郭敏靈 董 釗

(1. 中海油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)分公司， 廣東 湛江 524057；2. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057)

海上疏松砂巖出砂快速分析系統(tǒng)研究

郭敏靈1董 釗2

(1. 中海油能源發(fā)展有限公司工程技術(shù)分公司， 廣東 湛江 524057；2. 中海石油(中國)有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057)

出砂是海上油氣田開發(fā)過程中經(jīng)常面臨的問題，大型出砂分析軟件和室內(nèi)實驗?zāi)芴峁┚_度較高的分析判斷結(jié)果。一方面需要大量的油藏地質(zhì)數(shù)據(jù)，而在勘探開發(fā)程度較低的地區(qū)卻難以獲取足夠參數(shù)；另一方面，室內(nèi)實驗研究需要巖心的支持，但巖心獲取成本極高，尤其是開發(fā)成本高昂的海上油氣田。為此，整合經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃途雀叩牧W(xué)模型，從經(jīng)驗判斷、出砂風(fēng)險分析、圍巖塑性破壞區(qū)分布等多種角度進(jìn)行出砂趨勢的研究，編制防砂設(shè)計模塊，建立了一套使用便捷，能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場，能為現(xiàn)場人員提供更為全面準(zhǔn)確的出砂趨勢判斷的分析系統(tǒng)。

出砂分析； 防砂設(shè)計； 分析系統(tǒng)

油氣井出砂是油氣田開發(fā)過程經(jīng)常面臨的問題，尤其是埋藏較淺的海上疏松砂巖油田。由于壓實成巖作用差，儲層膠結(jié)疏松，海上油氣田開采過程中出砂問題較陸地油田更為普遍[1]。

在油氣層出砂預(yù)測和防砂方式選擇方面已有了大量的研究[2-6]。從早期通過巖心觀察進(jìn)行地層強(qiáng)度判斷，到分析巖石彈性模量、剪切模量性質(zhì)，找出巖石特性臨界值來進(jìn)行出砂定性預(yù)測，再到室內(nèi)巖心模擬實驗和以數(shù)值模擬和巖石力學(xué)為基礎(chǔ)的大型軟件，已形成了較為成熟、系統(tǒng)的出砂分析方法。

大型出砂分析軟件和室內(nèi)實驗?zāi)芴峁┚_度較高的分析判斷結(jié)果，但也存在局限性。一是大型出砂軟件通常都需要大量的油藏地質(zhì)數(shù)據(jù)，在勘探開發(fā)程度較低的地區(qū)難以獲取足夠參數(shù)；二是目前尚沒有成熟的國產(chǎn)化出砂分析軟件，已有軟件全部為國外公司研發(fā)，購買成本十分高昂，難以普及應(yīng)用；三是室內(nèi)實驗研究需要巖心支持，但巖心獲取成本極高，尤其是開發(fā)成本高昂的海上油氣田，只有關(guān)鍵井才會進(jìn)行取心作業(yè)，室內(nèi)實驗難以大量開展。

在此背景下，整合最新的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，建立一套使用便捷，能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場，能進(jìn)行快速出砂判斷和防砂方式選擇的分析系統(tǒng)，為現(xiàn)場人員提供更為全面準(zhǔn)確的出砂趨勢判斷是十分必要的。

1 系統(tǒng)模塊的建立

分析系統(tǒng)基于MATLAB平臺進(jìn)行編制。橫向上包括出砂定性預(yù)測、地應(yīng)力及出砂風(fēng)險分析、防砂方式和精度選擇3個主模塊；縱向上，每一個主模塊都由參數(shù)輸入模塊、運算模塊、結(jié)果選擇及可視化模塊組成(見圖1)。

1.1 定性預(yù)測模塊

在出砂定性預(yù)測模塊，采用應(yīng)用最為廣泛的出砂預(yù)測經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚7]，包括出砂指數(shù)法、斯倫貝謝法和聲波時差法，對地層的出砂趨勢作初步判定。

該經(jīng)驗預(yù)測模型應(yīng)用最為成熟、普及，使用便捷，但考慮因素單一，涉及到的基礎(chǔ)參數(shù)僅有測井聲波數(shù)據(jù)，獲得的結(jié)果精度較差，因此只能提供初步的出砂判斷參考。

1.2 綜合分析模塊

鑒于經(jīng)驗?zāi)K的不足，綜合分析模塊考慮了對儲層出砂影響最大的應(yīng)力因素，從多種角度分析儲層的出砂趨勢。該模塊由3個子模塊組成：近井應(yīng)力場分布模塊、巖石塑性破壞區(qū)分布模塊、出砂風(fēng)險分析模塊。

圖1 出砂分析系統(tǒng)的模塊組成

1.2.1 近井應(yīng)力場分布模塊

根據(jù)材料力學(xué)[8]，建立直井井眼巖石微元受原地應(yīng)力及井筒靜液柱壓力影響的應(yīng)力場模型，經(jīng)過一系列的坐標(biāo)變換[9]，獲得斜井和水平井任意位置巖石微元的受力模型：

(1)

在該模型基礎(chǔ)上，可模擬周向應(yīng)力、徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力及其各向分應(yīng)力隨井斜角、井周角、方位角的分布情況，為后面的出砂趨勢運算分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2.2 巖石塑性破壞區(qū)分布模塊

該模塊基于地層巖石彈塑性變形理論[9]，建立出砂水平井近井塑性區(qū)應(yīng)力分布模型：

(2)

