肖承文

（中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院測(cè)井中心，新疆庫爾勒841000）

塔里木盆地高壓氣藏出砂測(cè)井評(píng)價(jià)方法研究

肖承文

（中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院測(cè)井中心，新疆庫爾勒841000）

塔里木油田大北克深地區(qū)由于超深井高溫高壓，在測(cè)試過程中地層出砂，嚴(yán)重影響了試油試采以及儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)。介紹了油氣井產(chǎn)層出砂機(jī)理，認(rèn)為深儲(chǔ)層壓實(shí)作用較強(qiáng)，巖石致密且穩(wěn)定性較好，只有生產(chǎn)壓差過大或采出速度較快時(shí)才會(huì)導(dǎo)致巖石發(fā)生剪切破壞或張性破壞而引起地層出砂?；跍y(cè)井計(jì)算的巖石力學(xué)參數(shù)和地層壓力及地層應(yīng)力數(shù)據(jù)，建立了裸眼完井的臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算模型、射孔完井的臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算模型和基于巖石單軸抗壓強(qiáng)度的臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算模型。采用出砂指數(shù)法、臨界生產(chǎn)壓差法及灰色關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)分析法等綜合預(yù)測(cè)產(chǎn)層出砂情況。實(shí)現(xiàn)了利用測(cè)井資料快速準(zhǔn)確地計(jì)算生產(chǎn)壓差，用于出砂定量分析與確定最優(yōu)完井方案，為采油防砂提供決策依據(jù)。

測(cè)井評(píng)價(jià)；深層氣層；測(cè)井資料；臨界生產(chǎn)壓差；出砂分析；巖石穩(wěn)定性

0 引 言

產(chǎn)層出砂已成為困擾油氣開采的重要問題之一［1］。深儲(chǔ)層由于壓實(shí)和膠結(jié)作用強(qiáng)，巖石致密且穩(wěn)定性好，其特點(diǎn)與中淺儲(chǔ)層不同，以往用于中淺層出砂預(yù)測(cè)（如聲波時(shí)差、孔隙度、產(chǎn)砂指數(shù)和斯倫貝爾比等）的經(jīng)驗(yàn)值或判別標(biāo)準(zhǔn)已不再適用于深層油氣層。生產(chǎn)壓差指標(biāo)既包含了地層強(qiáng)度和穩(wěn)定性這一內(nèi)在因素，又包含了生產(chǎn)過程這一外在的工藝因素，用它評(píng)價(jià)油氣井出砂，直觀可靠。通常，實(shí)際生產(chǎn)壓差過大，地層將會(huì)發(fā)生剪切破壞，致使地層出骨架砂，嚴(yán)重者引起堵塞或刺穿油管。從節(jié)約成本和安全生產(chǎn)的角度急需確定合理的生產(chǎn)壓差和采出速度。生產(chǎn)壓差的計(jì)算離不開由測(cè)井資料所求取的多種巖石力學(xué)參數(shù)和地層孔隙壓力及地層應(yīng)力數(shù)據(jù)。為此，本文從產(chǎn)層出砂機(jī)理分析和臨界生產(chǎn)壓差的計(jì)算入手，精細(xì)處理地層自然伽馬、地層密度和陣列聲波等測(cè)井資料，重點(diǎn)開展基于生產(chǎn)壓差的深氣層出砂判別解釋方法研究。

1 產(chǎn)層出砂機(jī)理分析

從井眼巖石力學(xué)與穩(wěn)定性的角度分析產(chǎn)層出砂機(jī)理，可分為剪切破壞和拉伸破壞2種［2］。

（1）剪切破壞指井眼以及射孔后射孔孔道周圍的巖石所受的應(yīng)力超過了巖石本身的強(qiáng)度，使地層產(chǎn)生剪切破壞而產(chǎn)生破裂面。由于破裂面降低了巖石的承載能力，使巖石進(jìn)一步破碎和向外擴(kuò)張，產(chǎn)層流體流動(dòng)的拖曳力將破裂面上的砂子攜帶出來。剪切破壞將造成大量突發(fā)性出砂，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)砂埋井眼，造成油氣井報(bào)廢。其嚴(yán)重程度與生產(chǎn)壓差的高低密切相關(guān)。

