畢業(yè)設(shè)計(jì)論文裸眼完井的出砂預(yù)測研究

1、前 言在石油開采過程中，由水動(dòng)力沖刷等作用引起的疏松砂巖儲層出砂是導(dǎo)致儲層損害和產(chǎn)能降低的主要原因。出砂不僅會導(dǎo)致油井減產(chǎn)或停產(chǎn)及地面和井下設(shè)備的腐蝕，而且會使套管損壞、油井報(bào)廢。采用裸眼完井的油井,其地層一般具有較高的強(qiáng)度，只有在地層發(fā)生破壞時(shí)，才會引起出砂。出砂預(yù)測技術(shù)有一定難度，單項(xiàng)技術(shù)預(yù)測準(zhǔn)確性不高，國內(nèi)在此方面研究較少。已開發(fā)油田根據(jù)歷史數(shù)據(jù)擬合預(yù)測出砂，新開發(fā)區(qū)只能根據(jù)測井資料，根據(jù)部分經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算預(yù)測出砂。只是在近期認(rèn)識到出砂預(yù)測技術(shù)的重要作用。國外在出砂預(yù)測方面研究較早，現(xiàn)已開發(fā)出大尺寸出砂試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)、多種出砂理論模型及軟件，向提高預(yù)測準(zhǔn)確性方向發(fā)展。因此，對其中的裸眼完井出

2、砂進(jìn)行預(yù)測是非常有必要的。1 選題背景1.1 題目來源 該題目來源于科研項(xiàng)目。1.2 裸眼完井出砂預(yù)測的目的和意義油井出砂是石油開采遇到的重要問題之一, 每年要花費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力進(jìn)行防治和研究。出砂不僅會導(dǎo)致油井減產(chǎn)或停產(chǎn)以及地面和井下設(shè)備磨蝕, 而且會使套管損壞、油井報(bào)廢。出砂機(jī)理作為出砂預(yù)測和防砂的理論基礎(chǔ), 越來越受到人們的重視。但是此類研究十分困難, 因?yàn)? 油田開發(fā)在地層深處進(jìn)行, 在地面無法直接觀測; 地層巖石的力學(xué)性質(zhì)變化很大; 隨著生產(chǎn)的進(jìn)行和各種增產(chǎn)措施的實(shí)施, 使儲層變得十分復(fù)雜; 油井出砂受諸多因素的影響, 如地質(zhì)力學(xué)因素(原地應(yīng)力狀態(tài)、孔隙壓力、原地層溫度、地質(zhì)構(gòu)

3、造等)、砂巖儲層的綜合性質(zhì)(井深、巖石的強(qiáng)度和變形特征、孔隙度、滲透率、泄流半徑、流體的組成即油氣水的含量及分布等、粘土含量、砂粒尺寸和形狀以及壓實(shí)情況等)、工程因素(包括完井類型、井身結(jié)構(gòu)參數(shù)、完井液的性能、增產(chǎn)措施、生產(chǎn)工藝參數(shù)等)。這些因素和參數(shù)相互作用、相互影響, 使出砂問題的理論研究變得十分復(fù)雜, 對于某一油田, 只憑現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)很難決定哪些因素是地層出砂的主要因素。因此, 要根據(jù)不同的地層、不同的完井方法以及出砂的不同過程采取不同的研究方法。采用裸眼完井的油井, 防砂的關(guān)鍵在于防止地層發(fā)生剪切破壞。盡管當(dāng)井眼壓力達(dá)到地層剪切破壞的臨界值時(shí), 不一定馬上引起油井出砂, 但是, 在生產(chǎn)過程

4、中一定要控制某些參數(shù)(如井眼壓力、儲層壓力等) , 防止其達(dá)到臨界值。通過幾種不同的方法對上述參數(shù)的臨界值進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到防止出砂的目的。1.3 油氣井出砂的影響因素出砂現(xiàn)象是油氣開采過程中由于儲層膠結(jié)疏松，流體的沖刷而導(dǎo)致射孔孔道附近或井底地帶砂巖層結(jié)構(gòu)被破壞，使得沙粒隨流體從油層中運(yùn)移出來的現(xiàn)象。根據(jù)油井生產(chǎn)過程所觀察到的出砂現(xiàn)象，出砂可分為不穩(wěn)定出砂，連續(xù)性出砂和突發(fā)性出砂。 油層出砂一般以兩種方式產(chǎn)生：一個(gè)是砂巖體中的游離砂隨油、氣流逸出，另一個(gè)是砂巖的骨架破壞，造成出砂。通常出砂與砂巖的膠結(jié)強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)和開采方式有關(guān)，其出砂的原因簡單的說有以下幾個(gè)方面：（1）產(chǎn)層膠結(jié)狀況對出砂的影響

