姚先榮， 楊 成， 晏 凌， 熊祖根， 姚瑋佳， 王雪松

(1 中國(guó)石油川慶鉆探工程公司 2中國(guó)石油塔里木油田分公司)

庫車克深區(qū)塊屬于典型的高溫、高壓、超深氣田。研究區(qū)塊目的層巖石類型以巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，含少量長(zhǎng)石巖屑[1]，該區(qū)塊白堊系巴什基奇克組壓裂酸化改造層段，巖石強(qiáng)度會(huì)降低，井筒失穩(wěn)幾率增加，存在因地層出砂導(dǎo)致井下管柱和地面開采設(shè)備磨蝕的風(fēng)險(xiǎn)[2]。油氣井的出砂量影響因素有：油氣開采流量過大導(dǎo)致井眼圍巖拉伸破壞；生產(chǎn)井圍巖過高引起的砂礫運(yùn)移；地層含水率的上升以及地層空隙壓力的減小[3-7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地層出砂模型開展了廣泛的研究，M-C模型是部分學(xué)者M(jìn)ohr-Coulomb準(zhǔn)則作為剪切破壞模型的理論依據(jù)的延伸[8]。不同于M-C模型，D-P模型通過在主應(yīng)力空間假設(shè)破裂面的形狀來建立屈服準(zhǔn)則，以靜水壓力軸為軸線的圓柱體[9]從而得出臨界出砂壓力。HansVaziri等人也提出過針對(duì)于砂巖油氣層的最大臨界生產(chǎn)壓差確定模型[10]。而抗壓強(qiáng)度模型的理論[11]認(rèn)為隨著儲(chǔ)層井眼圍巖最大切應(yīng)力增大，超過其單軸抗壓強(qiáng)度，引起井壁圍巖受力不平衡，巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終出現(xiàn)儲(chǔ)層出砂現(xiàn)象。本文通過巖石三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，獲得彈性模量、泊松比等多項(xiàng)巖石力學(xué)參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，分析優(yōu)選了上述四種預(yù)測(cè)出砂模型，得出了D-P模型適用于該區(qū)塊的結(jié)論。

一、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過巖石三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)[12]測(cè)試儀與伺服試驗(yàn)機(jī)，分別獲得了庫車凹陷構(gòu)造帶上典型出砂K-1和K-2井所處工區(qū)巖心的彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù)[13]，計(jì)算獲得水平最大和最小地應(yīng)力等參數(shù)[14〗]。測(cè)試環(huán)境溫度與濕度分別控制在100℃～140℃、54% ～58%RH，使用恒溫箱烘巖樣設(shè)置溫度為80℃，24 h后將樣品取出放于干燥，注意皿底部應(yīng)放有吸濕硅膠進(jìn)行自然冷卻。

1．巖石力學(xué)參數(shù)分析

巖本實(shí)驗(yàn)計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)除了巖石抗壓強(qiáng)度、靜態(tài)彈性模量、靜態(tài)泊松比、動(dòng)態(tài)彈性模量還包括動(dòng)態(tài)泊松比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角及Biot系數(shù)等?；谇捌谌S巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)又求得巴什基奇克組粉砂巖和細(xì)砂巖的抗壓強(qiáng)度、楊氏模量等巖石力學(xué)參數(shù)。表1為不同圍壓(25 MPa、32.5 MPa、40 MPa)三軸壓力巖心實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表。表2為巖心在實(shí)驗(yàn)溫度120℃、實(shí)驗(yàn)圍壓40 MPa的三軸壓力實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表。

通過動(dòng)、靜態(tài)巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換模型及巖石力學(xué)參數(shù)測(cè)井計(jì)算方法，確定了克深坳陷塊的巖石力學(xué)參數(shù)的計(jì)算方法及取值。

表1 不同圍壓三軸壓力巖心實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

表2 巖心三軸壓力實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

2.地應(yīng)力分析

由于欠壓實(shí)和上覆巖石封蓋作用等影響，孔隙應(yīng)力較大導(dǎo)致地應(yīng)力隨構(gòu)造應(yīng)力也較大，儲(chǔ)層段白堊系地層屬于異常高壓地層，孔隙壓力系數(shù)在1.7左右。同時(shí)由于K-1、K-2井儲(chǔ)層傾角較大(分別為60°和8.2°)，故水平主應(yīng)力計(jì)算需要考慮地層傾角的影響。

