（油气井工程专业论文）套变井防砂堵水一体化技术研究.pdf

r e s e a r c ho ns a n dc o n t r o la n dw a t e r p l u g g i n gi n t e g r a t i o nt e c h n i q u ef o rc a s i n gd e f o r m a t i o nw e l l x uf a b i n ( o i l & g a sw e l le n g i n e e d n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rj i a n gg u a n c h e n g a b s t r a c t i nv i e wo fs e v e r eh e t e r o g e n e i t yo fu n c o n s o l i d a t e ds a n d s t o n e ， a g g r a v a t i o no fs a n da n d w a t e rp r o d u c t i o n ，a n n u a li n c r e a s eo fc a s i n gd e f o r m a t i o nw e l l sb u tn om a t c h i n gs a n dc o n t r o l a n dw a t e rp l u g g i n gt e c h n i q u e ，b a s e do nd e t a i l e dr e s e a r c ho fm e c h a n i s mo fs a n da n dw a t e r p r o d u c t i o n ，i n t e g r a t i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s9 0 ，t h i sp a p e rs t u d i e sl a wo fc a s i n g d e f o r m a t i o nb yc l a s s i c a lm e c h a n i c a lm o d e l s p h e n o l i cr e s i nh a sb e e nm o d i f i e db yt u n go i l a n db o r o n b o r o ns u b s t i t u t e ds t r o n gp o l a rh y d r o g e na t o mo fp h e n o l i ch y d r o x y l ，w h i c hm a d e t h e r m a ld e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e dt o4 2 0 ( 2 。4 5 0 t h a tw a s4 0 7 0 h i g h e r , a l k y l a t e df l e x i b l el o n gm o l e c u l a rc h a i no ft u n go i lw a sl i n k e dt oc a r b o ns k e l e t o no f p h e n o l i cr e s i n , p l a y e di n t r i n s i ct o u g h e n i n ge f f e c tt op h e n o l i cr e s i n w a t e rp l u g g i n ga g e n t w h o s ea b s o r p t i o nh y d r o e x p a n s i v i t ya n df l o ws t e e r i n ga b i l i t yw e r eg o o dw h i l ei nd e 印z o n eo f r e s e r v o i rw a sd e v e l o p e db ye x p e r i m e n t s ，p a r t i c l es i z es c r e e n i n gw a sc o n v e n i e n t n e wf o r m u l a o fc a s i n gd e f o r m a t i o nw e l ls a n dc o n t r o la n dw a t e rp l u g g i n gi n t e g r a t i o nt e c h n i q u e ：2 0 t u n g o i la n db o r o nm o d i f i e dr e s i n , 3 c u r i n ga g e n t ，6 0 r e s e r v o i rs a n d ，7 o i ls o l u b l e r e s i n ，10 w a t e rp l u g g i n ga g e n t , w h o s ec o m p r e s s i v es t r e