5、砂巖膠結(jié)的好壞是引發(fā)出砂的直接因素。高含水開發(fā)期由于水含量增大使產(chǎn)層物性發(fā)生變化，受水浸的影響，膠結(jié)物中的粘土礦物水化膨脹和運(yùn)移，損害膠結(jié)物，砂粒失去膠結(jié)，僅靠圍巖壓力和相互摩擦力難以限制其運(yùn)移。同時(shí)孔隙內(nèi)的滲流速度逐漸增大，對砂粒的拖曳力增加，使砂粒運(yùn)移明顯加快。油層在流體的常年沖蝕下，膠結(jié)剝離，部分骨架遭到破壞，而被液流帶入井筒，造成出砂。（2）地應(yīng)力對出砂的影響在膠結(jié)砂巖地層中，由于地應(yīng)力非均勻性的影響，井壁周圍某些方位地層將遭受較高的壓應(yīng)力集中，而導(dǎo)致該方位地層先于其他方位地層剪切屈服、出砂。因此，對這些方位進(jìn)行選擇性避射將有利于防砂和延長油井的開采壽命。（3）流速及生產(chǎn)壓差對出砂的影

6、響當(dāng)砂巖骨架破壞后，在較高液流的沖刷下，使破碎的骨架砂大量逸出，造成大量出砂。在小流速、低壓差下，砂礫可能排列成穩(wěn)定的砂拱，當(dāng)液流流速高、內(nèi)外壓差增大時(shí)，穩(wěn)定砂拱被破壞，不能阻擋砂礫。在高速流體沖刷下，射孔孔道或井壁處的砂拱破壞，砂礫大量逸出。（4）油層開采后期地層壓差對出砂的影響油層開采之前，砂礫骨架之間的接觸應(yīng)力與地層壓力共同作用承載著上覆巖層壓力，即，其中是上覆巖層壓力，為地層壓力，為砂礫骨架的接觸應(yīng)力。當(dāng)?shù)貙訅毫ο陆递^多，且砂巖層又由于膠結(jié)疏松而強(qiáng)度降低時(shí)，會大于骨架之間的承載能力而將砂巖層壓碎，造成大量出砂。（5）介質(zhì)變化對出砂的影響1）水對出砂的影響2）油流粘度對出砂的影響3）流體

7、ph值對出砂的影響4）溫度對出砂的影響（6）塑性區(qū)滲透率對出砂的影響塑性區(qū)滲透率由于壓實(shí)及來自遠(yuǎn)處細(xì)砂的堵塞而減少，從而增大流區(qū)的流動(dòng)壓力梯度，進(jìn)而易造成拉破壞出砂。（7）氣侵對出砂的影響氣體對出砂產(chǎn)生影響可以從兩個(gè)方面來說明，一是由于賈敏效應(yīng)的存在，流體的阻力增大，也就是對砂粒的拖曳力增加，因此使出砂量增加；二是由于地層有消泡作用，氣泡前破后繼，這樣多巖石骨架作用于交變應(yīng)力，可能使其產(chǎn)生疲勞破壞。（8）交替開、關(guān)井對出砂的影響開、關(guān)井一方面可引起孔腔壁附近巖石的疲勞，另一方面可加劇其剪切破壞，從而在流體力的作用下使出砂更嚴(yán)重。（9）程度及射孔參數(shù)對出砂的影響射孔完善程度好的孔道液流流速高，攜

8、砂能力強(qiáng)，高速液流攜帶地層砂沖刷防砂屏障，很快造成防砂失效。試驗(yàn)證明，井斜角的增加、孔密的增加、液流的增加、或者分布方式從螺旋到水平再到垂直的改變都會使出砂量增加。（10）不適當(dāng)?shù)拇胧┗蚬芾韺Τ錾暗挠绊懖划?dāng)?shù)脑霎a(chǎn)措施（如酸化或壓裂）或管理（如造成井下過大的壓力激動(dòng)）都會引起地層出砂。綜上所述，影響地層出砂的因素十分復(fù)雜，歸納起來主要有：原地應(yīng)力、巖石強(qiáng)度、地層壓力衰減、生產(chǎn)壓差或流速、地層是否含水和含水率大小、射孔參數(shù)以及不適當(dāng)?shù)脑霎a(chǎn)措施或管理等方面。對弱膠結(jié)疏松砂巖地層分析并找出影響地層出砂的因素以及對油氣層的出砂預(yù)測進(jìn)行系統(tǒng)研究，是優(yōu)化防砂方式、減少完井成本、最大限度提高油氣井產(chǎn)能的有力保

9、證。1.4 出砂預(yù)測的方法出砂量的預(yù)測是一個(gè)世界性的難題，由于它的影響因素多，各因素之間的相關(guān)性強(qiáng)，因此很難確立出砂量的明確計(jì)算方法。目前出砂預(yù)測方法有如下幾種。（1）現(xiàn)場觀測法1）巖心觀察2）dst測試3）鄰井狀態(tài)觀察（2）室內(nèi)試驗(yàn)法（3）經(jīng)驗(yàn)類比分析法 1）孔隙度法 2）聲波時(shí)差法（4）出砂指數(shù)法（5）經(jīng)驗(yàn)法1）聲波時(shí)差法2）法（斯論貝謝公司方法）3）組合模量法（mobil公司方法）（6）力學(xué)計(jì)算法但是很難用一種方法準(zhǔn)確預(yù)測一口生產(chǎn)井全過程中是否出砂和何時(shí)出砂，只有通過多種預(yù)測方法才能使預(yù)測比較可靠。 地層巖石物理參數(shù)及部分計(jì)算公式 2.1 地層巖石物理參數(shù) 2.1.1 縱橫聲波速度聲波速

