抗壓強度下降20%～60%（表1）。一般來說，巖石對水含量的敏感性越強，含水率對巖石強度的影響越明顯[11]。研究表明，見水后黏土礦物膨脹，使地層滲透率降低，增加流動阻力，增加地層出砂風險[12]。

表1 泡水前后巖石強度變化表Table 1 Rock strength changes before and after soaking in water

2.3 原油黏度

高黏度原油對出砂影響很大，主要表現在兩個方面，一是高黏度原油在流動中阻力大,攜砂能力強；二是高黏原油阻止砂粒在運移過程中的沉降，懸砂能力強[13-14]。

3 出砂風險評估方法

3.1 多參數評分法基本思路

（1）確定評分項目。選擇常用的出砂預測經驗方法和影響儲層出砂的主要因素作為評分項目。

（2）確定各項目的取值規則，分別賦值1、2 或3。

（3）根據各評分項目的影響權重分別賦予不同的權值（1、2 或3）。

（4）通過加權平均計算得到出砂風險指數。

式（4）中：R為 出砂風險指數；Pi為出砂預測方法得到的出砂風險指數；Fi為影響出砂的因素得到的出砂風險指數；WPi、WFi為權重。

3.2 建立出砂風險評估表

經過優選，參與評分的參數共有10 個。其中出砂預測方法4 個：孔隙度法、聲波時差法、出砂指數法和斯倫貝謝法；影響地層出砂的因素6 個：開采方式、見水速度、地層原油黏度、黏土吸水膨脹性、巖石單軸抗壓強度和膠結類型。建立出砂風險評估表（表2）。

表2 出砂風險評估表Table 2 Sand production risk assessment form

3.3 實例應用

選擇渤海A、B、C 油田、南海東部D 油田和南海西部E 油田，使用出砂風險評估方法進行評分，評估結果見表3。A、E 油田出砂風險高，B、D 油田出砂風險中等，C 油田出砂風險低。

表3 出砂風險評估方法應用結果表Table 3 Application results of sand production risk assessment method

理論上出砂風險指數可以在1～3 之間變化，風險值越高，出砂可能性越大。按分值劃分為3個風險區：1.5 以下為低風險區，1.5～2.5 為中等風險區，2.5～3 為高風險區（圖3）。

圖3 出砂風險評分圖Fig.3 Sand production risk scoring chart

以上5 個油田均已經完井投產。其中，C 油田未采取防砂措施，水平井下入打孔管支撐井壁、定向井采用射孔完井不防砂；B 油田和D 油田的水平井和定向井均采用獨立篩管防砂；A 油田和E 油田的生產井采用礫石充填防砂、注水井采用獨立篩管防砂。投產以來生產良好，未出現出砂影響生產的情況，表明本方法與油氣田實際生產符合度較高。

4 結論與建議

（1）基于多參數評分法的出砂風險評估方法可以綜合考慮10 個參數值的影響，評價油氣田出砂的風險程度，為完井方式選擇提供決策依據。

（2）確定是否采取防砂完井除了考慮出砂風險程度外，還需要考慮完井初期防砂的投入與后期修井成本的比例關系。