巖石力學(xué)講義出砂

巖石力學(xué)講義出砂第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容概述出砂的機(jī)理出砂預(yù)測技術(shù)問題及討論第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日出砂是指在油氣開采過程中砂粒隨流體從油層中運(yùn)移至井底或攜帶出井口的現(xiàn)象。出砂是一個帶有普遍性的復(fù)雜問題，而其中弱固結(jié)或固結(jié)砂巖油層的出砂現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。由于這類巖石膠結(jié)性差，強(qiáng)度低，一般在較低的井底壓力下，容易造成井周地層不穩(wěn)，發(fā)生拉伸破壞或剪切破壞而出砂。一、概述第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日Increasedeffectivestressesduetodrawdown/depletionfailrocksurroundingtheperforationtunnelFlowrateremovesloosesandfromtunnel(Noteloosesandlyingbelowtheentrancehole‘spillpoint’)FigurecourtesyofJohnCook,SchlumbergerCambridgeResearch第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日出砂的危害減產(chǎn)或停產(chǎn)作業(yè)：油、氣井出砂最容易造成油層砂埋、油管砂堵，地面管匯和儲油罐積砂。沙子在井內(nèi)沉積形成砂堵，從而降低油井產(chǎn)量，甚至使油井停產(chǎn)，因此，常被迫起油管清除砂堵、清洗砂埋油層，清理地面管匯和儲油罐。其工作量大，條件艱苦，既費(fèi)時又耗資。即使這樣，問題也還沒有最終解決?；謴?fù)生產(chǎn)不久，又須重新作業(yè)。第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日出砂的危害地面和井下設(shè)備磨蝕：由于油層出砂使得油、氣井產(chǎn)出流體中含有地層砂，而地層砂的主要成分是二氧化硅（石英），硬度很高，是一種破壞性很強(qiáng)的磨蝕劑，能使抽油泵閥磨損而不密封，閥球點(diǎn)蝕，柱塞和泵缸拉傷，地面閥門失靈，輸油泵葉輪嚴(yán)重沖蝕。使得油、氣井不得不停產(chǎn)進(jìn)行設(shè)備維修或更換，造成產(chǎn)量下降，成本上升。第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日出砂的危害套管損壞，油井報廢：最嚴(yán)重的情況是隨著地層出砂量的不斷增加，套管外的地層孔穴越來越大，到一定程度往往會導(dǎo)致突發(fā)性地層坍塌。套管受坍塌地層砂巖團(tuán)塊的撞擊和地層應(yīng)力變化的作用受力失去平衡而產(chǎn)生變形或損壞，這種情況嚴(yán)重時會導(dǎo)致油井報廢。第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日出砂的危害安全及環(huán)境問題：意料之外的由于出砂引起的管道滲漏或設(shè)備失效還會引起嚴(yán)重的安全問題和溢出事故，尤其是在海上或陸上有水的地方。此外地層砂產(chǎn)出井筒，對環(huán)境會造成污染，尤其是海洋油、氣田更為環(huán)境保護(hù)法規(guī)所制約，所以油、氣井防砂不僅是油、氣開采本身的需要，也是環(huán)境保護(hù)的需要。第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日適度出砂對產(chǎn)能的影響適度出砂作為改善地層的孔滲結(jié)構(gòu)，提高油井產(chǎn)量的開采方式，越來越受到油田的重視，對于疏松砂巖稠油油藏來說更是如此。第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日出砂的三種類型不穩(wěn)定出砂：由于某種原因使油氣井產(chǎn)生激動而突然出砂，而且出砂量逐漸減少的一種出砂形式。通常出現(xiàn)在射孔或酸化后的排液過程，出砂濃度與出砂量及其衰減時間等隨時間的變化較大。連續(xù)性出砂：油氣井生產(chǎn)過程中長時間穩(wěn)定的連續(xù)出砂，生產(chǎn)參數(shù)、出砂濃度都較穩(wěn)定，衰減時間變化較小。突發(fā)性大量出砂：短時間內(nèi)大量出砂造成油氣井突然砂堵或關(guān)閉。第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日地層出砂砂粒來源充填砂：弱固結(jié)砂巖油藏在開發(fā)過程中，因地層本身膠結(jié)弱，儲層中存在大量細(xì)小、弱膠結(jié)的微粒，這部分微粒的最大特點(diǎn)是易于啟動，即使在產(chǎn)量很低的情況下也難以克服它們在儲層中產(chǎn)生運(yùn)移，這類出砂在疏松砂巖油藏開發(fā)中不可避免，但一般量很少，且在生產(chǎn)條件不變時遞減很快，對生產(chǎn)的影響較小。第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日地層出砂砂粒來源骨架砂：主要是由于巖石骨架破壞后從骨架上剝離出的砂，這部分顆粒受鉆井、完井，射孔等工藝措施的合理性和參數(shù)的選擇。主要原因是施工過程中引起的壓力、應(yīng)變，造成地層變形、滑動，使巖石成為散砂，引起地層嚴(yán)重出砂，甚至井層不穩(wěn)定。第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日二、出砂的力學(xué)機(jī)理從力學(xué)機(jī)理上來看，弱固結(jié)砂巖油藏的出砂是一個流固耦合的過程，它包括應(yīng)力作用產(chǎn)生的力學(xué)破壞、流體作用對砂粒的拖曳運(yùn)移以及破壞區(qū)的擴(kuò)展三個方面。很多文獻(xiàn)將出砂的機(jī)理區(qū)分為拉伸破壞和剪切破壞機(jī)理。第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日地層出砂的力學(xué)機(jī)理