10、度測井是測量地層聲波速度的測井方法。聲波測井中聲源發(fā)射的聲波能量較小，作用在巖石上的時(shí)間很短，所以對聲波來說，巖石看作是彈性體。因此可用彈性波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律來研究聲波在巖石中的傳播特性。在均勻無限地層中，聲波主要取決于巖石的彈性和密度?？梢?，若測出聲波在地層中的傳播速度，則可反映該地層的彈性狀態(tài)。聲波速度測井可測量滑行波通過地層傳播的時(shí)差，縱波時(shí)差和橫波時(shí)差，可從由測井公司提供的測井曲線或磁盤數(shù)據(jù)中得到，經(jīng)過換算即可得到縱、橫聲波速度為： （2-1） （2-2）在大部分的油田測井作業(yè)中，并不做全波列測井，即缺失橫波測井資料，因此，針對某一地層，就要借助經(jīng)驗(yàn)公式來估計(jì)橫波速度。對于大多數(shù)地層

11、，其泊松比一般在0.20.3之間，因此有： （2-3）基于回歸的經(jīng)驗(yàn)公式有： （2-4） （2-5）2.1.2 泥質(zhì)含量自然伽馬測井是在井內(nèi)測量巖石中自然存在的放射性核素衰變過程中放射出來的射線的強(qiáng)度，它可用于劃分巖性，估算地層泥質(zhì)含量。由于泥質(zhì)顆粒細(xì)小，具有較大的比面，使它對放射性物質(zhì)有較大的吸附能力，并且沉積時(shí)間長，有充分的時(shí)間與溶液中的放射性物質(zhì)一起沉積下來，所以泥質(zhì)有較高的放射性。在不含放射性礦物的情況下，泥質(zhì)含量的多少就決定了沉積巖石的放射性強(qiáng)弱。所以有可能利用自然伽馬測井資料來估算泥質(zhì)的體積含量，相對值法如下： （2-6） （2-7）式中泥質(zhì)的體積含量；希爾奇指數(shù)，與地質(zhì)時(shí)代有關(guān)，

12、可根據(jù)取心分析資料與自然伽馬測井值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)確定，對于第三系地層取值3.7，老地層取2；泥質(zhì)含量指數(shù)；，目的地層、純泥巖層的和純砂巖層的自然伽馬值。2.2 利用測井資料解釋巖石力學(xué)參數(shù)和地層地應(yīng)力巖石力學(xué)特性參數(shù)包括巖石泊松比、楊氏模量、切變模量、體積模量、巖石硬度、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗鉆強(qiáng)度等。這些參數(shù)可以通過兩種方法確定，一種是用鉆井所得的巖心，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬巖石在地下所處的環(huán)境進(jìn)行實(shí)測。另一種方法是利用測井曲線進(jìn)行反算。后一種方法由于其資料充足，且可以得到連續(xù)的計(jì)算剖面，一直是石油鉆井科技人員積極探索努力的方向，目前已取得了一些可以應(yīng)用的成熟方法。（1）巖石特性參數(shù)的理論計(jì)算公式1) 巖

13、石的泊松比 （2-8）式中泊松比，無因次； ，巖石的橫波和縱波時(shí)差，； ，巖石的橫波和縱波速度，。2) 楊氏模量 （2-9） 式中楊氏模量，mpa; 巖石的容積密度，。3) 剪切模量 （2-10）式中剪切模量，mpa。4) 體積模量 （2-11）式中體積模量，mpa。（2）計(jì)算式的選用1) 巖石抗壓強(qiáng)度 （2-12）式中巖石中的泥質(zhì)含量，無因次。2) 巖石粘聚力 （2-13）3) 巖石內(nèi)摩擦角 （2-14）（3）用測井資料解釋地層地應(yīng)力地層間或?qū)觾?nèi)的不同巖性巖石的物理特性，力學(xué)特性和地層孔隙壓力異常等方面的差別造成了層間或?qū)觾?nèi)地應(yīng)力分布的非均勻性。地應(yīng)力大小是隨地層性質(zhì)變化的：山前構(gòu)造地帶地應(yīng)

14、力主要來源于上覆地層壓力及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造力，在不同性質(zhì)的地層由于其抵抗外力的變形性質(zhì)不同，因而其承受構(gòu)造力也不相同。若依靠實(shí)測找尋層內(nèi)或?qū)娱g地應(yīng)力的分布規(guī)律，這是不切實(shí)際的。因此，可結(jié)合測井資料和分布地應(yīng)力解釋模型，可分析 層間或?qū)觾?nèi)地應(yīng)力大小。測井資料具有連續(xù)、來源廣、成本低的特點(diǎn)，因而結(jié)合分層地應(yīng)力理論，建立分層地應(yīng)力剖面測井解釋技術(shù)，具有非常重要的意義。對于構(gòu)造平緩地區(qū)，其水平主地應(yīng)力主要來自于上覆地層壓力，另一部分來源于地質(zhì)構(gòu)造力，此時(shí)分地應(yīng)力計(jì)算模型為： （2-15）式中 ，表征構(gòu)造運(yùn)動(dòng)激烈程度的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)； ，水平最大，最小地應(yīng)力和上覆壓力； 地層孔隙壓力； 地層泊松比；