n g t hw a siom p aa n dp e r m e a b i l i t y w a sh i g h e rt h a nll x r n 2 , m e e tt h ed e m a n do ff i e l d t h en e wc a s i n gd e f o r m a t i o nw e l ls a n d c o n t r o la n dw a t e rp l u g g i n gi n t e g r a t i o nt e c h n i q u ew h o s ea n t i - c o r r o s i o nc a p a c i t ya n d a n t i e r o s i o na b i l i t ya r eg o o di se x c e l l e n ta ts a n dc o n t r o la n d9 0 0 da tw a t e rp l u g g i n ga n di s s u i t a b l ef o rs e v e r eh e t e r o g e n e i t yr e s e r v o i r f i e l da p p l i c a t i o ni n d i c a t e st h ec o s ti sl o w , p e r i o do f v a l i d i t yi sl o n g ，e c o n o m i cb e n e f i ti sn o t a b l e k e y w o r d s ：c a s i n gd e f o r m a t i o nw e l l ，t u n go i la n db o r o nm o d i f i e dr e s i n ，w a t e rp l u g g i n g a g e n t ，s a n dc o n t r o la n dw a t e rp l u g g i n gi n t e g r a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：连丝! 宴日期：“唧年j - , 92 ) e l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究背景 通过对胜利油田调查发现，套管变形位置集中在沙三段油层或沙三段油层上部泥岩 段，且同一口井有多段变形，大规模变形时间集中在高压注水以后，变形平面分布集中 在断层两侧构造高点及翼部地层倾角较大的区域。套变类型主要有两大类： 一是套管变形，主要有椭圆变形、弯曲变形、单面挤扁变形、缩径变形。 二是套管损坏，常见的有套管错断形态、套管裂开形态、套管腐蚀或套管磨损穿孔 形态、套管密封性破坏形态。 随着孤东油田开发的不断深入，受地质条件、井身结构、套管质量、开发措施等因 素的影响，因套管变形而停产的油水井不断增多。到2 0 0 2 年底，孤东油田记录在案的 事故报废井共6 6 0 井次，其中套变井5 9 1 口，严重制约着油水井利用率和注采平衡，影响 油田整体开发效果的提高。在5 9 1 口套变井中，油井3 9 2 口，水井1 9 9 口。套变类型【1 】 主要有5 种( 见表1 1 ) 。 表1 - 1 孤东油田套变井类型分类统计 t a b l e l - 1c l a s s i f i c a t i o no fc a s i n gd e f o r m a t i o nw e l li ng u d o n go i l - f i e l d 类型 弯曲( 口)错断( 口)缩径( 口)破裂( 口)穿孔( 口) 讯 油井 2 7 96 61 91 41 4 水井 1 4 83 421 14 合计4 2 7 1 0 02 1 2 51 8 造成油井套变的主要因素【l 卅可归结为以下几个方面： ( 1 ) 井眼质量。井眼质量包括井径变化和井眼曲率变化。 ( 2 ) 塑性变形速度。断块钻井和完井实测资料反映，打开膏盐层7 d 后，膏盐层即开 始蠕动变形，完钻井套管变形一般发生在完井后3 个月以内，个别井固井后，水泥还没 有凝固就发生套管变形，这说明地层塑性变形速度快，造成套管承受的载荷加大。 ( 3 ) 膏盐层浸泡时间。非均匀载荷增大与膏盐层浸泡时间太长有关。通过对套管变 形井的统计表明，断块钻井时，在钻开膏盐层到完井，6 0 套管变形井浸泡超过2 0d ， 最多的在4 0 d 以上。 ( 4 ) 应力异常和水平差应力是造成套管损坏的根本因素。地应力通过岩层对套管的 第一章前言 挤压力是套管损坏的主要原因。在非均匀地应力作用下，井眼附近地层会产生非均匀环 向应力和剪切应力，当地应力差达到一定水平时，固井水泥环与地层会发生剪切剥离， 进一步使套管受力环境趋于恶劣。套管因非均匀载荷作用，会产生两向不均匀变形，即 变形后的套管呈椭圆样式发展。 ( 5 ) 油水井增产措施是造成套管损坏的重要外因。压裂施工时油层部位套管玉力接 近或超过套管本身的抗内压强度，因此在套管接箍和螺纹部位以及固井质量差的井段就 很容易产生损坏。 ( 6 ) 油层裂缝较发育，多次压裂又可产生多条大裂缝，将储层切割为多个离散块体。 实施高压注水后，注水井注水压力逐步上升，一方面 局部应力增高，另一方面砂泥岩界面物质遇水，结合 力变弱，促使局部地层由高点向低处滑移，导致套 管损坏。这种类型的套变易发于注采井间压差大和 地层倾角大的位置，纵向上出现于泥砂岩结合面附 近。 套变 本文专注于由于出砂出水，导致地层亏空，在 生产层位置( 见图i - i ) 发生套管变形( 详情参阅第 f i g 1 - 1 p o s i t i o no f c a s i n gd e f o m a t i 。n 二章第四节) 的油井防砂堵水一体化的研究。 1 2 防砂堵水发展历程 国外油气井防砂工艺技术研究起步较早，最初采用限产的办法来控制油气井出砂， 1 9 3 2 年开始采用砾石充填方法，目前国外在油气井防砂方面主要以机械防砂为主，约占 防砂作业的9 0 ，其中绕丝筛管砾石充填经过不断的完善和发展，到八十年代己发展 成为一项较成熟的技术。随着油田的进一步开发，为满足其复杂性和多样性的要求，减 少油井作业成本和修井费用，又相继研究开发出各种类型的滤砂管、可膨胀性割缝筛管 和压裂防砂、过油管防砂等防砂工艺技术。 化学防砂在防砂作业中占有比例很小，且在早期的化学防砂技术中主要采用的是使 砂岩固结的化学剂。五十年代后半期随着世界化学工业的高速发展，特别是各种合成材 料和粘接技术的发展，给油井防砂开辟了新的途径，产生了各种各样的化学防砂方法， 其中最常用的是合成树脂固砂，主要有塑料胡桃壳、酚醛树脂地下合成防砂、相分离法 固砂。六十年代，化学防砂在美国墨西哥湾地区曾一度占据防砂作业的主导地位，但由 于机械防砂的完善和发展，其主导地位逐渐被后者所取代。进入九十年代后，性能较好 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的固砂剂不断出现，化学防砂的前景又趋看好。目前，国外化学防砂主要有树脂防砂、 树脂深层砾石防砂、焊接玻璃固砂及四氯化硅固砂等方法。 国内防砂技术的研究和应用始于2 0 世纪6 0 年代末，经过近4 0 年的发展形成了机 械、化学、压裂和复合四大防砂工艺体系。在此之间，人们经过大量的研究论证认识到 油井出砂主要是由于地层胶结疏松造成的，当地层流体对地层砂粒的冲刷拖拽力超出地 层胶结物对砂粒的固结力，油井易出砂。所以防砂就是减小流体对地层砂粒的拖拽力， 或增大地层胶结物对砂粒的固结力，使地层砂不被产出。基于上述分析，各油田开始采 用限制和稳定油井产量的方法避免油井出砂，因为限制产量可以减缓出砂程度，而稳定 产量可以使产出的地层砂粒在油井射孔炮眼入口处形成稳定的可以挡砂的砂拱和砂桥。 但是这种防砂方法带有很大的局限性，限制产量影响了油田的正常开采和经济效益，同 时油井产量的波动破坏了砂拱和砂桥。 由于限产稳产油井产量防砂方法的被动性，人们开始研究采用人工固结地层的方法 防止地层出砂。化学防砂方法的出现是人们真正主动防砂的开始。所谓化学固砂就是人 工从地面向地层注入预先调配好的化学固结剂，固结剂进入近井地层后，再注入增孔剂 溶液、顶替液等一系列处理液，然后关井候凝，化学剂地层高温条件下固结在原本疏松 的地层砂粒之间，将松散的砂粒牢牢固结在一起，从而达到固砂目的。很快发展了酚醛 树脂溶液地下合成、水带干灰砂、水泥砂浆人工井壁等多种化学固砂工艺，成为当时的 主要防砂方法。在油、气井投入开发之前，应结合油田具体情况，如：完井类型，完井 并段长度、井筒和并场条件，地层砂物性、产能、费用等选择防砂方法和确定防砂工艺 措施，无论哪一种防砂方法，都应能够有效地防止地层中承载骨架随地层流体进入井筒 s - 1 5 】。但在一些油层厚度较大的油井中，化学固砂技术效果并不理想，因为油层厚度大 则井段长度长，而在较厚的地层中，地层渗透率饱和度等从上到下并不是均匀的，这就 导致化学剂注入地层不均匀，部分地层不能很好地固结，从而导致防砂效果不理想。化 学固砂技术适用于井段长度短、但油层、底层垂向均质性好的油井，另外发现化学剂防 砂的有效期较短，通常只有几个月甚至几十天，成功率也比较低。防砂失效后，油井会 ， 继续出砂。 目前，机械防砂与化学防砂相结合产生的机械一化学复合防砂也开始广泛应用。随 着新材料的出现和应用，现在出现了可以携砂生产的螺杆泵和喷射泵。目前提出了新的 控砂思想即携砂生产以及防排结合的指导思想，前者指允许地层砂产出，只要改进地面 采油设备就可以了，而后者是将较大颗粒的地层砂阻挡在地下，允许比较难防的较细的 第一章前言 地层砂随流体产出到地面。此外，为了提高防砂的成功率和确保防砂井的产能，防砂模 拟软件也得到了迅速的发展。 我国堵水调剖技术的研究与应用可追溯到2 0 世纪5 0 年代末，6 0 至7 0 年代主要以 油井堵水为主。8 0 年代初随着聚合物及其交联凝胶的出现，注水井调剖技术迅速发展， 不论是堵水还是调剖，均以高强度堵剂为主，作用机理多为物理屏障式堵塞。9 0 年代， 油田进入高含水期，调剖堵水技术也进入发展的鼎盛期，由单井处理发展到以调剖堵水 措施为主的区块综合治理。