疏松砂巖儲層臨界生產(chǎn)壓差確定方法

武海燕

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

疏松砂巖稠油油藏開采過程中，地層孔隙壓力下降，地層有效應力增加，巖石產(chǎn)生彈性形變或塑性形變，巖石形變到一定程度將會引起剪切破壞。生產(chǎn)過程中要提防巖石骨架出砂，否則可能導致地層坍塌、油井報廢，造成不可挽回的損失。

確定油井合理井底流壓，嚴格執(zhí)行油井生產(chǎn)制度是確保油井正常生產(chǎn)，實現(xiàn)油田高效開發(fā)的關(guān)鍵。針對巖石力學參數(shù)獲取難度大的問題，利用測井資料結(jié)合經(jīng)驗公式，獲得渤海灣某油田儲層力學參數(shù)，根據(jù)剪切破壞機理計算臨界出砂井底流壓。

1 疏松砂巖合理生產(chǎn)壓差的數(shù)學模型

巖石在外荷載作用下，首先產(chǎn)生變形，隨著荷載的不斷增加，變形也不斷增加，當荷載達到或超過某一限度時，將導致巖石發(fā)生某種形式的破壞。當油氣儲層巖石在地應力及流體流動力的作用下產(chǎn)生剪切破壞或拉伸破壞時就會造成出砂［1］。

巖石破壞準則的建立與選用反映了巖石的破壞機制，基于對巖石破壞機制的認識不同，提出了各種不同的破壞準則，目前最常用的是Mohr-Coulomb破壞準則［2］:當巖石破裂面上的剪切應力τ等于巖石材料本身的抗剪強度C(亦稱為內(nèi)聚力或黏聚力)與作用于該破裂面上的正應力σ引起的內(nèi)摩擦阻力σtgθ(θ為地層內(nèi)摩擦角)之和時，發(fā)生剪切破壞，造成巖石骨架出砂(圖1)。

圖1 巖石Mohr-Coulomb破壞準則示意圖

該準則關(guān)系式為:

根據(jù)Mohr-Coulomb破壞準則，油井不出砂的最小井底壓力，即臨界井底流壓Pwcr為:

式中:C— 地層內(nèi)聚力，MPa;μd— 動態(tài)泊松比;σzo—上覆巖層壓力，MPa;θ— 地層內(nèi)摩擦角，(°);Pe— 油藏外邊界處壓力，MPa;β— 孔隙彈性介質(zhì)Biot常數(shù)。

2 巖石力學參數(shù)求解方法

2.1 動態(tài)泊松比μd

根據(jù)巖石彈性力學理論，巖石泊松比是縱橫波時差的函數(shù):

式中:Δts— 巖石的橫波時差，μs/m;Δtp— 巖石的縱波時差，μs/m。

對M油田探井2井進行了偶極橫波測井，可利用測井資料準確計算儲層段動態(tài)泊松比。

2.2 三個模量

利用測井資料計算出巖石的剪切模量G、彈性模量Ed和體積模量Kb。

剪切模量G的計算公式為:

彈性模量Ed的計算公式為:

體積模量Kb的計算公式為:

式中:ρb— 砂巖密度，g/cm3;Vs— 巖石的橫波速度，m/s;Vp— 巖石的縱波速度，m/s。

2.3 巖石抗拉強度ST

利用測井資料計算巖石的抗拉強度ST［3］:

式中:ST—巖石抗拉強度，MPa;SC— 巖石單軸抗壓強度，MPa;Vcl— 黏土含量，%。

2.4 巖石抗剪強度SST

巖石抗剪強度計算模型［4］為:

式中:SST— 巖石抗剪強度，MPa。

2.5 砂泥巖內(nèi)聚力C

砂泥巖內(nèi)聚力C與聲波傳播速度Vp的關(guān)系［4］:

2.6 地層內(nèi)摩擦角θ

巖石的內(nèi)摩擦角θ與內(nèi)聚力C的關(guān)系［3］:

3 計算結(jié)果

3.1 力學參數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)上述公式利用測井資料計算獲得該油田各項巖石力學參數(shù)。該油田主要生產(chǎn)層段為5～10油組，分油組巖石力學參數(shù)求解結(jié)果見表1。

表1 分油組力學參數(shù)計算結(jié)果

計算結(jié)果顯示，該油田泊松比為0.36～0.39，巖石抗拉強度為1.0～2.0 MPa，巖石抗剪強度為3.7～7.1 MPa，內(nèi)聚力為6.5 ～14.6 MPa，內(nèi)摩擦角為24.5°～25.0°。

3.2 臨界井底流壓計算結(jié)果

使用測井資料確定的該油田巖石力學參數(shù)后，根據(jù)式(14)計算該油田油井出砂臨界井底流壓，疏松砂巖β取值1.0。5～10油組出砂臨界井底流壓計算結(jié)果見表2。

表2 分油組出砂臨界井底流壓

該油田各油組出砂臨界井底流壓差異較大，計算結(jié)果表明9、10油組生產(chǎn)過程中基本不會出砂，5～8油組出砂臨界井底流壓在4.0～8.0 MPa之間。5、7、8油組為生產(chǎn)易出砂油組，生產(chǎn)壓差在3.3～4.8 MPa之間，既地層可能出砂，這與其油藏埋深相對較淺、黏土含量相對較低、膠結(jié)程度差有直接關(guān)系。

3.3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證

伴隨生產(chǎn)壓差的增大，該油田油井出砂問題顯現(xiàn)，油井出砂后產(chǎn)量遞減明顯，部分油井受出砂影響而關(guān)井。

該油田出砂油井生產(chǎn)過程中出砂臨界生產(chǎn)壓差在3.9～5.5 MPa之間，平均為4.8 MPa。力學模型理論計算結(jié)果(出砂臨界生產(chǎn)壓差3.3～4.8 MPa之間)與油井實際出砂壓差吻合較好，分析可知油井出砂主要來自于5、7、8油組。

4 結(jié)論與建議

(1)利用力學模型理論計算的出砂臨界壓差與油井實際出砂生產(chǎn)壓差吻合較好，計算得到該油田合理井底流壓在7.0～8.0 MPa之間，合理生產(chǎn)壓差在3.4～4.8 MPa之間。

(2)利用Mohr-Coulomb準則可以較為準確地預測出砂臨界井底流壓，該方法可為渤海灣類似疏松砂巖油藏臨界井底流壓的確定提供借鑒。

［1］徐守余，王寧.油層出砂機理綜述［J］.新疆地質(zhì)，2007，25(3):283-286.

［2］王勤田，越彥超，楊晶，等.油井出砂臨界井底流壓計算模型及應用［J］.江漢石油學院學報，2002，24(2):75-76.

［3］李天太，張益，張寧生，等.地層力學特性參數(shù)求解及其在蘇里格地區(qū)的應用［J］.西安石油大學學報:自然科學版，2005，20(5):22-24.

［4］李天太，高德利.井壁穩(wěn)定性技術(shù)研究及其在呼圖壁地區(qū)的應用［J］.西安石油學院學報，2002(3):23-26.