（2）拉伸破壞指產(chǎn)層流體的流動(dòng)使作用于射孔孔道周圍地層顆粒上的拖曳力過大，射孔孔道壁巖石所受徑向應(yīng)力超過其本身的抗拉強(qiáng)度，部分顆粒脫離母體而導(dǎo)致出砂。無論是單向拉伸還是處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，只要巖石所受的最小有效主應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度，巖石即發(fā)生拉伸破壞。拉伸破壞一般發(fā)生在穿透塑性地層的孔眼末端口和射孔井壁上，其嚴(yán)重程度與開采流速及液體黏度的高低有關(guān)，并且具有自穩(wěn)定效應(yīng)［1］。

油氣井的出砂現(xiàn)象可從生產(chǎn)工程參數(shù)上予以解釋。生產(chǎn)工程參數(shù)主要包括生產(chǎn)壓差和臨界生產(chǎn)壓差。當(dāng)生產(chǎn)壓差過大、甚至超過其臨界生產(chǎn)壓差時(shí)，孔隙流體拖曳力超過了巖石抗剪切強(qiáng)度，導(dǎo)致巖石發(fā)生剪切破壞，這是產(chǎn)層大量出砂的主要外因。

2 臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算模型的建立

對(duì)深層氣層，必須拋棄常規(guī)的出砂經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，需要采用應(yīng)力分析法建立生產(chǎn)井眼穩(wěn)定性（出砂）評(píng)價(jià)模型，尤其是不同完井方式下的臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算模型。

2.1 裸眼完井的臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算模型

采用裸眼完井的油井，井壁圍巖一般具有較高的強(qiáng)度。只有在地層發(fā)生破壞才可能引起出砂。

假設(shè)井壁周圍的地層為多孔彈性介質(zhì)，其應(yīng)力分布狀態(tài)可用以下力學(xué)模型求解：在無限大平面上，一圓孔受均勻的內(nèi)壓，而在這個(gè)平面的無限遠(yuǎn)處受2個(gè)水平地層應(yīng)力的作用，其垂直方向上受上覆巖層壓力（見圖1）。其井壁圍巖應(yīng)力分布為

圖1 裸眼井井壁受力的力學(xué)模型

因生產(chǎn)壓差Δp＝pp－pw，θ＝±π／2時(shí)，徑向和軸向應(yīng)力達(dá)到最大，即

通過建立有限元力學(xué)模型，結(jié)合德魯克－普拉格（Drucker－Prager）準(zhǔn)則，即可求出裸眼井的臨界生產(chǎn)壓差

其中，

2.2 射孔完井的臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算模型

對(duì)于具有一定膠結(jié)程度的地層，一般采用射孔完井。當(dāng)射孔孔道發(fā)生破壞時(shí)，地層可能出砂。在射孔完井方式下，不同方位的射孔孔眼具有不同的穩(wěn)定性。射孔方向一般選擇沿最大水平地層應(yīng)力σH和最小水平地層應(yīng)力σh方向2種，因此臨界生產(chǎn)壓差的計(jì)算也應(yīng)分2種情況（見圖2）。

圖2 射孔完井時(shí)射孔孔道壁受力模型

2.2.1 沿最大水平地層應(yīng)力方向射孔時(shí)地層出砂的臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算

當(dāng)θ＝±π／2時(shí)，得到射孔孔道壁處巖石的3個(gè)主應(yīng)力［3］為

根據(jù)德魯克－普拉格準(zhǔn)則得出沿最大水平地層應(yīng)力方向射孔臨界生產(chǎn)壓差的計(jì)算公式為

其中，

2.2.2 沿最小水平地層應(yīng)力方向射孔時(shí)地層出砂的臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算

由圖2（b）可以得到射孔孔道壁處巖石的3個(gè)主應(yīng)力［3］為

同理，可得出沿最小水平地層應(yīng)力方向射孔的臨界生產(chǎn)壓差（Δphc）的計(jì)算公式為

其中，

2.3 基于巖石UCS特性的臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算模型

根據(jù)巖石破壞理論可知，當(dāng)巖石最大切向應(yīng)力大于其單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引起巖石結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致地層出砂。因此，對(duì)于任意角度的定向井，在不知其哪種完井方式的條件下，其防砂判據(jù)為

