（石油与天然气工程专业论文）林樊家油田出砂预测技术研究.pdf

林樊家油田出砂预测技术研究 张志斌( 石油与天然气工程) 指导教师：张建国教授，王怀明高级工程师 摘要 出砂是油田开采过程中砂粒随流体从油层中运移出来的现象，是油 井生产中所面临的困难之一。油井的生产后期出砂是我国老油田普遍存 在的现象。出砂不仅会导致油井减产或停产以及地面和井下设备磨蚀， 而且会使套管损坏、油井报废，因此进行出砂预测就显得非常重要。尽 管许多单位和部门在防砂工作方面已投入了大量的人力和物力进行了大 量研究工作，逐渐形成了成套的防砂工艺技术和体系，但由于对出砂机 理和出砂规律研究比较少，使得在制定歼采工艺，如循环开井、射孔设 计、合理生产压差及产量的确定方面等，以及如何采取相应的防砂措施 方面带有盲目性，造成了一定的人力、物力浪费。因此，加强对出砂规 律的研究显得十分必要。针对林樊家油田弱胶结砂岩高含水开发期储层 容易出砂的情况，对该油田四个区块的8 口取芯井的资料进行分析并取 得1 9 块可供试验的岩样，在胜利地质科学研究院三轴试验机上模拟井下 条件进行岩石强度试验，得到了可靠数据。通过分析取芯井测井数据和 岩石强度实验数据，建立了油层砂岩强度与井深、声波时差等物理量的 关系。同时介绍了基于岩石破坏准则的出砂理论模型，| 营重分析了射孔 完成井的油层出砂机理，考虑井眼围岩应力场对射孔孔道稳定性的影响， 建立了一种新的射孔完井临界出砂模型，并对其可靠性进行了分析。通 过预测，得到预防出砂的临界生产压差和临界产量。计算结果有利于指 导该油田设计开发后期高含水期的开发方案，提高油田丌采的经济效益。 关键词：林樊家油田，出砂预测，岩石强度，开发 1 1 r e s e a r c ho np r e d i c t i o nt e c h n o l o g yo fs a n dp r o d u c t i o ni n l i n f a n j i ao i l f i e l d z h a n gz h i - b i n ( o i la n dg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o r z h a i l gj i a n g u o ，s e n i o re n g i n e e rw a n gh u a i - m i n g a b s t r a c t s a n dp r o d u c t i o ni st h es a n dc a r d e db yt h ef l u i di no i lw e l l si no i l r e c o v e r y a n di ti so n eo f t h eh a r dp r o b l e m st od i s p o s ei no i lp r o d u c t i o n a n d i te x i s t si nt h em i d d l eo rl a t e rp e r i o dp r o d u c t i o no ft h eo l do i lf i e l d si no u r c o u n t r y s a n dp r o d u c t i o np r e d i c t i o ni si m p o r t a n tb e c a u s eo ft h es a f e t y , e n v i r o n m e n t a l ，a n do p e r a t i o n a lc o n c e r n s i n v o l v e dw h e np r o d u c e ds a n d p a r t i c l e sm la n dp l u gt h ew e l lb o r e ，e r o d ed o w n h o l ea n ds u r f a c ee q u i p m e n t ， a n di n c r e a s eo p e r a t i n g e x p e n s e o w i n gt ol a c kr e s e a r c hi ns a n dm e c h a n i s m ， i ti ss i g h t l e s si np r o d u c t i o np r a c t i c e ，t h o u g ha l l p r o d u c t i o np l a n t sd e v o t e d m a n ym a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e si ns a n dc o n t r o l ，g r o w i n gu pas y s t e m o fs e t so fs a n dp r e v e n t i o nt e c h n o l o g y , a n dm a k i n gg r e a tp r o g r e s si nt h ef i e l d