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琉松砂岩出砂机理定量研究 刘波( 工程力学) 指导教师：薛世峰教授 摘要 疏松砂岩油藏开采过程中往往面临着严重的出砂问题。出砂不仅会 导致管线和生产设备磨蚀，甚至会产生套管损坏、油井报废、油井减产、 停产等一系列严重后果。在疏松砂岩稠油油藏开采过程中，出砂过程往 往伴生泡沫油流动。泡沫油流动过程中的高压力梯度、粘度变化等机制 增强了储层的出砂能力，并进一步促进储层骨架变形和破坏。因此，研 究疏松砂岩储层的出砂机理及相关的泡沫油流动过程，量化分折影响出 砂的各类因素，对油田的开发具有重要意义。 本文首先根据疏松砂岩油藏的地质特征和开发特点，较为系统地分 析了疏松砂岩油藏的出砂机理、出砂影响因素以及稠油油藏开采过程中 的泡沫油形成机理，在此基础上建立了单相饱和流体渗流与固体变形耦 合作用的理论模型以及产层出砂定量预测模型。 应用f e p g 系统开发了分析上述模型的有限元程序，对储层强度、地 应力、生产压差、泡沫油流动等因素对疏松砂岩出砂的影响进行了归纳 和总结，得到开发过程中的产砂量、含砂量、分散气泡体积分数等参数 的时空变化规律，最后结合现场实践进行了分析与讨论。 关键词：疏松砂岩，出砂，稠油，泡沫油，流固耦合模型，f e p g 有限 元生成系统 s a n d i n gm e c h a n i s m i nu n c o n s o l i d a t e ds a n d s t o n e l i u b o ( e n g i n e e f i n gm e c h a n i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx u e s h i f e n g a b s t r a c t as e r i o u so fs a n dp r o d u c t i o no f t e no c c u r si nu n c o n s o l i d a t e ds a n d s t o n e i tw i l lb r i n gal o to ft r o u b l e s ，s u c ha st h ee r o s i o n0 1 d a m a g eo fp i p e l i n ea n d e q u i p m e n t , c y r i ll e a d i n ge a s i n g f a i l u r em a dp r o d u c t i o nr e d u c t i o n s a n d p r o d u c t i o n ，e s p e c i a l l yf o rh e a v yo i li nu n c o n s o l i d a t e ds a n d s t o n e ，i so f t e n a c c o m p a n i e dw i t hf o a m yo i lf l o w , i nw h i c hah i g h e rc h a n g eo fp r e s s u r ea n d v i s c o s i t yp r o m o t e ss a n d i n ga n dd e f o r m a t i o no f r o c ks k e l e t o n s ot h es t u d yo f s a n d i n gm e c h a n i s ma n df o a m yo i lf l o wi nu n c o n s o l i d a t e ds a n d s t o n ew i l l h a v em o r es i g n i f i c a n c ei np e t r o l e u mp r o d u c t i o n f r o mt h eu n d e r s t a n d i n go ft h eg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a i n m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fu n c o n s o l i d a t e dr e s e r v o i r , t h es a n d i n gm e c h a n i s m ， i n f l u e n c ef a c t o r sa n df o a m yo i lf l o wi nu n c o n s o l i d a t e ds a n d s t o n eh a v eb e e n s t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , ac o u p l e dg e o m e c h a n i c a lm o d e lb e t w e e n s a t u r a t e ds i n g l e - p h a s ef l o w sa n dr o c kd e f o r m a t i o nw a sb e e nd e v e l