15、 有效應(yīng)力系數(shù)。3 裸眼完井出砂的模型建立3.1 裸眼完井的特點(diǎn)裸眼完井是指完井時(shí)井底的儲集層是裸露的，只在儲集層以上用套管封固的完井方法。裸眼完井可分為先期裸眼完井和后期裸眼完井。裸眼完井只適用與在孔隙型、裂縫型、裂縫孔隙型或孔隙裂縫型堅(jiān)固的均質(zhì)儲集層中使用。儲集層均質(zhì)一般是指產(chǎn)層的滲透性大體相等，堅(jiān)固儲集層是指儲集層的巖石的強(qiáng)度可承受上覆巖石壓力和流體流動(dòng)時(shí)的壓差而不破碎。均質(zhì)儲集層的滲透性可以有較大的范圍，可在0.10.01之間。 這種完井方法比較適合于井中只有單一的儲集層，不需分層開采，無含水含氣夾層的井。比較適用的儲集層巖石是石灰?guī)r、堅(jiān)硬的砂巖、泥、頁巖等。裸眼完井法的優(yōu)點(diǎn)是儲集層直

16、接和井眼連通，油氣流入井眼的阻力最小。尤其是先期裸眼完井的優(yōu)點(diǎn)更為明顯。當(dāng)然，裸眼完井也有缺點(diǎn)。3.1.1 裸眼完井的優(yōu)點(diǎn)(1) 排除了上部地層的干擾，為選用符合打開生產(chǎn)層特點(diǎn)的洗井液提供最充足的條件，可以在受污染最小的情況下打開儲集層。(2) 在打開儲集層的階段如遇到復(fù)雜情況，可及時(shí)提起鉆具到套管內(nèi)處理，避免事故進(jìn)一步復(fù)雜化。(3) 縮短了儲集層在洗井液中的浸泡時(shí)間，減少了儲集層的受傷害程度。(4) 由于是在生產(chǎn)層以上固井，消除了高壓油氣對封固地層的影響，提高了固井質(zhì)量，儲集層段無固井中的污染。3.1.2 裸眼完井的缺點(diǎn)(1) 適應(yīng)面狹窄，不適應(yīng)于非均質(zhì)地層、弱膠結(jié)地層，不能克服井壁坍塌、產(chǎn)

17、層出砂對油氣井的影響。(2) 不能克服產(chǎn)層的干擾，如油、氣、水的互相影響和不同壓力體系的互相干擾。(3) 油井投產(chǎn)后難以實(shí)施酸化、壓裂等生產(chǎn)措施。(4) 先期裸眼完井法是在打開產(chǎn)層之前封固地層，但此時(shí)尚不了解生產(chǎn)層的真實(shí)資料，如果在打開產(chǎn)層的階段出現(xiàn)特殊情況，會給后一步的生產(chǎn)帶來被動(dòng)。3.2 模型的建立3.2.1 利用德魯克-布朗格準(zhǔn)則建立模型（1）生產(chǎn)過程中井壁周圍的應(yīng)力分析假設(shè)井壁周圍的地層為多孔彈性介質(zhì), 井壁周圍的應(yīng)力狀態(tài)可以用以下力學(xué)模型求解: 無限大平面上, 一圓孔受均勻的內(nèi)壓, 而在這個(gè)平面的無限遠(yuǎn)處受兩個(gè)水平地應(yīng)力的作用,其垂直方向上受有上覆巖層壓力, 如圖1 所示。井壁圍巖應(yīng)

18、力分布為 （3-1）式中：最大水平主應(yīng)力； 最小水平主應(yīng)力； 垂直主應(yīng)力； 地層中某點(diǎn)所受的徑向應(yīng)力；地層中某點(diǎn)所受的周向應(yīng)力；地層中某點(diǎn)所受的垂向應(yīng)力； 地層中原始孔隙壓力； 井眼壓力；biot 系數(shù), 對于疏松砂巖=1；泊松比；地層中某一點(diǎn)距井眼軸線的距離；井徑；邊界距井眼軸線的距離。由于井眼附近產(chǎn)生應(yīng)力集中, 使得井壁上的應(yīng)力最大, 因此將井壁上的應(yīng)力與強(qiáng)度準(zhǔn)則相比較, 便可判斷井眼是否穩(wěn)定。圖1井壁受力的力學(xué)模型假設(shè)邊界在有限的距離處, 即: , 邊界條件為 (3-2) 在井壁處邊界條件為 (3-3)在生產(chǎn)過程中井壁為滲透性的，那么 (3-4)井壁處的應(yīng)力分布為 (3-5)式(3-5)

