前言 第 1 頁 （共 28 頁） 前 言 在石油開采過程中 ， 由水動力沖刷 等作用引起的疏松砂巖儲層出砂是導致儲層損害和產能降低的主要原因 。 出砂不僅會導致油井減產或停產及地面和井下設備的腐蝕 ， 而且會使套管損壞、油井報廢。采用裸眼完井的油井 ,其地層一般具有較高的強度 ， 只有在地層發(fā)生破壞時 ， 才會引起出砂。 出砂預測技術有一定難度，單項技術預測準確性不高，國內在此方面研究較少。已開發(fā)油田根據(jù)歷史數(shù)據(jù)擬合預測出砂，新開發(fā)區(qū)只能根據(jù)測井資料，根據(jù)部分經驗公式計算預測出砂。只是在近期認識到出砂預測技術的重要作用。國外在出砂預測方面研究較早，現(xiàn)已開發(fā)出大尺寸 出砂試驗模擬系統(tǒng)、多種出砂理論模型及軟件，向提高預測準確性方向發(fā)展。因此，對 其中的 裸眼完井出砂 進行 預測是非常有必要的。 裸眼完井的出砂 預測研究 第 2 頁 （共 28 頁） 1 選題背景 1.1 題目來源 該題目來源于科研項目。 1.2 裸眼完井出砂預測的目的和意義 油井出砂是石油開采遇到的重要問題之一 , 每年要花費大量人力、物力和財力進行防治和研究。出砂不僅會導致油井減產或停產以及地面和井下設備磨蝕 , 而且會使套管損壞、油井報廢。出砂機理作為出砂預測和防砂的理論基礎 , 越來越受到人們的重視 。 但是此類研究十分困難 , 因為 : 油田開發(fā)在地層深處進行 , 在地面無法直接觀測 ; 地層巖石的力學性質變化很大 ; 隨著生產的進行和各種增產措施的實施 , 使儲層變得十分復雜 ; 油井出砂受諸多因素的影響 , 如地質力學因素 (原地應力狀態(tài)、孔隙壓力、原地層溫度、地質構造等 )、砂巖儲層的綜合性質 (井深、巖石的強度和變形特征、孔隙度、滲透率、泄流半徑、流體的組成即油氣水的含量及分布等、粘土含量、砂粒尺寸和形狀以及壓實情況等 )、工程因素 (包括完井類型、井身結構參數(shù)、完井液的性能、增產措施、生產工藝參數(shù)等 )。這些因素和參數(shù)相互作用、相互影響 , 使出砂問 題的理論研究變得十分復雜 , 對于某一油田 , 只憑現(xiàn)場經驗很難決定哪些因素是地層出砂的主要因素。因此 , 要根據(jù)不同的地層、不同的完井方法以及出砂的不同過程采取不同的研究方法。采用裸眼完井的油井 , 防砂的關鍵在于防止地層發(fā)生剪切破壞。盡管當井眼壓力達到地層剪切破壞的臨界值時 , 不一定馬上引起油井出砂 , 但是 , 在生產過程中一定要控制某些參數(shù) (如井眼壓力、儲層壓力等 ) , 防止其達到臨界值。通過幾種不同的方法對上述參數(shù)的臨界值進行計算，達到防止出砂的目的。 1.3 油氣井出砂的影響因素 出砂現(xiàn)象是油氣開采過程中由 于儲層膠結疏松，流體的沖刷而導致射孔孔道附近或井底地帶砂巖層結構被破壞，使得沙粒隨流體從油層中運移出來的現(xiàn)象。 根據(jù)油井生產過程所觀察到的出砂現(xiàn)象，出砂可分為不穩(wěn)定出砂，連續(xù)性出砂和突發(fā)性出砂。 油層出砂一般以兩種方式產生：一個是砂巖體中的游離砂隨油、氣流逸出，另一個是砂巖的骨架破壞，造成出砂。通常出砂與砂巖的膠結強度、應力狀態(tài)和開采方式有關，其出砂的原因 簡單的說 有以下幾個方面： 選題背景 第 3 頁 （共 28 頁） （ 1） 產層膠結狀況對出砂的影響 砂巖膠結的好壞是引發(fā)出砂的直接因素。高含水開發(fā)期由于水含量增大使產層物性發(fā)生變化，受水浸 的影響，膠結物中的粘土礦物水化膨脹和運移，損害膠結物，砂粒失去膠結，僅靠圍巖壓力和相互摩擦力難以限制其運移。