o p e di n o r d e rt op r e d i c ts a n dp r o d u c t i o n t h e nas i m u l a t i n gc o d ef o rt h ec o u p l e dm o d e lh a sb e e nd e v i s e db y f e p gg e n e r a t o r s u c hi n f l u e n c ef a c t o r sd u r i n gs a n d i n ga st h er o c ks t r e n g t h , i n s i t us t l s s ，p r o d u c t i o np r e s s u r ed r a w d o w n ，f o a m yo i lf l o ww e f cd i s c u s s e d r e s p e c t i v e l y as e r i e so fq u a n t i t a t i v er e s u l t sa b o u tt h es a n dv o l u m e ，t h e c o n c e n t r a t i o no fs a n d i n gp a r t i c l e ，t h ef r a c t i o no fg a sb u b b l eh a v eb e e n p r e s e n t e d f i n a l l yap r a c t i c a lc a s ew a sa n a l y z e d , a n dt h e r e f o r e s o m eb a s i c d a t af o rs a n dc o n t r o ld e s i g ni np e t r o l e u mp r o d u c t i o nw o r ep r o v i d e d k e yw o r d s ：u n c o n s o l i d a t e ds a n d s t o n e ，s a n dp r o d u c t i o n , h e a v yo i l ，f o a m y o i l ，c o u p l e dg e o m e c h a n i c a lm o d e l ，f e p gf e m g e n e r a t o r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 垫i 塑2 毋7 年 多月 夕日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 鱼ji 熏卅年5 月和日 争 年朋列日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 问题的提出及意义 疏松砂岩油藏在全世界分布范围很广，这类油藏多数为稠油油藏， 通常埋藏较浅、压实成岩作用差，储层胶结疏松，因而开采过程中出砂 现象十分普遍和严重。出砂通常指由于油井开采和作业等各种综合因素 造成井底附近地层结构破坏，导致部分脱落的地层砂随地层流体一起流 入井筒，从而对油并正常生产造成一系列不利影响的过程或现象i 。出 砂原因极其复杂，从钻井开始到采油或注水过程中，每一环节对出砂都 有影响，出砂不仅给采油工艺带来许多复杂因素，而且将影响储层采油 速度及采收率的提高，严重时甚至造成井壁坍塌，套管损坏，最终致使 油井报废。 此外，在疏松砂岩稠油油藏开采过程中，由于稠油中都含有溶解气， 随着储层压力的降低，地层原油产生大量微气泡形成泡沫油，这些气体 不会马上聚集形成连续的气相，在向井筒流动的过程中以微气泡的形式 存在，并且微气泡不断发生膨胀，从而使得系统压缩性增强，压力下降 较慢，同时，由于气体从原油中逸出，所以泡沫油的粘度增加，增加了 对地层颗粒上的作用力，砂砾更易发生剥蚀脱落，使得地层更加不稳定。 在疏松砂岩稠油油藏开采过程中，出砂和泡沫油往往相伴而生。针 对伴随有泡沫油流的出砂过程，人们已经从各个方面作了大量的研究工 作。然而，到目前为止，还未建立一个完整的有泡沫油存在的出砂量预 测模型，并从理论上解释泡沫油对出砂的影响。因此，研究油井的出砂 机理和泡沫油形成机理，分析出砂影响因素，进行出砂趋势预测，有助 于优化完井设计，制定合理的生产和开发方案，确保油井正常生产。 疏松砂岩油藏分布广、储量大、产量占有重要地位，因此，油井出 砂和泡沫油机理研究、出砂趋势的预测将对油田的开发具有重要意义。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 国内外研究现状 1 2 1 油气井出砂趋势预测方法研究现状 出砂造成的危害极大，所以准确的预测出砂非常重要。同时，出砂 预测也是一项复杂而困难的工作，它涉及到岩石力学、流体力学、完井、 采油工程等多学科领域的理论。 出砂预测方法经历了一个从简单到复杂、从定性到定量的发展过程。 开始人们是通过观察岩心和分析初始生产动态资料来预测出砂。后来将 岩石力学性质相关的参数，如声波时差、弹性模量、剪切模量、单轴抗 压强度等作为出砂预测参数。该阶段较为典型的方法是组合模量法和斯 伦贝谢法。