19、 中當(dāng), 即時(shí), 徑向和軸向應(yīng)力達(dá)到最大: (3-6)（2） 出砂預(yù)測模型的建立兩個(gè)常用的巖石破壞準(zhǔn)則為coulomb-mohr 準(zhǔn)則和drucker-prager 準(zhǔn)則。用主應(yīng)力表示的庫侖莫爾準(zhǔn)則為 (3-7) drucker-prager準(zhǔn)則為 (3-8) 其中 (3-9) (3-10) 式中 最大主應(yīng)力； 中間主應(yīng)力； 最小主應(yīng)力；第一偏應(yīng)力不變量；第二偏應(yīng)力不變量； ，巖石強(qiáng)度系數(shù)； 巖石的內(nèi)摩擦角； 巖石的粘聚力。雖然庫侖莫爾破壞準(zhǔn)則比較簡便, 但是它沒有考慮中間主應(yīng)力的影響, 并且應(yīng)用時(shí)要確定各主應(yīng)力的大小。而在生產(chǎn)過程中, 井眼附近的應(yīng)力分布是不斷變化的,主應(yīng)力的大小也隨之變化。

20、這樣, 一方面不能忽視中間主應(yīng)力的影響; 另一方面難以確定主應(yīng)力的大小, 給庫侖莫爾破壞準(zhǔn)則的使用帶來不便。因此, 本文采用drucker -prager 準(zhǔn)則。假設(shè)儲層壓力在某一時(shí)期內(nèi)保持不變, 則井壁應(yīng)力與生產(chǎn)壓差的關(guān)系為 (3-11)利用式(8) 和(11) 可以確定臨界生產(chǎn)壓差 (3-12)式中 從式(3-12) 可以看出, 求臨界生產(chǎn)壓差的表達(dá)式十分復(fù)雜，為了分析計(jì)算方便, 在此提出地層穩(wěn)定性指數(shù)s 的概念。令 （3-13）當(dāng)s > 0 時(shí), 地層穩(wěn)定;當(dāng)s = 0 時(shí), 地層處于臨界狀態(tài);當(dāng)s < 0 時(shí), 地層屈服。（3）各參數(shù)對地層穩(wěn)定性的影響1） 儲層壓力對地層穩(wěn)

21、定性的影響對于膠結(jié)強(qiáng)度比較大的儲層, 一般不會發(fā)生沉降, 隨著孔隙壓力的降低, 有效原地應(yīng)力增大。圖2 是儲層壓力與地層穩(wěn)定性指數(shù)s 間的關(guān)系曲線。假設(shè)原始地應(yīng)力狀態(tài)：；，其中，；。由圖2可以看出, 隨著儲層壓力的衰減, s 變小, 當(dāng)儲層壓力下降至17m pa 時(shí), 地層開始屈服。地層屈服后, 巖石的力學(xué)強(qiáng)度降低了, 在井眼周圍就產(chǎn)生了一個(gè)弱化區(qū), 隨著巖石的變形, 只要流體的拖曳力或壓力波動(dòng)達(dá)到一定的值, 就會使井眼周圍的屈服區(qū)砂粒產(chǎn)出。2）生產(chǎn)壓差對地層穩(wěn)定性的影響假設(shè), 原始地應(yīng)力狀態(tài)、巖石的強(qiáng)度系數(shù)、井深、泊松比等參數(shù)同圖2儲層壓力衰減對地層穩(wěn)定性的影響上。則壓差與地層穩(wěn)定性指數(shù)s

22、的關(guān)系曲線見圖3。由圖3可以看出, 隨著生產(chǎn)壓差的增大， s 變小, 當(dāng)生產(chǎn)壓差達(dá)到8.8m pa 時(shí), 地層開始屈服。因此要保持地層穩(wěn)定, 就要使生產(chǎn)壓差保持在8.8m pa 以下, 根據(jù)這一生產(chǎn)壓差可求出不出砂開采的最高產(chǎn)量。圖3生產(chǎn)壓差對地層穩(wěn)定性的影響3）原始地應(yīng)力狀態(tài)對地層穩(wěn)定性的影響圖4和圖5是在、，h=2000m的條件下，的條件下, 最小和最大水平主應(yīng)力與地層穩(wěn)定性指數(shù)的關(guān)系。由圖4、5 可以看出，隨著最小水平主應(yīng)力的減小和最大水平主應(yīng)力的增大, 水平地應(yīng)力不均勻度增加, 地層穩(wěn)定性變差。因此, 準(zhǔn)確地確定原地應(yīng)力狀態(tài)對出砂預(yù)測也是十分關(guān)鍵的。圖4 最小水平主應(yīng)力對地層穩(wěn)定性指數(shù)

23、的影響 圖5 最大水平主應(yīng)力對地層穩(wěn)定性指數(shù)的影響3.2.2利用庫侖-莫爾準(zhǔn)則建立模型 （1）井壁圍巖應(yīng)力狀態(tài)分析井壁附近的巖石處于地層深處，既受地應(yīng)力作用，又受到鉆采擾動(dòng)力等的作用，所以井壁周圍巖體大多處于損傷軟化狀態(tài)，易于發(fā)生剪切破壞而出砂。因此對井壁的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析對于預(yù)測油井出砂具有重要意義。油井井壁由于受流體滲透力作用,井壁圍巖應(yīng)力要重新分布。假設(shè)井壁圍巖是化學(xué)穩(wěn)定的,即巖石充水后沒有膨脹和收縮,不改變巖石原來的物理力學(xué)性質(zhì),并假設(shè)巖石內(nèi)的滲流滿足達(dá)西定律,那么只要確定出巖石內(nèi)各部分滲透孔隙壓力的變化規(guī)律，即可求得井壁圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。為了進(jìn)行解析分析，可將井壁簡化為厚壁筒問題如圖6

