高陡構造異常高壓深氣層出砂測井預測研究

胡南，夏宏泉

（1．西南石油大學應用技術學院，四川 南充637000；2．西南石油大學石油工程測井實驗室，四川 成都615000）

0 引 言

隨著油氣田勘探開發(fā)步伐逐漸加快，產(chǎn)層出砂已成為困擾油氣井生產(chǎn)的重要問題之一［1］。油氣井出砂的預測基本上都是采用出砂指數(shù)或斯倫貝爾比等經(jīng)驗參數(shù)，主要適用于中淺層。深儲層由于壓實作用強，巖石致密且穩(wěn)定性好［2］，其特點與中淺儲層不同，以往用于中淺層出砂預測的經(jīng)驗值或判別標準已不能滿足深油氣層的出砂評價需要。本文從產(chǎn)層出砂機理分析入手，結合現(xiàn)有的出砂指數(shù)和斯倫貝爾比等出砂評價指標，借助測井資料計算臨界生產(chǎn)壓差、斯倫貝爾比、出砂指數(shù)等參數(shù)，并對其進行標準化處理，消除了不同產(chǎn)層埋深的影響。提出了一套適用于淺層、中深層及深層的出砂判別新標準，該標準已成功應用于塔里木油田庫車地區(qū)E—K系深氣層的出砂評價。

1 產(chǎn)層出砂機理分析

1．1 巖石力學角度主要分為剪切破壞和拉伸破壞

井眼以及射孔后炮孔周圍的巖石所受的應力超過巖石本身的強度，使地層產(chǎn)生剪切破壞，從而產(chǎn)生了破裂面。破裂面降低了巖石的承載能力，使巖石進一步破碎和向外擴張。由于產(chǎn)液流動的拖曳力［3］，將破裂面上的砂子攜帶出來，造成突發(fā)性出砂，嚴重時會砂埋井眼，造成油氣井報廢，其嚴重程度與生產(chǎn)壓差的大小密切相關。

產(chǎn)層流體的流動使作用于炮孔周圍的地層顆粒上的拖曳力過大，炮孔壁巖石所受徑向應力超過其本身的抗拉強度，部分顆粒脫離母體而導致出砂。無論是單向拉伸還是處于復雜應力狀態(tài)，只要巖石所受的最小有效主應力達到其抗拉強度，巖石即發(fā)生拉伸破壞而導致出砂，其嚴重程度與開采流速及液體黏度的高低有關［3］。

氣層和油層流體性質(zhì)的差別較大，氣體的密度和黏度等物性參數(shù)要小于油，氣層的流體流動所產(chǎn)生的拖曳力遠遠小于油層，故從上述地層破壞機理分析，氣層出砂的可能性要小于油層。

1．2 巖石強度及生產(chǎn)壓差

油氣井的出砂現(xiàn)象也可從巖石強度參數(shù)和生產(chǎn)參數(shù)上加以解釋。常見的預測產(chǎn)層出砂的巖石強度參數(shù)有斯倫貝爾比和出砂指數(shù)，其值越小，表明地層巖石強度越低，產(chǎn)層巖石越容易受到破壞而出砂，這是產(chǎn)層出砂的內(nèi)因。

常見的生產(chǎn)工程參數(shù)主要是生產(chǎn)壓差和臨界生產(chǎn)壓差。當生產(chǎn)壓差過大并超過其臨界生產(chǎn)壓差時，孔隙流體拖曳力超過了巖石抗剪強度，導致巖石發(fā)生剪切破壞和張性拉伸破壞，這是產(chǎn)層出砂的主要外因；而生產(chǎn)壓差過小，則生產(chǎn)速度過低、產(chǎn)能降低。從節(jié)約成本和安全生產(chǎn)的角度，臨界生產(chǎn)壓差計算準確與否將直接影響油氣生產(chǎn)井的質(zhì)量以及后期的生產(chǎn)作業(yè)等。

埋藏較深的氣層由于其特殊的形成條件，使得其地層巖石強度大于淺層，即地層更穩(wěn)定，不易出砂；但異常高壓氣層生產(chǎn)時需要較大的生產(chǎn)壓差，這是導致深氣層出砂的主要原因。