进入八十年代后，出砂向实验室模拟研究和数值计算方向发 展，从定性研究向定量方向发展，可以得出油气井不出砂的临界产量和 临界压差，也是当今油气出砂预测方法研究的主要方向，但是这方面的 研究还很不完善。 在已经投产的区域，通常采用经验关系或开发历史来预测出砂：在 较新的区域一般是通过实验研究或理论计算模型来预测。现有的预测出 砂的方法可归纳为现场预测、经验估计、实验研究和理论计算四类。 1 现场观测法 现场观察法包括岩心观察、d s t 测试和利用邻井状态分析出砂趋势。 疏松岩石用常规取心工具收获率低，很容易将岩心从取心筒中拿出或岩 心易从取心筒中脱落。用肉眼观察或手触等方法判断时，疏松岩石或低 强度岩石往往一触即碎、停放数日自行破碎或在岩心上用指甲能刻痕。 如有上述现象，则说明生产过程中地层易出砂。 d s t 测试期间油气井出砂( 甚至严重出砂) ，说明生产过程中地层易 出砂；d s t 测试期间未出砂，但仔细检查井下钻具和工具在接触台阶等 处附有砂粒，或在d s t 测试完毕后砂面上升，则说明生产过程中地层易 出砂。 同一油气藏，如果邻井生产过程中出砂，那么该井出砂可能性大。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 2 经验方法 经验方法是在一定地区的生产实践中，总结出来的具有经验性和区 域性的结论。由于不同地区地质特征、采油工艺等的差异性，常常可能 使一定地区得到的经验方法用于其它地区时，使得出的结果与实际存在 较大偏差。总之在出砂预测中，仅使用经验方法具有较大的局限性。 目前，常用的出砂预测方法包括出砂指数法、斯伦贝谢比、声波时 差法1 2 】和压降法1 3 】等。 3 室内实验研究 开展室内出砂实验的目的是观察和模拟控制环境条件下的出砂行 为，由此认识出砂机理及各类生产工艺与生产参数对出砂的影响关系。 室内实验主要以未胶结或弱胶结砂岩为对象，实验用岩心包括油藏 岩心或露头岩心，实验方法包括在油藏岩心和露头岩心上钻模拟井眼和 射孔孔眼两种方式。 有许多因素影响着地层的出砂，油层出砂的多因素特点，使得出砂 问题变得非常复杂。为了不使问题复杂化，一般的实验都不模拟地层出 砂的所有因素，而是进行简化，通过实验得出什么是主要影响因素。 4 理论计算模型法 预测油气层出砂的理论模型源于井壁稳定性分析，之后被逐渐扩展 到射孔孔眼稳定性分析中。理论模型分析射孔孔眼稳定性遵循计算岩石 强度和地应力、计算井眼或孑l 眼周围的应力分布，以及利用一定的强度 准则判定破坏这样渐进的三步。因此，同井壁稳定性分析一样，预测和 评价油气层出砂风险的理论模型包括岩石力学本构模型和强度判别准 则两个重要组成部分。 许多力学本构模型已经被提出并用于井壁稳定性和出砂风险分析， 这些模型包括简单的线弹性模型、考虑弹性参数随流体压力变化而变化 的较复杂的弹性模型、非连续介质模型、线弹性井眼崩落模型、弹一塑 性模型、应变硬化弹一塑性模型、应变软化弹一塑性模型，以及弹一脆 一塑性模型等。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 强度判别准则包括张性破坏准则和剪切破坏准则两大类。常用的张 性破坏准则为最大拉应力准则，常用的剪切破坏准贝s m o h r - - c o n l u m b 强 度准则和d r u c k - - p r a g e r 强度准则。 根据强度判别准则可以将现有的出砂预测模型分为张性破裂模型和 剪切破坏模型。根据张性破坏准则，高速流入孔眼的流体在孔眼周围将 诱发张性应力。导致地层破坏，进而引起出砂。由于数值计算和实验研 究发现在弱固结地层，张性破坏准则往往给出不切实际的、高的初始出 砂流速，因此，张性破坏模型很少被采用。许多出砂实验都表明应力诱 发的剪切破坏出现在出砂之前1 4 】，因此，剪切破坏模型得到了较为广泛 的应用。 出砂预测的理论分析包括定量分析和定性、半定量分析两大类。定 量分析通常基于非线性的、三维有限元商业软件。这类方法可以推广应 用到任何地区、任何地层，具有较强的适应性。但该方法要求输入的数 据量大，而且处理起来十分繁琐，要求训练有素的专业化人士操作，因 而应用受到限制；定性和半定量分析通常基于简化的、解析的岩石力学 模型，以各种测试资料的综合解释为基础，使用方便灵活，具有一定的 指导性意义，是目前出砂趋势预测中应用最为广泛的一类分析方法。 综上可见，出砂趋势预测的方法各有其优缺点以及适用的条件，在 实际应用过程中应结合油藏具体情况和所能获取的资料的数量选取恰当 的方法。 1 2 2 泡沫油流国外研究现状 “泡沫油”这一术语出自人们在加拿大和委内瑞拉很多液气驱重油 井井口收集的稳定泡沫样品及其对稳定泡沫的观察研究时的发现。这些 重油井所产油呈一种粘稠的油相连续的泡沫状态。人们注意到，在井口 收集样品时，样品容器溢出很多泡沫油，而容器却经常是空的；在实验 室停放几天泡沫消失后，打开样品收集容器发现其中的油量不足其体积 的2 0 0 4 。很多油藏也表现出异常的开采动态，这些异常主要集中在比预 想高的单井生产能力和一次采油可观的采收率上【5 j 。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 s m i 恤首先发表了这种异常开采动态的详细分析结果。