（岩土工程专业论文）疏松砂岩高压砾石充填施工参数优化设计研究.pdf

摘要 出砂是疏松砂岩油藏开采中经常遇到的问题，严重影响着油田的稳产增产效果。为 保障油井正常生产，必须采取适当的防砂措施。目前高压砾石充填已成为一种比较常用 的防砂措施。但目前高压砾石充填施工参数主要是根据压裂充填的相关数据并结合工程 经验确定的，该方法设计的管外填砂量等施工参数与实际应用的施工参数出入较大。 疏松砂岩的力学性质是高压砾石充填施工参数设计的重要依据。论文在总结相关研 究的基础上，利用声波时差等测井资料计算了岩石弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压 强度等力学参数。与室内试验相比，利用测井资料计算岩石力学参数具有费用低，操作 方便等优点。 借鉴岩土工程中的圆孔扩张模型，对高压砾石充填的近井形态进行了初步研究。考 虑到地层的实际条件与圆孔扩张模型存在较大差异，论文根据已掌握的若干防砂施工井 的相关数据，通过分组拟合建立了基于测井资料的管外填砂量预测模型。通过对该模型 进行误差分析发现，该方法具有较高的计算精度，能够为现场施工提供比较准确的填砂 量预测值。 参考有关文献，确立了高压砾石充填中砾石尺寸、临界排量、砂比、筛管尺寸等施 工参数的优选方法。此外，还研究了高压砾石充填对油井产能的影响。为了便于实际应 用，提高工作效率，在上述研究的基础上，利用可视化编程语言v i s u a lb a s i c 编写了高 压砾石充填施工参数优化设计软件。该软件可以利用测井资料计算岩石弹性模量等力学 参数，也可以利用测井资料预测管外填砂量，还可以分析高压砾石充填对产能的影响。 关键词：高压砾石充填，施工参数，测井资料 o p t i m u md e s i g no fc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s o fh i g hp r e s s u r eg r a v e lp a c k i n g z h a n gx i a n f e n g ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a nx i a n g z h e n a b s t r a c t s a n dp r o d u c t i o ni sap o p u l a rp r o b l e md u r i n gd e v e l o p i n gl o o s es a n dr e s e r v o i r s ，a n d s e r i o u s l yr e s t r i c t st h em a i n t e n a n c ea n di n c r e a s eo fp r o d u c t i o n i no r d e rt oe n s u r et h en o r m a l p r o d u c t i o n ，s o m es a n dc o n t r o lm e a s u r e sm u s tb et a k e n ，o n eo fw h i c hi sh i g hp r e s s u r eg r a v e l p a c k i n g t h ec o n s t r u c t i o np a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e db yc o m b i n a t i o no fs o m er e l a t i v e f r a c - p a c k i n gd a t aa n de n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e ，a sl e a d st oa no b v i o u sd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e d e s i g n e dv a l u e sa n dt h ea c t u a lv a l u e s ，e s p e c i a l l yt h ep a c k e ds a n da m o u n to u t s i d ec a s i n g m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fl o o s es a n dr e s e r v o i ri sv e r yi m p o r t a n tf o rc o n s t r u c t i o n p a r a m e t e r sd e s i g no fh i g hp r e s s u r eg r a v e lp a c k i n g b a s e do ns o m er e l a t e dl i t e r a t u r e s ，a m e t h o dt oc a l c u l a t et