若式（8）成立，表明在生產(chǎn)壓差ΔpS下，井壁巖石是堅(jiān)固的，地層不會(huì)出砂?？傻贸雠R界生產(chǎn)壓差的計(jì)算公式為

式中，UCS為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；ΔPS為生產(chǎn)壓差，MPa；P0為上覆巖層壓力，MPa；θ為井斜角，°。通常，當(dāng)生產(chǎn)壓差大于0.5UCS或0.7SST（抗剪強(qiáng)度）時(shí)，則巖石容易屈服而出砂。

3 地層出砂測(cè)井解釋實(shí)例分析

將上述模型優(yōu)化編程借助FORWARD.NET平臺(tái)計(jì)算出各種條件下的臨界生產(chǎn)壓差，與實(shí)際生產(chǎn)壓差進(jìn)行比較，預(yù)測(cè)地層是否出砂，并選擇合理的完井方式。僅根據(jù)1種方法或1種指標(biāo)很難全面準(zhǔn)確地判識(shí)地層是否出砂以及出砂程度。為此，采用出砂指數(shù)法、斯倫貝爾比法和臨界生產(chǎn)壓差法及灰色關(guān)聯(lián)統(tǒng)計(jì)分析法等綜合預(yù)測(cè)產(chǎn)層是否出砂，并與實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)比，以印證這套方法的可靠性。工區(qū)6口井的測(cè)井資料計(jì)算處理結(jié)果見表1。

圖3為大北氣田×××井（7 060～7 090m）臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算與出砂分析成果圖。儲(chǔ)層段深度7 063～7 082m為白堊系砂巖地層。實(shí)際分析時(shí)，從出砂指數(shù)和斯倫貝爾比這2個(gè)參數(shù)可見，二者都大于其出砂臨界值，判斷產(chǎn)層不出砂；而分別使用4種模型計(jì)算出了產(chǎn)層段的臨界生產(chǎn)壓差，由于實(shí)際生產(chǎn)壓差遠(yuǎn)大于臨界生產(chǎn)壓差，判斷該井嚴(yán)重出砂，這正好與實(shí)際生產(chǎn)時(shí)該氣層嚴(yán)重出砂情況相符。為了建立適用于深層、中淺層的出砂臨界生產(chǎn)壓差評(píng)價(jià)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，消除不同埋深對(duì)產(chǎn)層臨界生產(chǎn)壓差的影響，采用單位每千米深度的臨界生產(chǎn)壓差（生產(chǎn)壓差指數(shù)）評(píng)判出砂與否，即Δpc／DEP參數(shù)。統(tǒng)計(jì)對(duì)比塔里木油田大北、克拉等氣田的實(shí)際生產(chǎn)壓差和臨界生產(chǎn)壓差的數(shù)值，并分析目前已有文獻(xiàn)報(bào)道的國內(nèi)多個(gè)油田的中淺層出砂臨界生產(chǎn)壓差變化范圍，研究發(fā)現(xiàn)Δpc／DEP臨界值為3MPa／1km，當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)壓差指數(shù)大于3MPa／1km時(shí)，產(chǎn)層出砂；反之不出砂。可見，直接用臨界生產(chǎn)壓差這一指標(biāo)判斷地層出砂比較可信（實(shí)際分析時(shí)，出砂指數(shù)和斯倫貝爾比作為輔助指標(biāo)僅作參考）。另外，從圖3可見，使用沿最大水平地層應(yīng)力方向射孔模型計(jì)算的臨界生產(chǎn)壓差最大，因此采用沿最大水平地層應(yīng)力方向射孔完井方式氣層不易出砂。

表1 Tarim油田大北井區(qū)砂巖儲(chǔ)層段臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算及出砂分析

4 結(jié)論及建議

（1）大北氣田白堊系砂礫巖儲(chǔ)氣層埋藏較深，一般在4 500～7 000m，巖石強(qiáng)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，常用的出砂經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已不適用于深氣層，而用生產(chǎn)壓差指數(shù)判斷地層出砂則不受產(chǎn)層埋深的影響，對(duì)深、中、淺氣層都適用。