进入2 l 世纪后，油田普遍高含水，油藏原生非均质及长期 水驱使非均质性进一步加剧，油层中逐渐形成高渗通道或大孔道，使地层压力场、流线 场形成定势，油水并间形成水流优势通道，造成水驱“短路”，严重影响油藏水驱开发效 果。加之对高含水油藏现状认识的局限性，常规调剖堵水技术无法满足油藏开发需要， 因而，作用及影响效果更大的深部调剖( 调驱) 技术获得快速发展，改善水驱的理论认识 及技术发展进入了一个新阶段。分析我国堵水调剖技术的研究内容和应用规模，其发展 大体经历了4 个阶段。5 0 至7 0 年代：油井堵水为主，堵剂材料主要是水泥、树脂、 活性稠油、水玻璃氯化钙等。7 0 至8 0 年代：随着聚合物及其交联凝胶的出现，堵 水调剖剂研制得以迅速发展，以强凝胶堵剂为主，作用机理多为物理屏障式堵塞，以调 整近井地层吸水剖面及产液剖面为目的。9 0 年代：油田进入高含水期，调剖技术进入 鼎盛期，因处理目的不同，油田应用的堵剂体系有近1 0 0 种，其中深部调剖( 调驱) 及相 关技术得到快速发展，以区块综合治理为目标。2 0 0 0 年以后：基于油藏工程的深部调 剖改善水驱配套技术的提出，使深部调剖技术上了一个新台阶，将油藏工程技术和分析 方法应用到改变水驱的深部液流转向技术中。处理目标是整个油藏，作业规模大、时间 长。 1 3 研究内容 ( 1 ) 根据文献调研，了解国内外目前对油层出砂机理的研究成果。 ( 2 ) 通过文献调研以及现场资料调研了解目前对于套变井所采取的防砂堵水方法 以及方法的缺点。 ( 3 ) 针对目前使用的套变井防砂堵水方法的不足，研究新的防砂堵水技术。 ( 4 ) 进行抗压、耐酸性、耐碱性、耐地层流体性、渗透率、堵水率等评价。 ( 5 ) 进行现场工艺技术研究。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章油井出砂出水研究 2 1 油层出砂机理 根据出砂特征，油井生产过程中出砂f 1 6 】大致可以分为以下三类： ( 1 ) 稳定出砂：正常生产条件下的出砂量随时间递减，该现象通常出现在射孔或酸 化后的排液过程中、水锥进或放大油流后。 ( 2 ) 连续性出砂：油井生产过程中长时间稳定地连续出砂。连续出砂过程中，生产 参数、出砂浓度比较稳定，衰减随时间变化小。 ( 3 ) 突发性大量出砂：油井短时间内大量出砂或关闭事件。如放大油流或关井作业， 砂桥破坏造成砂堵，或大量出砂造成井眼砂堵【1 7 1 。 2 1 1 剪切破坏 在未打开油层之前，地层内部应力系统是平衡的，打开油层后，在近井地带，地层 应力平衡状态被破坏，当岩石颗粒承受的应力超过岩石自身的抗剪或抗压强度，地层或 者塑性变形或者发生坍塌。在地层流体产出时，地层砂就会被携带进入井底，造成出砂。 形成剪切破坏的主要因素是油藏压力 的衰减或生产压差过大，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【1 8 1 。图2 1 为射孔 造成弱固结的砂岩破坏的示意图，由于井 筒及射孔孔眼附近岩石所受周向应力及径 向应力差过大，造成井周岩石受到不同程 图2 1 炮眼周围地层受损情况 f i g 2 - 1d a m a g e dc o n d i t i o nn e a r b yp e r f o r a t i o n 度的损坏。如图2 1 所示，离井筒或射孔孔眼的距离不同，产生破坏的程度也不同，从 炮眼向外可依次分颗粒压碎区、岩石重塑区、塑性受损区及变化较小的受损区( 弹性区) 。 远离炮孔的a 区是大范围的弹性区，其受损小，b 1 - b 2 区是一个弹塑性区，包括塑性硬 化和软化，地层具有不同程度的受损，c 区是一个完全损坏区，岩石经受了重新塑化， 近于产生完全塑性状态的应变。紧挨炮孔周围的岩石受到剧烈震动被压碎，一部分水泥 环也受到松动损害。从力学角度分析，在这种条件下，近井地层岩石所受的剪应力超过 了岩石固有的抗剪切强度，使得射孔后岩石强度减弱，抵抗不住孔周的应力，就会产生 剪切破坏或屈服，逐层剥离孔壁，产出固相形成出砂【1 9 1 。 第二章油井出砂出水研究 2 1 2 拉伸破坏 拉伸破坏是地层出砂的另机理。开采时，在一个存在着应力差的应力场中，流体 流动产生的压力脉冲会降低其抗剪切强度，微粒运移造成的部分孔隙的堵塞所形成的表 皮效应也会使压力降升高，从而使同应力变为拉伸，导致低拉伸强度的岩石产生拉伸剥 离【2 0 】。 从图2 - 2 中可以看出，切向应力几乎永远是压应力，它与径向压差应力盯，组成 孔眼周围的差应力，这是产生剪切破坏的根源。由于流体阻力和井筒应力联合作用，在 近射孔区引起岩石剥落和地层出砂。单个砂 粒从骨架脱离，然后发生砂堵，在射孔端部 形成稳定的砂拱。砂拱是一个膨胀区，其渗 透率都很大，但它稳定性差。在低流速下， 流体阻力并不影响砂拱的稳定性，但随着流 速的增高到足以从砂拱带出砂粒，砂拱的稳 定状态即被打破。若流体阻力太大，不再形 成砂拱，油气井就开始出砂【2 1 1 。 图2 - 2 空穴壁拉伸剥落 f i g 2 - 2 t e n s i l es p a u i n go fb o r e h o l e 实际上，剪切和拉伸两种机理同时起作用且会相互影响，剪切破坏引起的地层破坏 使地层颗粒更容易发生流体拖拽力运移。