h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r ss u c ha se l a s t i cm o d u l u s ，p o s s i o n sr a t i o ， t e n s i l e s t r e n g t ha n dc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，w a sd e v e l o p e d c o m p a r e dw i t hl a b o r a t o r y e x p e r i m e n t ，i th a dt h ea d v a n t a g e o fl o wc o s ta n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n e m p l o y i n gt h ec y l i n d r i c a lc a v i t ye x p a n s i o nm o d e lu s e di ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，a p r e l i m i n a r ys t u d yo nt h ec o n f i g u r a t i o no fn e a rw e l l b o r ea r e aw a sp e r f o r m e d c o n s i d e r i n gt h e s i g n i f i c a n td i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea c t u a lc o n d i t i o no fs t r a t u ma n dc y l i n d r i c a lc a v i t ye x p a n s i o n m o d e l ，am o d e lt op r e d i c tt h ep a c k e ds a n da m o u n to u t s i d ec a s i l l gb a s e do nl o g g i n gd a t aw a s e s t a b l i s h e db yf u r t h e ra n a l y s i s b a s e do nt h ec o n s t r u c t i o nd a t ao fs o m eo i lw e l l so nw h i c h h i g l lp r e s s u r eg r a v e lp a c k i n gw a sp u t ，t w of i t t i n gc u r v e st op r e d i c t i o np a c k e ds a n da m o u n t w e r ea c h i e v e d b yt h ee r r o ra n a l y s i so ft h em o d e l ，t h i sm o d e lh a dh i g hc a l c u l a t i o np r e c i s i o n a n dg o o dg u i d i n gs i g n i f i c a n c e c o n s u l t i n gs o m er e l a t e dr e f e r e n c e s ，t h em e t h o dt o c a l c u l a t ec o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s s u c ha sg r a v e ls i z e ，c r i t i c a ld i s p l a c e m e n t ，s a n dr a t i o ，s c r e e np i p es i z e ，w a sd e t e r m i n e d i n a d d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fs a n dc o n t r o lo np r o d u c t i v i t yw a ss t u d i e d f o rc o n v e n i e n tp r a c t i c a l a p p l i c a t i o na n dh i 曲w o r ke f f i c i e n c y , as o f t w a r et od e s i g nc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r so fh i g h p r e s s u r eg r a v e lp a c k i n gw a sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h i ss o f t