匡韶华

中国石油辽河油田分公司 钻采工艺研究院（辽宁 盘锦 124000）

0 引言

雷61储气库是继双6储气库建成后，辽河油田在建的第二个储气库，属于辽河储气库群的重要组成部分。雷61块构造位于辽河坳陷西部凹陷陈家洼陷北侧，高点埋深约为1 192 m，构造幅度约200 m，目的层为S3，属于浅层边底水气藏。储层岩性以砂砾岩为主，平均孔隙度27%，平均渗透率638.8×10-3μm2，属高孔高渗储层。在储层取心过程中发现岩心胶结松散，经出砂预测分析，该区块出砂风险大，必须采取防砂措施。

雷61储气库前期已建成的井全部采用筛管防砂完井，但是，雷61-3井射孔完井后，通井遇阻，下入防砂筛管施工风险大。经研究论证，决定采用人工井壁防砂措施。人工井壁防砂技术是指采用压裂车组将树脂涂覆砂填充到地层亏空带和射孔孔眼中，在地层温度或固化剂作用下，固结成一定强度和渗透性的人工井壁[1-3]，达到防砂目的。该技术在浅层⁃中层疏松砂岩油气藏中应用普遍[4-8]，在超深碳酸盐岩油井进行了尝试性应用[9-10]，但是，在储气库及高压气井中没有应用先例。

人工井壁防砂技术在储气库中是否具有适应性，需要重点考虑人工井壁的冲蚀强度，但是，目前没有相关的实验数据做支撑。为此，本文采用自主研制的试验装置，开展了树脂涂覆砂人造岩心在高压大排量下的冲蚀试验，评价了多种树脂涂覆砂的耐冲蚀性能，为储气库防砂提供了重要技术参考。

1 人工井壁破坏机理

树脂涂覆砂在地层亏空带及射孔孔道中形成人工井壁后，与近井地层岩石胶结成一体，其破坏机理可以参照油气层出砂机理。从力学角度分析，油气层出砂机理一般归结为两种岩石破坏机理：剪切破坏机理和拉伸破坏机理[11-12]。

剪切破坏机理是由于射孔井眼周围岩石所受周向应力与径向应力差，超过岩石抗剪强度时，造成岩石剪切破坏，导致地层出砂，主要受生产压差影响。

拉伸破坏机理是由于流体向井筒中流动时，对射孔井眼周围岩石产生压力梯度和流体拖拽力，使岩石受到拉伸应力，当其超过岩石的抗拉强度时，造成岩石拉伸剥离破坏，导致地层出砂，主要受流体流速影响。

2 试验方案

2.1 总体思路

按照上述人工井壁破坏机理，制定冲蚀试验总体技术思路：采用树脂涂覆砂加工成人造岩心，装入岩心夹持器中，按照由低到高的注气量对涂覆砂岩心进行冲蚀试验；根据岩心冲蚀前后的重量变化、强度变化，以及定性观察，判断岩心是否发生冲蚀破坏；依据岩心冲蚀破坏时对应的注气量和过流压差，评价人工井壁是否满足储气库注采气量和生产压差的要求。

2.2 试验装置

试验装置由供气系统、岩心夹持器、环压泵和数据采集器组成（图1）。涂覆砂岩心装入岩心夹持器中，由环压泵为岩心提供周向应力。为了满足高压大排量冲蚀试验要求，采用注氮车提供稳定高压气源，最大注气量1 200 m3/h，最大注入压力35 MPa。气体进入岩心夹持器后，通过涂覆砂岩心中的孔隙，从岩心夹持器出口排出。数据采集器能够记录注入气量和注入压力。

