超深碳酸盐岩油井复合防砂技术及其应用

张洪宝, 匡韶华,2*, 郭 涛,2, 柳燕丽

(1.辽河油田钻采院，盘锦 124010； 2.塔里木油田油气工程院，库尔勒 841000)

塔里木盆地的超深碳酸盐岩油井在生产过程中普遍存在井壁垮塌、出细粉砂和泥砂的现象。目前，该类油井主要采用机械筛管防砂，但是仍有部分井出现了筛管堵塞、筛管破损、储层反复砂埋等问题，严重影响了油井的正常生产，需要进一步优化防砂方法和防砂参数，提高防砂效果。现根据油藏条件和出砂特点，提出了复合防砂技术对策。

复合防砂技术[1]是将机械防砂和化学防砂结合起来，进行优势互补的组合防砂技术。一方面采用化学防砂在地层中建立具有一定强度和渗透性的挡砂屏障，另一方面在井筒中下入防砂筛管或者砾石充填，建立高强度的挡砂屏障。复合防砂具有防砂效果好，有效期长，适应性广的特点。

目前，复合防砂技术在浅层-中层疏松砂岩油气藏中应用较普遍[2-6]，主要是采用化学防砂与单级防砂筛管结合应用。相比于浅层-中层疏松砂岩油气井，超深碳酸盐岩油井的工况要复杂的多。采用复合防砂能否在裸眼完井的碳酸盐岩油井中构件良好的挡砂屏障尚不明确，并且在该类油井中没有复合防砂技术的应用经验。现考虑裸眼井壁垮塌、砂样分选性差、细粉砂和泥质含量高的特点，创新采用树脂砂填充碳酸盐岩裸眼亏空带，防止井壁垮塌；同时采用两级防砂筛管进行多级过滤，降低筛管堵塞风险。优化设计的复合防砂技术在英买XX区块进行了探索性应用，应用效果较好。

1 地质特征及出砂概况

英买XX区块位于塔北隆起西部的英买力低凸起，南部紧邻满加尔生烃凹陷，目前已成为塔北最有潜力的勘探目标区之一[7]。该区块主力储层段为一间房组和鹰山组上部。一间房组岩性以亮晶颗粒灰岩为主，夹薄层生物灰岩和泥晶灰岩；鹰山组上部岩性以泥晶灰岩为主，夹砂屑灰岩[8]。储层类型以洞穴型、裂缝-孔洞型为主，洞穴型储层占64.7%，裂缝-孔洞型储层占27.5%。基质孔隙低、储集性能差，溶蚀缝洞储集性能好；基质平均孔隙度为1.14%，平均渗透率0.53×10-3μm2。原始地层压力64.16 MPa，地层温度130.4 ℃，储层深度5 800 m左右。

该区块主要以裸眼完井为主，生产过程中部分井井壁垮塌及出砂严重[9-10]，频繁造成抽油泵/电泵砂卡、磨损，以及储层段砂埋，增加了检泵作业次数，同时导致产量下降。随着地层压力下降及地层出水，出砂井数逐年增加。

该区块属于碳酸盐岩油藏，出砂特点与疏松砂岩油藏存在较大的区别。由于生产压差过大、应力释放和地层压力下降导致井壁垮塌；同时，裂缝及洞穴中填充的地层砂和泥质随流体产出导致地层出砂[11-12]。出砂特点是：砂样非均质性严重，成分复杂，既有井壁垮塌掉下来的大块岩屑，也有从裂缝和洞穴中流出的地层砂和泥质，并且细粉砂和泥质含量高。出砂砂样如图1所示。

图1 英买-A井冲砂砂样图片

前期主要采用泵挂金属棉筛管进行防砂，防砂方式单一，防砂效果较差，存在以下问题：防砂筛管破损、堵塞现象普遍，导致泵卡、磨损和供液不足；储层段垮塌砂埋，导致油井产量下降。因此，需要优化防砂方法和防砂参数来提高油井防砂效果。

2 防砂技术对策

针对英买XX区块奥陶系碳酸盐岩油藏出砂特点和防砂问题，提出复合防砂技术对策，并且应用多级防砂理念设计防砂筛管。多级防砂[13-14]是在井筒中悬挂不同挡砂精度的防砂筛管，对非均质严重的地层砂进行逐渐挡砂和过滤，降低筛管堵塞风险，提高防砂效果。

总体防砂技术方案如下：采用树脂砂填充近井地层亏空带和裂缝，构建人工井壁，恢复对井壁的支撑，防止井壁垮塌[15-16]；井筒中丢手悬挂一级防砂筛管，形成二次挡砂屏障，防止人工井壁防砂失效带来的出砂问题；机采管柱泵挂二级防砂筛管，形成三次挡砂屏障，防治泥砂进入抽油泵/电泵。一级防砂筛管的挡砂精度小于二级防砂筛管挡砂精度，进行多级防砂过滤，降低筛管堵塞风险。一级防砂筛管悬挂在生产套管中下部，不进入裸眼产层段，可以有效防止防砂管柱被埋卡，便于后期作业过程中打捞防砂管柱[17]。