w a r e c a nc a l c u l a t em e c h a n i c a lp a r a m e t e r ss u c ha se l a s t i cm o d u l u sb yl o g g i n gd a t a , p r e d i c tp a c k e d s a n da m o u n to u t s i d ec a s i n gb a s e do nl o g g i n gd a t a ，a n da n a l y z et h ei n f l u e n c eo fh i g hp r e s s u r e g r a v e lp a c k i n go np r o d u c t i v i t y k e y w o r d s ：h i g hp r e s s u r eg r a v e lp a c k i n g ，c o n s t r u c t i o np a r a m e t e r , l o g g i n gd a t a 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： 日期：0 分年石月争日 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： 日期： d 矿年石月4 日 日期：彩年石月够日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 疏松砂岩油藏在我国分布范围广、储量大，如胜利、辽河、华北、大港油田以及渤 海、南海油田等。疏松砂岩油藏储量非常丰富，其产量在原油总产量中占有十分重要的 地位。从世界范围来看，英国的北海、美国的墨西哥湾地区和洛杉矶盆地、印尼、尼日 利亚、加拿大阿尔伯达重油区、委内瑞拉、罗马尼亚以及俄罗斯和阿塞拜疆等地区，也 属疏松砂岩油藏。 出砂是疏松砂岩油藏开采中经常遇到的难题之一。国内外各油田生产中都广泛存在 着出砂问题。出砂原因非常复杂，钻井、完井、生产和修井作业等各个环节都有可能引 起地层出砂。出砂危害很大，它会导致油井减产停产，地面和井下设备腐蚀，套管损坏， 严重时会导致油井报废。目前各大油田出砂井不断增加，油区出砂范围不但在面积上年 年扩大，而且还向油层深部扩展。目前，胜利油田每年防砂作业井次已达到4 0 0 0 井次 以上，而且还有继续增长的趋势。因此，油井防砂工艺技术的研究和发展对这类油藏的 顺利开发至关重要，是该类油藏正常生产的有力保障。 随着采油工艺的不断发展，防砂工艺技术也不断完善，日趋成熟，逐步形成了防砂 综合配套技术体系。尤其是最近十几年，在传统机械防砂和化学防砂的基础上，为适应 特殊地质特点和生产需要，又相继研究发展出压裂防砂、一次管柱多层砾石充填、膨胀 筛管等新工艺新技术，极大地丰富了防砂工艺技术，满足了油田生产的需要。 防砂措施可以控制油井出砂，但也降低了油井产能，这种现象已不能适应目前形势 的需要。为了解决这个矛盾，油井防砂观念已由过去纯粹的“防砂型”向“防砂增产型 转变。目前最普遍采用的方法是高压挤压砾石充填( 压裂) 防砂一体化技术。 疏松砂岩的压裂充填一体化技术首先要解除近井地带的污染堵塞，达到疏通地层的 目的，然后泵入一定数量的固砂液，在地层内产生若干通道，并在通道内及井壁周围填 满高渗透砾石，套管内仍以筛管和环空砾石作为挡砂屏障。因新的供油通道大大增加了 供油面积，并且原有堵塞被消除而代之以高渗透砾石充填通道，大大降低了流动阻力， 达到既防砂又增产的目的。 这项技术有着良好的应用前景。但是，由于地层情况极其复杂，压裂充填的影响因 素非常多，使得压裂充填设计比较困难。目前现场应用大多是将低渗油藏压裂技术和疏 松砂岩防砂技术简单地结合起来，导致工艺技术和施工参数不甚合理。 第一章绪论 鉴于上述原因，论文在充分了解疏松砂岩岩石特性的基础上，综合考虑影响高压砾 石充填施工效果的各种因素，提出了一种比较准确的方法进行高压砾石充填施工参数的 设计。该方法可以为高压砾石充填施工提供比较合理准确的管外填砂量等施工参数。 1 2 国内外研究现状 在防砂施工压力作用下，低渗透油层主要发生裂缝的开裂和延伸。该情况与水力压 裂非常相似，因此，对于低渗透率、高硬度油层，高压砾石充填的管外填砂量等施工参 数主要是参考水力压裂方法确定的。 水力压裂技术自1 9 4 7 年在美国堪萨斯州试验成功至今，已有6 0 多年的历史，作为 油气井增产增注的主要措施，目前已经广泛应用于低渗油气田的开发。 在水力压裂设计初期，使用的数学模型为二维模型，最为常用的是p k n 和k g d 模 型。到2 0 世纪7 0 年代，出现了许多拟三维( p 3 d ) 与真三维的数学模型。 1 9 8 2 年，v a ne e k e n l e n 提出了一种拟三维模型【i 】。此模型假定：在垂直方向上流压 不变，并由c g d d 二维模型控制裂缝的垂直延伸。此外，他还考虑了油层与盖底层之 间弹性模量的不连续性，把高度延伸近似看成在具有当量弹性模量的均质油层中的裂纹 延伸。