他认为这种异 常开采动态归因于稠油中含有大量微小气泡，微气泡的存在使得原油粘 度降低，流体压缩系数提高，同时，s m i t h 用改进的压力分析法推导了地 下原油的视粘度，推导出的粘度比泡点之上的原油粘度低一个数量级。 y 他将压缩系数表示为c = 妥，其中x 为常量，p 为压力。根据油田数据 ， 估计值的范围为o 2 5 - 4 3 4 。为了验证s m i t h 的观点，h u e r t a 等人在1 9 9 6 年进行了室内实验，实验结果表明稠油孔隙介质中气泡形成之前和之后 原油粘度没有发生变化嘲。而m a i n i 等人的实验结果却表明泡沫油的粘度 增加而不是降低【1 0 1 。长期以来，泡沫油的粘度一直是一个有争议的问题。 w i l h e l m s 等人对稠油冷采的拟单相模拟和常规两相模拟进行了总 结。他们认为，在单相流和双相流中，不论气体为连续相或者是分散小 气泡的形式，存在很少气泡和没有气泡之i b j 的压缩系数有时相差一个数 v 量级。因此，像c = ：a 这样的简单公式不能反映压缩系数。而且他们认 ， 为在油田条件下，可以忽略过饱和和不平衡现象【6 j 。 过去十多年，人们对泡沫油进行了大量的研究和探索，对泡沫油流 的数值模拟有了很大的进步，如k r a u s 等人的泡沫油藏一次采油“假泡 点模型”；c o o m b e 和m a i n i 的不平衡反映模型、l e b e 的改进后的分相流 动模型等，但这些模型都有一定的局限性，它们共同的缺点是不能描述 泡沫油形成的动态过程i 7 j 。 最近几年，对泡沫油流的数值模拟有了很大的进步。m a s t m a n n 8 1 等 人在2 0 0 1 年发表的一篇文章中提出了“假泡点压力”的概念，泡点压力 为在储层温度下，从溶解气中逸出的小气泡开始形成连续气相时的压力。 对于大多数常规油藏，由于粘度较低，当气体从溶解气中逸出时，气泡 很快破裂聚集成连续气相。此时油藏流体由单相流变为两相流，生产气 油比迅速增加。对于泡沫油流，由于其粘度很高，气泡不易破裂聚集， 所以一直以分散气泡的形式存在于油流中，气油比在很多年内都保持为 常数，压力不会迅速衰竭。泡沫油中分散气泡开始聚集形成连续气相时 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 的压力称为“假泡点压力”。他们通过室内p v t 衰竭试验得出了泡沫油 密度、粘度、溶解气油比等一系列结果曲线，分析曲线可以得出泡点压 力和假泡点压力的值，在此基础上，他们采用黑油模型对泡沫油流进行 了数值模拟，从而对泡沫油导致异常高产有了较好的解释。 2 0 0 2 年，j o s e p h 9 1 等人提出了一个简化的泡沫油流模型，该模型不 考虑气泡增长的过程，并且假设气泡以分散的状态弥散在油中并且不形 成连续气相，流体的粘度、密度和流动性都依赖于分散气泡的体积分数， 该模型与m a r t i n i 等人的试验结果有较好的拟合。 泡沫油流和出砂往往相伴而生，早在1 9 9 8 年，y a r l o n gw a n g e lo j 就研 究了稠油油藏的出砂和泡沫油流，并采用耦合的地质力学模型模拟了泡 沫油流的动态过程，给出了非稳定流体流动预测累计出砂的近似解。 m b g e i l i k m a n t l l 】也研究了产砂过程中泡沫油流的影响，他采用聚集理论 描述气泡的形成，气相的量由其聚集速度确定，通过泡沫油物质平衡分 析，对泡沫带进行了空间一时间评价。并且得出泡沫带的压力剖面比非 泡沫带陡得多，从而说明泡沫油在流体和砂子产出过程中起到了内部驱 替作用。 在前入研究的基础上，y l i u 1 2 1 完善了伴有泡沫油流的出砂模型，采 用最小二乘法对模型进行求解，并采用有限元软件对模型进行数值模拟， 模拟结果表明，泡沫油导致的“压力的回弹”是导致产量增加的主要原 因，且泡沫油中分散气泡的体积分数和出砂量相互影响，相耍制约。 综上所述，通过人们的研究，对泡沫油的机理已经有了很清楚的认 识，并通过不同的方法对泡沫油进行了数值模拟，但是研究者都侧重于 研究泡沫油和出砂如何影响产量，但对泡沫油如何影响出砂以及影响原 因研究的还很少，并且在理论上还不完善，本文将在总结前人经验的基 础上，研究泡沫油对出砂的影响以及影响机理，进而对出砂进行预测。 1 3 论文主要研究内容 出砂是困扰疏松砂岩油气藏生产过程的主要问题之一。长期以来， 出砂以及与之相关联的问题备受关注。人们作了很大的努力来试图减轻 6 中国石油大学( 华东) 硕十论文 第1 章前言 或消除这一问题，尽管许多研究工作者围绕油层出砂问题开展了大量的、 富有成效的研究，并提出了一系列的防砂方法和措施，一定程度上减小 了油井出砂的危害，但油井出砂问题仍然广泛存在，而泡沫油流的存在 使得储层出砂更为严重。因此，研究油井出砂机理，分析泡沫油对出砂 的影响，开展出砂趋势预测具有实际应用价值。 本人将在前人研究的基础上，应用流固耦合渗流理论，采用均匀孔 隙介质模型，利用应力一应变线弹性本构关系，分析疏松砂岩出砂机理 及出砂影响因素，并用有限元软件进行数值模拟，对出砂进行定量预测， 从而指导油田开发，提高油田的开采效率。 本论文具体研究内容主要包括以下几方面： 1 通过查阅文献资料，分析疏松砂岩油藏的出砂机理，以及泡沫油 形成机理，进而为出砂预测提供理论依据。 