2 出砂評價參數(shù)計算及新標準的建立

2．1 出砂評價參數(shù)計算

2．1．1 臨界生產(chǎn)壓差

根據(jù)巖石破壞理論，巖石所受的綜合應力大于其極限強度時會引起巖石結構發(fā)生破壞，導致地層出砂［4］。對于任意角度的定向井，其防砂判據(jù)為

如果式（1）成立，表明在生產(chǎn)壓差Δps下井壁巖石是堅固的，地層不會出砂?？傻贸雠R界生產(chǎn)壓差（Δpc）計算公式

式中，UCS為巖石單軸抗壓強度，MPa；Δps為生產(chǎn)壓差，MPa；p0為上覆巖層壓力，MPa；θ為井斜角，（°）；pp為孔隙壓力，MPa；μ為泊松比；α為 Biot系數(shù)。

生產(chǎn)壓差指標既包含地層強度和穩(wěn)定性這一內(nèi)在因素，又包含生產(chǎn)過程這一外在因素。當Δps—Δpc＞5MPa時，產(chǎn)層嚴重出砂；當0＜Δps—Δpc＜5MPa時，地層輕微出砂；當Δps＜Δpc時，地層不出砂。

2．1．2 出砂指數(shù)（BK）

出砂指數(shù)亦稱垮塌指數(shù)，可反映砂巖強度及其穩(wěn)定性。定義為

式中，ρb為地層密度測井值，g／cm3；Δtc為地層縱波時差測井值，μs／ft＊非法定計量單位，1ft＝12in＝0．3048m，下同；BK為出砂指數(shù)，GPa。BK范圍一般在1～100之間，BK越大，巖石強度越大，穩(wěn)定性越好，油氣層不易出砂。當BK＞20GPa時，正常生產(chǎn)方式下產(chǎn)層不出砂；當15GPa＜BK＜20GPa時，正常生產(chǎn)時產(chǎn)層輕微出砂；當BK＜15GPa，產(chǎn)層將嚴重出砂。

2．1．3 斯倫貝爾比（SR）

斯倫貝爾比可以更全面地描述地層強度及其穩(wěn)定性，其定義為

式中，SR為斯倫貝爾比，×108MPa2；Δts為地層橫波時差測井值，μs／ft。

經(jīng)驗表明，SR越大，地層穩(wěn)定性越好，越不容易出砂。當SR＞3．95×108MPa2時，正常生產(chǎn)方式下地層不出砂；當2．75×108MPa2＜SR＜3．95×108MPa2時，地層輕微出砂；當SR＜2．75×108MPa2時，地層嚴重出砂。

2．2 異常高壓情況下孔隙壓力的計算

塔里木油田庫車地區(qū)產(chǎn)層埋藏較深，地層沉積過程中壓實現(xiàn)象嚴重［1］，形成了異常高壓。統(tǒng)計資料得出該地區(qū)地層孔隙壓力系數(shù)在1．8左右。地層孔隙壓力是計算臨界生產(chǎn)壓差的重要參數(shù)。高壓氣層生產(chǎn)需要較高的生產(chǎn)壓差，而生產(chǎn)壓差又是決定產(chǎn)層是否出砂的重要因素，故需要準確地計算地層孔隙壓力，依此確定合理的生產(chǎn)壓差。

伊頓法是計算地層孔隙壓力的常用方法，其使用前提是作出相應參數(shù)的正常壓實趨勢線，更適用于異常高壓地層。圖1為庫車地區(qū)泥巖正常壓實趨勢線圖，可以看出在4500m以下出現(xiàn)異常高壓，數(shù)據(jù)點偏離了趨勢線。

伊頓法計算地層孔隙壓力公式為

圖1 庫車地區(qū)泥巖地層正常壓實趨勢線圖

式中，pw為地層靜水柱壓力，MPa；x為伊頓指數(shù)，由工區(qū)資料反算得出；Δte為計算點深度對應的趨勢線上的縱波時差，μs／ft。

2．3 深氣層出砂評價標準建立

通過查閱文獻［6－7］及統(tǒng)計分析工區(qū)多口井的巖石強度參數(shù)和臨界生產(chǎn)壓差及出砂情況，認為上述預測出砂的評價標準主要適用于中淺層出砂判別，不適用于塔里木盆地中深層尤其是高壓深氣層的出砂判別。為了消除產(chǎn)層埋深對出砂評價參數(shù)的影響，經(jīng)大量統(tǒng)計分析對比與驗證，將各出砂判別參數(shù)進行標準化處理，構成生產(chǎn)井眼產(chǎn)層出砂評價新標準。