剪切破壞：井壁周圍巖石所受的應(yīng)力超過了巖石本身的強(qiáng)度，使地層造成剪切破壞。拉伸破壞：產(chǎn)出液在產(chǎn)出過程中對砂巖地層顆粒的拖曳力過大，當(dāng)大于巖石的拉伸強(qiáng)度時造成巖石拉伸破壞，脫落的砂粒形成岀砂。剪切失效可能造成災(zāi)難性的岀砂后果，拉伸破壞具有“自穩(wěn)定”效應(yīng)。發(fā)生拉伸破壞后，砂巖孔徑增大，流速梯度降低，拖曳力降低，岀砂程度減小。第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日地層出砂影響因素

地質(zhì)因素應(yīng)力狀態(tài)：通常在鉆井前，油藏巖石在垂向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力的作用下處于平衡狀態(tài)，鉆開井眼后，井壁巖石的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，造成井壁附近巖石的應(yīng)力集中，引起巖石變形和破壞，在開采過程中引起地層出砂。第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日地層出砂影響因素地質(zhì)因素巖石強(qiáng)度：油井出砂的根本原因與巖石強(qiáng)度有關(guān)，即巖石中膠結(jié)物種類、膠結(jié)物含量、膠結(jié)方式及成巖作用和壓實(shí)作用有關(guān)。一般膠結(jié)物含量少，埋藏淺、壓實(shí)作用弱的砂巖油層易出砂，而膠結(jié)物含量高、壓實(shí)作用強(qiáng)的油層不易出砂。在構(gòu)造變化劇烈，斷層多、裂縫發(fā)育、地層傾角大和邊底水活躍的地層，由于油層構(gòu)造受到破壞，容易出砂。第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日UCS(MPa)0-55-2020-50大于50強(qiáng)度等級未固結(jié)弱固結(jié)固結(jié)高強(qiáng)砂巖強(qiáng)度分級

第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日地層出砂影響因素地質(zhì)因素地層流體的粘度：地層流體的粘度越大，在流向井底的過程中對巖石的拖曳力就越大，地層出砂的可能性就越大。這也是大多數(shù)稠油油藏易出砂的原因第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日地層出砂影響因素開發(fā)因素在地質(zhì)情況一定的情況下，生產(chǎn)過程中的許多因素對出砂存在較大影響，甚至加劇地層的出砂。如過高的生產(chǎn)壓差，開采過程中的強(qiáng)烈抽吸、氣舉，以及水井的強(qiáng)烈放噴等都會造成油層結(jié)構(gòu)破壞，引起大量出砂。隨采出液中含水的上升，也會引起出砂加劇。