分段求和，計(jì)算垂向應(yīng)力：

Sv=0.0098068∑ρiΔDi

(1)

式中：ρi—密度，g/cm3；ΔDi—深度采樣間隔，m。

計(jì)算地應(yīng)力時(shí)在黃氏模型的基礎(chǔ)上有考慮地層傾角對(duì)地應(yīng)力的影響：

(2)

αc=γ+φ；αr=90-γ+φ

式中：μ—泊松比，無量綱；p0—上覆巖層壓力，MPa；pp—地層孔隙壓力，MPa；α—有效應(yīng)力系數(shù)，無量綱；γ—井斜角，°；φ—地層傾角，°；β1、β2—β1=0.6723，β2=0.2547，無量綱；SH—最大水平地應(yīng)力，MPa;Sh—最小水平地應(yīng)力，MPa。

比較未考慮與考慮地層傾角的黃氏模型儲(chǔ)層地應(yīng)力情況，前者所得最大與最小地應(yīng)力相對(duì)誤差分別為3.4%、3.05%，后者最大與最小地應(yīng)力相對(duì)誤差分別為1.1%、1.3%。因此黃氏模型在考慮地層傾角后與真實(shí)值更接近，本文中地應(yīng)力計(jì)算均選用考慮地層傾角黃氏模型。

二、討論

根據(jù)所求巖石力學(xué)參數(shù)，對(duì)K-1和K-2兩口工區(qū)典型井進(jìn)行出砂預(yù)測(cè)。

表3 K-1井目的層臨界井底流壓表

1.K-1井儲(chǔ)層出砂預(yù)測(cè)分析

表3中實(shí)際井底流壓從K-1井試采情況得到。當(dāng)井底臨界流壓與實(shí)際地層流壓之差在0～10 MPa之間、高于10 MPa以及低于0即表示井底臨界流壓小于實(shí)際地層流壓，出砂結(jié)果依次為儲(chǔ)層出砂輕微型、儲(chǔ)層出砂嚴(yán)重型、不出砂型表示地層穩(wěn)定不易出砂。

圖1 K-1井出砂預(yù)測(cè)結(jié)果展示圖

由表3和圖1可看出：使用M-C模型、Vaziri模型計(jì)算，井底臨界流壓低于實(shí)際地層流壓，即地層穩(wěn)定且不出砂；使用D-P模型計(jì)算，井底臨界流壓與實(shí)際地層流壓差值基本位于0～10 MPa之間，且又基本大于實(shí)際地層流壓，綜合分析為儲(chǔ)層輕微出砂；使用抗壓強(qiáng)度模型計(jì)算，井底臨界流壓與實(shí)際地層流壓之間差值都超過10 MPa，而且全都大于實(shí)際地層流壓，結(jié)果預(yù)測(cè)為儲(chǔ)層出砂嚴(yán)重。

由圖2 K-1井試油試采情況可知，生產(chǎn)過程中存在輕微出砂現(xiàn)象，K-1井目的層組合模量值為(2.0～4.0)×104MPa說明儲(chǔ)層存在出砂的機(jī)率較小，然而D-P模型預(yù)測(cè)超深高溫高壓儲(chǔ)層出砂情況與實(shí)際出砂情況相符，表明組合模量法不適用于預(yù)測(cè)此類超深高溫高壓儲(chǔ)層出砂機(jī)率，可考慮D-P模型預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)出砂結(jié)果。

圖2 K-1井測(cè)井曲線圖(現(xiàn)場(chǎng))

注：1 in=25.4 mm。

2.K-2井儲(chǔ)層出砂預(yù)測(cè)分析

同理，根據(jù)K-2井儲(chǔ)層段出砂預(yù)測(cè)展示圖(圖3)、K-2井目的層臨界井底流壓表(表4)，表明D-P模型與抗壓強(qiáng)度模型計(jì)算出的井底臨界流壓都高于實(shí)際地層流壓，同時(shí)井底臨界流壓基本高于實(shí)際地層流壓超過10 MPa，該儲(chǔ)層段預(yù)測(cè)結(jié)果為嚴(yán)重出砂，又由現(xiàn)場(chǎng)試采實(shí)際出砂情況，D-P模型與抗壓強(qiáng)度模型預(yù)測(cè)出砂情況與實(shí)際工況相符。