2 基于流固耦合理论，建立单相饱和流体渗流与固体变形耦合作用 的理论模型以及产层出砂定量预测理论模型，并采用相应的数值方法对 模型进行求解。 3 应用f e p g 系统开发分析上述模型的有限元程序，定量研究疏松 砂岩油藏出砂机理以及出砂主要影响因素的影响规律，分析泡沫油的形 成对流体性质的影响，重点分析泡沫油对出砂的影响以及影响原因。 论文创新点 对疏松砂岩稠油油藏的泡沫油流形成机制进行了理论研究，并对相 关的出砂过程进行了动态模拟，得n t 泡沫油流动与疏松砂岩出砂的定 量结果。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章疏松砂岩油藏出砂机理及泡沫油流动 第2 章疏松砂岩油藏出砂机理及泡沫油流动 2 1 疏松砂岩油藏基本特征 疏松砂岩油藏遍布于世界的各个油区，这类油藏通常为稠油油藏、 埋藏较浅、岩石自身胶结作用较弱，因此，在开采过程中大都存在着引 入注目的、棘手的出砂问题，长期困扰着油田的生产。 1 疏松砂岩油藏的沉积特征 该类油藏沉积相类型多样，海相沉积、陆相沉积都有可能造成此类 油藏。在构造特征上，常伴随出现多断层、多阶以及垒、堑相问的构造 格局，在中国东部第三系地层尤为突出。 2 疏松砂岩油藏的胶结情况 岩石强度在一定程度上取决于岩石的胶结程度、胶结物的类型、胶 结物的含量和胶结类型。疏松砂岩油藏通常埋藏浅，胶结作用比较弱， 胶结物以泥质为主，个别会出现钙质胶结；胶结类型以接触式胶结、孔 隙式胶结最为常见，其中胶结类型为接触式的岩石最疏松，更易出砂。 3 疏松砂岩油藏的物性特征l 嘲 疏松砂岩油藏通常情况下由于埋藏相对较浅、压实作用相对较弱， 且胶结作用弱、胶结物含量较低，造成了这类油藏“高孔高渗”的特点。 这类油藏平均孔隙度通常不小于2 5 ，平均渗透率通常不小于 5 0 0 1 0 4 9 m 2 ，在生产过程中，尤其是在开采后期受到长期注水冲刷后， 胶结物中的粘土矿物等被冲走或冲散，导致其孔隙半径及喉道半径增大， 其孔隙度和渗透率将变得更高。 疏松砂岩油藏由于其沉积环境的多样性，造成了砂岩颗粒由粗到细 均有分布，随着其沉积环境的改变而不同。该类油藏砂岩颗粒的磨圆度、 分选情况普遍都相对较差，因此，给防砂完井带来了一定的难度。表2 1 列出了一些典型疏松砂岩油藏物性分布特征。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章疏松砂岩油藏出砂机理及泡沫油流动 表2 1 典型疏松砂岩油藏物性分布特征 埋藏深度孔隙度 渗透率 地层砂分选 油田名称 ( m )( ) ( p r n 2 ) 颗粒程度 孤岛油田 3 2 3 5o 1 1 7 o 2 0 l中一差 秦皇岛3 2 - 6 油田 9 5 03 53中一细差 克拉玛依油田 2 5 3 3l 5 中一细 克思河油田 7 0 4 6 02 8 二3 3 l - - - 5 威明顿油田 6 3 0 - , 2 4 4 0 2 0 - - 4 00 0 4 - 8 中一粗差 钟溪油田1 3 2 02 71 6 8 一 阿萨巴斯 油田 0 6 6 03 9 5 冷湖油田 3 3 0 | 5 0 0 3 4 4 6o 3 3 4 。疏松砂岩油藏岩石的强度特征【l i j 描述岩石强度的参数主要有泊松比、杨氏模量、体积模量、剪切模 量、剪切强度、抗拉强度和抗压强度。疏松砂岩油藏由于其通常埋藏较 浅，上覆岩石压力相对较小，压实作用较弱，分选较差，以泥质胶结为 主，胶结强度较弱，所以，疏松砂岩地层的岩石强度较低。对渤海湾盆 地秦阜岛3 2 6 油田和绥中3 6 1 油用部分油井生产层段的取心测试数据和 测井处理结果的分析和研究也证明了这点。在这两个区块，岩石的平均 泊松比分布范围为o 3 2 , 4 ) 3 8 、岩石的平均体积模量均小于1 4 0 0 0 m p a ， 平均剪切模量均小于5 0 0 0m p a ，平均杨氏模量均小于1 3 0 0 0m p a ，抗压 强度分布范围均小于1 5 m p a ，抗拉强度不大于4 m p a 。对疏松砂岩地层， 由于其胶结物以泥质为主，因此，地层岩石强度常常将会随着泥质胶结 物含量的增加而逐渐增大。 2 2 疏松砂岩油藏出砂机理 疏松砂岩油藏由于岩石胶结强度低，一般在较低的井底压力下，就 容易造成井底周围地层发生破坏丽出砂。出砂将给油田正常生产带来不 利的影响，不但增加油井作业费用和原油生产成本，而且增加油田管理 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章疏松砂岩油藏出砂机理及泡沫油流动 难度。因此，分析疏松砂岩油藏出砂机理，研究其出砂规律及出砂影响 因素，是进行出砂预测的前提与保证，将对这类油藏制定合理的生产制 度和防范措施有着重要意义。 2 2 1 油层出砂原因 油层出砂通常是由于井底附近的岩层结构遭受破坏引起的1 1 4 15 1 ，它 是各种因素综合影响的结果，这些因素可以归结为两个方面，即地质条 件和开采因素，其中地质条件是内因，开采因素是外因。 1 内因一砂岩油层的地质条件 砂岩油藏在钻井前处于应力平衡状态，垂向应力的大小取决于油藏 埋藏深度和上覆岩石的密度；水平应力的大小除了与油层埋藏深度有关 外，还与区域构造应力背景、岩石力学性质及油层孔隙中的压力有关。 