春光油田白堊系儲層出砂規(guī)律預(yù)測及其生產(chǎn)應(yīng)用研究

羅全民，董長銀，王地舉，馮興武，彭建文，許拓拓

(1.中國石化河南油田分公司新疆采油廠，新疆焉耆 841199；2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院；3.中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

春光油田白堊系儲層出砂規(guī)律預(yù)測及其生產(chǎn)應(yīng)用研究

羅全民1，董長銀2，王地舉1，馮興武3，彭建文3，許拓拓2

(1.中國石化河南油田分公司新疆采油廠，新疆焉耆 841199；2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院；3.中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院)

春光油田白堊系稠油儲層為疏松砂巖儲層，生產(chǎn)過程中出砂嚴(yán)重，為此應(yīng)用考慮孔隙壓力的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則建立了臨界出砂生產(chǎn)壓差預(yù)測模型，使用伽馬分布模型建立了出砂速度預(yù)測方法。利用測井資料計算巖石力學(xué)參數(shù)，使用實測地應(yīng)力資料計算了最大、最小水平主應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)，進(jìn)而對春光油田春17井區(qū)白堊系儲層的出砂規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測，得到了出砂臨界壓差和出砂速度。根據(jù)出砂預(yù)測結(jié)果推薦了防砂時機(jī)和防砂后生產(chǎn)制度。

春光油田；白堊系儲層；出砂預(yù)測；臨界壓差

以春17井區(qū)為代表的春光油田白堊系儲層為典型的疏松砂巖儲層，主力層系KⅣ砂組屬于高孔中滲儲層，生產(chǎn)過程中出砂嚴(yán)重，必須采取防砂措施。儲層出砂規(guī)律不明確，對防砂時機(jī)選擇、防砂工藝優(yōu)化、防砂后工作制度優(yōu)化造成了困難，因此出砂規(guī)律預(yù)測對于春光油田白堊系儲層防砂井生產(chǎn)管理至關(guān)重要。

1 出砂規(guī)律預(yù)測模型與方法

圍壓條件下儲層出砂臨界壓差預(yù)測的三個基本要素分別為巖石靜態(tài)強(qiáng)度和變形參數(shù)、巖石破壞準(zhǔn)則、近井地應(yīng)力分布規(guī)律。巖石強(qiáng)度參數(shù)通常使用巖石力學(xué)測試實驗獲得。但由于巖心獲取困難及數(shù)量限制，一般根據(jù)測井資料計算得到，詳細(xì)的計算方法見參考文獻(xiàn)[1-5]。

1.1 巖石破壞準(zhǔn)則選取

巖石破壞準(zhǔn)則有多種，對于疏松砂巖儲層巖石破壞，一般選擇Mohr-Coulomb巖石破壞準(zhǔn)則[3，6]。 對于油氣儲層多孔介質(zhì)巖石，必須考慮孔隙流體壓力。用主應(yīng)力表示的莫爾-庫侖準(zhǔn)則為：

σ1-βp=2σctanα+(σ3-βp) tan2α

(1)

式中 ：σ1、σ3——柱坐標(biāo)中垂向、徑向和切向應(yīng)力中的最大和最小應(yīng)力，MPa；β——Biot常數(shù)，對于高滲透地層一般取值為1；α——失效角，α=φf/2 +π/4，rad；φf——巖石內(nèi)摩擦角，(°)；σc——巖石內(nèi)聚力，MPa；p——孔隙流體壓力，MPa。

1.2 近井地帶彈性應(yīng)變時應(yīng)力分布計算

預(yù)測儲層出砂臨界壓差時，一般首先假設(shè)地層為彈性變形，計算彈性應(yīng)力分布。當(dāng)應(yīng)力超出巖石破壞準(zhǔn)則時，儲層破壞，此時的井底流壓即為出砂臨界井底流壓。描述近井彈性變形條件應(yīng)力分布一般使用Lubinski模型，它假設(shè)地層巖石為各向同性、忽略溫度場影響，任意位置的井筒圍巖有效應(yīng)力為[6-7]：