第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日開發(fā)因素油層壓力衰減：從有效應(yīng)力變化來理解，隨著油藏壓力降低，巖石所受的有效應(yīng)力增加，當(dāng)油藏壓力下降較小時，巖石可能發(fā)生彈性變形，這時巖石的孔隙度及滲透率的變化是可逆的，當(dāng)油層壓力下降到某一極限時，作用在巖石上的應(yīng)力超過巖石的彈性極限時，巖石發(fā)生塑性變形，膠結(jié)物發(fā)生破壞。由于壓降主要發(fā)生在井筒附近，故在井筒周圍形成出砂帶。第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日過高的采液速度：采油過程中，流體滲流而產(chǎn)生的對顆粒的拖曳力是造成出砂的重要因素之一，在其它條件相同的情況下，生產(chǎn)壓差越大，滲流速度越高，井壁附近液流對巖石的沖刷力就越大，流體的粘度越高，流動的摩擦阻力越大，產(chǎn)生的拖曳力也越大。越易引起地層出砂。開發(fā)因素第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日開發(fā)因素油井工作制度的改變：在同樣的壓差下，地層是否出砂還取決于建立壓差的方式。所謂建立壓差的方式是指以緩慢的方式建立壓差還是以突然的方式建立壓差，兩者在井壁附近油層中造成的壓力梯度不同。抽吸，開、關(guān)井操作不平穩(wěn)，也會使弱膠結(jié)地層承受過大的應(yīng)力，不恰當(dāng)?shù)乃峄胧┑鹊诙摚踩隧摚?022年，8月28日開發(fā)因素水侵的影響：水侵使巖石強(qiáng)度降低：水能溶解或軟化砂粒之間的一部分膠結(jié)物，使地層膠結(jié)強(qiáng)度下降第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日開發(fā)因素水侵破壞了孔隙中油流的連續(xù)性：增加了產(chǎn)液對砂粒的拖拽力，也就使巖石中微粒更容易移動嚴(yán)重降低滲透率，在流量保持不變的情況下，由于孔隙通道變窄，使生產(chǎn)壓差增大，因而進(jìn)一步加大巖石出砂的可能性。第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日開發(fā)因素氣侵的影響：油氣兩相流動增加了油流阻力（賈敏效應(yīng)）油氣界面張力

第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日開發(fā)因素氣侵的影響：空化作用加速了巖石的破壞：產(chǎn)液攜帶著空泡在流經(jīng)壓強(qiáng)較高的區(qū)域時，空泡發(fā)生潰滅。由于空泡在潰滅時，產(chǎn)生很大的瞬時壓強(qiáng)，不僅使巖石表面破壞，發(fā)生“空蝕”，而且氣泡破裂產(chǎn)生的瞬時高壓，還可能使砂粒啟動而進(jìn)入井眼。第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日開發(fā)因素氣侵的影響：形成氣柱，使井眼壓力降低，加速井壁的剪切破壞脫氣原油粘度增大，加大了對砂粒的拖曳力第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日開發(fā)因素射孔的影響：射孔參數(shù)包括相位角、射孔密度、孔徑、孔深、孔的排列分布方式等，好的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮射孔的穩(wěn)定性和流體的流動效率。第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日三、出砂預(yù)測技術(shù)出砂可能性的預(yù)測出砂壓差的預(yù)測儲層壓力衰竭對出砂臨界壓差的影響出砂量預(yù)測技術(shù)第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日出砂可能性的預(yù)測聲波時差法B指數(shù)法Schlumberger指數(shù)法物理意義是什么？第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日出砂可能性的預(yù)測經(jīng)驗(yàn)表明：聲波時差大于95us/ft時，開采過程中儲層有出砂的可能性當(dāng)B>=2.0*104MPa時，在正常壓力的生產(chǎn)方式下開采，油氣層不會出砂；當(dāng)B<2.0*104MPa時，開采時將造成儲層出砂當(dāng)SR>=5.9*107MPa2時開采初期儲層不會出砂，而當(dāng)SR<5.9*107MPa2時開采過程中儲層可能出砂，應(yīng)嚴(yán)格控制生產(chǎn)壓差。

第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日出砂可能性的預(yù)測孔隙度法：地層的孔隙結(jié)構(gòu)與地層的膠結(jié)強(qiáng)度有關(guān)，大量油井出砂統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，疏松砂巖地層孔隙度大于30%，地層出砂較為嚴(yán)重，地層孔隙度在20%--30%之間，地層出砂減緩，地層孔隙度小于20%，則出砂輕微。巖石剪切模量與體積壓縮系數(shù)比法組合模量法第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月