钻开油层后，井壁附近岩石的原始应力平衡状态遭到破坏，造成井壁附 近岩石的应力集中，在其它条件相同的情况下，油层埋藏越深，岩石的 垂向应力越大，井壁的水平应力相应增加，所以井壁附近的岩石就越容 易变形和破坏，从而引起在采油过程中油层出砂，甚至井壁坍塌。 此外，油层出砂与油层岩石胶结物种类、数量和胶结方式有着密切 的关系。岩石的胶结类型可分为基底胶结、孔隙胶结和接触胶结。在这 三种胶结类型中，基底胶结强度最大，不出砂；孔隙胶结次之，少量出 砂；接触胶结强度最小，易出砂。 2 外因一开采因素 在开采过程中，固井质量，射孔密度和其它一些因素都会造成油层 出砂。如果固井质量差，使得套管外水泥环和井壁岩石没有粘在一起， 在生产中形成高低压层的串通，使井壁岩石不断受到冲刷，粘土夹层膨 胀，岩石胶结遭到破坏，因而导致油井出砂；对射孔完并的储层，如果 射孔密度过大，有可能使套管破裂和砂岩油层结构遭到破坏，引起油井 出砂；油层含水后部分胶结物被溶解使得岩石胶结强度降低或者油层压 力降低，增加了地应力对岩石颗粒的挤压作用，扰乱了颗粒间的胶结， i o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章疏松砂岩油藏出砂机理及泡沫油流动 可能引起油井出砂；不适当的措施如压裂和酸化等，降低了油层岩石胶 结强度，使得油层变得疏松而出砂。 总之，不适用的工程措施、不合理的油井工作制度及工作制度的突 然变化、频繁而低质量的修井作业、设计不良的措施和不科学的生产管 理等都可能造成油气井出砂，这些都应当尽可能避免。 2 2 2 油层出砂机理 从力学角度分析，地层出砂主要有以下三种机理【i “ 】： i 剪切破坏机理 造成剪切破坏的力学机理是由于近井地带岩石所受的剪应力超过了 岩石固有的抗剪切强度。形成剪切破坏的主要因素是油藏压力的衰竭或 生产压差过大，如果油藏能量得不到及时补充或注水效果差或者生产压 差超过岩石的强度，都会造成地层的应力平衡失稳，形成剪切破坏。 在原始状态下，地层内部的应力场基本上处于平衡状态；油藏投入 开发之后，随着原油采出程度增大，地层压力逐渐下降，对上覆地层压 力的平衡作用减小，部分上覆地层压力转移到岩石颗粒上，增加了颗粒 之间的压应力，并可分解出呈一定夹角的两组剪应力盯，与盯，( 图2 1 ) 。 随着纵向上有效压应力的增高，剪应力值相应增大，当超过岩石的抗剪 切强度时，骨架颗粒问的稳定状态被打破，常沿着剪应力的方向发生颗 粒错动而形成大量的微破裂面，从而降低了岩石强度，导致大量颗粒从 岩石骨架上脱落，随流体运移至井筒内，造成油井大量出砂。 图2 - 1 储层剪切破坏示意图 石颗粒 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章疏松砂岩油藏出砂机理及泡沫油流动 2 拉伸破坏机理 在开采过程中，流体由油层渗流至井筒，在流动过程中会与地层颗 粒产生摩擦，流速越大，摩擦力越大，施加在岩石颗粒表面的拖曳力越 大，即岩石颗粒前后的压力梯度越大。当此力超过岩石的抗拉强度时， 岩石发生拉伸剥离破坏，从而造成地层出砂。拉伸破坏的机理和严重程 度，与开采流速和液体粘度的高低有关，并具有自稳定效应。图2 - 2 为 拉伸破坏机理示意图。 图2 - 2 拉伸破坏力学机理示意图 一般说来，地层剪切破坏引发地层的“突发性大量出砂”，有时候数 以吨计；而拉伸破坏引起地层“细砂长流”，对油井的影响不是很严重。 出砂使射孔孔眼增大，或者形成高渗透率的渗流通道( 蚯蚓洞) ，而它们 的形成又使流速下降，流速梯度降低，从而使油井出砂程度缓和，并出 现“趋停”的趋势。因此，拉伸破坏有“自稳定”效应。 实际上，剪切和拉伸两种机理将同时起作用且会相互影响，受剪切 破坏的地层会对流体的拖曳力更加敏感。当剪切破坏是主要机理的情况 下，流体流动对携带颗粒进入到井里也是很重要的。 3 微粒运移 在疏松砂岩油藏，地层内部存在着大量的自由微粒，微粒运移是地 层出砂的另机理。在流体流动时，微粒会在地层内部运移，直至井筒。 如果这些微粒在被地层孔喉阻挡后，会使流体渗流阻力局部增大，增大 了流体对岩石的拖曳力，未被阻挡的更细微粒随流体进入井筒，造成出 砂。这种出砂现象的机理与严重程度，与流体的流速密切相关。 ， ， ， ， ， ， ， i j 一 ， 每心 k人 u 人 -r ：， ，- _ 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章疏松砂岩油藏出砂机理及泡沫油流动 2 - 2 3 油层出砂影响因素 出砂在采油过程中是非常严重的问题。一般来说，颗粒所受应力超 过地层强度就有可能出砂。地层强度决定于胶结物的胶结力、流体的粘 着力、地层颗粒问的摩擦力以及地层颗粒本身的重力。颗粒所受应力包 括地层构造应力、上覆压力、流体流动时对地层颗粒施加的拖曳力，还 有地层孔隙压力和生产压差形成的作用力，因此地层出砂是由多种因素 决定的1 1 7 18 嘲。 1 岩石物性的影响。此为最重要的影响因素。岩石的力学性质与岩 石本身物性密切相关，一般认为单轴抗压强度低于7 o m p a 的岩石为弱固 结岩石，有可能出砂。胶结物的类型和数量，对岩石的强度起着至关重 要的作用。地层岩石遭到破坏而出砂，其本质是胶结物被破坏，形成分 散的砂粒。