同時孔隙內的滲流速度逐漸增大，對砂粒的拖曳力增加，使砂粒運移明顯加快。油層在流體的常年沖蝕下，膠結剝離，部分骨架遭到破壞，而被液流帶入井筒，造成出砂。 （ 2） 地應力對出砂的影響 在膠結砂巖地層中，由于地應力非均勻性的影響，井壁周圍某些方位地層將遭受較高的壓應力集中，而導致該方位地層先于其他方位地層剪切屈服、出砂。因此，對這些方位進行選擇性避射將有利于防砂和延長油井的開采壽命。 （ 3） 流速及生產壓差對出 砂的影響 當砂巖骨架破壞后，在較高液流的沖刷下，使破碎的骨架砂大量逸出，造成大量出砂。在小流速、低壓差下，砂礫可能排列成穩(wěn)定的砂拱，當液流流速高、內外壓差增大時，穩(wěn)定砂拱被破壞，不能阻擋砂礫。在高速流體沖刷下，射孔孔道或井壁處的砂拱破壞，砂礫大量逸出。 （ 4） 油層開采后期地層壓差對出砂的影響 油層開采之前，砂礫骨架之間的接觸應力與地層壓力共同作用承載著上覆巖層壓力，即 ppp 0，其中0p是上覆巖層壓力，pp為地層壓力， 為砂礫骨架的接觸應力。當?shù)貙訅毫p下降較多，且砂巖層又由于膠結疏松而強度降低時， 會大于骨架之間的承載能力而將砂巖層壓碎，造成大量出砂。 （ 5） 介質變化對出砂的影響 1）水對出砂的影響 2）油流粘度對出砂的影響 3）流體 PH 值對出砂的影響 4）溫度對出砂的影響 （ 6） 塑性區(qū)滲透率對出砂的影響 塑性區(qū)滲透率由于壓實及來自遠處細砂的堵塞而減少，從而增 大流區(qū)的流動壓力梯度，進而易造成拉破壞出砂。 （ 7） 氣侵對出砂的影響 裸眼完井的出砂 預測研究 第 4 頁 （共 28 頁） 氣體對出砂產生影響可以從兩個方面來說明，一是由于賈敏效應的存在，流體的阻力增大，也就是對砂粒的拖曳力增加，因此使出砂量增加；二是由于地層有消泡作用，氣泡前破后繼，這樣多巖石骨架作用于交變應力，可能使其產生疲勞破壞。 （ 8） 交替開、關井對出砂的影響 開、關井一方面可引起孔腔壁附近巖石的疲勞，另一方面可加劇其剪切破壞，從而在流體力的作用下使出砂更嚴重。 （ 9） 程度及射孔參數(shù)對出砂的影響 射孔完善程度好的孔道液流流速高，攜砂能力強，高速液流攜帶 地層砂沖刷防砂屏障，很快造成防砂失效。試驗證明，井斜角的增加、孔密的增加、液流的增加、或者分布方式從螺旋到水平再到垂直的改變都會使出砂量增加。 （ 10） 不適當?shù)拇胧┗蚬芾韺Τ錾暗挠绊?不當?shù)脑霎a措施（如酸化或壓裂）或管理（如造成井下過大的壓力激動）都會引起地層出砂。 綜上所述，影響地層出砂的因素十分復雜，歸納起來主要有：原地應力、巖石強度、地層壓力衰減、生產壓差或流速、地層是否含水和含水率大小、射孔參數(shù)以及不適當?shù)脑霎a措施或管理等方面。對 弱 膠結疏松砂巖地層分析并找出影響地層出砂的因素以及對油氣層的出砂預測進 行系統(tǒng)研究，是優(yōu)化防砂方式、減少完井成本、最大限度提高油氣井產能的有力保證。 1.4 出砂預測的方法 出砂量的預測是一個世界性的難題，由于它的影響因素多，各 因素之間的相關性強，因此很難 確立 出砂量的明確計算方法。目前出砂預測方法有如下幾種。 （ 1） 現(xiàn)場觀測法 1） 巖心觀察 2） DST 測試 3） 鄰井狀態(tài)觀察 （ 2）室內試驗法 （ 3）經驗類比分析法 1） 孔隙度法 2） 聲波時差法 選題背景 第 5 頁 （共 28 頁） （ 4）出砂指數(shù)法 （ 5）經驗法 1） 聲波時差法 2）bGG法（斯論貝謝公司方法） 3） 組合模量法（ Mobil 公司方法） （ 6）力學計算法 但是很難用一種方法準確預測一口生產井全過程中是否出砂和何時出砂，只有通過多種預測方法才能使預測比較可靠。 