图1 人工井壁冲蚀试验装置流程示意图

2.3 岩心样件

采用辽河油田常用的3种树脂涂覆砂材料制成标准尺寸的人造岩心，具体参数见表1。这3种树脂涂覆砂各有优点，其中，1#涂覆砂圆球度好、强度高、渗透率高；2#涂覆砂密度小、悬浮性好，能够保证良好填充质量；3#涂覆砂成本低。涂敷砂在套管及水泥环孔眼中的冲蚀强度是影响人工井壁防砂效果和有效期的关键因素，因此，取试验用岩心长度为23 mm，约等于套管及水泥环孔眼长度。

表1 涂覆砂岩心基本参数

2.4 参数设计

依据雷61储气库设计运行参数（表2），确定合理的注入气量是保证人工井壁冲蚀试验成功的关键。考虑地层非均匀产气，取有效产气段7 m（10%有效产气段），折算成单孔产气量为100.4 m3/h。试验岩心直径为25 mm，其过流面积为射孔孔眼过流面积的6.25倍，折算试验等效气量应为627.5 m3/h。为测试岩心的极限冲蚀破坏值，取450、650、850 m3/h 3个注入气量进行试验。

表2 雷61储气库定向井设计运行参数

3 试验分析

3.1 岩心渗透性分析

渗透性是反映人工井壁防砂性能的一项重要指标，尤其是在高产油气井中，人工井壁渗透性的差异会对产量造成较大影响。试验测得三种涂覆砂岩心在不同注气量下的过流压差，如图2所示。由图2可以看出，在450 m3/h气量下，3种岩心的过流压差基本接近；随着气量增大，3种岩心的过流压差的差异性加大；1#涂覆砂岩心由于采用圆球度非常好的陶粒加工，形成规则、均匀、连通性好的孔隙，其渗透性要好于2#和3#涂覆砂岩心。

图2 涂覆砂岩心在不同气量下的过流压差

一般来说，人工井壁渗透率要远大于地层渗透率，在常规油气井中对产量影响很小，所以，选择涂覆砂时通常不需要重点考虑渗透率指标。但是，本试验发现，在大排量气体通过时，不同涂覆砂岩心的流动压差相差较大，因此，对于高产油气井需要重点关注涂覆砂的渗透率指标。

3.2 岩心质量变化分析

如果涂覆砂岩心在冲蚀过程中出现破坏，脱落的砂粒会导致岩心质量发生变化。试验测得3种涂覆砂经不同气量冲蚀后的岩心质量，见表3。从表3可以看出，1#岩心冲蚀后的质量基本不变；2#岩心冲蚀后的质量略有减小，结合试验观察，判断为试验操作中对岩心的磕碰，导致质量损失；3#岩心在450 m3/h和650 m3/h气量下冲蚀，岩心质量基本无变化，但是在850 m3/h气量下冲蚀后，质量损失较明显，结合试验观察，判断岩心发生了冲蚀破坏。

表3 涂覆砂岩心冲蚀前后质量变化

3.3 岩心强度变化分析

高强度的气体冲蚀可能会造成涂覆砂岩心胶结强度的下降，因此，通过岩心冲蚀前后强度的变化，可以反映气体冲蚀是否对岩心造成了影响。取同种涂覆砂材料，在相同条件下制成两块相同岩心，分别测试冲蚀前抗压强度，以及经过6 h冲蚀后的抗压强度，见表4。由表4可以看出，考虑到测试误差以及岩心制作差异，3种涂覆砂岩心冲蚀前后的抗压强度并无明显变化，说明大排量气体冲蚀不会对人工井壁的抗压强度造成明显影响。

表4 涂覆砂岩心冲蚀前后抗压强度变化

按照岩心破坏机理，试验中，3种涂敷砂岩心承受的过流压差均未超过岩心的抗剪强度，岩心没有发生剪切破坏。

3.4 岩心冲蚀破坏定性分析

3种涂覆砂岩心在每次冲蚀试验后，取出岩心观察其是否发生破坏。试验过程中发现，1#岩心和2#岩心经不同气量冲蚀后，都未出现破碎、裂纹、砂粒脱落等破坏现象。3#岩心在450 m3/h和650 m3/h气量下冲蚀后，均未发现岩心破坏现象；但是，在850 m3/h气量下冲蚀后，岩心出口端面产生明显的凹坑，如图3所示。经分析判断，这种凹坑是由于气体冲蚀导致砂粒剥离脱落而形成的，符合岩石拉伸破坏机理。