(2)

在井壁上有r=ri，代入上式得到井壁有效應(yīng)力：

(3)

式中：θ——與最大水平主應(yīng)力σh,max的夾角，rad；r——距井眼中心的徑向距離，m；ri——井眼半徑，m；pi——井底流壓，MPa；p——地層孔隙壓力，MPa；σh,max、σh,min——原始地層最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力，MPa；σv——原始垂向地應(yīng)力，MPa；τrθ——井眼圍巖的剪切應(yīng)力，MPa；σr、σθ、σz——分別為彈性區(qū)有效徑向、切向與垂向應(yīng)力，MPa。

1.3 臨界出砂生產(chǎn)壓差計算方法

式(3)表明，油井近井地應(yīng)力分布于井底流壓pi有關(guān)。已知巖石強(qiáng)度以及井壁應(yīng)力分布，可使用巖石破壞準(zhǔn)則判斷井壁巖石是否發(fā)生破壞，或計算井壁巖石處于臨界破壞狀態(tài)下的井底流壓大小，即臨界出砂井底流壓。為了計算臨界井底流壓，假設(shè)在井壁位置r=ri處，巖石應(yīng)力狀態(tài)正好符合莫爾-庫倫巖石破壞準(zhǔn)則。將r=ri處的最大、最小應(yīng)力σ1、σ3(井底流壓pi的函數(shù))代入式(1)得到關(guān)于井底流壓pi的方程(為了便于表述，下式中的井底流壓使用pwf表示)：

σ1(pwf)-β×p(pwf)=

2σctanα+[σ3(pwf)-β×p(pwf)]×tan2α

(4)

以pwf為未知數(shù)，求解方程(4)得到的井底流壓即為出砂臨界井底流壓，轉(zhuǎn)換可得到臨界生產(chǎn)壓差：

Δpc=pr-pwfc

(5)

式中：pwfc——臨界出砂井底流壓，MPa；Δpc——臨界出砂生產(chǎn)壓差，MPa；pr——地層靜壓，MPa。

1.4 出砂速度預(yù)測的伽馬分布模型

統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，出砂速度隨時間的變化趨勢遵循伽馬分布規(guī)律，出砂速度存在峰值。出砂速度使用的伽馬分布模型為：

(6)

(7)

對上式作一定的壓力因素線性修正，在生產(chǎn)壓差Δp下出砂量為：

(8)

2 春光油田白堊系儲層出砂規(guī)律預(yù)測

2.1 儲層巖石強(qiáng)度縱向分布規(guī)律計算

利用春17井區(qū)春17-10井的聲波、密度和自然伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)計算得到了巖石強(qiáng)度參數(shù)隨井深的分布規(guī)律如圖1所示。

圖1 春17-10井巖石強(qiáng)度參數(shù)分布計算結(jié)果

計算了春17井區(qū)16口井白堊系儲層的巖石強(qiáng)度，統(tǒng)計得到白堊系儲層平均巖石泊松比0.2744，楊氏模量7089 MPa，抗壓強(qiáng)度8.09 MPa，抗拉強(qiáng)度1.35 MPa，內(nèi)聚強(qiáng)度2.01 MPa，內(nèi)摩擦角26.56°。從巖石強(qiáng)度分析，春光油田白堊系儲層屬于疏松易出砂儲層。

2.2 原始主應(yīng)力剖面計算

最大和最小水平應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)是計算地應(yīng)力的關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)春光油田春17區(qū)塊實際地應(yīng)力測試結(jié)果，在958～965 m井段，實際水平最大、最小主應(yīng)力分別為21.21 MPa和16.89 MPa，垂向主應(yīng)力為19.84 MPa。根據(jù)黃榮樽兩向不等應(yīng)力模型，反求春17井區(qū)白堊系最大最小水平主應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)分別為0.848和0.270。