事实上，即使是在剪切破坏为基本机制时，流 体流动向井眼携带砂粒仍然是十分重要的。 一般来说，地层剪切破坏表现的出砂是突发性大量出砂，而拉伸破坏则是“细砂长 流”。出砂使孔穴通道增大，而孔穴增大又导致流速降低，从而使出砂有趋停倾向，因 此拉伸破坏有“自稳性”效应。 2 1 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，在流体流动时，微粒会在地层 内部运移，直至井筒。这些微粒被地层孔喉阻挡后，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。 2 2 油层出砂原因 2 2 1 地质因素 ( 1 ) 岩石的胶结状态 颗粒胶结程度是影响出砂的主要因素，而油层岩石的胶结强度主要取决于胶结物的 6 十田石油大学( 华东) 硬学位论文 种类、数量和胶结方式2 “。通常油层砂岩的胶结物主要有粘、碳酸盐和硅质、铁质三 种，以硅质和铁质胶结物的胶结强度最大，碳酸盐胶结物次之，粘土胶结物最差对于 同一类型的胶结物，其数量越多胶结强度越大，反之则小。胶结方式不同岩石的胶 结强度也不同。 口 颈牲 ( b j _ 腔 s 鞠 豳 空隙 圈2 - 3 砂岩的胶结方式 单_ 3c o u s o l l d m u o n 口p e o f s a n d s t o n e 如图2 _ 3 所示，油层砂岩的胶结方式主要有三种： 一是基底胶结。当胶结物的数量大于颗粒数量时，砂岩颗粒完全浸没在胶结物中， 彼此互不接触或很少接触，其胶结强度最大，但由于孔隙度和渗透率均很低，很难成为 很好的储油层。 二是接触胶结。胶结物数量不多，仅存于岩石颗粒接触处，且胶结物中常含有粘土， 其胶结强度最低。 三是孔隙胶结。胶结物的数量介于基底胶结和接触胶结之间，胶结物不仅存在于岩 石颗粒接触处，还填充于部分孔隙中，其胶结强度也处于基底胶结和孔隙胶结之间a 无胶结物的流沙地层依靠很小的流体附着力和周围环境圈闭的压实力而聚集，此种 地层极容易坍塌。易出砂的油层岩石主要以接触胶结方式为主，其胶结物数量少，而且 其中含有粘土胶结物。但这种储油层的孔隙度大，渗透率高。在其它条件相同时，渗透 率越高，砂岩强度越低，油层越容易出砂。 ( 2 ) 渗透率的影响 渗透率的高低是油层岩石颗粒组成、孔隙结构和孔隙度等岩石的物理属性的综合反 应。实验和生产实践证明，当其他条件相同时，油层的渗透率越高，其胶结强度越低， 油层越容易出砂1 2 4 1 。 ( 3 ) 应力状态 第二章油井出砂出水研究 地应力是决定岩石原始应力状态及其变形破坏的主要因素。如图2 4 所示，在钻井 前，砂岩油层处于应力平衡状态。垂向应力盯：大小取决于油层埋藏深度和岩石的平均 密度；水平应力盯。和仃y 大小除了与油层埋藏深度有关外，还与油层构造形成条件及岩 石力学性质和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， 在整个采油过程中井壁岩石都将承受最大的切向 地应力。所以，井壁岩石将首先发生变形和破坏。 在其他条件相同的情况下，油层埋藏越深，岩石的 。y 垂向应力越大，井壁的水平应力相应增加，井壁附 图2 - 4 地层岩石受力情况 近的岩石就越容易变形和破坏，从而引起在采油过f i g 2 - 4 f o r c ec o n d i t i o no f f o r m a t i o nr o c k 程中油层出砂，甚至井壁坍塌。 井壁失稳的因素主要有化学和力学两个方面【2 5 1 ，其中，力学因素则包括地应力大小 和方向、井壁岩石的力学性质、岩石的变形特征、井内机械扰动应力、温度扰动应力 2 6 - 2 s 等，另外岩体的结构特征对井壁力学稳定性也有很大的影响，而裂缝是控制岩体结构的 最主要因素 2 9 - 3 3 1 。以均质岩体模型、倾斜裂缝模型、水平裂缝模型、水平原生裂缝( 层 面) 模型、直立裂缝模型、水平倾斜直立裂缝组合模型等结构模型为基础模型，来模拟 分析各种裂缝对井壁的影响。 均质体的计算模型如图2 5 所示。模型几何外型取为2 m 2 m 3 8 m ，井眼取为直 立钻井，位于模型的中间；按照常规，井的直 径为0 1 5m 。均质体模型不考虑裂缝，模型材 料为均质体。边界条件如图2 5 所示，在正对 的两个侧面以及上部正面为载荷边界面，施加 的载荷在不同深度条件下不同，由具体条件而 定。背后的两个侧面和底面为零位移约束，位 移约束方向为各面的法线方向。 图2 - 5 均质岩体模型及其边界条件 f i g 2 - 5 m o d e la n db o u n d a r yc o n d i t i o n so fi s o - r q 表2 - 1 均质岩体井壁失稳载荷 t a b l e 2 1 b u c k l i n gl o a do fi s o - r o c kb o r e h o l e 裂缝条件浅层( m p a ) 过渡层( m p a )深层( m p a ) 无 9 2 6 3 1 7 2 3 8 不破坏 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 参照无裂缝的均质岩体模型的计算方法，分别建立了原生水平裂缝( 层面) 、水平构 造裂缝、倾斜裂缝、直立裂缝井壁岩体稳定性评价模型，各模型的大小与均质体模型相 同，进行了不同载荷条件下井壁岩体破坏程度计算，井壁失稳条件( 载荷) 如表2 2 所示。 