3 防砂工艺设计

3.1 人工井壁防砂设计

树脂砂选用酚醛树脂覆膜石英砂，树脂砂技术要求：①覆膜率大于98%；②抗折强度大于3 MPa；③抗压强度大于6 MPa；④固化后渗透率大于8 μm2；⑤固化时间24～48 h。

按照Saucier经验公式，根据地层砂的粒度中值，计算树脂砂粒度中值范围：树脂砂粒度中值=(5～6)地层砂粒度中值[18]。但是，由于碳酸盐岩地层砂样非均质严重，砂样差异性大，砂样取样代表性差，杂质成分多，取得的砂样难以反映真实的地层粒度情况。因此，为了保证防砂有效性，按照人工井壁防砂经验，选择充填用树脂砂的粒径值范围为：0.3～0.6 mm，既能有效防止地层出砂，又有利于泥质排出。

树脂砂准备量设计[19]：树脂砂准备量V=地层填充量V1+井筒留塞量V2+附加砂量V3。具体计算方法：①地层填充量V1按照人工井壁处理半径(地层亏空半径)计算，一般根据历次作业累计冲砂量确定；如果缺少冲砂量数据，可按照处理半径0.5～1.0 m计算，具体可根据实际情况调整，折算加砂强度约为每米油层0.7～3.0 m3；②井筒留塞量V2按照留塞高度200～300 m计算；③对于疏松砂岩油藏，一般附加砂量为地层填充量的0.2倍，考虑到碳酸盐岩油藏存在裂缝及洞穴情况，附加砂量按照地层填充量的0.4倍计算。

最高施工泵压取生产套管抗内压强度的0.8倍或者采油树承压能力两者之间的最小值。英买2区块采用φ177.5 mm×10.36 mm生产套管，抗内压强度77.4 MPa。该区块采油树压力等级为35 MPa，由于采油树使用年限较长，可能存在腐蚀及密封件性能下降的情况，因此，确定最高施工泵压为30 MPa。考虑该区块油层厚度较大，并借鉴前期酸压施工经验，设计施工排量为0.5～2.5 m3/min。设计携砂液充填砂比为3%～20%，待压力稳定后开始向携砂液中加砂，根据施工压力变化情况控制砂比，若压力上升不明显，则依次间隔提高砂比5%，至压升敏感，则停止加砂。

3.2 井筒一级筛管防砂设计

井筒一级防砂筛管选用金属环切缝筛管。该防砂筛管由打孔基管、不锈钢金属环和保护罩组成(图2)。金属环叠加嵌套在打孔基管外，通过金属环之间的定位片产生过滤缝隙。金属环截面为梯形结构，保证产生的过滤缝为梯缝结构，从而使得筛管具有“自洁”能力，不容易发生堵塞。金属环切缝筛管具有过流面积大、强度高、抗堵塞、耐腐蚀的优点。

图2 金属环切缝筛管结构示意图

井筒悬挂金属环切缝筛管起到二次挡砂屏障和井筒一级过滤的作用，防止人工井壁失效造成的树脂砂返排和地层出砂，主要用于过滤中粗砂。因此，金属环切缝筛管挡砂精度按照2/3树脂砂最小粒径设计，即筛管挡砂精度=2/3×0.3 mm=0.2 mm。

井筒筛管丢手悬挂器选用液压可取式封隔器[20]，如图3所示。它是通过油管内打压，活塞下移使卡瓦张开、压缩胶筒坐封，其内部设计有倒齿棘爪机构，坐封后将胶筒保持在压缩状态。解封是通过上提管柱剪断解封销钉来实现解封。使用于直井、斜井、水平井完井；可用于油气井常规完井、注水井、双封堵水管柱、水平井堵水管柱、射孔完井联作管柱。适合于5″～7 5/8 ″规格套管，内径45～60 mm，承压级别70 MPa，耐温204 ℃。液压可取式封隔器上端配置丢手接头，用于丢手和打捞防砂管柱。

图3 液压可取式封隔器

3.3 泵下二级筛管防砂设计

泵下二级防砂筛管连接在抽油泵或电泵的吸入口位置，防止砂粒进入到抽油泵或电泵中。二级防砂筛管选用绕丝动态自洁防砂筛管。该筛管由基管、支撑泄流层、过滤介质和外护管构成。支撑泄流层由若干不锈钢筋条沿轴向焊接在基管上，形成支撑骨架和无数泄流通道。过滤介质是由数百根连续不断的不锈钢丝缠绕包裹在支撑泄流层上加工而成。由于不锈钢丝的弹性作用，在一定的驱动力下产生蠕动变形，细颗粒可以通过过滤层，降低过滤介质堵塞风险，达到“自洁”作用。挡砂实验表明，该筛管抗堵塞能力优于金属网复合筛管。在稠油、细粉砂和黏土含量高的井中使用时，防砂效果明显优于常规筛管。