s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt oe 1 1 1 1 a n c er e s e a r c hs a n d i n gd u et or e c kd e s t r o y e d a r o u n ds h o th o l e a i m i n ga ts a n dp r o d u c ei nt h ew e a kc e m e n t a t i o nr e s e r v o i r i nl i n f a n j i ao i lf i e l de a s i l y , t h ed a t ao fe i g h tc o r eh o l e si nf o u rt r a c t si s a n a l y z e d ，a n d 1 9s a m p l e si st a k e n t h et h r e e a x i st e n s i o nt e s t si sm a d eb y s i m u l a t i n gt h er e s e r v o i rc o n d i t i o n ，a n dg a i n e dt h ei m p o r t a n td a t a a n da tl a s t f o u n dt h er e l a t i o n s h i po fr o c ki n t e n s i o na n dw e l ld e p t h ，i n t e r v a lt r a n s i tt i m e b ya n a l y z i n gt h ed a t ao ft h ec o r eh o l e sa n dt h er o c ki n t e n s i o nt e s t i nt h e i i 【 m e a n t i m e ，s a n d i n g m e c h a n i s mo fp e r f o r a t i o n c o m p l e t i o n i s a n a l y z e d c o n s i d e r i n gt h ew a l lr o c ks t r e s sf i e l da r o u n dw e l l b o r ee f f e c to i lt h es t a b i l i t yo f t h ep e r f o r a t i o nh o l e ，a n das a n dp r e d i c t i o nt h e o r e t i cm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n d a n a l y z e dt h er e l i a b i l i t yo ft h em o d e la tt h es a m et i m e g a i n e dt h ec r i t i c a l p r o d u c t i o np r e s s u r ed i f f e r e n c ea n dt h ec r i t i c a lo u t p u tb yt h em o d e l a n dt h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sw i l lh e l pt om a k er e c o v e r yp r o j e c ti nt h eh i g hw a t e rc u t p e r i o d ，a n dw i l lb ei nf a v o ro f e n h a n c i n g e c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：l i n f a n j i ao i lf i e l d , s a n dp r o d u c t i o np r e d i c t i o n ，r o c k i n t e n s i o l , o i lp r o d u c t i o n 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：猫壶氦州年、r 月矿1 7 1 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：蕴建! 虱 。z 。名年 ， z 口- 6 年歹 月卯日 月；弓h 中国石油大学( 华东) f ：程硕士学位论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 论文研究的目的意义 出砂是油田油气开采过程中砂粒随流体从油层中运移出来的现象。一 般情况下，由于储层胶结疏松、强度低、流体的冲刷而导致射孔孔道附 近或井底地带砂岩层结构被破坏而出砂。