表2 - 2 单裂缝岩体井壁失稳载荷 t a b l e 2 - 2 b u c k l i n gl o a do fs i n g l ef r a c t u r eb o r e h o l e 裂缝条件浅层( m a )过渡层( a )深层( m p a ) 水平原生裂缝( 层面) 3 4 0 0 5 2 2 8不破坏 水平构造裂缝 3 9 6 04 5 2 0 1 0 0 0 0 倾斜裂缝 5 1 2 06 5 o o 3 0 1 2 5 直立裂缝 9 0 0 01 0 3 5 0不破坏 不同产状裂缝岩体与无裂缝均质岩体井壁稳定性结果比较，可以得到以下结论： ( 1 ) 在浅层，裂缝产状对井壁稳定性有一定影响，其中水平裂缝对井壁稳定性的影 响最为显著，其次是倾斜裂缝，最后是直立裂缝。 ( 2 ) 在过渡层，裂缝产状对井壁稳定性的影响与浅层基本一致，仍然是水平裂缝对 井壁稳定性的影响最大，其次是倾斜裂缝，直立裂缝影响最小。 ( 3 ) 在深部地层中，如果只考虑力学因素，对井壁稳定性的影响仍然是水平裂缝大 于倾斜裂缝大于直立裂缝。岩层界面( 层间缝) 对井壁稳定性的影响不同于构造裂缝，在 相同条件下，水平岩层面对井壁失稳的影响要小于构造裂缝。 ( 4 ) 裂缝组合对井壁稳定性的影响 将不同条件下的井壁稳定条件进行对比，可以发现裂缝对井壁的稳定性都有不同程 度的影响，造成井壁的失稳载荷降低，具体参见表2 - 3 。 表2 - 3 不同裂缝岩体中的井壁失稳载荷 t a b l e 2 - 3 b u c k l i n gl o a do fd i f f e r e n tf r a c t u r e db o r e h o l e 均质原生 水平倾斜直立多产状高密度 失稳载荷 岩体裂缝裂缝裂缝裂缝 裂缝组合裂缝组合 浅层( a ) 9 2 6 33 4 0 03 9 6 05 1 2 09 0 0 03 2 6 0 9 5 0 过渡层( m p a ) 1 7 2 3 85 2 2 8 4 5 2 0 6 5 0 01 0 3 5 04 2 2 8 2 2 2 8 深层( m p a )不破坏 不破坏 1 0 0 0 03 0 1 2 5 不破坏 8 0 0 08 0 0 0 9 第二章油井出砂出水研究 通过不同产状、不同密度的裂缝、以及组合形式的裂缝对井壁岩体力学稳定性影响 的模拟结果分析，可以得到以下结谢3 4 】： ( 1 ) 裂缝可造成井壁的失稳载荷降低。 ( 2 ) 裂缝对井壁稳定性的影响程度，在浅部地层中最高，中间深度的影响相对较弱 一些，在深部地层中影响最小。 ( 3 ) 裂缝倾角的大小对直立井壁稳定性有较明显的影响，就其影响程度来说，有“水 平裂缝 倾斜裂缝 直立裂缝”之规律，随着倾角的增大，裂缝对井壁稳定性的影响减小。 ( 4 ) 多组裂缝的组合体对井壁稳定性的影响大于任何单一裂缝。 ( 5 ) 裂缝的密度对井壁稳定性也有较明显的影响，裂缝越密集，井壁就越容易失稳。 2 2 2 开采因素 以上所讲的是影响油层出砂的内在原因，而开采过程中生产压差的大小及建立压差 的方式，则是油层出砂的外在原因。生产压差越大，渗流速度越高，井壁处液流对岩石 的冲刷力就越大，再加上地应力所引起的最大的应力也在井壁附近。所以井壁附近将成 为岩层中的最大应力区，当剪切应力超过岩石抗剪强度时，岩石易发生变形和破坏，造 成油井出砂。建立压差的方式是指以缓慢的方式还是以突然急剧的方式建立压差【3 5 】。因 为在相同压差下，二者在井壁附近油层所造成的压力梯度不同。在突然建立压差时，压 力波尚未迅速传播出去，压力曲线很陡，井壁的压力梯度很大，易破坏岩石结构而引起 出砂；在缓慢建立压差时，压力波可以逐渐传播出去，井壁附近压力分布曲线比较平缓， 压力梯度较小，不至于影响岩石结构。有些井壁强烈抽吸及气举之后引起出砂，就是压 差过大，或建立压差过猛之故。而生产压差的大小及建立压差的方式主要取决于开发过 程中的开采技术问题，落后的开采技术( 包括不合理的完井参数和工艺技) ，低质量和频 繁的修井作业，设计不良的酸化作业和不科学的生产管理等都会造成油、气井出砂【3 6 ，3 7 1 。 总的来说，开采过程中造成油层出砂的人为原因主要有以下几点： ( 1 ) 固井质量 由于固井质量差，使得套管外水泥环和井壁岩石没有粘结在一起，在生产中形成高 低压层的串通，使井壁不断受到冲刷，粘土夹层膨胀，岩石胶结遭到破坏，因而导致油 井出砂。 ( 2 ) 射孔密度 射孔完井是目前各油田普遍采用的沟通油流通道的方法，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。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 3 ) 工作制度 在油井生产过程中，流体渗流而产生的对油层岩石的冲刷力和对颗粒的拖曳力是疏 松油层出砂的重要原因。