海上疏松砂巖出砂快速分析系統(tǒng)研究

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(guó))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(guó))有限公司湛江分公司， 廣東 湛江 524057)

出砂是海上油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中經(jīng)常面臨的問(wèn)題，大型出砂分析軟件和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?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(kāi)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(shí)驗(yàn)研究需要巖心的支持，但巖心獲取成本極高，尤其是開(kāi)發(fā)成本高昂的海上油氣田。為此，整合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃途雀叩牧W(xué)模型，從經(jīng)驗(yàn)判斷、出砂風(fēng)險(xiǎn)分析、圍巖塑性破壞區(qū)分布等多種角度進(jìn)行出砂趨勢(shì)的研究，編制防砂設(shè)計(jì)模塊，建立了一套使用便捷，能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，能為現(xiàn)場(chǎng)人員提供更為全面準(zhǔn)確的出砂趨勢(shì)判斷的分析系統(tǒng)。

出砂分析； 防砂設(shè)計(jì)； 分析系統(tǒng)

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

在油氣層出砂預(yù)測(cè)和防砂方式選擇方面已有了大量的研究[2-6]。從早期通過(guò)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(lái)進(jìn)行出砂定性預(yù)測(cè)，再到室內(nèi)巖心模擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?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(kāi)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(méi)有成熟的國(guó)產(chǎn)化出砂分析軟件，已有軟件全部為國(guó)外公司研發(fā)，購(gòu)買成本十分高昂，難以普及應(yīng)用；三是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究需要巖心支持，但巖心獲取成本極高，尤其是開(kāi)發(fā)成本高昂的海上油氣田，只有關(guān)鍵井才會(huì)進(jìn)行取心作業(yè)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)難以大量開(kāi)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(chǎng)，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(chǎng)人員提供更為全面準(zhǔn)確的出砂趨勢(shì)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(tái)進(jìn)行編制。橫向上包括出砂定性預(yù)測(cè)、地應(yīng)力及出砂風(fēng)險(xiǎn)分析、防砂方式和精度選擇3個(gè)主模塊；縱向上，每一個(gè)主模塊都由參數(shù)輸入模塊、運(yùn)算模塊、結(jié)果選擇及可視化模塊組成(見(jiàn)圖1)。

1.1 定性預(yù)測(cè)模塊

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

該經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)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(cè)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(yàn)?zāi)K的不足，綜合分析模塊考慮了對(duì)儲(chǔ)層出砂影響最大的應(yīng)力因素，從多種角度分析儲(chǔ)層的出砂趨勢(shì)。該模塊由3個(gè)子模塊組成：近井應(yīng)力場(chǎng)分布模塊、巖石塑性破壞區(qū)分布模塊、出砂風(fēng)險(xiǎn)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(chǎng)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(chǎng)模型，經(jīng)過(guò)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(shì)運(yùn)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(jì)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(xiǎn)分析模塊

以前述近井應(yīng)力場(chǎng)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(xiǎn)越大。繪制出砂風(fēng)險(xiǎn)云圖，分析不同井斜角和方位角的出砂風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

1.3 防砂設(shè)計(jì)模塊

整合目前國(guó)內(nèi)外的防砂設(shè)計(jì)方法，包括Saucier法、Tiffin法、George法以及中國(guó)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(diǎn)和適用范圍。在系統(tǒng)內(nèi)可以查看各方法的設(shè)計(jì)結(jié)果，綜合對(duì)比后決定最終方案。

2 應(yīng)用實(shí)例分析

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

表1 防砂設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)

根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)分布模塊預(yù)測(cè)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(shí)，切應(yīng)力和出砂量隨井斜角的增加而減小；井眼在水平最大地應(yīng)力方位時(shí)，切應(yīng)力和出砂量隨井斜角增加而增加。

將D3H井與較早開(kāi)發(fā)的D2H井的巖石塑性破壞區(qū)分布預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)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(jiàn)圖2)。這一結(jié)果與該油田的實(shí)際生產(chǎn)情況一致。

圖2 巖石塑性破壞區(qū)分布預(yù)測(cè)圖

根據(jù)防砂設(shè)計(jì)模塊預(yù)測(cè)結(jié)果可知，Johnson圖版和UPC圖版的落點(diǎn)都在礫石充填區(qū)域，輸入?yún)?shù)超出Tiffin圖版的適用范圍，沒(méi)有落點(diǎn)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(shí)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(yǔ)

(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(chǎng)，能從多個(gè)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(jiǎn)便，適應(yīng)性強(qiáng)。

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

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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(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)項(xiàng)目”(2011ZX05030-005)

郭敏靈(1986 — )，女，工程師，研究方向?yàn)橛蜌馓镩_(kāi)發(fā)工程。

TE358+.1

A

1673-1980(2017)01-0071-04