突破出砂防治的困境：油气井出砂量的定量预测

斯伦贝谢公司引领石油天然气行业变革，擅长非常规资源勘探与开发。其地质力学技术助力高效开发如页岩气等资源。针对油气田出砂问题，斯伦贝谢提出基于岩石损伤模拟的预测方法，利用Petrel套件和SandView平台预测并验证出砂量。此外，OLGA软件模拟砂粒运移，优化防砂策略。这些技术降低开发成本，提升产能。斯伦贝谢提供技术支持，寻求更多合作机会。

出砂防治的困境

出砂是许多油气藏生产过程面临的痼疾。出砂会导致井筒堵塞、生产井产量下降或丧失及地面生产管柱的磨蚀、堵塞及破坏，会导致重大的经济损失。过去30年以来，为了应对出砂问题，许多油气田一般利用基于解析法的出砂预测技术来预测出砂风险并相应实施防砂完井措施。基于解析法的出砂预测技术能够预测在生产过程中是否会出砂，但并不能预测出砂量。一旦预测会出砂，油气田就会相应采用防砂措施，例如防砂筛管、砾石充填、压裂防砂等。但采用这样措施的后果是增大了完井的费用、增加了近井表皮及储层污染，导致生产井产能下降，及防砂措施的失效（例如局部被冲蚀）导致井筒堵塞、修井成本显著上升。在这样的情况下，出砂防治陷入两难的境地。

通过对大量油气藏的出砂历史的深入分析，人们意识到，仅仅判断地层出不出砂并没有给出生产井出砂风险的准确判断，因为一天出10克砂同一天出1000公斤砂对应着非常不同的出砂风险，也对应着完全不同的出砂管理策略。在很多情况下，少量出砂在很大程度上并不会导致完井管柱的磨蚀及井筒堵塞；相反，由于少量出砂能够消除近井损伤及提升近井油气渗流通道，在一定程度上降低表皮能够提高生产井的产量。只有在出砂量超过井下生产管柱及地面设施的承受能力的情况下，才有必要采用主动的防砂措施来限制砂粒进入井筒。

出砂量预测技术方法

所以，可靠的出砂量预测成为突破出砂防治困境的关键技术手段。过去10多年来，业界对如何预测出砂量进行了探索。比较常用的是经验法，例如把出砂量和岩石强度、油气的流动速度建立经验公式来预测出砂量。这样的方法需要大量井的数据，所以在这些经验公式建立之后，油气田常常已到了开发的中后期，对油田的开发及管理的指导作用不大，并且一个油气田的经验公式很难推广到其他油气田。

基于对出砂机理的深入分析，近年来斯伦贝谢提出了基于岩石损伤过程模拟的出砂预测方法。这是因为出砂涉及到3个关键的物理过程：屈服、破碎及运移：

岩石的损伤过程已被斯伦贝谢TerraTek的大量砂岩岩心实验结果证实。如下图所示，当轴向荷载达到岩石的峰值强度后，随着塑性应变的增加，岩石的承载力在不断地降低，同时岩石孔隙度不断增加。因此，在出砂数值模拟中，必须选用能够刻画岩石损伤过程的屈服准则，才能够准确预测岩石的破坏。

斯伦贝谢利用考虑应变软化的摩尔-库伦准则来开展岩石损伤的数值模拟，因为研究发现摩尔-库伦准则能够更准确地重现岩心观察到的应力应变特征。如下图所示，下标0和f分别表示初始和最终时刻对应的岩石强度参数。可以看到，初始的破坏包络线较高，在岩石发生屈服之后，岩石表现出损伤的特征，粘聚力和内摩擦角随着塑性应变不断下降，导致破坏包络线向下移动。通过这种方式，我们能够将上图中展现出的岩石损伤的过程转化为数学表达。

利用重现实验现象的数值模拟工具，就能够数值模拟岩石在生产过程中的损伤过程（应变软化过程），就能够预测岩石孔隙体积的增量（也就是岩石破碎的体积增加），这样就能够预测出砂的体积。这个体积就等于井口观察到的砂量及井底沉积砂量的总和。

Petrel的地质力学套件能够通过开展近井尺度的四维地质力学模拟来分析生产井岩石的损伤过程从而定量预测出砂量。在Petrel的地质力学套件中，通过从全区域四维地质力学模型沿井筒切出近井四维地质力学模型，并在近井模型继承全油气田模型的地应力场及储层的压力场。在近井四维地质力学模型中输入岩心实验确定的损伤（应变软化）模型所需的参数，包括临界塑性应变、峰值强度、残余强度等，就能够模拟近井区域不同生产压差、不同地层压力衰减条件下的岩石损伤破碎过程。如下图所示，软件能够模拟单个或多个孔眼周围的破坏情况和孔隙体积增量，从而计算出整口井的出砂量。

为了现场验证出砂量预测的结果，可以采用SandView——斯伦贝谢最新一代出砂检测平台来直接测量在不同生产压差下生产井段的不同位置的出砂量，并和出砂量的预测结果进行比对。

砂粒运移模拟

砂体在生产管柱中的运移是一个瞬态过程，因为砂粒被油气流体扬起及运移的混合会导致流体密度及速度改变，从而改变油气流体的携砂能力。同时，砂粒从井底到井口的运移过程也一个瞬态的过程。通过利用斯伦贝谢专业的油气混输管流瞬态模拟软件OLGA，能够模拟不同工况条件下砂粒在管柱中的运移，就能够预测在生产过程中有多少砂粒能够随着油气生产被携带到地面。

如何优化防砂控砂策略

通过对出砂量的定量预测来回答在什么时候利用什么生产制度出多少砂的关键问题，就能够更精准地确定油气田的防砂策略，从而实现低出砂量井控砂生产、高出砂量井防砂生产，在有效控砂、合理防砂的同时降低整体油气田开发成本、有效提升总体产能，实现油气田生产的降本增效。