根據(jù)上述水平應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)，利用測井資料及巖石力學(xué)參數(shù)計算了春17-10井原始地層主應(yīng)力剖面，如圖2所示。

2.3 臨界出砂生產(chǎn)壓差預(yù)測分析

根據(jù)巖石強(qiáng)度參數(shù)以及主應(yīng)力，使用本文模型計算得到春17-10井白堊系三個小層出砂臨界生產(chǎn)壓差縱向分布如圖3所示。春17-10井白堊系儲層的出砂臨界壓差為0.8～1.0 MPa，為儲層靜壓的6%～8%。

圖2 春17-10井原始主應(yīng)力剖面

圖3 春17-10井白堊系儲層出砂臨界生產(chǎn)壓差的縱向分布規(guī)律

使用同樣方法預(yù)測了春17井區(qū)16口井的臨界出砂生產(chǎn)壓差縱向分布規(guī)律，統(tǒng)計了白堊系及其他層系的出砂臨界壓差。春17井區(qū)白堊系儲層出砂臨界壓差平均1.65 MPa，較低值0.5 MPa左右，正常生產(chǎn)條件下容易出砂。新近系沙灣組出砂臨界壓差約為1.62 MPa，古近系約為1.53 MPa，侏羅系約為2.14 MPa，石炭系約為4.07 MPa。

對于白堊系儲層，根據(jù)產(chǎn)量需求，配產(chǎn)條件下生產(chǎn)壓差要求達(dá)到3～4 MPa；而根據(jù)出砂預(yù)測結(jié)果，白堊系平均出砂臨界壓差生產(chǎn)壓差僅有1.65 MPa左右，遠(yuǎn)低于實際生產(chǎn)壓差。因此，對于白堊系儲層，油井投產(chǎn)前必須采用先期防砂完井。

3 出砂預(yù)測結(jié)果在生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 出砂速度及其在防砂時機(jī)優(yōu)化中的應(yīng)用

春光油田垂直井使用套管射孔完井，允許生產(chǎn)一段時間后采取后期防砂措施，因此存在防砂時機(jī)選擇的問題。在油井防砂之前，允許油井出砂及攜砂生產(chǎn)一段時間，以排出井底近井地帶的游離砂和細(xì)砂成分，疏通近井地帶，同時避免防砂過早造成地層細(xì)砂在近井堆積，形成低滲透帶，進(jìn)而影響油井產(chǎn)量。防砂時機(jī)優(yōu)化的方法主要是根據(jù)地層不防砂情況下出砂量隨時間的變化規(guī)律來確定。利用本文模型對春17-10井KIV3小層進(jìn)行給定實際生產(chǎn)條件下的地層出砂速度隨時間的變化規(guī)律預(yù)測，結(jié)果如圖4所示。

圖4 春17-10井地層出砂濃度隨生產(chǎn)時間變化

根據(jù)圖4的結(jié)果，在給定的生產(chǎn)壓差下，儲層出砂速度是隨生產(chǎn)時間明顯變化的。出砂速度峰值對應(yīng)的生產(chǎn)時間約為30 d左右，當(dāng)生產(chǎn)時間50 d后，出砂速度峰值開始回落。良好的防砂時機(jī)是躲避出砂高峰期，因此推薦春光油田白堊系儲層的油井防砂時間為30～50 d。

3.2 油井防砂后生產(chǎn)制度優(yōu)化

目前春光油田白堊系儲層防砂工藝多采用礫石充填防砂，油井防砂后生產(chǎn)過程中，地層砂會侵入礫石層造成滲透率下降，并且，生產(chǎn)壓差越大，產(chǎn)量越高，地層砂侵入礫石層越嚴(yán)重[8-10]。根據(jù)這一規(guī)律，礫石充填防砂井合理生產(chǎn)壓差確定的主要思路與方法為：①預(yù)測得到不防砂情況下氣井的出砂臨界生產(chǎn)壓差△pc；②計算分析擋砂介質(zhì)堵塞規(guī)律及其受生產(chǎn)壓差影響的程度和變化規(guī)律；③ 根據(jù)擋砂介質(zhì)堵塞程度隨生產(chǎn)壓差的變化規(guī)律，確定合理的有效生產(chǎn)壓差△pe，該壓差為允許的高于不防砂臨界出砂生產(chǎn)壓差△pc的最大值；④防砂井合理生產(chǎn)壓差應(yīng)控制在△p=△pc+△pe之內(nèi)。