圖3 K-2井出砂預(yù)測(cè)結(jié)果展示圖

井深/mM-C模型/MPaD-P模型/MPaVaziri 模型/MPa抗壓強(qiáng)度模型/MPa實(shí)際井底流壓/MPa656190.89107.24105.2114.0893.1658185.34111.9790.49120.5693.1660188.60109.04101.10110.1293.1662191.51121.9889.32123.6793.1664185.90115.6297.02105.9893.1666188.43104.9889.08131.0193.1668190.23103.3591.16126.3893.1670190.729100.2898.1115.6093.1672180.72109.08102.56120.1893.1674181.43110.9789.12112.0293.1676182.44100.9295.07106.6493.1678183.98107.8285.44114.0993.1

三、結(jié)論

(1)分析使用M-C模型、D-P模型、Vaziri模型和抗壓強(qiáng)度模型4種模型計(jì)算臨界井底流壓，進(jìn)行初步判斷后比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)井試采出砂情況。

(2)預(yù)測(cè)分析兩口井所在區(qū)塊儲(chǔ)層段出砂結(jié)果，采用D-P模型分析儲(chǔ)層段對(duì)K-1、K-2井出砂預(yù)測(cè)，與實(shí)際情況相符，常用組合模量模型法不適用于預(yù)測(cè)該區(qū)含超深高溫高壓儲(chǔ)層出砂情況，考慮儲(chǔ)層孔眼圍巖應(yīng)力的D-P模型能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)克深儲(chǔ)層出砂情況，建議選用D-P模型作為該區(qū)塊儲(chǔ)層出砂最佳預(yù)測(cè)模型。

[1]張榮虎，楊海軍，王俊鵬，等.庫車坳陷超深層低孔致密砂巖儲(chǔ)層形成機(jī)制與油氣勘探意義[J].石油學(xué)報(bào)，2014，35(6): 1057-1069.

[2]孫樹強(qiáng)，李忠慧，謝云紅，等.油井出砂臨界井底流壓計(jì)算模型的確定[J].石油天然氣學(xué)報(bào)， 2006，28(4): 378-380.

[3]熊友明，潘迎德.產(chǎn)層巖石堅(jiān)固程度判別指標(biāo)“C”公式及其應(yīng)用[J]. 西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)， 1994，5(2): 67-73.

[4]李兆敏，林日億，王淵，等.高含水期射孔井出砂預(yù)測(cè)模型的建立及應(yīng)用[J]. 石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，27(4): 58-65.

[5]饒鵬，唐剛，董長(zhǎng)銀，等.以臨界生產(chǎn)壓差法進(jìn)行澀北氣田出砂預(yù)測(cè)研究[J].天然氣勘探與開發(fā)，2005，28(2): 32-35.

[6]叢洪良，盛宏至.疏松砂巖油藏油井出砂量預(yù)測(cè)模型及應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2006，28(2): 120-124.

[7]劉新鋒，樓一珊，朱亮，等.油層出砂預(yù)測(cè)及其發(fā)展趨勢(shì)研究[J].西部探礦工程，2007(1): 56-58.

[8]劉向軍，羅平亞.巖石力學(xué)與石油工程[M].北京石油工業(yè)出版社，2004：118-122.

[9]閆鐵，李士斌.深部井眼巖石力學(xué)理論與實(shí)踐[M].北京石油工業(yè)出版社，2002：11-33.

[10]Yamamoto K, MitsuoTamura. Borehole instability analysis in an anisotropic and heterogeneous shale formation[J]. SPE 103883, 2006: 289-294.

[11]左星，申軍武，李薇，等.油氣井出砂預(yù)測(cè)方法綜述[J].西部探礦工程，2006(12): 93-94，96.

[12]王建，呂成遠(yuǎn)，李?yuàn)^，等.預(yù)測(cè)油層出砂狀況室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)方法的建立與應(yīng)用[J].西北地質(zhì)，2000，33(2): 8-13.

[13]樓一珊.地層傾角對(duì)地層坍塌壓力的影響關(guān)系[J].中國(guó)海上油氣(地質(zhì))，1998，12(5): 339-341.

[14]路保平，鮑洪志.巖石力學(xué)參數(shù)求取方法進(jìn)展.石油鉆探技術(shù)，2009，33(5): 44-47.