表1 地層出砂評價新標準

3 應用實例分析

表2、表3為庫車地區(qū)多口井出砂預測結果，分別使用了出砂指數(shù)法和斯倫貝爾比法進行預測。從表3中可以看出，用未標準化的BK和SR指標預測產(chǎn)層出砂的結論與實際生產(chǎn)情況的符合率分別為67%和88%，而用標準化后的新指標預測產(chǎn)層出砂的結論與實際生產(chǎn)情況的符合率則分別為100%和92%，表明了新的出砂評價標準更準確，且不受產(chǎn)層埋深等因素的影響，適用范圍更廣。

表4為使用生產(chǎn)壓差法判別庫車地區(qū)地層出砂結果?？梢钥闯?，實際生產(chǎn)壓差高于臨界生產(chǎn)壓差的井段均出砂，實際生產(chǎn)壓差低于臨界生產(chǎn)壓差的井段不出砂，用生產(chǎn)壓差法判別地層出砂結果與實際生產(chǎn)情況相符，準確率達92%。用經(jīng)過標準化后的臨界生產(chǎn)壓差指標判別出砂結果與實際生產(chǎn)情況符合率達到了100%，表明標準化后的指標可更準確地反映地層出砂與否。

表4中各生產(chǎn)井有實際生產(chǎn)壓差數(shù)據(jù)，并不能體現(xiàn)出標準化后的臨界生產(chǎn)壓差指標的作用。本文著重選出一口無實際生產(chǎn)壓差數(shù)據(jù)的井進一步印證該方法的實用性、可靠性。DB301井預測井段6920～7040m，巖性為砂泥巖，是深氣層。從多口鄰井的實際生產(chǎn)情況不能發(fā)現(xiàn)其出砂規(guī)律，對該井的出砂預測無參考作用。

表2 部分井出砂指數(shù)法判別地層出砂結果對比

表3 部分井斯倫貝爾比法判別地層出砂結果對比

常規(guī)的聲波時差判別出砂標準為中淺深度地層＞90μs／ft時產(chǎn)層出砂，并且不適用于深層；而預測段為深井段，且產(chǎn)層位置的聲波時差值在62～74μs／ft之間變化，明顯判斷為不出砂。通過測井計算，該井段地層出砂指數(shù)為33GPa，預測分析不出砂；斯倫貝爾比1．9×108MPa2，預測分析嚴重出砂；經(jīng)過標準化處理得出新的參數(shù)值分別為4．71GPa／km和0．27×108MPa2／km，均反映該井段地層嚴重出砂。其臨界生產(chǎn)壓差為16．85MPa，無實際生產(chǎn)壓差數(shù)據(jù)，無法用生產(chǎn)壓差法判別地層出砂；經(jīng)過標準化處理后的臨界生產(chǎn)壓差參數(shù)值為2．41MPa／km，預測該井段嚴重出砂，建議采取防砂措施（見圖2）。分析其試油資料，發(fā)現(xiàn)該井段試油嚴重出砂，出砂量為133．1L，在該井的出砂判斷中，常規(guī)的經(jīng)驗判別法出現(xiàn)了嚴重的判斷失誤。

4 結論與建議

（1）出砂指數(shù)和斯倫貝爾比等經(jīng)驗法出砂預測指標目前在國內(nèi)外采用最多，僅適用于淺層，不能套用或沿用到深產(chǎn)層，存在很大的應用局限性；通過實驗得出的出砂結果較為直觀，但受條件限制較多，具體應用較少。

（2）建立了新出砂評價標準，即當滿足Δpc／DEP≥3．0MPa／km、BK／DEP≥7．0GPa／km 和SR／DEP≥0．35×108MPa2／km 等條件正常生產(chǎn)時，產(chǎn)層不出砂。

（3）出砂評價新標準消除了儲層埋深的影響，在塔里木油田庫車地區(qū)E—K系深、中、淺砂巖儲層出砂預測中取得了良好的應用效果，為生產(chǎn)井具體防砂提供了及時決策的理論依據(jù)，可以推廣應用。

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