胶结物的破坏，除了剪切和拉伸等机械力的作用外，还受到 液体的溶蚀等，有些本来不出砂的井在酸化或产水、注水后出砂，就是 这个道理。 内摩擦角也是反映岩石破坏时力学性质的一个重要指标，不同的砂 岩其内摩擦角也不同。一般颦硬的岩石的内摩擦角要比软岩石内摩擦角 大；内摩擦角愈小，岩石强度愈差。 2 地层压力的影响。随着生产的进行，如果地层能量来不及补充， 地层压力就会下降。孔隙流体压力降低，导致储层有效应力增大，引起 井壁处的应力集中和射孔孔眼的破坏包络线的平移。地层压力的下降可 以减轻张力破坏对出砂的影响，但在松软地层中剪切破坏的影响却变得 更为严重。 3 生产压差或生产速度的影响。对于疏松砂岩，油井生产一般会伴 随出砂。在稳定生产条件下，出砂以后在孔道处形成砂拱，砂拱可以对 砂粒之间胶结强度很小或者没有胶结强度的地层起到稳定作用。 当油井稳定生产( 或关井停产以后) ，地层中应力逐渐达到平衡状 态。而快速地开井生产，可以引起井底流压的突然减小，在井底形成很 大的瞬间流，进而在地层中间形成较大的压力波动，导致砂拱失效，油 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章疏松砂岩油藏出砂机理及泡沫油流动 井出砂更加严重。采液量增大，产出液对井壁砂粒的拖曳力、冲蚀力增 大。有些油井采油速度偏高，就会出砂，如果限制这类油井的产量则可 以免于出砂。 4 地层流体粘度的影响。地层流体的粘度越大，在流向井底的过程 中对岩石的拖曳力就越大，井壁附近岩石易造成拉伸破坏，地层出砂的 可能性就越大。 5 油气井含水量的影响。油田生产中见水前后都可能发生出砂，但 产水率增大以后，出砂会变得更加严重，这是由于储层含水饱和度增大， 导致油相相对渗透率变小，流动摩擦阻力变大。这时，即使总产量不变， 所需的生产压差也将变大，引起井底流压变小和射孔孔眼表面压力梯度 变大，岩石容易发生破坏。 含水上升破坏了孔隙内油流的连续性。油砂颗粒周围一般都包有极 薄的粘土膜，砂层之间的微孔道非常多，油层内部还有很薄的粘土夹层。 当含水升高时，砂粒周围的粘土发生体积膨胀，使得油流通道变小，降 低了油相渗透率，极大地增加了油流阻力，增加了产液对砂粒的拖曳力， 为出砂创造了条件。 由上述可见，对出砂地层，分析并找出影响地层出砂的因素，对油 气层的出砂趋势进行系统研究，是优化防砂方式，减少完井成本，最大 限度提高油气井产能的有力保证。 2 3 疏松砂岩稠油油藏的泡沫油流 在一些溶解气驱采油的重油储层中，在井口采集的样品中发现产出 油呈一种粘稠的油相连续的泡沫状态，为了与常规溶解气驱的原油区别， 人们将其定义为泡沫油，即包含分散气泡的稠油【2 0 】。图2 3 为泡沫油示意 图。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章疏松砂岩油藏出砂机理及泡沫油流动 图2 - 3 泡沫油 2 ，3 1 泡沫油的形成 出砂冷采井中的稠油通常都溶解有天然气，稠油油藏埋藏浅，地层 压力低，天然气在地层压力附近处于溶解平衡状态。在含气原油从油层 深处向井简流动过程中，随着孔隙压力的降低，地层原油中产生大量微 气泡形成泡沫油流动，这些气体不会马上聚集形成连续的气相，在向井 筒流动的过程中以气泡的形式存在，且气泡不断发生膨胀，而且，由于 稠油中胶质和沥青质含量高，包裹气泡的油膜强度大，所以气泡不易破 裂，即使在压力非常低的情况下，泡沫油仍能保持长时间稳定i 2 ”。 当压力不断下降时，气泡不断发生膨胀，从而为原油的流动提供了 驱动能量。气泡与流体一起流动，在冷采井中不会形成连续的气体通道， 因而能一直为油藏内部提供能量，压力不会迅速衰竭，气油比在很多年 内都保持为一常数。有资料显示1 2 2 】，在开发晚期钻加密井的时候，在离 开发井几百米的地方还能保持原始地层压力。 麓体鼍动方向 图2 _ 4 油层压力分布及气泡膨胀 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章疏松砂岩油藏出砂机理及泡沫油流动 2 3 2 泡沫油的形成对出砂的影响 在疏松砂岩稠油油藏开采过程中，出砂是普遍存在的现象，随着开 采的进行。压力逐渐降低。地层原油中产生大量微气泡形成泡沫油。由 于稠油中胶质和沥青质含量高，包裹气泡的油膜强度大，所以气泡不易 破裂，微气泡并不形成连续的气相，微气泡和砂砾随原油从地层流向井 筒，并随着压力的降低而发生膨胀。 由于溶解气从原油中逸出并以微气泡的形式存在于油中，所以系统 压缩性增强，压力下降较慢，且溶解气的逸出使得原油粘度增加。随着 气泡不断膨胀，增大的气泡在移动的过程中将堵塞或阻止孔隙中流体的 流动，降低了孔隙介质中流体的流动能力，这样使得压力梯度升高，使 得流体对颗粒的拖曳力增加，从而使得砂砾更易剥蚀脱落【1 7 】( 图2 - 5 ) 。 在出砂冷采中，产出液含砂量可达2 0 6 0 ，但这是原油经脱气处理 后计算出的含砂体积比，泡沫油弹性膨胀理论表明，由于井筒内压力非 常低，流动于其中的泡沫油密度很低，其实际体积远大于脱气处理后的 体积，所以井筒中的含砂体积比例也大大低于处理后所得到的结果，即 砂子在泡沫油中分散程度相对较高。因此，泡沫油的存在使高粘度稠油 的携砂变得容易田一4 】。 