（2）基于井眼圍巖的應(yīng)力分布模型，利用德魯克－普拉格準(zhǔn)則，推導(dǎo)出了裸眼完井和射孔完井臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算模型，分析了各參數(shù)和不同方位射孔對(duì)地層出砂的影響。在SH＞Sv＞Sh的條件下，隨著地層孔隙壓力的減小、實(shí)際生產(chǎn)壓差的增大、水平地層應(yīng)力不均勻的增加、Biot系數(shù)的增大等，地層穩(wěn)定性變差，地層容易發(fā)生剪切破壞引起出砂；沿最小主應(yīng)力方向射孔計(jì)算的臨界生產(chǎn)壓差最小，也反映了沿最大主應(yīng)力方向射孔能夠最大程度地防砂。在地層巖性、物性和地層應(yīng)力及地層壓力相同的情況下，氣層較油層更容易出砂。

圖3 ×××井（7 063～7 090m）臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算與出砂分析測(cè)井成果圖

（3）在射孔完井方式下沿不同方位射孔，其孔壁穩(wěn)定性不同、臨界生產(chǎn)壓差也不同。一般按射孔完井模型計(jì)算的臨界生產(chǎn)壓差越大、沿相應(yīng)的地層應(yīng)力方向射孔時(shí)孔壁穩(wěn)定，地層不易出砂；裸眼井完井的臨界生產(chǎn)壓差較低，當(dāng)裸眼井內(nèi)的巖石穩(wěn)定性差、易出砂時(shí)，建議裸眼完井時(shí)在井內(nèi)下入防砂工具。

（4）按照上述模型求取臨界生產(chǎn)壓差時(shí)，其中涉及到巖石力學(xué)參數(shù)、地層應(yīng)力和孔隙壓力等參數(shù)，為此要求利用聲波、密度等測(cè)井資料準(zhǔn)確求取這些參數(shù)。

［1］ 夏宏泉，袁仕俊，祁興中，等.井筒酸化壓裂高度預(yù)測(cè)與出砂指數(shù)分析［Z］.塔里木：塔里木油田分公司科研項(xiàng)目報(bào)告，2010.

［2］ 劉長新，郭清彬，趙元良.測(cè)井新技術(shù)對(duì)井眼穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)研究［J］.測(cè)井技術(shù)，2006，30（2）：168－172.

［3］ 張建國，程遠(yuǎn)方.射孔完井出砂預(yù)測(cè)模型的建立及驗(yàn)證［J］.石油鉆探技術(shù)，2001，29（6）：41－43.

［4］ 王彥利，陳小凡，鄧生輝，等.疏松砂巖臨界壓差的計(jì)算方法及應(yīng)用［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，31（1）：78－80.

［5］ 王勤田，趙彥超，楊晶，等.油井出砂臨界井底流壓計(jì)算模型及應(yīng)用［J］.江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，24（2）：75－76.

［6］ 李奇，黃磊，鐘文俊，等.LOGFAST軟件研制與應(yīng)用［Z］.成都：西南石油大學(xué)科研項(xiàng)目，2009.

On Sand Production Log Evaluation of High－pressure Gas Reservoir in Tarim Basin

XIAO Chengwen
（Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina Tarim Oilfield Company，Koria，Xinjiang 841000，China）

Dabeikeshen of Tarim oilfield is characterized with ultra deep wells，high temperature and high pressure.The sand production in the process of well testing in this area seriously influences the process of formation testing，pilot production and reservoir evaluation.Introduced is sand production mechanism in the pay zones.It is believed that the main reason for formation sand production in compact and stabilized deep reservoir should be over－loaded differential pressure and faster production speed，which can lead to rock shear fractures or tension fractures.On the basis of rock mechanical parameters，reservoir pressure and ground stress calculated by well logging data，established are the critical production differential pressure computation models for barefoot well completion，perforation well completion and for that based on rock’s uniaxial compressive strength.Pay zone sand production condition is predicted by combining following methods：the sand index method，the critical production differential pressure method and the grey correlation statistical analysis method，and so on.The production differential pressure is calculated rapidly and accurately withlogging data.The study is helpful in quantitatively analyzing sand production and determining optimum well completion scheme，and provides foundation for reservoir sand control decision making.

log evaluation，deep gas layer，log data，critical production differential pressure，sand production analyze，rock stability

P631.84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2011－08－29 本文編輯 王小寧）

李健，男，1963年生，長期從事測(cè)井儀器技術(shù)研究工作。