裸眼完井的出砂 預測研究 第 6 頁 （共 28 頁） 地層巖石物理參數(shù)及部分計算公式 2.1 地層巖石物理參數(shù) 2.1.1 縱 橫聲波速度 聲波速度測井是測量地層聲波速度的測井方法。聲波測井中聲源發(fā)射的聲波能量 E 較小，作用在巖石上的時間很短，所以對聲波來說，巖石看作是彈性體。因此可用彈性波在介質中的傳播規(guī)律來研究聲波 在巖石中的傳播特性。在均勻無限地層中，聲波主要取決于巖石的彈性和密度?？梢?，若測出聲波在地層中的傳播速度，則可反映該地層的彈性狀態(tài)。 聲波速度測井可測量滑行波通過地層傳播的時差 T ，縱波時差pt和橫波時差st，可從由測井公司提供的測井曲線或磁盤數(shù)據(jù)中得到，經過換算即可得到縱、橫聲波速度為： pp tV 1（ 2-1） ss tV 1（ 2-2） 在大部分的油田測井作業(yè)中，并不做全波列測井，即缺失橫波測井資料，因此，針對某一地層，就要借助經驗公式來估計橫波速度。對于大多數(shù)地層，其泊松比一般在 0.2 0.3 之間，因此有： ps VV 61.053.0 （ 2-3） 基于回歸的經驗公式有： 5 5 4.07 0 4.0 ps VV（ 2-4） 686.503.1844.11 ps VV （ 2-5） 2.1.2 泥質含量 自然伽馬測井是在井內測量巖石中自然存在的放射性核素衰變過程中放射出來的 射線的強度，它可用于劃分巖性，估算地層泥質含量。 由于泥質顆粒細小，具有較大的比面，使它對放射性物質有較大的吸附能力，并且沉積時間長，有充分的時間與溶液中的放射性物質一起沉積下來，所以泥 質有較高的放射性。在不含放射性礦物的情況下，泥質 含量 的多少就決定了沉積巖石的 放射性強弱。所以有可能利用自然伽馬測井資料來估算泥質的體積含量，相對值法如下： 地層巖石物理參數(shù)及部分計算公式 第 7 頁 （共 28 頁） 12 1*2 G C U RGRG C U RshIV （ 2-6） m i bGR GRGRGRGRIm a xm i n（ 2-7） 式中 shV 泥質的體積含量； GCUR 希爾奇指數(shù)，與地質時代有關，可根據(jù)取心分析資料與自然伽馬測井值進行統(tǒng)計確定，對于第三系地層取值 3.7，老地層取 2； GRI 泥質含量指數(shù)； GR ， minGR ，maxGR 目的地層、純泥巖層的和純砂巖層的自然伽馬值。 2.2 利用測井資料解釋巖石力學參數(shù)和地層地應力 巖石力學特性參數(shù) 包括巖石泊松比、楊氏模量、切變模量、體積模量、巖石硬度、抗剪強度、抗壓強度、抗鉆強度等。這些參數(shù)可以通過兩種方法確定，一種是用鉆井所得的巖心，在實驗室內模擬巖石在地下所處的環(huán)境進行實測。另一種方法是利用測井曲線進行反算。后一種方法由于其資料充足，且可以得到連續(xù)的計算剖面，一直是石油鉆井科技人員積極探索努力的方向，目前已取得了一些可以應用的成熟方法。 （ 1） 巖石特性參數(shù)的理論計算公式 1) 巖石的泊松比 222222222222spsppspsVVVVtttt （ 2-8） 式中 泊松比，無因次； st，pt 巖石的橫波和縱波時差， ms/ ； pV，sV 巖石的橫波和縱波速度， sm 。 2) 楊氏模量 E 322222922222 10431043 spspspspss VVVVVtttttE （ 2-9） 式中 E 楊氏模量， MPa; 巖石的容積密度， 3cmg 。 3) 剪切模量 G 3292 1010 ssVtG （ 2-10） 式中 G 剪切模量， MPa。 