圈2 - 5 气泡阻塞喉道、压力梯度升高促使砂粒脱落 综上所述，泡沫油的存在对产砂有以下影响： 1 产生内部驱动力，将油、气、水和砂子所形成的砂浆驱向井筒， 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章疏松砂岩油藏出砂机理及泡沫油流动 其流速大大高于常规液相流动理论所预测的速度。 2 泡沫油的高粘度使得储层更易发生拉伸破坏，从而使得砂砾更易 剥落。 3 泡沫油中的气泡流经孔隙喉道时，将对喉道起堵塞作用，导致局 部压力梯度升高，从而使局部拖曳力增加，使砂砾更容易脱落。 4 由于井简中流动的泡沫油密度很低，使得高粘度稠油更加容易携 砂。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章疏松砂岩储层出砂模型 第3 章疏松砂岩储层出砂数学模型 3 1 产层出砂定量预测理论模型 变形介质储层的开采过程是一个流固耦合渗流过程，不仅流体质点 要在多孔介质中发生流动，而且油藏岩土由于载荷作用产生变形，岩石 质点将发生位移。当油藏岩土的变形超过其极限，岩土骨架将遭到破坏， 部分骨架砂将进入流体，成为可动砂。这些可动砂在流体的作用下将发 生运动，而且反过来影响油藏岩石的变形以及油藏中流体的渗流，并使 油藏岩石的物性参数发生一些变化，如孔隙度、渗透率等。 根据现场资料和理论研究，疏松砂岩地层的出砂大致分为两种类型 f 2 5 】：一是流体压力梯度作用下的地层剥蚀，产生连续的出砂现象；二是 伴随出砂过程发生的地层局部失稳或坍塌，导致短期不连续高强度出砂。 现有的研究表明：流体渗流压力梯度的变化对岩层骨架的剥蚀、固体颗 粒的运移以及储层骨架变形和破坏起着重要作用1 2 6 7 】。所以提出了两类 出砂机理模型：储层结构破坏下粗砂的产出和储层在剥蚀作用下细砂的 产出。这两种机制模型已通过现场采集的数据得以验证。不言而喻，大 量的粗砂颗粒的出现也就意味着局部地层的坍塌破坏。 本文采用均匀孔隙介质模型，应用应力一应交线弹性本构关系，首 先基于连续介质力学理论建立了一个耦合的出砂过程定量理论模型，同 时考虑了出砂过程中的孔隙度、渗透率以及地层坍塌破坏问题，并对伴 有泡沫油流的出砂过程进行了动态模拟。理论模型一般包括：骨架控制 方程、连续性方程、流体运移方程等。 3 1 1 基本假设 在连续介质中分析出砂及井眼应力，首先需要满足平衡方程和边界 条件。如果综合考虑各种影响因素，那么分析过程就会相当复杂，无法 求解。因此，我们采用一些基本假设简化出砂模型。基本假设有以下几 点： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章疏松砂岩储层出砂模型 油藏渗流过程为等温渗流。 连续介质系统由一系列固相、液相体构成。包括固相的岩层骨 架、液化砂和液相的流体，用多层覆盖( o v e r - l a y ) 和r e v ( 表 征单元体) 概念来描述【2 8 1 。 孔隙岩石介质中的流体运动符合d a r e y 定律，油藏孔隙中的可 动砂与油相的渗流速度相同。 小交形条件下，岩层骨架遵循帽硬化d r u c k - - p r a g e r 准则。 两类出砂机制模型：储层结构破坏所产生的粗砂和储层剥蚀下 产生的细砂。 基于以上假设，出砂产层主要由四部分构成：孔隙性岩层骨架( s ) 、 液化砂( f s ) 和混合液体相( “死”油和溶解气，l ) ，分散气泡( g ) 。 为建立一个有效的定量出砂预测模型，将出砂过程分为两部分：第 一部分主要包括孔隙性岩层骨架的变形和应力集中或破坏作用，第二部 分包括流体的流动和砂粒与分散气泡的运移。 3 1 2 岩层骨架数学模型方程 1 质量守恒方程 在小变形情况下，多孔隙岩层骨架的颗粒运移速度与储层变形的时 间变化率有关。岩层骨架的欧拉质量方程为 2 9 1 ； 篝华t - p , 0 - 妒) 鲁确 ( 3 ) 式中： 尹。岩石骨架密度，k g m 3 ； 旃剥离砂质量速率，k g m 3 ； 氏体积应变； 彳岩层孔隙度，表示孔隙体积与总体积的比值。 对碎屑岩类储层，如砂岩，因其主要成分为坚硬致密的石英、长石 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章疏松砂岩储层出砂模型 颗粒，可设岩层颗粒密度不变，即成为常量，则有 掣+ ( 1 卅一丢 若不考虑砂剥离引起的孔隙度的变化，则上式可表示为： 丝o t + 堡o t 寺 a 由此就建立了孔隙度演化与岩层骨架体积应变的关系式。 2 岩层骨架平衡方程 对于岩层骨架体系，牛顿第二定律可以表示为 降o t咂等+ z 卜占z i 魄“j ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 当速度k 等于零时，就得到了相应的张量形式的静平衡方程，即 + z 2 0 ( 3 5 ) 式中，固相介质的全应力，p a ；z 体积力，n m 3 。 油藏岩土是饱和了油、气、水多相流体的多孔介质。它所承受的总 应力一部分由多孔介质内的流体所承受，即流体孔隙压力，另一部分由 岩石骨架所承受，即有效应力。油藏岩土的变形并不是由承受的总应力 决定，而是由岩土骨架所承受的有效应力支配。 由修正的有效应力公式有 o * ：+ f i a p ， 6 口= 码( 3 - 6 ) 式中： 吒固相介质的有效应力，p a ； 乒流