二级防砂筛管的挡砂精度要高于一级防砂筛管，用于防止细粉砂及部分泥质进入到抽油泵或电泵中，考虑抽油泵和电泵的耐磨及防砂卡的能力，二级防砂筛管挡砂精度选用0.1～0.05 mm。

3.4 防砂作业施工程序设计

英买XX区块碳酸盐岩油井复合防砂作业主要施工步骤如下：①下光油管带笔尖冲砂管柱或平底磨鞋冲砂管柱探砂面，并冲砂至人工井底；②通井刮壁至预定位置；③下多臂井径仪，测裸眼段井径，评价地层垮塌及出砂程度；④下树脂砂充填管柱(光油管带笔尖)至裸眼段以上200～300 m；⑤挤前置液→挤树脂砂→挤固化剂→挤顶替液，若施工压力过高则停泵，反循环洗井，带压关井；⑥关井侯凝48 h以上；⑦下钻塞管柱(牙轮钻头或刮刀磨鞋)，钻塞至人工井底；⑧下7＂液压可取式封隔器丢手防砂管柱，丢手悬挂一级防砂筛管；⑨下抽油泵/潜油电泵完井管柱(泵挂二级防砂筛管)。按要求进行下一步作业。

4 现场应用

自2017年来，英买XX区块累计实施复合防砂作业3井次(YM-A、YM-B、YM-C)。这三口井均采用裸眼完井，生产过程中均出现较严重的井壁垮塌和出砂泥砂问题，初期采用单一的泵挂筛管防砂，效果不理想。根据这3口井的出砂特征，决定采取复合防砂措施，防砂作业后的完井管柱结构如图4所示，其中，YM-B井筒未悬挂一级防砂筛管。下面以YM-A井为例介绍防砂施工过程。

YM-A井于2010年投产，投产初期日产液105 t。2014年转电泵生产，生产过程中多次因出砂导致检泵作业。2015年产液量下降至29 t/d，电泵过载停机关井。2017年进行检泵、冲砂、防砂作业。历次作业累计冲砂34.06 m3，工程测井显示裸眼段扩径严重，且井壁不规则。正挤前置液8 m3，泵压14 MPa，排量0.8 m3/min；正挤携砂液238 m3(树脂砂24 t)，泵压14～25 MPa，排量0.8～1.0 m3/min；正挤顶替液22 m3，泵压17～30 MPa，排量0.1～0.5 m3/min。关井侯凝固化72 h，井口压力下降至0 MPa。钻塞后，无漏失，井口压力为0 MPa。正挤压井液，压力13.5 MPa不降。下3 1/2＂金属环切缝筛管4根，挡砂精度0.2 mm。下抽油泵完井管柱，泵挂2 7/8金属棉筛管5根，挡砂精度0.05 mm。完井管柱结构如图4所示。防砂作业后投产，日产液26 t，累计生产120 d，未见出砂现象，但由于含水量大幅上升导致关井。

3口井的措施效果见表1，从增产情况来看，防砂措施前后，YM-A井产量变化不大，YM-B和YM-C井产量大幅提升。从防砂效果来看，YM-A和YM-C井防砂有效生产时间较长，未见出砂现象，截止目前仍正常生产；YM-B井防砂有效时间较短，检泵周期只有98 d，且井筒中积砂较多。按照油井防砂效果评价方法[21]，三口井的综合防砂效果评价等级为优等。其中，YM-B井树脂砂填充量较少，人工造壁质量较差，且井筒中未悬挂一级防砂筛管，缺少二级挡砂屏障，导致了该井防砂有效期较短。

综合效果来看，采用两级防砂筛管的复合防砂技术在碳酸盐岩油井具有很好的应用效果。

5 结论与建议

(1)针对英买XX区块井壁垮塌、砂样非均质性严重、细粉砂及泥质含量高的出砂特点，提出复合防砂及多级防砂技术对策，结合化学防砂和机械防砂的优势，提高防砂效果。

(2)树脂砂人工井壁技术可以有效防止碳酸盐岩裸眼井地层垮塌，相对于金属棉筛管的单级防砂方式，金属环切缝筛管+金属棉筛管的多级防砂方式，防砂效果更好。

(3)该技术在超深碳酸盐岩油井中进行了探索性应用，施工成功率100%，增产效果明显，防砂效果较好，起到增产-防砂双重作用，为该类油藏防砂提供了借鉴作用。

(4)碳酸盐岩油藏近井地层亏空情况、裂缝-洞穴发育情况直接影响树脂砂的填充效果及作业风险，建议防砂作业前开展套后成像(IBC)+声波扫描成像(SS)+过套管超热电子(CHFP)组合测井，了解地层亏空及裂缝-洞穴发育情况，为人工井壁防砂作业提供参考。

(5)综合考虑碳酸盐岩油井出砂出水问题，选用具有控水功能的树脂砂进行人工井壁防砂，起到控水防砂的作用，延长作业后油井的有效生产周期。

表1 英买XX区块复合防砂效果统计