裸眼完井的出砂 預測研究 第 8 頁 （共 28 頁） 4) 體積模量bK 3229222210341043 sppspsb VVttttK （ 2-11） 式中 bK 體積模量， MPa。 （ 2） 計算式的選用 1) 巖石抗壓強度cEVVEclclc 008.0)1(0045.0 （ 2-12） 式中 clV 巖石中的泥質含量，無因次。 2) 巖石粘聚力 C bc KC 610626.3 （ 2-13） 3) 巖石內摩擦角 C4 9 5 2.05 4 5.36 （ 2-14） （ 3） 用測井資料解釋地層地應力 地層間 或層內的不同巖性巖石的物理特性，力學特性和地層孔隙壓力異常等方面的差別造成了層間或層內地應力分布的非均勻性。地應力大小是隨地層性質變化的：山前構造地帶地應力主要來源于上覆地層壓力及地質構造運動產生的構造力，在不同性質的地層由于其抵抗外力的變形性質不同，因而其承受構造力也不相同。若依靠實測找尋層內或層間地應力的分布規(guī)律，這是不切實際的。因此，可結合測井資料和分布地應力解釋模型，可分析 層間或層內地應力大小。 測井資料具有連續(xù)、來源廣、成本低的特點，因而結合分層地應力理論，建立分層地應力剖面測井解釋技術，具有非 常重要的意義。 對于構造平緩地區(qū)，其水平主地應力主要來自于上覆地層壓力，另一部分來源于地質構造力，此時分地應力計算模型為： ppvhppvHpppp 2111（ 2-15） 式中 1 ， 2 表征構造運動激烈程度的構造應力系數(shù)； H ，h，v 水平最大，最小地應力和上覆壓力； 地層巖石物理參數(shù)及部分計算公式 第 9 頁 （共 28 頁） p 地層孔隙壓力； 地層泊松比； 有效應力系數(shù)。 裸眼完井的出砂 預測研究 第 10 頁 （共 28 頁） 3 裸眼完井出砂的模型建立 3.1 裸眼完井的特點 裸眼完井是指完井時井底的儲集層是裸露的，只在儲集層以上用套管封固的完井方法。裸眼完井可分為先期裸眼完井和后期裸眼完井。 裸眼完井只適用與在孔 隙型、裂縫型、裂縫 孔隙型或孔隙 裂縫型堅固的均質儲集層中使用。儲集層均質一般是指產層的滲透性大體相等，堅固儲集層是指儲集層的巖石的強度可承受上覆巖石壓力和流體流動時的壓差而不破碎。均質儲集層的滲透性可以有較大的范圍，可在 0.10.01 2m 之間。 這種完井方法比較適合于井中只有單一的儲集層，不需分層開采，無含水含氣夾層的井。比較適用的儲集層巖石是石灰?guī)r、堅硬的砂巖、泥、頁巖等。裸眼完井法的優(yōu)點是儲集層直接和井眼連通，油氣流入井眼的阻力最小。尤其是先期裸 眼完井的優(yōu)點更為明顯。當然，裸眼完井也有缺點。 3.1.1 裸眼完井的優(yōu)點 (1) 排除了上部地層的干擾，為選用符合打開生產層特點的洗井液提供最充足的條件，可以在受污染最小的情況下打開儲集層。 (2) 在打開儲集層的階段如遇到復雜情況，可及時提起鉆具到套管內處理，避免事故進一步復雜化。 (3) 縮短了儲集層在洗井液中的浸泡時間，減少了儲集層的受傷害程度。 (4) 由于是在 生產層以上固井，消除了高壓油氣對封固地層的影響，提高了固井質量， 儲集層段無固井中的污染。 3.1.2 裸眼完井的缺點 (1) 適應面狹窄， 不適應于非均質地層、弱膠結地層，不能克服井壁坍塌、產層出砂對油氣井的影響。 (2) 不能克服產層的干擾，如油、氣、水的互相影響和不同壓力體系的互相干擾。 (3) 油井投產后難以實施酸化、壓裂等生產措施。 (4) 先期裸眼完井法是在打開產層之前封固地層，但此時尚不了解生產層的真實資料，如果在打開產層的階段出現(xiàn)特殊情況，會給后一步的生產帶來被動。 