在其他条件相同时，生产压差越大，流体的渗流速度越高，则 井壁附近流体对岩石的冲刷力就越大。另外，油、水井工作制度的突然变化，使得油层 岩石压力状况发生变化，也容易引起油层出砂。 ( 4 ) 其他因素 油层含水部分胶结物被溶解使得岩石胶结强度降低或油层压力降低，增加了地应力 对岩石颗粒的挤压作用，搅乱了颗粒间的胶结，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，使得油层变的疏松而出砂。 开发因素导致的油、气井出砂，有的可以避免，有的则不能避免。所以，不适于易 于出砂油藏的工程措施、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都应当尽力避免。而对于油田开发过 程中压力变化而引起的岩石应力状态的失衡及油气渗流的冲刷力，虽然是不可避免的， 但应尽量防止和减少它们可能造成出砂的影响。对于胶结物中的粘土含量高易发生粘土 膨胀而可能引起出砂的井，采取必要的防膨措施则可防止和减少因此造成的油层出砂。 对于疏松油层除合理的工作制度外，主要是选择合理的完并方式和采取先期防砂网。 2 3 油藏大孑l 道 2 3 1 大孔道形成模拟 根据物理模拟普遍接受的长宽比例，物理模型尺寸为长宽比2 5 ：1 的玻璃板填砂模 型【3 9 】。按照渗透率和油砂粒度中值，确定实验使用油砂粒径为1 0 0 1 2 0 目，气测渗透率为 1 2 1 达西，孔隙度为3 0 8 。分别采用低粘度水和孤东稠油作为介质，在不同的渗流速度 下进行模拟实验，研究沉积特征、油层物性、渗透率、胶结程度、原油粘度，对大孔道形 成的影响，并研究开采过程中生产速度对大孔道形成和发展的影响。 2 - 3 2 大孔道形成机理 油层渗透率、岩石胶结程度、开采速度、原油粘度是影响大孔道形成的几大因素。 研究结果表明，大孔道的形成是一个在主流线上分枝发展的“灾变”过程，大孔道内原油 经水驱后主要形成油膜或油斑。对疏松砂岩油藏出砂机理进行了室内模拟，发现大孔道 形成的一大特征就是地层出砂，地层微粒运移t 4 0 l 。采用k h i l a r 模型，考虑源、汇影响对 微粒迁移进行数值求解，发现在实际情况下，渗透率较低的油藏，出砂微粒浓度在达到 第二章油井出砂出水研究 峰值浓度前就发生了堵塞；胶结疏松且渗透率较高的砂岩在强注强采的开发方案下更容 易形成大孔道【4 l 】。 对于同一油藏，在注采井网、注水压差、注水方式及注入水质一定的前提下，储层 岩石力学特征，沉积时的古水流方向、储层的非均质性、储层的敏感性等都不同程度的 影响注入水在储层中的渗流，以致形成不同规模的窜流通道。 对初期取芯井及高含水期检查井岩芯物性分析表明，注水开发前后，储层物性发生 了较大的交化。 2 3 3 沉积特征对大子l 道的影响 根据力学理论，砂体颗粒在渗流过程中受到的力主要有流体流动的冲刷力、流体与 颗粒间的摩擦力，砂体颗粒与胶结物之间的胶结力。砂体颗粒脱落所需的条件是冲刷力 与摩擦力的合力大于胶结力。砂体颗粒运移是受到上述两种力和流体包裹携带作用的结 果。因此，用两种方法分别模拟水动力冲刷和摩擦力以及流体包裹携带作用。 用低粘度的水作为介质，在不同的渗流速度下进行模拟实验。实验表明在低速下 lm l m i n ，油田速度1m d ，仅仅依靠流体的水动力是不能出砂的，随着渗流速度的增 大5m l m i n ，出口开始出砂。在相同的时间内，渗流速度越高，出砂量越大。出砂过程 是：在初始阶段，生产井附近有细小的砂体颗粒流出，随着时间的推移，出砂开始向前、 向两侧发展，但是向主流线方向的发展速度越来越快。最后形成从出口到入口沿主流线 方向的高渗透带，即大孔道沿主流线方向分布。其压力动态特征是在一定渗流速度下， 未出砂时，压力稳定，出砂时压力开始下降。 ? 嘲 念 弓j o5l o1 5 2 0 2 53 03 5 时间( h ) 图2 石不同驱油速度下出砂与时间的关系 f i g 2 6r e l a t i o n s h i po fs a n dp r o d u c t i o na n dt i m ea td i f f e r e n tf l o o d i n gs p e e d 1 2 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 q 、 喇i 念 蔼 o 呼，：蒹兰象i 删t i v e r h y 。t h m 洲m o d e l r o d u c t i o n o fwt e rn o o o l n 删稠， f i g 2 8 s a n d p a ：。= 堵的漆m 。这说明原油越稠， 实验表咀在相对于水驱较低的速度下就能见到砂。降袱弛刚” 第二章油井出砂出水研究 在流动过程中的阻力越大，对岩石颗粒的拖曳力越大，越容易出砂。另一方面，稠油的 携砂能力比较强，细砂颗粒能比较稳定的分布在稠油中，很容易随原油流出。 实验采用两种不同胶结程度的模型，在相同的水动力和相同模拟油携带作用下油驱 lm l m i n ，研究了不同胶结强度对大孔道形成和发展的影响，实验结果表明，胶结强度 越高，砂体颗粒流动所需要的压力梯度越大，即需要更高的驱替速度。