圖5為模擬得到的20～40目礫石層滲透率在春10井區(qū)10%細(xì)砂侵入情況下隨圍壓的變化規(guī)律，圖6為預(yù)測得到的循環(huán)礫石充填防砂產(chǎn)能比隨炮眼礫石層滲透率的變化規(guī)律。根據(jù)圖6，炮眼礫石層滲透率約25 μm2之前，產(chǎn)能比增加明顯；超過25 μm2后，隨著充填滲透率的提高，產(chǎn)能比變化較小。因此，在進(jìn)行礫石充填防砂時，應(yīng)最少保證充填帶滲透率不低于25 μm2，該滲透率對應(yīng)圖5中的最大圍壓為不超過2.5 MPa，該值即確定為△pe。

圖5 礫石滲透率隨圍壓的變化規(guī)律

圖6 產(chǎn)能比隨環(huán)空充填滲透率變化

春17井區(qū)白堊系平均出砂臨界生產(chǎn)壓差約為1.65 MPa，允許合理生產(chǎn)壓差為1.65 MPa + 2.5 MPa=4.15 MPa，約為不防砂情況下出砂臨界壓差的2.5倍。因此，為了避免礫石充填層的過度侵入和壓實降低滲透率，推薦春光油田白堊系儲層礫石充填防砂后的合理生產(chǎn)壓差為不防砂情況下出砂臨界壓差的2.5倍左右。

另外，為了避免儲層的應(yīng)力敏感以及投產(chǎn)早期防砂介質(zhì)的過度堵塞降低產(chǎn)量，在礫石充填防砂后投產(chǎn)時應(yīng)該逐步放大壓差，緩慢建立起生產(chǎn)壓差，直到達(dá)到配產(chǎn)要求。推薦根據(jù)配產(chǎn)或預(yù)定的生產(chǎn)壓差大小，通過3～5次更換工作制度達(dá)到逐步提產(chǎn)目的，每個工作制度的工作持續(xù)時間推薦12～24 h。

4 結(jié)論與建議

(1)針對春光油田白堊系稠油儲層垂直井，考慮近井地應(yīng)力分布，應(yīng)用Mohr-Coulomb巖石破壞準(zhǔn)則建立了臨界出砂生產(chǎn)壓差預(yù)測模型及方法。

(2)春光油田最大、最小水平主應(yīng)力構(gòu)造系數(shù)分別為0.848和0.270，據(jù)此進(jìn)行地應(yīng)力及出砂預(yù)測，得到了單井出砂臨界壓差縱向分布規(guī)律。白堊系儲層出砂臨界生產(chǎn)壓差約為1.65 MPa。

(3)春光油田油井防砂時機(jī)應(yīng)處于出砂高峰期后，以排出近井游離砂和細(xì)砂，避免細(xì)砂堵塞降產(chǎn)。油井投產(chǎn)后，如果地面條件允許，可不防砂生產(chǎn)30～50 d后再采取防砂措施。

(4)推薦春光油田白堊系儲層礫石充填防砂后的合理生產(chǎn)壓差為不防砂情況下出砂臨界壓差的2.5倍左右，根據(jù)配產(chǎn)或預(yù)定的生產(chǎn)壓差大小，通過3～5次更換工作制度達(dá)到逐步提產(chǎn)目的，每個工作制度的工作持續(xù)時間12～24 h。

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編輯：李金華

1673-8217(2015)05-0124-04

2015-04-26

羅全民，高級工程師，碩士，1968年生，2010年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事采油工藝研究應(yīng)用工作。

TE357

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