当量弹性模量的大小取决于油层与盖底层各自的弹性模量、油层的厚度以及当时 的最大裂缝高度。v a ne e k e n l e n 根据裂缝的长度延伸的速度表达式，经积分求出了依赖 于高度的长度。 a d v a n i 等人【2 】研究了层状地层中垂直横剖面的裂缝延伸。在层状地层中，油层和盖 底层的最小主应力不相等，但两边界层的地应力一致，并假设各层的地应力呈均匀分布。 他们认为垂直方向上的流压不随高度而变，并忽略此方向上的流动。用有限元法处理应 力分布，找出当前裂缝的高度、宽度、压力以及缝尖应力强度因子之间的相互关系。对 于每一时间步长，用p k n 模型的有限元迭代解法求出压力和裂缝宽度，裂缝高度取为 裂缝垂直横剖面的高度，使垂直横剖面上裂缝尖端的应力强度因子恰好等于地层岩石的 断裂韧性。由选取的裂缝高度和算出的压力对裂缝宽度进行修正，再用压裂液的体积平 衡关系求出新的裂缝长度。 c l e a r 等【3 】基于p k n 模型的长度延伸模型，也提出一种拟三维模型。c l e a r y 在1 9 8 0 年给出了p k n 和c g d d 二维模型的广义形式，并根据自相似的裂缝延伸( 即裂缝开口 形状不随时间而变) 假设，对每种模型的控制方程均做了关于裂缝长度的平均处理。于 是，模型的解简化成已知常数和未知系数函数( 随时间变化) 的乘积。后来，他们用广 2 中国石油大学( 华东) 硕：i 二学位论文 义的p k n 模型来描述裂缝水平中间面的延伸，从而建立起一个完全耦合的拟三维模型。 他们用有限差分方法求解裂缝长度方向上的流动方程、垂直弹性应力问题的积分方程以 及控制裂缝水平和垂直延伸的断裂韧性判断方程。最后，在上面的基础之上并参考其他 一些模型后，他们建立起一个完整的拟三维模型。此模型考虑了油层中流体的流动、热 交换以及支撑剂的输送情况，描述了地应力和地层性质不连续条件下的三维裂缝的几何 形态。c l e a r y 等人在总结原有模型的基础上，给出了几个更完善的数值求解程序，并且 讨论了实施拟三维模型的一些计算细节。 在1 9 8 3 年前后，p a l m e r 等人【4 】也一直在研究拟三维模型，于1 9 8 5 年提出了一个较 完善的拟三维裂缝延伸模型。该模型考虑了地层垂向上各层中最小水平地应力的差异。 他们认为，在较狭长的裂缝中，压裂液只沿缝长方向流动，而忽略地层垂向上流压的变 化。p a l m e r 等人用p k n 模型中的压降方程描述裂缝中的压力分布情况，并把裂缝沿长 度方向分成若干段，在各段的横切面上应用断裂力学中的裂缝延伸判据( 即裂纹尖端处 的应力强度因子等于岩石的断裂韧性) 建立裂缝的高度方程。同时，也建立起裂缝宽度 方程。然后，以迭代方式求解上述三个方程和流体流动的连续性方程。最终求出裂缝的 高度分布和横断面上裂缝的宽度分布。此外，该模型还包括了压裂液的初滤失和滤失， 适用于牛顿型和幂律型压裂液。其不足之处是，没有考虑各层间岩石的弹性模量和断裂 韧性的差异，注入排量不能随时间变化。 在拟三维模型发展的同时，真三维模型也得到了很大的发展。 c l i f t o n 和a b o u s a y e d 首次提出了真三维模型5 1 ，用来描述一般裂缝的延伸和二维 流动问题。应用此模型，可把承受任意压力分布任意形状裂缝的弹性问题，推导成裂缝 表面上关于流压的一个二维积分方程。可用数值积分求解该积分方程，也可通过差分处 理，把裂缝表面离散为有限的单元，简化成有限的线性系统，然后求解。在模型中，认 为流体流动是不可压缩的有滤失的非牛顿流体在两平行板间的层流流动。 c l e a r y 等人【6 】也提出了一个真三维模型。他们的模型与c l i f t o n 等人的模型很相似。 两模型间的区别在于：对裂缝边缘区的处理方法不同，裂缝表面上积分方程的离散化或 内插方法也不同。 此外，p a l m e r 和g a r r o l l 等人也在三维模型的研究和发展方面作了不少的工作。 压裂充填防砂技术是近几年发展起来先进的防砂技术，压裂充填的人工裂缝不仅仅 可以增加导流面积，提高产量，而且可以改变井眼炮孔及压裂裂缝附近的储层流体压力 场，使通过炮眼的压降降低从而达到防砂的目的。 3 第一章绪论 许多学者在压裂充填的理论与实践方面做了大量的研究工作。 g m b e r t 7 1 首先提出了复合压裂砾石充填完井的概念。r o o d h a r d 等【8 1 从压裂充填的过 程出发，将压裂充填分为端部脱砂和裂缝膨胀与充填两个阶段。g r u b e r t 从油藏流体近 井流动时的流态变化、流速变化和井下砾石充填的机械防砂作用几个方面论证了压裂充 填的防砂机理。在国内，宋友贵等【9 】从压裂充填中砾石在地层的排列结构和地层砂受力 两方面探讨了压裂充填的防砂功能。压裂充填的防砂功能主要体现在减小近井压力梯 度，增加渗滤面积，改变近井流体流态，延伸油藏的泄油区域等方面。这些都有助于提 高出砂临界产量，减小了出砂机率。m b a i i t 0 】采用商业三维压裂模拟器t e r r a f r a c t m 对 压裂充填时的端部脱砂压裂机理进行了实例模拟研究，模拟分析了端部脱砂的起始、缝 高控制以及端部脱砂压裂的失败原因等。 