利用試算法，迭代計算出全井段任意位置的塑性破壞區(qū)半徑。

1.2.3 出砂風(fēng)險分析模塊

以前述近井應(yīng)力場為基礎(chǔ)，選用Drucker-Prager準(zhǔn)則作為巖石破壞準(zhǔn)則，采用試算法迭代獲得巖體失穩(wěn)的臨界壓力值，該值越高表示地層出砂風(fēng)險越大。繪制出砂風(fēng)險云圖，分析不同井斜角和方位角的出砂風(fēng)險級別。

1.3 防砂設(shè)計模塊

整合目前國內(nèi)外的防砂設(shè)計方法，包括Saucier法、Tiffin法、George法以及中國海上疏松砂巖適度防砂方式優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)。這些方法各有其優(yōu)缺點和適用范圍。在系統(tǒng)內(nèi)可以查看各方法的設(shè)計結(jié)果，綜合對比后決定最終方案。

2 應(yīng)用實例分析

將系統(tǒng)應(yīng)用于南海西部某油田D3H井進(jìn)行實例分析，主要參數(shù)見表1。

表1 防砂設(shè)計基礎(chǔ)參數(shù)

根據(jù)應(yīng)力場分布模塊預(yù)測結(jié)果可知，在不同地應(yīng)力方向條件下，切應(yīng)力隨井斜角的變化而變化。井眼在水平最小地應(yīng)力方位時，切應(yīng)力和出砂量隨井斜角的增加而減??；井眼在水平最大地應(yīng)力方位時，切應(yīng)力和出砂量隨井斜角增加而增加。

將D3H井與較早開發(fā)的D2H井的巖石塑性破壞區(qū)分布預(yù)測結(jié)果對比可知：D2H井塑性破壞區(qū)半徑為0.420 m，D3H井為0.546 m，D3H井塑性破壞區(qū)范圍更大，出砂程度更嚴(yán)重(見圖2)。這一結(jié)果與該油田的實際生產(chǎn)情況一致。

圖2 巖石塑性破壞區(qū)分布預(yù)測圖

根據(jù)防砂設(shè)計模塊預(yù)測結(jié)果可知，Johnson圖版和UPC圖版的落點都在礫石充填區(qū)域，輸入?yún)?shù)超出Tiffin圖版的適用范圍，沒有落點顯示，因此選擇礫石充填防砂方式。根據(jù)擋砂精度選擇圖版，選擇108 μm作為擋砂精度。該井實際作業(yè)采用的是礫石充填防砂方式，擋砂精度為105 μm，這與系統(tǒng)獲得的結(jié)果十分接近。

3 結(jié) 語

(1) 整合較新的數(shù)值模擬模型，建立了一套使用便捷，能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場，能從多個角度進(jìn)行快速出砂判斷和防砂方式選擇的分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)界面友好，操作簡便，適應(yīng)性強(qiáng)。

(2) 該系統(tǒng)對D3H井做出的出砂判斷結(jié)果與該井實際情況一致，表明該系統(tǒng)出砂判斷的準(zhǔn)確度能滿足實際應(yīng)用的要求。

[1] 周守為.海上稠油高效開發(fā)新模式研究及應(yīng)用[J].西南石油大學(xué)學(xué)報，2007，29(5)：1-4.

[2] STEIN N， HILCHIE D W. Sand production determined from noise measurements[G].SPE 5500，1999：75-84.

[3] ALIREZA N， HANS V， HADI B. Comprehensive transient modeling of sand production in horizontal wellbores[G].SPE 84500，2003：45-51.

[4] 尉亞民，王愛萍.基于出砂特征半徑的水平井出砂臨界生產(chǎn)壓差預(yù)測模型[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，35(2)：85-90.

[5] 任宜偉，謝雙喜，陳舟圣，等.斜井射孔完井出砂預(yù)測模型的建立及應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2012，34(2)：30-33.

[6] 師俊峰，劉玉章，吳曉東，等.基于突變理論的油氣井出砂預(yù)測新方法[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，32(2)：128-132.

[7] 朱德武.出砂預(yù)測技術(shù)進(jìn)展[J].鉆采工藝，1996，19(6)：23-26.

[8] 樓一珊，金業(yè)權(quán).巖石力學(xué)與石油工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006：113-114.

[9] 金衍生，陳勉，柳貢慧，等.大位移井的井壁穩(wěn)定力學(xué)分析[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，1999，5(1)：5-6.

Quick Analysis System for the Sea Loose Sandstone

GUOMinling1DONGZhao2

(1. CNOOC Ener-Tech-Drilling & Production Co., Zhanjiang Guangdong 524057, China;2. CNOOC Zhanjiang Branch Company, Zhanjiang Guangdong 524057, China)

As sand often occurs in the process of offshore oil and gas field development, large sand analysis software and the indoor experiment are used to provide analysis results with high precision. However, on the one hand, we require a lot of reservoir geological data, and it is difficult to get enough parameters in the lower level of exploration and development area. Indoor experimental research, on the other hand, needs the support of core data, but the core access cost is extremely high, especially in the development of the high cost of offshore oil and gas fields. Therefore, integration of empirical model and mechanics model of higher precision, judging from experience, sand production risk analysis and the distribution of the plastic zone of surrounding rock, a sand control module was designed to provide a set of convenient analysis system, which can be widely used in the scene to provide a more comprehensive and more accurate trend of sand production.

sand analysis; sand control design; analysis system

2016-05-04

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)項目”(2011ZX05030-005)

郭敏靈(1986 — )，女，工程師，研究方向為油氣田開發(fā)工程。

TE358+.1

A

1673-1980(2017)01-0071-04