疏松砂岩油气藏出砂量预测技术研究进展

成为 出砂管理的关键， 成为迫切 需要解决的问题 。预测 出砂量的方法经历 了 简单到复杂、 从 从定性到 定量 的 曲折发 展过 程 。对疏松 砂岩 地层 出砂机 理 和 出砂 量预 测模 型 的 发展 进行 了详 细 的综 合 论述 。 其 中预 测 油气 井 出砂 的理论模 型 包括 ： 力应 变模 型 、 固耦 合模 型 、 蚓 洞模 型 、 气井初始 出砂 冲 应 流 蚯 油 蚀模 型及其他 预 测 出砂 量模 型 。通过对 比各 个不 同模 型 的适 用范 围和 相 互 问 的联 系， 指 出 了模 型 并
的 不 足 之 处 以及 可 改进 的地 方 。
关键词： 疏松 砂 岩 ； 测模 型 ； 究 ； 预 研 进展
中 图分类号 ： ３ 文献标 识码 ： 文 章编 号 ：Ｏ ４ ５１ （Ｏ １Ｏ一 Ｏ６— ０ ＴＥ ４ Ａ １ ０— ７６ ２ ｌ）８ ０８ ４ １ 油 、 井 出砂机 理 与影 响因素 分析 气
＊ 收稿 日期 ：０ ０１－ ２ ２ １－０１
第一作者简介 ： 熊力坤（９４）男 （ １８一， 汉族）四川成都人 ， 石油大学研究生院在读硕士研究生 ， 究方 向： ， 西南 研 油气 田开发。
２１ 年第 ８ ０１ 期 Biblioteka 西部探矿工程 ６ ９
（ 损坏） 和力学失稳 。其二是由于渗透力的作用 ， 造成固 体颗粒的剥离和运动 ， 进而导致水力学失稳 。 ・
油、 气井 的出砂机理非常复杂， 从宏观上看 ， 油层出 砂是井筒不稳定和射孔孔眼不稳定造成 的； 但是从微观 上看 ， 其与岩石强度、 胶结强度、 应力状态和油气生产的 作业环境 、 条件有关。油 、 气井 出砂包括许多复杂的过 程， 它涉及到钻井和开采过程 中的应力集 中和重新 分 布、 水力冲蚀 、 固相运移等 。地层出砂没有 明显 的深度 界限 ， 只要地 层应 力超 过地 层强 度就 可能 出砂 。而地层 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 ， 地层孔 隙压力和生产压差等 ； 地层 强度决定于地 层胶结物的胶结力、 圈闭内流 体的粘着 力 、 层颗 粒 间 的摩擦 力及 地层 颗粒 本身 的重力 。尽 管 地 国 内外 的许 多 学者 都对 弱 固结砂 岩 油 藏 的 出砂 机 理 进 行 了许多研究 ， 但由于问题 的复杂性 ， 许多问题都未能 得到 充分 理解 。 ２ 世纪 ８ 年代末 Ｎ Ｍｏｉ ｄＤ Ｌ ｌｉＥ Ｊ Ｏ ０ ． ｒａａ ． Ｗｈｔｌ ｔ ｎ ｆｌ ２ 等人论述 了地层出砂是因为两种力 的作用而导致的， 一 种是 剪切 应力 导致 的地层 破碎 ， 另一 种是 张应 力造 成 的 地层破碎 。在 通常条件下 ， 虽然纯 张应 力破碎很少发 生， 但是 一旦 达到 以下条 件就 会发 生 ：１射孔 孔 眼被封 （） 堵 ；２ 射孔孔 眼的间距超过总间距 的 １３ （ ） （） ／ ；３ 射孔 的 密度小于 ７ ｍ； ４ 对孔眼进行净化时 。 孔／ （） ２ 世纪 ８ 年代 Ｍｏｉ Ｏ ０ ｒａ ｔ Ｎ和 ＷｈｔｌＤ Ｅ等人论 ｌｆ Ｌ。 ｉｌ 述了地层剪切破坏和张性破坏的出砂机理 ， 认为如果流 体在地层内的流速高 ， 将发生张应力破碎 ； 如果井底压
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西部 探矿工 程
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疏 松 砂岩 油 气 藏 出砂 量预 测技 术 研 究进 展
熊力坤 ， 陈 娟
（ 油气藏地质及开发工程” “ 国家重点实验室西南石油大学研 究生院， 四川 成都 ６００ ） １５０
摘 要 ： 气井 的 出砂 问题一 直是 生产过 程 中的重 大 问题 ， 油 工程 师们 通过 各种研 究对油层 出砂机 理 有 了一 定 了解 。特 别是 随着稠 油冷 采和 出砂 管理 新技 术 理论 的提 出， 气井 开采 中 出砂 量 的预 测 更是 油
２ １ 现 场工 程 法 ．
为， 出砂过程中， 井径保持不变 ， 井眼周围岩石骨架的切 向变形量 即为 出砂 量 。