y 0 n gf a n 等根据线性压裂液在高渗透地层中的滤失机理，提出了压裂充填时不同阶 段的裂缝几何尺寸的计算方法。模拟方法的共同点是采用幂律流体在孔隙介质中的流动 模型来描述压裂液向地层中的滤失，采用二维裂缝延伸模型模拟端部脱砂前裂缝几何尺 寸和缝中压力的变化，采用物质平衡原理模拟裂缝膨胀与充填阶段的裂缝几何尺寸变 化。在裂缝膨胀阶段，裂缝体积的变化等于注入体积减去滤失体积。在稳定充填阶段， 注入体积等于滤失体积。在裂缝闭合阶段，裂缝体积的变化量等于滤失量。不同之处在 于裂缝延伸阶段的裂缝模型，f a ny o n g 、m i c h a e lj 和e c o n o m i d e s 1 1 】采用的是g d k 模型， y o n gf a n 和l l a v ee m 【1 2 1 、f a ny o n g 和w h i td e 等【1 3 】采用的是径向裂缝模型，同时f a n y o n g 和w h i t ed e 等还分析了压裂液类型、油藏流体流度和杨氏模量对压裂液滤失、净 压力变化和裂缝延伸的影响。 对防砂作业，一般采用s a u c i e r 准则选择砾石支撑剂，但基于提高产能的需要，通 过室内防砂试验优选出2 0 4 0 目的陶粒而非依据s a u c i e r 准则的4 0 6 0 目陶粒作为支撑 剂，取得了良好的防砂和增产效果。f a ny o n g 等【1 4 】在1 9 9 9 年首次提出支撑数的概念， 并提出了依据支撑数和无量纲裂缝导流能力的压裂充填优化设计方法，指出一般情况下 最优无量纲裂缝导流能力为1 6 、支撑数至少为0 0 0 0 1 。同时，r h m o r a l e s l l5 j 提出了一 个在高渗透地层中进行压裂充填时的优化设计模型，可同时优化裂缝几何尺寸和平均支 撑剂分布。而t a m i ra g g o u r 1 6 】所用的优化方法为g r g 2 ( g e n e r a l i z e dr e d u c e dg r a d i e n t ) ， 除了可对裂缝几何尺寸进行优化外，还可对各个阶段的施工排量进行优化设计。 2 0 0 0 年，j e f f r e ye s m i t h 1 7 】提出了一套关于压裂充填的理论，用以分析端部脱砂后 的裂缝压力降。其最大特点是裂缝停止延伸以后注入排量不为零。基于新的分析理论， 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 作者发展了一套压裂充填分析方法，并用其分析了裂缝脱砂时的压裂效率、初滤失和裂 缝净压力对脱砂后压力、压力梯度和压降特征的影响。 ( 2 p e t i t 1 8 】采用产出与成本比较方法，对低渗多层薄油层的油井防砂完井方法进行了 优化选择。根据已知管内井下砾石充填完井的平均表皮系数和多层薄油层一次压裂充填 的表皮系数进行产出计算，再根据成本计算方法计算出各自的成本，比较两者的投入与 产出，指出压裂充填完井适合于多层薄油气层防砂增产作业。 1 3 本文主要研究内容 ( 1 ) 高压砾石充填施工参数的影响因素分析及其优化设计。 高压砾石充填是一种复杂的工艺措施，影响其施工参数的因素甚多，例如，地层力 学性质( 弹性模量、泊松比、渗透率、孔隙度等) ，地层应力状态，钻井完井方式等。 论文借助相关的数学方法对影响高压砾石充填施工参数的因素进行分析，找出主要的影 响因素。在此基础上对高压砾石充填的管外填砂量等关键性施工参数进行优化设计。 ( 2 ) 建立高压砾石充填力学模型，并进行高压砾石充填后的近井地层形态描述。 疏松砂岩的高压砾石充填与低渗岩层相比，有着相似之处，但也有许多不同。根据 疏松砂岩岩石特性，及高压砾石充填的施工特点，建立高压砾石充填力学模型，并根据 该模型对高压挤压砾石充填后的近井地带地层形态进行描述。 ( 3 ) 确定高压砾石充填填砂量和临界排量等施工参数的优选方法。 参考有关文献建立高压砾石充填中填砂量、临界排量、砂比、砾石尺寸等施工参数 的优选方法。 ( 4 ) 编制优化设计软件。 在上述研究的基础上，编制用于高压砾石充填的优化设计软件，该软件可以利用测 井资料计算岩石弹性模量等力学参数，也可以利用测井资料预测管外填砂量，还可以分 析高压砾石充填对产能的影响。 5 第二章疏松砂岩油藏的基本特征 第二章疏松砂岩油藏的基本特征 与低渗、特低渗油层相比，疏松砂岩油层在地质特征、物性特征和力学特征等方面 有着自己显著的特点。 2 1 疏松砂岩油藏的地质特征 2 1 1 疏松砂岩油藏的分布 疏松砂岩油藏遍布于世界的各个油区。比如，在国外典型的有美国的墨西哥湾、加 利福尼亚( c a l i f o r n i a ) 洲的威明顿( w i l m i n g t o no i lf i l e d ) 油田、克恩河油田( k e r nr i v e r o i lf i l e d ) 、蒙大拿州的钟溪油田( b e l lc r e a k o i lf i l e d ) 和加拿大阿尔伯达( a l b e r t ) 省 的阿萨巴斯卡( a t h a s k a ) 油区、冷湖油田( c o l dl a k e a r e a ) ，以及印度尼西亚、特立尼 达和委内瑞拉的第三系油藏。