出砂的危害是多方面的：砂埋油 层或井筒砂堵，造成油井减产或停产；严重磨蚀地面和井下设备，出现 砂卡柱塞、砂埋抽油杆及砂磨泵筒、柱塞等现象，使抽油泵过早失效， 甚至造成设备无法工作；使冲砂检泵、地面清罐等维修工作量增加，人 力、物力和财力的消耗也相应增加：当油井处于中后期且油层亏空较大或 油井见水时，油井出砂会加剧，严重时还会引起井壁坍塌而损坏套管， 使油井报废“。可以说油井出砂是影响油气井正常开发生产的重要因素 之一。油井的生产后期出砂己经是我国老油田普遍存在的现象。例如， 胜利油田的多数生产区块几乎都有出砂现象，凡是含水超过5 0 的油井， 都存在不同程度的出砂现象。辽河、大港等以东营、沙河街组砂岩为主 力生产层的油田，进入生产后期，几乎都有出砂现象”3 。滨南采油厂林樊 家油田，在生产过程中，有明显的和普遍的油井出砂现象。上述油田和 区块的出砂层段，以管陶组和沙河街组为主，足上要的生产层段。出砂 的特点是油井的综合含水率上升到一定 翟度，油井丌始出砂，一旦出砂， 就不会停止n ，。 高含水期的油井生产，足靠大排液量稳定产油龟的。大排液量的生产， 会引起油井压力的降低，使油层岩石受很大的压力：排液星大，流体以 中国石油大学( 华东) _ 1 2 程硕士学位论文第1 章前言 水为主，流速也大，对地层岩石的冲刷力也大：高含水对地层岩石的胶 结物也有破坏作用。综合以上因素，高含水期的出砂对后期油田的生产 往往是必然的。目前，尽管许多单位和部门在防砂工作方面已投入了大 量的人力和物力进行了相应的工作，逐渐形成了成套的防砂工艺技术和 体系，取得重大进展并成为完井工艺中重要的技术措施，但由于对出砂 机理和出砂规律研究方面比较少，使得在制定开采工艺，如循环开井、 射孔设计、合理生产压差及合理产量的确定方面等，以及如何采取相应 的防砂措施方面带有盲目性，造成大量的人力、物力浪费。因此，加强 对炮眼周围岩石的破坏导致出砂规律方面的研究显得十分必要。 1 2 林樊家油田的基本概况 林樊家油田地处山东省滨州市尚店以西，里则镇以北，构造位置位 于济阳坳陷东营凹陷与惠民凹陷之间的林樊家构造东部偏南。东部以尚 店油田沙一段地层起覆线为界，南部以林南大断层为界，北部和西部过 渡在林樊家构造上，是一个上第三系馆陶组的大型披覆构造。 该构造较平坦，块内无明显断层，足一个网状河流相沉积形成的受 剥蚀封闭的岩性地层油藏。共有三套含油层系，分别是n g ，e k ，e d ，其 中馆陶组是林樊家油田的主力层系，分4 个砂层组，n g 4 小层为其主力生 产油层，在林樊家地区大面积分布，为受地层不整合面和岩性控制的常 规稠油、易出砂的岩性地层油气藏。 林樊家油田1 9 5 7 年开始地球物理勘探，1 9 6 5 年在构造f 了部开始钻探， 1 9 8 2 年对林樊家构造进行大规模钻探，1 9 8 6 年东区投入开发，1 9 8 9 年西 区投入丌发，投入开发单元四个，林东主体、林中九块、林中3 块、林 l 7 块，该油r 玎石油地质储量3 3 0 2 1 0 4 t ，含油面积3 2 k m 。，其中一e 力层n g 4 ， 中国石油大学( 华东) c 程硕士学位论文第l 章前言 含油面积2 2 4 k m ，石油地质储量1 3 6 6 x 1 0 4t ，可采储量2 2 4 x 1 0 4t 。 油层埋深1 0 0 0 - 1 0 8 0 m ，平均有效厚度j 8 m ，原油粘度1 5 0 5 0 0 m p a s ， 有效孑l 隙度3 1 6 ，平均空气渗透率5 2 4 9 1 0 1 u m 2 ，泥质含量6 3 ，油 层温度4 8 - 5 5 0 c ，原始地层压力1 0 3 2 m p a 。林樊家油田投产油井1 7 3 口， 目酊开井1 3 2 口，日产液能力8 3 3 t d ，日产油日产油水平3 5 0 t d ，综合 含水5 8 ，累产油1 8 5 4 1 1 0 4 t ，累产水1 3 3 7 5 x 1 0 4 m 1 。 1 3 国内外发展现状 出砂预测模型的发展历史较短。 1 、s t e i n 。1 首先引入了第一个重要的技术概念，他将地层的剪切强度 与油井的出砂机理联系起来，利用声波测井技术的数据来建立出砂井与 分析井生产状态之间的联系。此法的局限性在于油井必须进行完井与试 验，要求大量的出砂后可能获得可靠的数据，而未考虑油藏压力衰减及 产水的影响，并假定不存在油层损害，故其结果只能反映生产中的瞬时 问题而无法预测将来的情况。 2 、t i x i e 等人“1 采用类似于s t e i n 的方法，利用测井资料分析评价 当前情况下的油井出砂，此法的主要缺陷是不能给出定量的结果，只能 判断油井是否出砂，故无法计算最大量的无砂产油速率。 3 、c o a t e s 等人“1 提出了“砂岩强度”测井模型，与前面模型不同， 它足利用莫尔圆应力分析的方法描述了出砂的可能性与井眼应力状态问 的关系，可用于产水量不大的油井出砂预测。 目前，出砂预测常用的方法有矿场出砂监测，室内出砂实验及出砂理 论模型”1 等。 中国石油大学( 华东) 一亡程硕：e 学位论文第1 章前言 1 3 1 矿场出砂监测技术 该方法是根据油井产砂数据与生产工艺参数建立拟合关系，用以预测 油井的出砂。从预测模型来讲，目自口存在以下不同参数的预测模型： 单参数模型：此模型的形式最简单，只有一个参数，如极限井深准则， 在该深度以下才会出砂：此外还有声波传递时间准则。