胶结强度越弱， 越容易出砂，需要的冲刷速度越小。 一个非常重要的因素，砂体颗粒在孔道中的运移方式主要是依靠高粘度的原油以摩 擦和携带作用来实现。同时高粘原油也阻止砂体颗粒在运移过程中的沉降，使砂体颗粒 比较均匀的分布在原油中。总之，粘度越大越易出砂，结果是越有利于形成大孔道。 开采过程对大孔道形成和发展的影响主要考虑生产速度对出砂的影响，生产速度越 高，作用在岩石砂体颗粒上的压力梯度越大，砂体颗粒越容易脱落，出砂量越大，越容易 形成高渗透带，压力下降越大。在实验中还发现压力下降的快慢和对出砂的影响很大， 压力下降越突然，越容易出砂。 用渗透率为1 2 达西和在相同的胶结程度、流动介质粘度相同的情况下，先以相同 的驱替速度冲刷3 m l m i n ，观察出砂情况，实验结果如图2 - 9 所示：在其它条件相同的 情况下，渗透率越高，出砂越少。对高渗模型，提高驱替速度3 倍，出砂量才比较大。 这是因为渗透率越大，流动阻力小，建立的压差也越小。因此要建立起使砂体颗粒运移的 压力梯度，必须要较高的驱替速度。 7 6 5 4 蛔 念3 丑 2 l 0 024681 0 时间( h ) 图2 9 渗透率对出砂量的影响 f i g 2 - 9e f f e c to fp e r m e a b i l i t yt os a n dp r o d u c t i o n 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 o 5 1 01 52 0 时间( h ) 图2 - 1 0 流体秸反对出砂量的影响 f i g 2 1 0 e f f e c to ff l u i dv i s c o s i t yt os a n dp r o d u c t i o n 在压力和产量数据基础上，将各种数据进行了组合，形成一套随开发时间变化数据 曲线业判断大孔道： ( 1 ) 油水井井口压力随时间的变化关系曲线； ( 2 ) 水井视吸水指数曲线； ( 3 ) 生产井采液指数； ( 4 ) 井组采注比。 大孔道集中、走向趋于一致的区域容易成为串流通道，增加油藏的非均质性，加剧 出砂出水。 2 3 4 高渗条带识别方法 岩芯观察法：岩芯取出后通过观察岩芯的物理特征可基本判断出大孔道出现层位。 试井资料解释法：使激动井产生压力波动，通过多井干扰试井方法测试在其周围的观 测井观测压力的变化井测取压力资料。对压力资料进行解释可以确定渗透率的方向。 利用生产资料判断法：主要是大孔道形成后井的采液指数、流压、含水等来定性判 断是否能形成。 示踪剂方法识别大孔道原理如下：在注水井注入n h 4 n 0 3 作为示踪剂，亚硝酸离子 与氨基苯磺酸及a - 萘胺发生反应最终生成红色络合物，可以采用分光光度法测定。根据 分光光度计上显示的数据对照标准曲线可以查出亚硝酸离子浓度。而对于n h 4 c n s 而 言，c n s 与f e 3 + 也能生成红色络合物，同样采用分光光度法测定。经过近两个月的监测 工作，监测井中全部见到示踪剂离子。记录示踪剂产出曲线，根据观察井见示踪剂时间， 计按照各注采井间示踪剂推进速度，在井位图上算出示踪剂的推进速度。按比例作出示 h 佗 m 8 6 4 2 o (8一菩余丑 第= 章油井出砂m 水研究 踪剂的推进图据该图可以大致判断出高渗条带的发育方向和推进速度差异 8 i 0 2 8 2 _a 3 8 3 t ad ， a 5 二。 a 8 a 7 r = 翻厅可翮 r t 霸厅百硼 a 井组b 并组 图2 一1 1 高渗透带存在方向指示图 f i g j - h o r i e a t a t i a n o f h i 晷hp e r m e a b f i 竹脚n e 示踪剂法是从注入井注入示踪剂段塞，然后监视其产出情况，并绘出示踪剂产出曲 线。通过对示踪荆产出曲线进行分析来判断地层参数。单井示踪剂方法是将示踪剂注入 到一口井中，使示踪剂与地层流体发生一段时间的反应，然后开井生产检测示踪剂，获 得该井周围的地层信息。井间示踪剂测试方法是在注入井注入示踪剂，随后在生产井中 试示踪剂浓度。国外应用示踪剂是从2 0 世纪5 0 年代开始的。b r i g h m 和s m i t h 在2 0 世 纪6 0 年代中期提出了五点井网中示踪剂的浓度方程。y u e n 、a r i g h a m 和a b - b a s z a d e h 在 2 0 世纪7 0 年代提出了利用井问示踪剂资料解释油藏的非均质特性使示踪剂资料的解释 开始向着定量化方向发展。随着计算机技术和数值模拟技术的发展，人们开始研究使用 数值法来解释井间示踪剂数据。这一方法不仅可以定性判断地层中高渗条带的存在与 否而且可定量地求出高渗条带的有关地层参数。如高渗层的厚度、渗透率、含油饱和 度也可以估算出孔道半径。 测井资料定性分析法：大孔道在注水剖面测井资料上的反映主要是微电阻率结测井 的离差小，自然电位基线偏移，电感曲线明显偏移。结合数字解释可以判断高渗条带的 位置、厚度及大孔道的平均渗透率。 非均质油藏地层存在大孔道时，测井资料上或多或少会出现一些异常响应特征。因 此可以根据测井资料特征定性识别或定量描述太孔道。现