24、所示。厚壁圓筒由多孔材料組成，圓筒中受到流體滲透力的作用,形成一個(gè)孔隙流體壓力場，每點(diǎn)產(chǎn)生滲透力。設(shè)井眼半徑為a，井壁外緣半徑為b ,井底流壓為pa ,遠(yuǎn)場流壓為p0?？紤]滲透情況下井壁圍巖的平衡微分方程為 （3-14）式中,pw 為孔隙壓力,隨r 而變化;m 為與巖土材料相關(guān)的常數(shù)。經(jīng)考察,如果用應(yīng)力函數(shù)f 來確定,并寫成如下形式,即可滿足式(3-14)圖6 井壁力學(xué)模型 (3-15)用徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變表示的變形協(xié)調(diào)方程為 （3-16）井壁圍巖的本構(gòu)方程為 (3-17)將式(3-15) 的應(yīng)力代入本構(gòu)方程(3-17) ,再把這樣得到的應(yīng)變代入式(16) ,就可得到以應(yīng)力函數(shù)f 表示的變形協(xié)

25、調(diào)方程 (3-18)方程式(3-18) 是控制方程式。只要知道了pw 的分布規(guī)律,即可解這個(gè)微分方程求f ,從而把f 代入式(3-16)確定在滲透力作用下的應(yīng)力,。假定井壁滲流服從達(dá)西定律,滿足2 pw = 0 ,則井壁孔隙壓力按下列規(guī)律分布 (3-19)對上式求導(dǎo)得 (3-20)將式(20) 代入式(18) 得 (3-21)上式的通解為 (3-22)因此,井壁的徑向應(yīng)力可表示為 (3-23) (3-24)式中, c1 、c2 為待定常數(shù),必須由邊界條件確定。由邊界條件得井壁的應(yīng)力為 (3-25) (3-26)（2）出砂預(yù)測模型的建立采用裸眼完井的油井，井壁圍巖一般具有較高的強(qiáng)度,只有在地層發(fā)

26、生破壞后，才可能引起出砂。通常井壁圍巖的破壞方式為剪切破壞，根據(jù)mohr -coulomb 準(zhǔn)則可知，此時(shí)徑向和切向應(yīng)力滿足 （3-27）其中, ，為巖石的內(nèi)摩擦角；為巖石的抗壓強(qiáng)度。由于剪切破壞一開始發(fā)生在井壁,因此井壁剛開始破壞時(shí)滿足mohr - coulomb 準(zhǔn)則,將井壁的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力代入式(3-23) 并化簡得 (3-28) 在上式中,可控制的變量只有 ,由上式可求得發(fā)生剪切破壞時(shí)井底流壓為 (3-29) 假設(shè)b = ,則上式變?yōu)?(3-30)從上式可知,油井出砂時(shí)的臨界井底流壓與巖石強(qiáng)度、地應(yīng)力 和油藏壓力 呈線性關(guān)系。巖石強(qiáng)度越大，出砂時(shí)的臨界井底流壓越大;地應(yīng)力和油藏壓力

27、越大，臨界井底流壓越小。如果假定= 30°, = 28mpa , = 15mpa , = 65mpa , = 2/ 3 ,= 0. 3 , 則可計(jì)算出臨界井底流壓為: = 3. 08mpa。（3）儲層參數(shù)對油井出砂的影響假定式(3-30) 中,= 30°，h = 28mpa，c = 60mpa，m = 2/ 3，= 0. 3，則井底流壓與油藏壓力之間的關(guān)系為 （3-31） 圖9 儲層壓力與臨界井底流壓的關(guān)系圖9 為臨界井底流壓與儲層壓力之間的關(guān)系曲線。從圖9 可看出，儲層壓力越高，臨界井底流壓越高，油井越容易出砂。假定式(3-30) 中,= 30°,h = 28m

28、pa , p0 = 15mpa ,c = 65mpa ,m = 2/ 3 ,= 0. 3 ,則井底流壓與巖石抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系為 (3-32) 圖10 臨界井底流壓與巖石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖10比較直觀地反映了臨界井底流壓與巖石抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。從圖10可看出，隨著巖石強(qiáng)度的增加，臨界井底流壓減小。當(dāng)巖石的強(qiáng)度很小時(shí)，臨界井底流壓較高，此時(shí)油井易于出砂。巖石的抗壓強(qiáng)度越大，油井越不容易出砂。假定地應(yīng)力為變量,其它參數(shù)為常量,如令=30°, = 15mpa , = 65mpa ,m = 2/ 3 , = 0. 3 ,則根據(jù)式(3-17) 可得 （3-33）圖11為臨界井底流壓與地應(yīng)力的關(guān)