单参数模型简单 易用，但偏保守。 双参数模型：单参数模型中未考虑油藏压力衰减及生产压差的影响， 在双参数模型中考虑了这两个因素。因考虑方式不同又有：第一，在同一 油田区块绘制出砂井与无砂井的总生产压差和声波传递时间的关系曲 线；第二，建立极限生产压差与动态剪切模量间的关系。 多参数模型：在出砂因素中考虑深度、声波传递时间、产率、生产压 差、生产指数、泥质含量、含水量、含气量等因素，利用线性回归建立 极限生产压差与这些因素的关系。 一般地，由于长期监测和记录出砂数据是十分困难的，因此少参数模 型的使用较普遍。 1 3 2 室内出砂实验方法 丌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参数对出砂的影响关系。此外，还 根据出砂实验结果论证理论模型，并与矿场生产状况结合进行出砂预测。 室内实验主要以未胶结或弱胶结砂岩为对象。”1 。r j s e l b y 等人通过模 拟井眼及其生产环境的径向流动实验表明，产砂受到油层压力、流速、 颗粒大小与形状等因素的影响。以未胶结地层为实验对象，测试了样品 的三轴强度，表面棱形的细砂柁只有较高的强度，片在圆柱筒咀充填砂 中国石油大学( 华东) ： 稃硕士学位论文第1 章前言 粒以实验研究砂拱的稳定性，结果表明具有棱角形的砂粒在较低的载荷 作用下无法形成砂拱，载荷提高后可能形成稳定砂拱，随载荷进一步增 大，砂粒棱角破坏，砂拱失去稳定性。而球形砂粒在无粒间粘结力作用 时均无法形成稳定砂拱。此外，还表明砂拱随流速的增加而增加，而小 的砂拱比较大的砂拱具有更高的强度和稳定性，当流速增大以致砂拱破 坏后，将形成更大的砂拱。砂拱随围压的增加而减小，而稳定性随围压 的增大而增大。 1 3 3 出砂理论模型 长期以来，人们一直通过分析生产过程中射孔周围的应力及稳定性， 并根据砂岩破坏机理来建立出砂预测的理论模型。将孔眼初始破坏的条 件作为射孔出砂的准则，有最大的无砂生产速度评价产层损害程度，并 引入“稳定性比率”的概念来预测特定生产条件下的出砂程度叭”1 。 通过量纲分析z l h r 稳定性的一组控制方程，将影响出砂的主要因素表 达为： 厂( 只，h ，唧，l ，d ，f ，s p ，d p ，i ，圪。，g ) = 0 式中符号分别反映了井内压力，孔眼表面的压力梯度，原始地应力， 岩石的加载，变形与破坏特性，射孔形状及密度，井斜角，毛管压力及 化学反应对岩石的弱化作用等。n m o r i t a 等人“”利用拟三维有限元模型 分析了该方程中前两项参数对射孔孔眼破坏出砂的影响，由不稳定流动 模型计算获得射孔周围的孔隙压力分布，并输入地层一流体耦合模型计算 应力、变形，然后根据描述岩石破坏特性准则，评价射孔稳定性，由此 认识到油井出砂的许多物理现象。 因为分析工作的简化，所以其结论只能提供定性的说明。分析认为存 在三种类璀的射孔孔眼失稳，即剪切破坏、拉仲破坏与滑移次! 三破坏。 5 中国石油大学( 华东) _ 亡程硕士学位论文第1 章前言 有关文献中描述了各类作用机理造成的孔眼破坏出砂的状况。 目自口存在的大量出砂预测方法是在理论射孔模型和孔洞稳定的基础 上研究出来的。理论出砂预测方法要求有出砂机理的数学公式。破坏机 理主要有压缩、拉伸破坏和滑移次生破坏。压缩破坏是由孔壁附近过大 的压缩应力引起地层剪切破坏造成的，其机理可能足油藏压力衰减或生 产压差的影响；拉伸破坏足指径向拉应力超过拉伸强度而产生的，作用 机理是生产压差引起的；滑移次生破坏出现于流体作用在颗粒表面上的 拖拽力超过其表观粘结力情况下，它是在孔眼表面逐渐产生的砂粒脱落 现象。 室内出砂实验验证了这两种应力同时存在。在疏松砂岩中，拉伸破坏 明显，而在坚固砂岩中以压缩破坏为主。 目前，出砂预测理论模型可以定性地认识各种油藏及生产工艺参数对 不稳定出砂、突发性大量出砂的影响，而针对生产过程中连续出砂的理 论模型很少“。 1 4 研究的技术路线 1 4 1 主要研究内容 ( 1 ) 系统调研近年来林樊家油田油井产层生产过程中的出砂资料，仞 步探索出该油田油井的出砂规律。 ( 2 ) 分析林樊家油田油层地质情况和油层出砂机理。 ( 3 ) 利用以岩石强度理论为基础的d r u c k e r p r a g e r 准则，建立出砂顶 测模型。 ( 4 ) 通过取岩心做岩心试验得到岩心试验数据，进一步研究油层出砂 的机理。并以测井数据和岩心试验数据为摹础，刚门出林樊家油r 兀管陶 6 中国右油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 组油藏岩石强度的规律。 ( 5 ) 结合岩心试验的数据完善d r u c k e r p r a g e r 准则建立出砂模型。 1 4 2 研究方法 ( 1 ) 利用统计方法分析近年来林樊家油田油井产层的出砂规律。 ( 2 ) 以岩石强度理论为基础，建立油层出砂预测的数学模型。 ( 3 ) 进行产层砂岩的岩样强度试验，获得可靠的岩石强度试验数据。 ( 4 ) 理论与实验数据帽结合。