在国内，这类油藏基本上也是遍布了全国的各个油气区， 如东部渤海湾盆地的孤岛油田、大港油田、绥中3 6 1 油田、秦皇岛3 2 6 油田、松辽盆 地的辽河油田、西部准葛尔盆地的克拉玛依油田、吐玉克油田等。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人注目的、 棘手的出砂问题，长期困扰着油田的生产。 2 1 2 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。但以陆相 或海陆过渡相的三角洲相、河流相和冲积扇居多。在构造特征上，构造比较复杂，且大 多伴随出现多断层、多阶以及垒堑相间的面貌，此类构造现象在我国的第三系地层尤为 突出，这类构造特征也是造成岩石疏松从而导致地层出砂的原因之一。表2 1 给出了一 些典型疏松砂岩油藏的沉积相特征及构造特征。 2 1 3 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。一般认为，胶结程度弱则岩石较疏松，粘土胶结的岩石强度最差，硅质胶结的 岩石强度最大。岩石胶结作用的强弱通常由胶结物的含量来确定，胶结物类型相同时， 胶结物含量越大，则胶结作用愈强。表2 2 给出了总粒间孔隙空间为3 2 时，胶结物含 量与胶结程度之间的相互关系，由表2 2 可见，相同条件下，地层的胶结程度随着胶结 物含量增加而增加。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在基底式胶结、孔隙式胶结和接触式胶结等几种胶结类型中，基底式胶结作用最强， 孔隙式胶结作用次之，接触式胶结作用最弱。 表2 - 1典型疏松砂岩油藏的沉积相特征及断层发育情况 t a b l e 2 - i s e d i m e n t a r yf a c i e sa n df a u l t sc h a r a c t e r i s t i c so ft y p i c a ll o o s es a n dr e s e r v o i r s 油田名称开发层系沉积相断层发育情况 以孤南、孤北、孤西断裂为主干断裂 孤岛油田馆陶组河流相 骨架，伴有许多次级的断层。 多断块发育，南北两组基底断层构成 秦皇岛3 2 - 6 油田明化镇组、馆陶组河流相了秦皇岛3 2 6 构造的边界。并发育有 五条断距大于3 0 r e 的浅层次级断层。 构造为由前新生界潜山、下第三系披 绥中3 6 1 油田 东营组三角洲相理背斜和低凸起西侧边界断层下降盘 的断鼻组成的复式构造带。 吐谷鲁组、克拉玛依 准葛尔盆地西北缘冲裂带主断裂及次 克拉玛依油田组、下乌尔禾组、风成洪积扇、河流相 生断裂形成了众多的网格状断块。 城组等 河口复式砂坝 钟溪油田墨迪砂岩组 沉积 塔尔组、郎格尔组、特背斜构造被一系列的横切正断层破 威明顿油田 明纳尔组等 坏，并形成一些地垒和地堑。 克恩河组和中国格瑞 克恩河油田 陆相冲积扇 得组 冷湖油田下白垩统的曼维里期 三角洲相 表2 - 2 胶结物含量与胶结程度关系 t a b l e 2 2r e l a t i o nb e t w e e nc e m e n t sc o n t e n ta n dc e m e n t a t i o nf u n c t i o n 总粒间孔隙空间( )胶结物含量( )孔隙度( ) 胶结程度储层特征 52 7弱好 5 1 4 1 8 由 中等 3 2 1 4 2 0 1 2 较强差 2 4 8强非储层 表2 - 3 部分疏松砂岩油藏胶结情况 t a b l e 2 - 3c e m e n t a t i o nc o n d i t i o no fs o m el o o s es a n dr e s e r v o i r s 油田名称储层胶结类型胶结物胶结物含量( ) 孤岛 馆陶组 接触式、孔隙式、接触孔隙式泥质为主 9 1 2 秦皇岛3 2 6馆陶组、明化镇组 接触式泥质为主 r 2 的区域，岩石处于弹性应力状态。 为简化计算建立高压砾石充填井段数学模型，作如下假设： ( 1 ) 塑性区内介质可压缩，且粘聚力c 、摩擦角和平均体积应变为己知数据。 ( 2 ) 塑性区外地层岩石处于线弹性状态，地层性质由弹性参数e 和泊松比v 确定。 ( 3 ) 防砂施工前，地层岩石受各向同性均匀应力a r o 作用。 ( 4 ) 不计体力作用。 4 1 2 圆孔扩张应力及位移解答 ( 1 ) 弹性区解答f 3 6 】 在任意一点处，岩体应力平衡方程为： _ 0 0 - r + 盟：0 ( 4 。1 ) 对于弹性区，其边界条件为： 一( 尺) = o 0 ( 4 - 2 ) 【仃，= 仃，( 厂2 ) 岩体中初始的径向应力为c r o ，将径向应力增量a a ，定义为a o ，= 仃，一c r o ，将a o - 护定 义为a o - 口= - - ( 7 o 。 