29、系，可以看出，地應(yīng)力越大，臨界井底壓力越高，越容易出砂。 圖11 臨界井底流壓與地應(yīng)力的關(guān)系4 應(yīng)用實(shí)例根據(jù)上述所建立的模型，用vb編寫了計(jì)算臨界生產(chǎn)壓差的程序。具體程序代碼見附錄，運(yùn)用本程序?qū)︶槍Σ澈Ｓ吞锬尘R界生產(chǎn)壓差進(jìn)行了計(jì)算，得到了井深與臨界生產(chǎn)壓差的關(guān)系曲線圖如下，為實(shí)際的生產(chǎn)施工提供了理論依據(jù)。 圖12 井深與臨界生產(chǎn)壓差的關(guān)系曲線圖5結(jié)論1）影響油井出砂的因素眾多, 因此要根據(jù)不同的地層、不同的完井方法以及出砂的不同過程采取不同的方法研究其出砂機(jī)理。2）通過分析裸眼井周圍的應(yīng)力分布, 利用coulomb-mohr準(zhǔn)則和drucker-prager強(qiáng)度準(zhǔn)則, 建立了相應(yīng)的出砂預(yù)測模

30、型, 提出了地層穩(wěn)定性指數(shù)的概念。并對結(jié)果進(jìn)行對比。3）儲層壓力增加、地應(yīng)力增大、巖石抗壓強(qiáng)度變小時(shí),臨界井底流壓升高,井壁更易于出砂。4）生產(chǎn)壓差對地層穩(wěn)定性具有重要的影響, 隨著生產(chǎn)壓差的增大, 地層穩(wěn)定性變差, 容易引起油井出砂。因此控制生產(chǎn)壓差是減少油井出砂的重要措施。5）巖石發(fā)生剪切破壞后, 在井壁周圍產(chǎn)生屈服區(qū), 此時(shí)砂粒間只有很小的殘余強(qiáng)度, 這時(shí)它的抗拉強(qiáng)度很小, 較小的流速就能將其沖走。因此對于采用裸眼完井的強(qiáng)度比較大的地層而言, 防砂的首要任務(wù)在于防止巖石發(fā)生剪切破壞。參考文獻(xiàn)1 張建國，程遠(yuǎn)方砂拱及其穩(wěn)定性模型的推導(dǎo)與驗(yàn)證石油鉆探技術(shù)1999，27（1）.2 王艷輝等油井

31、出砂預(yù)測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用綜述石油鉆采工藝19943 王艷輝等定向井油氣井出砂模型的建立與參數(shù)分析石油大學(xué)報(bào)19954 王冠貴等泥漿漏失、注水壓裂與采油出砂19855 潭建國使用ansys6.0進(jìn)行有限元分析m.北京：北京大學(xué)出版社，2002.132-186. 6 薄理士a p工程彈性力學(xué)m張建平，譯.北京：科學(xué)出版社,1995.7 王德新，侯明勛油層出砂預(yù)測模型研究j石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2000.24(5):17-198 劉向君，羅平亞石油測井與井壁穩(wěn)定m北京：石油工業(yè)出版社，1999.3-159 賈乃文粘塑性力學(xué)及工程應(yīng)用m北京：地震出版社，2000.110-12010 李介士等編譯水平井完井及增

32、產(chǎn)技術(shù)石油工業(yè)出版社，199211 水平井開采譯文集石油工業(yè)出版社,199112 王鴻勛，張琪采油工藝原理石油工業(yè)出版社13 高德利彈性鉆柱運(yùn)動(dòng)的基本方程問題中國博士后論文集北京大學(xué)出版社,199114 王艷輝防砂完井結(jié)構(gòu)及地層的穩(wěn)定性分析.鉆采工藝1994(3)15 王鐵軍，鮑春雷，王子龍 等聚合物瀝青鉆井液的性能及其應(yīng)用大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004.12，28（6）16 朱敬明巖體力學(xué)中國建筑工業(yè)出版社198417 chenevert m. e. and thompson t. w. :perforation 18th u. s. symp. on rock mech. proc, jun

33、22-24,1977.18 j.p.lower,mobil e&p services inc,and steiner ottesen,mobil r&dmorp.an assessment of the mechanical stability of well offshore nigeria spe 2635119 maaddis and n.r. barton, norwegian geotechnical lnst; s.c. bandis aristotelian v; and j.p. henry, lille v. laboratory studies on the

34、 stability of vertial and deviated boreholes. spe 20406致謝這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我接觸了很多我以前沒有接觸過的東西，也讓我學(xué)到了不少知識。對出砂的原因、裸眼完井出砂模型的建立有了新的認(rèn)識，同時(shí)也學(xué)習(xí)了有關(guān)vb的知識。在這里我對樓一珊教授的指導(dǎo)深表感謝，是他時(shí)刻督促和指導(dǎo)我完成設(shè)計(jì)，沒有他的幫助和鼓勵(lì)，就沒有這篇論文和該程序的完成。同時(shí)也對給我?guī)椭耐瑢W(xué)和朋友表示感謝。由于水平有限，難免有錯(cuò)誤和不足之處，望大家批評指正。附錄一 程序代碼dim sz(16000, 4), grmin, grmax, vcl(16000), sf(16000), pa