将以岩石强度理论为基础的出砂预测模 型与岩心试验数据相结合，从而使预测模型更准确，更可靠。 1 5 本文的主要工作及成果 研究过程中，针对林樊家油田弱固结砂岩储层出砂情况，在有关部门 的帮助下，对林樊家油田四个区块的8 口取芯井的资料进行分析并取得 1 9 块可供试验的岩样，在地质科学研究院三轴全应力试验机上模拟井下 条件进行岩石强度测试，得到的可靠数据。通过对取芯井测井数据和岩 石强度实验数据的分析，建立了油层砂岩强度与井深、声波时差等物理 量的关系，提出了用于判别新井的常规射孔孔道出砂预测模型和用于旧 出砂井的球形孔道出砂预测模型，并分别进行相应的预测和分析计算， 得到预防出砂的临界生产压差和临界产量，并用现场资料进行应用分析。 这些计算研究结果在指导林樊家油田厅采后期中商含水期的开采方案设 计，提高油田开采的经济效益方面将发挥较大的作用。 ( 1 ) 以d r u c k e r p r a g e r 准则为基础，采用岩石力学的理论和方法，考 虑射孔孔眼周围岩石应力场对孔道稳定性的影响，同时将反映储层岩石 材料胶结程度强弱的抗压强度作为岩石破坏的强度准则，建、：= 一种新的 7 中国石油大学( 华东) 工桴硕士学位论文 第1 章前言 射孔完井临界出砂预测模型。 ( 2 ) 通过对岩，b - - - 轴试验岩石强度和测井资料的分析，得到了岩石强 度与声波时差、井深的回归关系式，这一关系式可以应用于林樊家油田 和周边的油区岩石强度的计算。 ( 3 ) 射孔孔道完整的新井采用常规射孑l 孔道模型预测是否出砂，预测 结果比较准确。对已经出砂的井，可以采用球形模型预测出砂的临界条 件，预测结果的准确性取决于油井的生产历史数据足否完善。 中国石油大学( 华尔) 工程硕士学位论文第2 章油井山砂机理 第2 章油井出砂机理 油层出砂是由于射孔孔道附近或井底带砂岩层的结构被破坏造成的。 它与砂岩的胶结强度、应力状态和开采方式有关。油井出砂的原因有两 个：一是砂岩体中的游离砂随油、气流排出；二足砂岩的骨架破碎，造成 出砂。 砂岩在沉积生产的过程中，可能会有少量的砂粒未被胶结而存曰在 孔隙中。当产层打开并投产时，这些呈游离状态的砂粒会随着流体进入 井眼，造成出砂。这种出砂的特点足砂粒较细，数量较少。近井眼地带 的游离砂随流体排出之后，出砂量会减少直到停止。远离井眼的砂体内 的游离砂由于孔隙的吸附、阻挡作用停留在砂体内。对于这种游离砂， 可采取加强排流，促使其析出的方法，而不必采取防砂措施。但在地层 胶结很差，砂岩十分疏松，或是在未胶结的砂体中开采流体时，由于大 量的游离砂产出，会造成井壁坍塌，产量下降，危及油井的安全，则必 须采取防砂或固砂措施。 由于砂体骨架破碲而造成的大量出砂称为骨架出砂。骨架出砂有两 种情况： 1 、在开采过程中，由于产层压力下降，造成砂岩岩体承受的载荷增 大，当载荷超过岩体的抗压强度时，砂岩体骨架被压碎导致的出砂。 2 、由于产层在打丌后受钻井液污染，在完井阶段受完井液浸泡，或 足注水作用使砂岩浸水。水浸后砂岩体的某些胶结物强度降低或粉化失 去胶结砂粒的能力，在油、气、水的冲刷下骨架也会被破坏形成骨架出 砂。骨架砂逸出使井壁形成空洞，加速了砂岩的崩溃而加剧出砂，出砂 中国石油大学( 华东) 稃硕士学位论文第2 章油井出砂机理 量大而且持久。 骨架破碎出砂是在油井投产相当长的时间后才发生，在油田丌发初 期尚不一定表现有出砂，因此在制定一个油田的钻井完井和开发方案时， 往往没有把防砂问题考虑在内。但出砂后，在采取防砂措施时，又受到 井身条件的限制，以至使防砂的成功率很低。我国许多油田的油井中后 期出砂问题困扰着稳产高产，其主要原因是采油生产中的措施不当造成 的。油层开发后期( 高含水期) 的出砂不仅由于射孔孔道附近或井底带砂 岩层的结构被破坏，而且与含水量上升有着密切的关系。研究高含水期 的产层出砂规律，尤其是含水级别对出砂的影响，对油井优化设计、生 产压差选择、防砂与治砂措施选择极为重要，对延长井下工具服役周期 也是至关重要的，同时有利于提高油井综合经济效益。 疏松砂岩出砂现象在生产中会经常遇到，但比较致密的砂岩在生产的 中后期有出砂现象，往往与生产措施有关，例如较大的生产压差和注水 会引起砂岩骨架的破碎，从而形成出砂。在我国的许多油田都出现类似 问题。 2 1 中高含水期油藏的出砂规律 林樊家油田由于多年的开采，产量明显下降，产液含水率平均达到 5 8 以上，属于中高含水开发期，为了维持产油量，一般采用大排量泵， 进行生产，出砂情况严重。通过对林樊家油田的出砂井的长期观察，发 现该油日1 油井出砂具有以下规律和特点： 1 、多数井的产层都有出砂，使用大排鞋泵，出砂的概率增大。 2 、每口井的出砂量随含水量的上升而逐渐增加，整个油田内高含砂 量片点愈来愈多，并且有逐年上升的趋势。 1 0 中国石油大学( 华东) 一 程硕士学位论文第2 章油井出砂机理 直观上看，含水与产液强度是影响产层出砂的重要因素。从统计中可 以看出含水上升，采液强度增加，沉砂速度加快，说明油井的出砂越严 重。 含水与采液强度对产层出砂制约程度也是我们关心的问题。统计发 现，含水上升，采液量增加，油井出砂加剧。含水量对产层出砂的影响 程度大于采液强度对产层出砂的影响。 