岩体中初始应变和位移为零，故有： 阵z 件3 ， 【蚱= 砟 式中，a s ，一径向应变增量；岛一周向应变增量：a u ，一位移增量；“，一土岩体 单位径向位移。 由广义虎克定律可得： 蝇一警= 丢( a o r - - 2 v a a s ) ( 4 - 4 ) 2 2 中国石油大学( 华东) 硕- j 二学位论文 ：一今! 生：i 1 【( 1 一y ) 一2 y 仃，】 ( 4 5 ) ，已 将式( 4 - 4 ) 和式( 4 5 ) 以及边界条件式( 4 2 ) 代入式( 4 。1 ) 得： 仃，= 吼+ c 仃c ，一仃。，( 争 2 c 4 6 ， 仃8 = 仃。一t 仃c ，一口。，( 争) 2 c 4 7 ， 驴笋饼， 8 ， 由式( 4 8 ) 可得到在弹性区和塑性区交界，= 吃处的位移： 毗) = 乒 ( 4 - 9 ) ( 2 ) 塑性区解答 在塑性区内，岩体发生塑性屈服，产生体积变化，应力应变关系服从摩尔一库仑屈 服条件，即： 盯。：仃，堕 ( 4 1 0 ) 2q 孟 式中，够一岩石内摩擦角，度。 将式( 4 1 0 ) 代入式( 4 。1 ) 可得： 仃，= 彳，之咖袱1 + 嘲尹 ( 4 1 1 ) 式中，a 一积分常数。 在充填区与塑性区交乔处，即，= 处仃，= 戌，由此可得： 彳= p 。吒2 5 讯妒( 1 + 如们 ( 4 1 2 ) 将其代入式( 4 1 1 ) ，有： q = p 。g 少) 2 5 讥m 咖 ( 4 1 3 ) 在弹性区和塑性区交界处，即，= r 2 处，有： 仃( ， ) ：p ，“) 2 8 m 州( 1 + 5 访尹 ( 4 1 4 ) 2 3 第四章基于测井资料的填砂量预测 将式( 4 1 4 ) 代入式( 4 9 ) 得： 毗，= 逝锚掣吃 件 ( 3 ) 充填区及压实区尺寸的确定 根据体积关系，高压砾石充填施工井段的体积变化( 填充区体积) 等于弹性区的体 积变化加上压实区的体积变化，即： 万1 2 一万名= 万芎一万【吃- u ( r 2 ) 2 + 7 ( 芎一疗) ( 4 1 6 ) 式中，一塑性区平均体积应变，可由试验获得。 由于疏松砂岩岩体是由颗粒和孔隙构成，随施工压力的提高，岩层内部应力不断增 大，颗粒之间的位移和转动幅度较大。在此期间，近井地带塑性区颗粒之间胶结被破坏， 颗粒之间孔隙尺寸减小，总孔隙度随之减小。因此，塑性区体积应变可按疏松砂岩岩体 变形前后的孔隙比计算，即： ：塑( 4 1 7 ) l + e l 式中，q 一防砂施工前疏松砂岩岩体的孔隙度；e ：一防砂施工后疏松砂岩岩体的孔 隙度。 将式( 4 1 5 ) 代入式( 4 1 6 ) ，并略去高阶小量陋( 吃) 】2 ，得： 毗) = 六k 2 一芬一( 芎- r 1 2 ) 】( 4 - 1 8 ) 联立式( 4 1 8 ) 和式( 4 9 ) 可得： 百 c r ( r ：) - c r o ，2 = 六k 2 一芬一( 孑一- 2 ) 】( 4 - 1 9 ) 4 g 。 2 ， ” 一 17 。 由式( 4 6 ) 、式( 4 7 ) 式和式( 4 1 0 ) 得： 盯( 吃) = o o ( 1 + s i n 纠( 4 - 2 0 ) 将式( 4 2 0 ) 代入式( 4 1 9 ) 得： 2 4 中国石油大学( 华东) 硕l 学位论文 讹2 l1 - a 丽) _ ( 耵 另由式( 4 1 4 ) 得： p 。= 仃( 厂2 ) ( 吃 ) 2 咖川“咖们 ( 4 2 2 ) 将式( 4 2 0 ) 代入式( 4 2 2 ) 得塑性区扩张比： 吃_ 2 【i 两p cj w ) 1 2 m b , p “- 2 3 ) 、i + 咖 将式( 4 - 2 3 ) 塑性区扩张比卫代入式( 4 - 2 1 ) 可得井径扩张率几，从而可以求出 充填区半径1 ，继而根据式( 4 2 3 ) 可求出压实区半径吃。 4 2 基于测井资料的填砂量预测 4 2 1 拟合公式的建立 上述分析是建立在理想条件下的，实际地层条件和施工条件与理想情况存在巨大差 异，另一方面，基于圆孔扩张理论的填砂量预测，需要塑性体积应变系数等参数，这些 数据的获取也是非常困难的，因此，用上述方法预测管外填砂量的限制比较大，应用起 来比较困难。 由圆孔扩张理论可知，管外填砂量与地层条件、施工条件等因素密切相关，为此， 以现有施工数据和测井资料为基础，通过仔细分析，认真比较，建立管外填砂量与测井 资料及施工数据的拟合关系，以此解决填砂量预测的问题。 为建立基于测井资料的填砂量预测模型，引入挤压模量的概念，即： e ，= 丝一 ( 4 2 4 ) 。 1 一( 1 + 2 y d ) y d 式中，历一岩石动态弹性模量，g p a ；屹一岩石动态泊松比，无量纲。 图4 2 为已掌握测井资料和油层单位厚度管外填砂量的2 4 口施工井的油层单位厚 度管外填砂量与挤压模量的关系图。图4 2 中的数据非常离散，所以仅通过一个函数式 来描述油层单位厚度管外填砂量与挤压模量的关系是非常困难的。 