35、(16000), ud(16000), dp(16000), s(16000) as singledim zd(16000), zx(16000), vp(16000) as singledim nj(16000) as singledim n as integerprivate sub command1_click()commondialog1.dialogtitle = "測井資料文件" commondialog1.filter = "文本文件|*.txt" commondialog1.cancelerror = ture commondialog1

36、.showopen text1.text = commondialog1.filename if commondialog1.filename = "" thenexit sub end if text4.text = "0.8" text5.text = "0.2" open commondialog1.filename for input as #1 dim i, j, k, sl as integer i = 1 dim str, nowstr, tempstr(1 to 4) as stringss: do while not

37、 eof(1) line input #1, str str = trim(str) sl = len(str) if sl = 0 then goto ss end if k = 1 for j = 1 to sl nowstr = mid(str, j, 1) if nowstr <> " " then tempstr(k) = tempstr(k) + nowstr elseif mid(str, j - 1, 1) <> " " then k = k + 1 end if next j for j = 1 to 4 sz(

38、i, j) = csng(tempstr(j) tempstr(j) = "" next j if sz(i, 2) > grmax then grmax = sz(i, 2) end if if grmin = 0 then grmin = sz(i, 2) elseif sz(i, 2) < grmin then grmin = sz(i, 2) end if i = i + 1 loop '文件讀取結(jié)束 n = i - 1 sep = format(sz(2, 1) - sz(1, 1), "0.00") text2.text

39、= cstr(sep) + "米" text3.text = cstr(sz(1, 1) + "米" + "-" + cstr(sz(n, 1) + "米" close #1end sub'數(shù)據(jù)寫入和保存private sub command2_click() commondialog1.showsave text6.text = commondialog1.filename open "text6.text" for output as #2 for i = 1 to n step 1

40、00 print #2, format(sz(i, 1), "0.000"), format(pa(i), "0.000"), format(dp(i), "0.000"), format(s(i), "0.000") next i close #2 end subprivate sub command3_click() dim i, j as integerdim ls(16000, 4), sf1, sf(16000) as singlefor i = 1 to n for j = 1 to 4 ls(i, j

41、) = sz(i, j) next j next i' 計(jì)算泥質(zhì)含量貢獻(xiàn)系數(shù) dim igr, gxxs(16000) as single for i = 1 to n igr = (ls(i, 2) - grmin) / (grmax - grmin) vcl(i) = (2 (3.7 * igr) - 1) / (2 3.7 - 1) if vcl(i) <= 0.2 then gxxs(i) = 0.6 if vcl(i) >= 0.8 then gxxs(i) = 0.9 if 0.2 < vcl(i) and vcl(i) < 0.8 then gxx

42、s(i) = (vcl(i) - 0.2) / (0.9 - 0.6) next i '計(jì)算泊松比dim vs(16000) as singledim sd as singlefor i = 1 to n vp(i) = 0.3048 * 10 3 / ls(i, 4) sd = 0.704 * vp(i) - 0.554 vs(i) = sd ud(i) = (vp(i) 2 - 2 * (0.704 * vp(i) - 0.554) 2) / (2 * vp(i) 2 - (0.704 * vp(i) - 0.554) 2)next i'計(jì)算上覆巖層壓力 sf(1) = l

43、s(1, 3) * ls(1, 1) * 0.00981 sf1 = sf(1) for i = 2 to n sf(i) = sf(i - 1) + (ls(i, 3) + ls(i - 1, 3) / 2 * 0.00981 * 0.1 next i '計(jì)算最大應(yīng)力和最小應(yīng)力for i = 1 to nzd(i) = (ud(i) / (1 - ud(i) + val(text4.text) * (sf(i) - gxxs(i) * 1.03 * 0.00981 * ls(i, 1) + gxxs(i) * 1.03 * 0.00981 * ls(i, 1)zx(i) = (ud(

44、i) / (1 - ud(i) + val(text5.text) * (sf(i) - gxxs(i) * 1.03 * 0.00981 * ls(i, 1) + gxxs(i) * 1.03 * 0.00981 * ls(i, 1)next i '計(jì)算粘聚力和巖石抗壓強(qiáng)度 dim ky(16000), ys(16000) as single for i = 1 to n ys(i) = ls(i, 3) * (vs(i) * 1000) 2 * (3 * (vp(i) * 1000) 2 - 4 * (vs(i) * 1000) 2) / (1000 * (vp(i) * 1000

45、) 2 - (vs(i) * 1000) 2) ky(i) = 0.0045 * ys(i) + 0.0035 * ys(i) * vcl(i) nj(i) = 3.626 * ky(i) * (10) (-6) * ls(i, 3) * (vp(i) * 1000) 2 - 4 * (vs(i) * 1000) 2 / 3) * (10) (-3)next i'計(jì)算地層穩(wěn)定性系數(shù)s值dim t(16000), p0(16000), nc(16000), nmcj(16000), b(16000), c(16000), d(16000), f1, f2, f3, j1, j2, j3, f(16000), t0(16000), c0(16000), c1(16000) as singlefor i = 0 to n nmcj(i) = (3