图3 3#涂覆砂岩心冲蚀前后对比

目前，抗压强度和渗透率是选择涂敷砂主要关注的2个技术指标。从试验中可以看出，在同等抗压强度和渗透率条件下，不同涂敷砂的耐冲蚀性能差异较大。因此，对于高产油气井有必要进行涂敷砂的冲蚀试验评价。

3.5 涂覆砂选择

通过上述试验分析可知，陶粒涂覆砂和轻质涂覆砂具有很好的耐冲蚀性能，可以满足雷61储气库防砂要求。陶粒涂覆砂与携砂液密度相差较大，需以较大的排量和低携砂比充填，大量液流对井壁冲刷严重，易造成地层伤害；轻质涂敷砂与携砂液密度相差较小，易被携带,能在较低排量下以较高的携带比充填地层，更易在井壁附近堆积，充填质量好，携砂液用量少[13]。因此，综合对比考虑，雷61储气库人工井壁防砂采用轻质涂覆砂。

4 现场应用

雷61-3井采用人工井壁防砂，2020年8月进行防砂施工，2020年10月13日开始投入注采试运行，注气压力5.1~5.8 MPa，日注气量（7.1~9.9）×104m3，日采气量（15~28）×104m3。为了分析人工井壁对注气效果的影响，对比了两口筛管完井的邻井（雷61-2和雷61-4）注气效果，如图4所示。从注气情况可以得到3点认识：①注气压力和日注气量相对稳定，说明在目前的注气参数下，人工井壁的强度满足要求，没有发生破坏；②相对于筛管完井，在相同注气压力下，人工井壁防砂的注气量偏小，对储气库注气量有一定的影响；③试采过程中，地面除砂器中未发现返出的地层砂和涂覆砂，说明人工井壁胶结层非常稳定，防砂效果好。人工井壁防砂采用涂覆砂填充射孔孔道，减小了射孔孔道的流通面积，对注采气量势必造成一定的影响。但是，由于人工井壁防砂对储层岩石起到支撑作用，阻止了地层砂运移，长期看，人工井壁的渗透性保持相对稳定，注采气量也会保持稳定。而根据筛管防砂的普遍经验，生产初期，筛管防砂对产量影响较小，但是，生产中后期，由于地层砂运移，会造成筛管堵塞，导致产量下降。因此，人工井壁防砂与筛管防砂在储气库中的应用效果，仍需对现场生产进行更长时间的跟踪评价。

图4 雷61-3井与邻井注气效果对比

5 结论与建议

1）对3种涂敷砂按照由低到高的气量进行冲蚀试验，最高气量850 m3/h，最高压力7.25 MPa，远超雷61储气库设计的注采气量和生产压差。试验表明：1#涂敷砂和2#涂敷砂冲蚀后的质量和抗压强度无明显变化，岩心未出现破坏现象，满足雷61储气库注采强度要求；3#涂敷砂出现砂粒剥离脱落现象，不适合高气量井防砂。

2）在储气库中进行人工井壁防砂探索应用，在高强度注气条件下，人工井壁保持稳定。此次应用，为浅层储气库防砂提供了一种可行的技术对策，也为类似高压油气井防砂提供了借鉴作用。

3）防砂有效期是储气库防砂重点考虑的因素之一。由于树脂的自然老化，以及高速气流的冲蚀磨损，会导致人工井壁的胶结强度随时间下降，影响人工井壁防砂有效期。建议将涂敷砂老化实验与冲蚀试验结合起来，预测防砂有效期，更好地指导储气库防砂。