2 2 油井出砂的理论分析 出砂的根本问题是砂岩岩体承受的流体拖曳力超过砂粒问的胶结力。 在歼发过程中为了维持产量，增大排液量，流体的流速加大，拖曳力增 大，出砂的可能性也增加。在低胶结强度的砂岩中控制产量可有效地避 免出砂。但砂岩岩体本身的强度过低，即使在控制产量的情况下也会出 砂。砂岩强度降低的原因往往是由于油藏含水量的增加。 2 2 1 产层胶结状况是影响产层出砂程度的主要因素 林樊家油田多数井区是多油层组，且己足开发多年的老油田，管陶组 油层胶结差，岩石强度较低，在较小的生产压差下就会出砂。特点是! e 产过程中呈问隙反复式出砂。初期渗流阻力大，胶结破坏后渗流阻力下 降及渗流体积增加，出砂程度减弱，井眼周围形成“空穴”。“空穴”的 存在加剧岩石的坍塌，加剧出砂。在现有的生产片中8 5 以上的井需要防 砂。 由于该油田的砂岩层中的胶结物以泥质成分为主，属于弱胶结和松散 胶结，砂岩的强度比较低。泥质成分受水浸泡，粘上膨胀分散，造成砂 岩中的砂粒失去胶结在流体的携带下进入井简，彤成出砂。当砂岩中的 1 1 中国石油大学( 华东) 工程硕士位论文第2 章油井出砂机理 含水量达到一定程度，强度的降低明显，出砂更加明显。因此，砂岩胶 结的好坏是出砂的直接因素。 2 2 。2 高含水开发期产层物性发生明显变化。 受水浸的影响，胶结物中的粘土矿物水化膨胀和运移，损害胶结物， 砂粒失去胶结，仅靠田岩压力和相互摩擦力难以限制其运移。同时孔隙 内的渗流速度逐渐增大，对砂粒的拖曳力增加，砂粒运移明显加快。油 层在流体的常年冲蚀下，胶结剥离，部分骨架遭到破坏，被液流带入井 简。其特点是含水量增加，出砂增多，在低含水阶段时不出砂的井，也 会出砂。出砂量随井简液流流量的增加而增加。在井筒中的产层部位出 现的空洞使砂岩受上覆岩层压力和侧向挤压力的共同作用而破碎，又进 一步加剧出砂。 2 2 3 生产措施是导致出砂的另一重要因素 在注水开发中后期，由于含水上升，保证稳产或减缓产量递减的主要 手段之一足增加产液量，这样势必加大生产压差，采液强度提高，井筒 内流体的流速提高，使出砂程度日趋严重。流体尤其是水的冲刷将己松 散的胶结物带走后，出砂成为必然。 另外，反复地丌泵停泵，使岩层承受交变应力的作用，岩石也会产生 疲劳破坏。歼泵抽液时，岩石内的压力降低，砂粒受拉应力：在停泵时， 岩石内的压力又受压应力。岩石长年累月地经受交变应力，产生疲劳破 坏的可能性大大增加。 中国石油大学( 华东) 程硕士学位论文第2 章油井出砂机理 2 2 4 油层压力降低使岩层承受的压力逐步增大 在生产后期，由于多方面原因油层压降增加，地层原始状态早已破坏， 砂粒问的平衡早己打破，加剧油层出砂。在注水井附近是油层内形成高 压，超过原始地层压力；而在采油井附近油层内则处于低压区，小于原 始地层压力。在低压区，地层孑l 隙压力的降低，上覆岩层压力的存在使 砂粒间的接触应力增加很多，超过砂岩的抗压强度时，砂岩骨架会破碎， 引起严重出砂，并且是不可逆的。表2 一l 是林樊家油田林中9 块开发单 元不同生产压差下的产砂量的数据。 表2 1林中9 块不同生产压差下的产砂量 i 片底压差m p a9 2 0 8 4 0 7 3 06 0 0 4 5 0 3 6 0 2 2 05 。l 日出砂量l m8 8 0 7 1 0 5 3 24 1 0 3 2 5 2 6 32 1 5，t 2i 2 3 含水变化对出砂的影响 在高含水的情况下，单井的产液量及含水无明显变化，而含砂成倍的 增加，原因在于油层的砂岩体结构常年受流体冲刷，大面积岩石内的胶 结物破坏剥离，原始胶结状态早已破坏，液流冲刷携走胶结物和细粉砂， 近井地带的岩石内砂粒在早期被携带出，井底形成的“空穴”越来越大。 随着时间的推移，液流冲洗和携砂能力愈来愈强，距井筒较远处的砂岩 的砂粒也被带出，因而油井的含砂也愈来愈高。 由此可见，含水硅的上升是最明显、最直接的出砂原因。几乎所有 进入中高含水和高含水的油藏都存在山于含水量上升引起的出砂。由于 这种出砂的性质和出砂特点，一般的防砂治砂：【= 艺的收效甚微。随着综 合含水率不断上升，井内流体的速度广二，的拖曳力早已超过岩石的承受 l 中国石油大学( 华东) ：r = 程硕十学位论文第2 章油井出砂机理 能力，强采时的流体运动有很强的携带能力，将远离井筒的砂粒带到井 筒内。同时，地下的空洞越大，岩层越易坍塌，从而加剧了出砂。因此 随着高含上升，油井的出砂是越来越严重，而且出砂量越加难以控制， 防砂治砂的工艺难度也越来越大。2 0 0 5 年1 1 月份录取的1 2 口生产井生 产参数与产砂率的相关数据如下表2 2 所示： 表2 2林樊家油田含水与出砂率的数掘表 序 井号年月 泵径动液砸 日油 日液水 水平 平 含水含砂率 号 t dm 1 d ll f l z 7 - 2 22 0 0 5 1 15 6 7 9 4 4 4 5 72 3 2 0 0 5 9 6 2l f l z 8 - 2 02 0 0 5 1 l5 6 4 9 8o 5o 73 0 4o 0 5 3l f l z l 2 n 1 42 0 0 5 1 15 6 5 l o9 71 7 24 3 7 o 0 7 8 4l f i 。