裸眼完井出砂的模型建立 第 11 頁 （共 28 頁） 3.2 模型的建立 3.2.1 利用 德魯克 -布朗格 準則建立模型 （ 1） 生產過程中井壁周圍的應力分析 假設井壁周圍的地層為多孔彈性介質 , 井壁周圍的應力狀態(tài)可以用以下 力學模型求解 : 無限大平面上 , 一圓孔受均勻 的內壓 , 而在這個平面的無限遠處受兩個水平地應力的作用 ,其垂直方向上受有上覆巖層壓力 , 如圖 1 所示。 井壁圍巖應力分布為 Wfooo PpRR rRrR lnln12212c o s （ 3-1） 式中： H 最大水平主應力； h 最小水平主應力； v 垂直主應力； r 地層中某點所受的徑向應力； 地層中某點所受的周向應力； z 地層中某點所受的垂向應力； fop 地層中原始孔隙壓力； wp 井眼壓力 ； Biot 系數(shù) , 對于疏松砂巖 =1； hHhHwr rRPrR 21121 2222 wfoo o ppRR rRrRr RrR lnln12 212c o s43122244 4 42222 3121121 rRrRprR hHhHw wfooo PpRR rRrR lnln12212c o s .lnln212 212c o s2 2 wfooohHvz ppRRrRrR 裸眼完井的出砂 預測研究 第 12 頁 （共 28 頁） 泊 松比； r 地層中某一點距井眼軸線的距離； R 井徑； 0R 邊界距井眼軸線的距離。 由于井眼附近產生應力集中 , 使得 井壁上的應力最大 , 因此將井壁上的應力與強度準則相比較 , 便可判斷井眼是否穩(wěn)定。 圖 1 井壁受力的力學模型 假設邊界在有限的距離處 , 即 : RRr 0, 邊界條件為 foofvoz pRp R (3-2) 在井 壁處邊界條件為 wr pR (3-3)在生產過程中井壁為滲透性的，那么 wf pRp (3-4)井壁處的應力分布為 1212c os22c os212c os21wfohHvzwfohHwwrpppppp(3-5)式 (3-5) 中當 12cos , 即 2 時 , 徑向和軸向應力達到最大 : 裸眼完井出砂的模型建立 第 13 頁 （共 28 頁） wfohHvzwfohHwwrpppppp23 (3-6) （ 2） 出砂預測模型的建立 兩個常用的巖石破壞準則為 Coulomb-Mohr 準則和 Drucker-Prager 準則。用主應力表示的庫侖 莫爾準則為 23 t a nwowr pp (3-7) Drucker-Prager準則為 112 JCCJ o (3-8) 其中 3211 31 J(3-9) 2312322212 61 J (3-10) 20 s in3/s in3 C 20 s in3/c o s3 CC 式中 1 最大主應力； 2 中間主應力； 3 最小主應力； 1J 第一偏應力不變量； 1J 第二偏應力不變量 ； oC， 1C 巖石強度系數(shù) ； 巖石的內摩擦角； C 巖石 的粘聚力。 雖然庫侖 莫爾破壞準則比較簡便 , 但是它沒有考慮中間主應力的影響 , 并且應用時要確定各主應力的大小。而在生產過程中 , 井眼附近的應力分布是不斷變化的 ,主應力的大小也隨之變化。這樣 , 一方面不能忽視中間主應力的影響 ; 另一方面難以確定主應力的大小 , 給庫侖 莫爾破壞準則的使用帶來不便。因此 , 本文采用 Drucker -Prager 準則。假設儲層壓力在某一時期內保持不變 , 則井壁應力與生產壓差的關系為 裸眼完井的出砂 預測研究 第 14 頁 （共 28 頁） hvzfohHforHppppp231 (3-11) 利用式 (8) 和 (11) 可以確定臨界生產壓差 aacbbp242 (3-12