康 凱,馮 敏,李彥來,李其正,蘇彥春,劉 超

(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津塘沽 300452）

疏松砂巖臨界生產(chǎn)壓差參數(shù)求解方法研究

康 凱,馮 敏,李彥來,李其正,蘇彥春,劉 超

(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津塘沽 300452）

依據(jù)Mohr-Coulomb準則,利用彈性和彈塑性理論,建立防止疏松砂巖油藏出砂的臨界井底流壓模型,可較準確求解地層出砂臨界生產(chǎn)壓差。針對模型涉及彈性力學參數(shù)測試費用昂貴、難以獲取等難題,提出一套不需測試的參數(shù)確定方法。旅大5-2油田應(yīng)用本方法,得到的臨界生產(chǎn)壓差與油井實際基本一致,結(jié)果符合率高、誤差小,該方法具有明顯的經(jīng)濟意義和實用價值,可廣泛的應(yīng)用于類似疏松砂巖油藏。

疏松砂巖;臨界生產(chǎn)壓差;地層內(nèi)聚力;動態(tài)泊松比;地層內(nèi)摩擦角

疏松砂巖油藏出砂一般分為兩種,充填砂出砂和骨架出砂。實踐證明,充填砂適度出砂可疏通地層孔隙通道、提高原油流動能力,產(chǎn)生有利影響,生產(chǎn)過程中要避免的是巖石骨架出砂。

出砂與否與儲層骨架顆粒和膠結(jié)物之間的交接方式、膠結(jié)強度、地層應(yīng)力狀態(tài)和油氣生產(chǎn)的作業(yè)方式、環(huán)境、條件有關(guān)。油氣儲層巖石在地應(yīng)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可能會造成出砂。

1 油層出砂力學模型建立

Mohr-Coulomb準則認為:當巖石破裂面上的剪切應(yīng)力τ等于巖石材料本身的抗剪強度(即內(nèi)聚力C)與作用于該破裂面上的正應(yīng)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。Mohr-Coulomb準則關(guān)系式[1]為:

油井不出砂最小井底壓力[2],即臨界井底流壓Pwcr為:

式中:C——地層內(nèi)聚力 ,MPa;σzo——上覆巖層壓力,MPa;μd——動態(tài)泊松比,取值一般小于 0.25;β——孔隙彈性介質(zhì)Biot常數(shù),小數(shù);Pe——油藏外邊界處壓力 ,MPa;θ——地層內(nèi)摩擦角,°。

油層出砂臨界生產(chǎn)壓差ΔPcr為:

2 參數(shù)求解方法

臨界生產(chǎn)壓差的求解過程中,砂泥巖內(nèi)聚力、動態(tài)泊松比、上覆巖層壓力、地層內(nèi)摩擦角、孔隙彈性介質(zhì)Biot常數(shù)等參數(shù)求解難度較大;縱波速度、巖石體積密度、泥質(zhì)含量及油藏外邊界壓力相對較易取得。

2.1 砂泥巖內(nèi)聚力 C的確定

砂泥巖內(nèi)聚力 C與聲波傳播速度Vp的關(guān)系[3]:

式中:ρb——巖石體積密度 ,g/cm3;νp——縱波速度,m/s;Vcl——泥質(zhì)含量,%;

2.2 動態(tài)泊松比μd的確定

采用實際巖心進行實驗,可以獲得動態(tài)泊松比μd數(shù)值,一般油田缺乏實測資料,疏松砂巖通常情況可取0.13。

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)[3]。

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

并不是所有的測井系列都開展聲波全波列測井或偶極橫波測井。為此,部分學者開展利用縱波時差等常規(guī)測井資料求取巖石泊松比的研究,建立利用地層泥質(zhì)指數(shù)、巖石縱波時差、中子測井孔隙度和自然伽馬值求取巖石泊松比的統(tǒng)計模型[4]。

式中,ΦN——中子孔隙度,%;GR——自然伽馬值,API;Ish——地層泥質(zhì)指數(shù);Φs、Φd——聲波時差和地層密度測井求得的孔隙度,%。

隨著動態(tài)泊松比的增大,臨界生產(chǎn)壓差降低。

2.3 上覆巖層壓力σzo的確定

上覆巖層壓力也稱為圍巖壓力,是整個上覆巖石地層所施加的壓力。密度測井曲線可以比較真實地反映地下巖石的體密度隨其埋藏深度的變化規(guī)律,是求取上覆巖壓力最為理想資料,通過密度曲線積分求取σzo[5]。

式中,ρb(H)——H深度處的巖石體積密度,g/cm3;g——重力加速度,9.8m/s2;h——所計算的油層深度,m。

并不是所有井的密度測井都是全井段的,依靠積分求解有時存在一定難度,一般情況下,可采用上覆巖層壓力梯度的理論值22.7kPa/m計算。

假設(shè)上覆巖層壓力隨深度均勻增加,則:

式中,ρ巖——巖石骨架平均密度,g/cm3,通常取值2.5g/cm3;ρ流——流體平均密度 ,g/cm3,通常取值1.0g/cm3;Φ平——平均孔隙度 ,%,通常取值10.0%。

隨著上覆巖層壓力增大,臨界生產(chǎn)壓差減少。

2.4 地層內(nèi)摩擦角θ的確定

一般巖石的內(nèi)摩擦角θ與內(nèi)聚力C之間有關(guān)系[3]:

2.5 孔隙彈性介質(zhì)Biot常數(shù)

對于疏松砂巖來說,孔隙彈性介質(zhì)Biot常數(shù)通常取值1.0。

研究表明,根據(jù)經(jīng)驗方程[6]可以確定靜態(tài)Biot彈性常數(shù):

式中,KCMR——用核磁共振測井(CMR)解釋的滲透率 ,10-3μm2。

隨著孔隙彈性介質(zhì)Biot常數(shù)的增大,臨界生產(chǎn)壓差減少。

2.6 縱波速度νp的確定

應(yīng)用測井資料可以獲得為縱波速度νp,計算公式為:

隨著縱波速度的增大,臨界生產(chǎn)壓差增大。

2.7 巖石體積密度ρb的確定

巖石體積密度ρb并非巖石骨架密度,該值可從常規(guī)密度測井直接得到。

隨著砂巖密度的增大,臨界生產(chǎn)壓差增大。

2.8 泥質(zhì)含量Vcl的確定

泥質(zhì)含量Vcl指的是巖石中具有膠結(jié)作用的粘土含量。應(yīng)用測井資料得到泥質(zhì)含量數(shù)據(jù),包含了粘土含量以及部分細粉砂、束縛水等,測井解釋結(jié)果偏大,不具備使用意義。準確的泥質(zhì)含量Vcl數(shù)據(jù)應(yīng)來源于巖心化驗分析資料。隨著泥質(zhì)含量的增大,臨界生產(chǎn)壓差增大。

3 油田應(yīng)用效果

LD5-2油田位于渤海海域,主要目的層為東營組東二上段,湖相三角洲前緣沉積,油藏埋深淺,儲層膠結(jié)疏松,泥質(zhì)含量較低,為2%左右。

采取上述方法,進行LD5-2油田出砂臨界生產(chǎn)壓差計算,見表1。

利用油井出砂時的生產(chǎn)壓差,驗證臨界生產(chǎn)壓差計算結(jié)果的準確性,見表2。

臨界生產(chǎn)壓差與油井開始出砂時實際生產(chǎn)壓差基本一致,二者平均相差0.13MPa,誤差為5.1%,計算結(jié)果精度較高好。對比結(jié)果說明:

(1)依據(jù)Mohr-Coulomb準則,利用彈性和彈塑性理論,建立的防止疏松砂巖油藏出砂臨界井底流壓模型,可較準確地求解地層出砂臨界生產(chǎn)壓差,差,計算結(jié)果真實、可靠,準確率高;

表1 LD5-2油田部分油井臨界生產(chǎn)壓差計算結(jié)果

表2 油井出砂階段生產(chǎn)壓差與臨界生產(chǎn)壓差對比

(2)參數(shù)確定方法實用性較強,計算結(jié)果可以滿足油田日常生產(chǎn)需要,使用該方法可節(jié)約大量的彈性力學參數(shù)測試費用、測井費用,具有明顯的經(jīng)濟意義和實用價值。

4 結(jié)論與建議

(1)依據(jù)Mohr-Coulomb準則,利用彈性和彈塑性理論建立的臨界井底流壓模型,可較準確地求解地層出砂臨界生產(chǎn)壓差。

(2)本文提出的臨界井底流壓模型參數(shù)確定方法實用性較強,計算結(jié)果與油井實際吻合度較高,可基本滿足油田日常生產(chǎn)管理需要。

(3)為避免LD5-2油田東二上段油井出砂,建議合理生產(chǎn)壓差小于2.20MPa。

[1] 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(yīng)用[J].江漢石油學院學報,2002,24(2):75-76.

[2] 陳民鋒,姜漢橋.渤中25-1南油田不同井型油井合理生產(chǎn)壓差研究[J].中國海上油氣,2006,18(6):399-402.

[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(yīng)用[J].西安石油大學學報(自然科學版),2005,20(5):22-24.

[4] 劉之的,夏宏泉,陳平.巖石泊松比的測井計算方法研究[J].測井技術(shù),2004,28(6):508-510.

[5] 褚義.薩北開發(fā)區(qū)破裂壓力梯度研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2006,25(增刊):23-24.

[6] 曹文杰.NMR在與巖石力學相關(guān)的出砂控制、水力裂縫和井眼穩(wěn)定性等石油方面的應(yīng)用[J].測井技術(shù)信息,2003,16(6):42-45.

TE313

A

1673-8217(2011)02-0058-03

2010-08-10

康凱,1978年生,2003年畢業(yè)于江漢石油學院,獲碩士學位,現(xiàn)從事油氣田開發(fā)方面研究。

編輯:彭剛