式 中 ：（） — 出砂量 ； ｓ￡— 地预测出砂量 ， 但经验公式的建立需要大量 的生产实践 岩石孔隙度 ； 资料 ， 因此， 它不适于刚投人生产 的区块 。另外 ， 经验公 井眼半径 ； 式中只含有有限个参数， 其他参数的稳定性直接影响其 ￡、 ——弹 、 ５ 萌 塑性变形分量 。 计算精度 。故经验公式的适用范 围就受到了很大限制 。 以上模型都是将岩石看成理想弹塑性材料 ， 然后用 Ｓ ｍ ｒｉ 等人 （９ ４［根据岩石破坏带大小与压差 函 ｏ ｅｖ ｌ ｌ １９ ） ］ ５ Ｍｏ ｒ Ｃ ｕ ｍ 屈服准则描述材料的屈服特性 。将炮 ｈ－ ｏ ｌ ｂ － ｏ 数关系 ， 提出了屈服岩石产砂的经验准则 。由于出砂是 孑 看作在均匀地应力之下较为理想的球孔穴或柱状孔 Ｌ 岩石强度变化引起 的， 当岩石承受的主应力超过 了其屈 穴； 将地层流体 的渗流运动， 看成是稳定或准稳定状态 服强度后 ， 地层就会出砂 ， 并且 出砂将持续到岩石强度 的达西渗流 。求出砂拱末端发生拉伸破坏时的极限产 与应力达到平衡为止。 量（ 或压差）砂拱稳定 的临界半径 ， 、 从而预测地层出砂 Ｅ ｒ ｉ ｓ ａａ ｃｏ（０１［等人对北海一 口出 ｕｉ ｄ ｐｍｉ ｓ２ ０） ３ ｐｅＰ ｈ ６ 量。 砂 管理试验井 的出砂量数据进行了回归处理 ， 发现生产 ２３ 流 固耦合 模 型 ． 压差每增加一次 ， 就会使出砂量达到一个峰值， 压差增 油层是固、 气并存的多孔介质， 液、 油气开采的过程 加 引起 的初始 出砂 量与 压差增 加 幅度有关 ， 而基 本稳 定 中， 油气 的产 出会导致储层孔 隙压力 变化 ， 导致 固相应 力 后的最终出砂量与最后 的压差大小有关 。每个压力波 重新分布 ， 进而使岩石骨架变形， 油藏物性参数发生变化 动周期的出砂量与时间近似呈抛物线关系 。进而得到 （ 如孔隙度 ， 渗透率）并反过来影响流体在孔隙空间的流 ， 出砂量的计算公式 ： 动。因此油气的开采过程是一个流固耦合的过程 。 （） 始 出砂量 预测公 式 ： １初 Ｐ ｐｍｉ ｏＥ－］ ａ ａ ｃ ｓｏ 等人 提 出 了稠 油 冷 采过 程 中 的一 ｈ ￣ｎ 一 口 ［ 一ａ／ １ ） １ ｔ（ ＋ ］ 体化框架 ， 认为稠油开采过程中应力集中引起储层岩石 （） ２残余 出砂 量预 测公式 ： 软化（ 岩石强度降低） 产生松散颗粒， 孔隙流体流动对岩 一 口 （ 一 ａ ｂ １ ／） 石颗粒产生冲蚀作用 ， 孔隙度变化作为流固耦合的基本 （） ３累积 出砂 量预 测公式 ： 参数， 随着砂粒的冲蚀运移 ， 油藏孔隙度提高 ， 出现油砂 ［１ ａｂ ＋ 口ｂｌ（ ＋ 抚） （ 一 ／） ／ｚ １ ｎ ｊ 混合流动。 ２ ２ 应 力应 变分 析模 型 ． 国内学者从洪 良［］ １等在研究 出砂 机理基础上 ， 假 Ｄｕｓａ ｌＭ Ｅ等 人认 为 ， ｓｅｕｔ Ｂ ］ 随着砂 子 的大量 产 出 ， 设出砂流体为液一固多相渗流， 并在岩石力学和渗流力 井 筒周 围应 力发生 了不 同程度 的变 化 。从井筒 向外 ， 油 学 知识基 础上 建立 了出砂量 相关数 学方程 。 层显示出了相应的分带性。他们分析 了塑性 区的性质 岩石 力学 观点认 为 ， 田生产过 程 中的 出砂 源 于产 油 及其与出砂量的关系， 认为出砂主要是由于�
力下降， 将发生剪切破碎。 １９ 年 ， ｒ ａ ９ １ Ｍｏｉ ｔ Ｎ和 Ｂ ｙ Ａ ４ ｏｄＰ Ｌ将油气 田出砂 问 题分为五种类型 。第一类是疏松地层的出砂 ， 由于强度 低， 在油气开采初期中较小的采液强度下就很容易导致 地层 出砂 。第二 类是 中等 胶结 的地层 在 出水 后 的出砂 ， 出水后地层中岩石强度降低 ， 在液流拖曳力 的作用下容 易出砂。第三类是胶结较好的地层出砂， 由于油气藏压 力的衰竭而使岩石所受有效应力增加 ， 岩石发生剪切破 坏而导致地层出砂 。第四类是在较高的差应力作用下， 水平构造应力高的地层井 眼破碎而使油气井出砂 。第 五类 是井 眼 附近 的射孔破 碎 带 由于压 力梯 度高 ， 地层 在 液流拖曳力和摩擦力作用下而 出砂。为 了防止地层 出 砂， 国内外专家、 学者对油气井的出砂机理进行 了大量 的研究工作 。 虽然油气井出砂机理非常复杂， 但地层出砂过程通 常包括应力作用 产生的机械破坏 、 流体流动使砂粒运 移、 以及出砂后破坏区扩展等 ３ 个阶段 。地层出砂 的影 响 因素很 多 ， 井壁 岩 石 的应 力 状态 、 岩石 强 度 和 地层 流 体的粘度等是油井出砂的内因， 开采过程中生产压差的 大小 、 油藏压力的衰竭、 过高 的采液速度以及地面操作 条件 是 出砂 的外 因 。油井 出水后 ， 出水对 岩石 强度 等 产 的影 响也 是油井 出砂 的主要原 因 。 ２ 油 、 井 出砂量 预测模 型研 究 气 从建模的观点来看 ， 出砂与下面两种 作用机理有 关： 其一是 由于应力集 中造成井筒 附近地带岩石破坏