z 1 0 1 4 2 0 0 5 1 1 4 44 5 93 16 45 l30 0 8 6 9 6 5l f l z l 5 1 82 0 0 5 1 14 4 9 4 2 3 5 7 5 5 3 20 0 8 2 6l f l z l l 一1 42 0 0 5 l l5 6 5 9 57 41 75 6 50 0 8 6 9 8 7l f l z 9 n 1 42 0 0 5 1 15 6 8 9 48 41 9 55 7o 1 0 2 8 l f l z l l 6 2 0 0 5 1 15 6 6 5 7 1 1 i 2 6 5 5 8 3o 1 0 7 9l f l z 5 - 1 82 0 0 5 l l5 6 2 0 65 11 4 66 5 10 0 9 2 l ol f l z l 6 一1 22 0 0 5 1 15 6 7 1 52 4l o 77 7 4o 1 1 2 1 1l f l z l 3 一1 82 0 0 5 1 15 6 5 6 221 9 4 8 9 50 1 1 6 1 2l f l z l 5 1 42 0 0 5 1 14 4 6 3 633 0 39 0 ，2o 1 1 6 抛开生产参数对出砂的影响外，油井含水是影响出砂的重要因素。 油井出砂的特点足出砂类型复杂，井况复杂，氏井段出砂，砂粒粒 径分选性差：油井供液能力差，漏失严重。严重的出砂带来一系列开发 难题，如对抽油泵的磨损，对油管和抽油杆系的磨损；对地面管系的磨 损：对套管的挤压力的持续增加，引起套管损坏的可能性；处理出砂引 起的环境污染和生产安全问题；防砂工具在水中的腐蚀和结垢问题等。 林樊家油f 1 管陶组油层胶结疏松，打开油层后，油井投产之前一般进 行先期防砂；油田的：e 力砂岩油层的粒度分析表明，多数的砂岩层是细 砂岩、粉细砂岩和粉砂岩。砂粒中径为0 0 7 - 0 1 8 m m ，砂粒普遍较细。砂 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章油井出砂机理 岩的胶结物以泥灰质为主。油田的开发初期就出砂，含水量上升到一定 程度，单井产液量增加到一定程度，油井出砂更加严重，因此，现在几 乎所有的井必须防砂。目前采取的防砂工艺足各种防砂工艺的综合运用。 中国石油大学( 华东) 程硕士学位论文 第3 章油井出砂理论预测模型的建立 第3 章油井出砂理论预测模型的建立 3 1 出砂预测概述 出砂预测模型的发展历史较短。s t e i n 首先引入了第一个重要的技术 概念，他将地层的剪切强度与油井的出砂机理联系起来，利用声波测井 数据建立出砂井与分析井生产状态之问的联系。此法的局限性在于油井 必须在完井后进行出砂试验，要求大量的出砂后才能获得可靠的数据， 而未考虑油藏压力衰减及产水的影响，并假定不存在油层损害，故其结 果只能反映生产中的瞬时问题而无法预测将来的情况。$ i x i e r 等人采用 类似于s t e i n 的方法，利用测井资料分析评价当前情况下的油井出砂， 此法的主要缺陷是不能给出定量的结果，只能预测油井是否出砂，故无 法计算最大量的无砂产油速率。后来c o a t e s 等人提出了“砂岩强度”测 井模型，与前面模型不同，它是利用莫尔圆应力分析的方法描述了出砂 的可能性与井眼应力状态日j 的关系，可用于产水量不大的油井出砂预测。 目前，出砂预测的方法有三种类型，即矿场出砂监测、室内出砂实验 及出砂理论模型。本章说明了各种方法的应用状况，重点研究出砂预测 的理论模型。 3 1 1 矿场出砂监测技术 该方法是根据油井产砂数掘与生产工艺参数建立拟合关系，用以预 测油井的出砂。目前存在以下不同参数的预测模型： ( 1 ) 单参数模型 6 中国石油大学( 华东) 【：稃硕士学位论文第3 章油井山砂理论预测模型的建立 此模型的形式最简单，只有一个参数，如极限井深准则，在该深度以 下才会出砂；此外还有声波传递时间准则，利用声波在地层中的传播时 间来进行预测。当纵向声波时差a t 。 2 9 5 , u s m 时，该地层应采取防砂措 施。单参数模型简单易用，但结果偏保守。 ( 2 ) 双参数模型 单参数模型中未考虑油藏压力衰减及生产压差的影响，在双参数模型 中考虑了这两个因素。囚考虑方式不同又有：第一，在同一油田区块绘制 出砂井与无砂井的总生产压差和声波传递时间的关系曲线；第二，建立 极限生产压差与动态剪切模量问的关系。 ( 3 ) 多参数模型 在出砂因素中考虑深度、声波传递时间、产率、生产压差、生产指 数、泥质含量、含水量、含气量等因素，利用线性回归建立极限生产压 差与这些因素的关系。 一般地，出于长期监测和记录出砂数据是十分困难的，因此少参数模 型的使用较普遍。 3 1 2 室内出砂实验方法 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参数对出砂的影响关系。此外，还 根据出砂实验结果论证理论模型，并与矿场生产状况结合进行出砂预测。 室内实验主要以朱胶结或弱胶结砂岩为对象。r j s e l b y 等人通过模 拟井眼及其! e 产环境的径向流动实验表明，产砂受到油层压力、流速、 颗粒大小与形状等因索的影响。