2 5 第四章基于测井资料的填砂量预测 仔细观察发现，如果以油层单 位厚度管外填砂量为1 0 5 m 3 m 为基 准( 图中虚线位置) 将图中数据点 分为上下两组，则图4 2 中虚线上 下两侧的数据点分别具有较强的相 关性，所以，可以分别根据图4 2 虚线两侧的数据点建立低管外填砂 量( 虚线下侧部分) 和高管外填砂 量( 虚线上侧部分) 两个拟合公式， 用来预测高压砾石充填中的管外填 砂量。 图4 啊2 油层单位厚度管外填砂量分组示意图 f i 9 4 - 2 s h e m a t i cd i a g r a mo fu n i tt h i c k n e s s p a c k e ds a n da m o u n tg r o u p i n g ( 1 ) 低填砂量拟合公式 图4 。2 中单位厚度管外填砂量较少的油井( 即图4 2 中虚线下侧部分) 有1 4 口，其 有关数据见表4 1 。 表4 - 1 低管外填砂量井有关数据 t a b l e 4 1r e l a t i v ed a t ao f l o wp a c k e ds a n da m o u n tw e l l 序号井号井段( m )油层厚度( m ) 层挤压模量( g p a )实际填砂量( m 3 m ) l 桩1 3 9 1 2 8 6 。2 1 2 8 9 93 7 11 5 9 1 6 1 6l 。0 l 2 营斜4 5 2 1 4 3 4 9 1 4 3 8 03 1 11 6 3 5 4 50 9 7 3 辛4 8 1 3 1 19 6 和12 0 2 86 4 l18 9 2 9 7 80 8 7 5 4 垦6 8 1 2 5 9 7 1 2 6 0 71 0 l2 0 4 0 4 2l0 9 5 坨8 2 2 1 1 6 8 4 11 7 2 23 8 ，l2 0 9 0 0 3 4o 9 2 6 郑3 6 6 1 1 9 8 o 1 2 1 4 01 3 o 22 1 6 7 4 0 10 8 6 7 郑3 6 5 1 1 9 5 1 - 1 2 0 04 9 l2 2 0 8 0 0 2o 6 1 2 8 陈3 1 5 l2 3 9 8 12 4 6 85 1 22 2 2 1 7 80 5 9 9 郑3 7 3 l1 9 7 3 1 2 0 67 5 ，32 3 2 7 4 1 20 6 7 8 1 0 孤南2 1 41 2 7 5 1 2 8 16 o ，l 2 3 3 2 0 2 3o 8 3 l l王x 1 4 01 6 0 8 5 1 6 2 39 7 22 5 2 2 9 7lo 7 6 1 2 郑气3 11 4 8 4 - 1 1 6 0 38 3 22 6 7 0 4 2lo 7 7 1 3 坨8 2 3 1 3 9 0 1 4 2 03 0 12 7 9 9 4 8 60 8 3 1 4 郑3 6 9 12 0 2 2 12 2 59 8 43 5 5 8 2 1 6o 5 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 由表4 1 可建立低管外填砂量条件下单位厚度管外填砂量与岩石挤压模量的拟合关 系式： s o = 6 9 6 4 8 4 1 - 0 7 2 5 6 6 4 e j + 2 7 9 6 1 4 7 日一3 5 4 7 0 3 1 e j ( 4 2 5 ) 则高压砾石充填施工井段的总管外填砂量为： s l 7 = s 工o h ， ( 4 2 6 ) 式中，h p 一施工井段厚度，r t l 。 ( 2 ) 高填砂量拟合公式 图4 2 中单位厚度管外填砂量较多的油井( 即图4 2 中虚线上侧部分) 有1 0 口，其 有关数据见表4 2 。 表4 - 2 高管外填砂量井有关数据 t a b l e 4 - 2r e l a t i v ed a t ao fh i g hs a n dp a c k e da m o u n tw e l l 序号井号 井段( m ) 油层厚度( m ) 层挤压模量( g p a )实际填砂量( m 3 m ) l 辛斜6 5 1 1 1 9 5 2 1 1 9 8 33 1 1 l7 9 6 0 7 2 2 3 2 2 陈3 1 1 1 2 7 2 0 1 2 7 6 04 0 12 0 2 9 8 0 72 0 0 3 辛斜6 5 3 1 4 8 2 5 1 4 8 7 55 0 12 1 1 9 1 0 11 6 0 4 高4 2 4 1 31 9 。2 1 3 3 8 68 0 3 2 1 9 31 2 01 6 1 5孤东8 1 01 3 7 6 6 1 3 8 3 54 0 1 2 3 2 7 8 5 82 3 6 郑4 1 9 1 3 3 6 1 3 4 0 04 0 12 3 9 9 1 9 5 2 5 7 辛8 6 5 1 4 3 4 1 - 1 4 4 1 36 9 l2 4 0 1 6 8 21 4 5 8郑3 7 2 1 2 1 3 0 1 2 1 9 46 4 l3 0 0 18 0 51 2 9郑3 6 2 1 12 2 4 l2 3 5 58 2 34 0 7 9 2 2 21 0 3 l o营1 3 1 1 2 0 2 8 1 2 2 6 01 2 2 24 0 9 2 8 1 80 9 2 5 由表4 2 可建立高