以未胶结地层为实验对象，测试了样品 的三轴强度，表面棱形的细砂粒具有较高的强度，j f 在圆柱筒咀充填砂 1 7 中国石油大学( 华东) r ：程硕：e 学位论文第3 章油井山砂理论预测模型的建立 粒以实验研究砂拱的稳定性，结果表明具有棱角形的砂粒在较低的载荷 作用下无法形成砂拱，载荷提高后才能形成稳定砂拱，随载荷进一步增 大，砂粒棱角破坏，砂拱失去稳定性。而球形砂粒在无粒问粘结力作用 时均无法形成稳定砂拱。此外，还表明砂拱随流速的增加而增加，而小 的砂拱比较大的砂拱具有更高的强度和稳定性，当流速增大以致砂拱破 坏后，将形成更大的砂拱。砂拱随困岩的增加而增加。 3 1 3 出砂理论模型 建立出砂预测理论模型，一般以分析油层岩石受力情况为基础，然 后建立岩石破坏准则。生产过程中，油层压力与井底压力的差( 生产压差) 作用在岩石上，使岩石受拉应力或剪切应力，当油井产量较大，生产压 差加大，砂岩岩石受力增加，砂粒受的拖曳力也较大，砂粒就有可能从 岩石母体上脱落，造成出砂。如果砂岩岩石的强度大，能承受的生产压 差也大，产量就高，井底流速也高。因此，用生产压差、产量、流速可 以预测油井的出砂情况。通常用临界流速或临界产量来衡量控制油井出 砂。 当油井刚刚投产，射孔孔道是完整的。对新井可用常规射- t l 孑l 道( 近 似圆柱体或长椭球体) 为标准预测井下是否出砂，计算出在一定条件下的 临界出砂参数。但也有许多井足在生产一定时间后才出砂，并在出砂后 一段时间，爿从地面发现。此时，井下的射：t l 孑l 道已遭破坏，已经不是 完井时的形状了。应用原始射- - t l 7 l 道形状预测出砂，必然存在较大误差。 再者，对已经出砂的井，荇要预测i i l 前出砂的临界条件，当然也不能用 原始射- t l t l 道形状。因此，建立- - f l , 出砂井的井底孔道形状，对判断出 砂的条件是有益的，一般认为，孔道破坏足各向同性的，破坏后的形状 中国石油大学( 华东) k 程硕士学位论文第3 章油井出砂理论预删模型的建立 近似看成是圆球形的，这样就可以建立已经出砂井的i 临界参数预测模型。 3 2 常规射孔孔道模型 目前，对油井出砂机理的研究一般都是采用m o h r c o u l o m b 准则和 d r u c k e r p r a g e r 准则，也有的用井壁岩石的拉伸和破坏准则。采用岩石 力学的理论和方法，同时考虑射孔孔眼周围岩石应力场对孔道稳定性的 影响，并将反映储层岩石材料胶结程度强弱的抗压强度作为岩石破坏的 强度准则，建立一种新的射孔完井临界出砂预测模型。对于具有一定胶 结强度的地层一般都采用射孔完井，只有射孔孔道发生破坏时才可能出 砂。在油井投产初期，射孔孔道呈细长形。多数的射孔孔道长度在2 0 0 m m 以上，孔道的入口直径为l o 一1 2 m m 。一般可以将射孔孔道看成是长轴和短 轴之比非常大( 一般大于2 0 以上) 的不规则椭球体，但在小直径射孔的情 况下，为简化计算，可近似认为是一段圆柱体，简化的力学模型如图3 一l 所示。 根据原水平向地应力、吒，和原垂直向地应力盯。，井斜角，井 眼方位角痧，将原地应力转换为井轴直角坐标系中的三个法向应力( 正应 力) ，及三个剪切应力： 酬3 - 1 力射孔孔眼围岩受力状态图 中国石油大学( 华东) ： 程硕士学位论文第3 章油井山砂理论预测模型的建立 q = ( 盯c o s 2 + 仃 s i n 2 庐) c o s 2 y + 盯，s i n 2 y 盯，= ( 盯爿s i n 2 + c o s 2 妒) 仃：= ( 盯c o s 2 + 仃 s i n 2 庐) s i n 2 y + 仃，c o s 2 y ( 3 - i 、 f 。= o 5 ( o r h 一盯) s i n 2 s i n y 盯= o 5 ( a c o s 2 + 吒s i n 2 妒一j ，) s i n 2 y t x = o 5 ( o - 一o h ) s i n 2 b c o s y 将上式转换为井眼圆柱体坐标系统中的三个法向应力( 正应力) 和剪 切应力： 盯，= 匕 仃口= ( 盯。+ 盯，只) 一2 ( 盯。一盯y ) c o s 2 0 - 4 r v s i n 2 0 盯：2 盯：2 p ( o - z o y ) c o s 2 口- 4 p r 口s i n 2 0 ( 3 2 ) 7 m20 f 。= 0 如；= 2 ( r 。c o s 护- r 。：s i n 0 ) 式中c r r 一地层中某点所受径向应力： 一地层中某点所受切向应力： 盯一地层中某点所受轴向应力。 根据上式计算其主应力： f口t = d = p 1 仃：，：i 1 ( 盯，+ 盯：) 【( r 盯。一w 盯：) ：+ 4 ，：口：】 3 3 式中a 一最大主应力。 矾一最小生应力； 叽一中间主应力。 对于一个诓直井眼，y = o 。于是有： 中国石油大学( 华东) 亡程硕士学侥论文第3 章油井出砂理论预测模型的建立 = 0 5 ( o r , - o l t ) s i n 2 痧s i n 0 = 0 吒= 0 5 ( o c o s 2