高陡构造异常高压深气层出砂测井预测研究

胡南，夏宏泉

（1．西南石油大学应用技术学院，四川 南充637000；2．西南石油大学石油工程测井实验室，四川 成都615000）

0 引 言

随着油气田勘探开发步伐逐渐加快，产层出砂已成为困扰油气井生产的重要问题之一［1］。油气井出砂的预测基本上都是采用出砂指数或斯伦贝尔比等经验参数，主要适用于中浅层。深储层由于压实作用强，岩石致密且稳定性好［2］，其特点与中浅储层不同，以往用于中浅层出砂预测的经验值或判别标准已不能满足深油气层的出砂评价需要。本文从产层出砂机理分析入手，结合现有的出砂指数和斯伦贝尔比等出砂评价指标，借助测井资料计算临界生产压差、斯伦贝尔比、出砂指数等参数，并对其进行标准化处理，消除了不同产层埋深的影响。提出了一套适用于浅层、中深层及深层的出砂判别新标准，该标准已成功应用于塔里木油田库车地区E—K系深气层的出砂评价。

1 产层出砂机理分析

1．1 岩石力学角度主要分为剪切破坏和拉伸破坏

井眼以及射孔后炮孔周围的岩石所受的应力超过岩石本身的强度，使地层产生剪切破坏，从而产生了破裂面。破裂面降低了岩石的承载能力，使岩石进一步破碎和向外扩张。由于产液流动的拖曳力［3］，将破裂面上的砂子携带出来，造成突发性出砂，严重时会砂埋井眼，造成油气井报废，其严重程度与生产压差的大小密切相关。

产层流体的流动使作用于炮孔周围的地层颗粒上的拖曳力过大，炮孔壁岩石所受径向应力超过其本身的抗拉强度，部分颗粒脱离母体而导致出砂。无论是单向拉伸还是处于复杂应力状态，只要岩石所受的最小有效主应力达到其抗拉强度，岩石即发生拉伸破坏而导致出砂，其严重程度与开采流速及液体黏度的高低有关［3］。

气层和油层流体性质的差别较大，气体的密度和黏度等物性参数要小于油，气层的流体流动所产生的拖曳力远远小于油层，故从上述地层破坏机理分析，气层出砂的可能性要小于油层。

1．2 岩石强度及生产压差

油气井的出砂现象也可从岩石强度参数和生产参数上加以解释。常见的预测产层出砂的岩石强度参数有斯伦贝尔比和出砂指数，其值越小，表明地层岩石强度越低，产层岩石越容易受到破坏而出砂，这是产层出砂的内因。

常见的生产工程参数主要是生产压差和临界生产压差。当生产压差过大并超过其临界生产压差时，孔隙流体拖曳力超过了岩石抗剪强度，导致岩石发生剪切破坏和张性拉伸破坏，这是产层出砂的主要外因；而生产压差过小，则生产速度过低、产能降低。从节约成本和安全生产的角度，临界生产压差计算准确与否将直接影响油气生产井的质量以及后期的生产作业等。

埋藏较深的气层由于其特殊的形成条件，使得其地层岩石强度大于浅层，即地层更稳定，不易出砂；但异常高压气层生产时需要较大的生产压差，这是导致深气层出砂的主要原因。

2 出砂评价参数计算及新标准的建立

2．1 出砂评价参数计算

2．1．1 临界生产压差

根据岩石破坏理论，岩石所受的综合应力大于其极限强度时会引起岩石结构发生破坏，导致地层出砂［4］。对于任意角度的定向井，其防砂判据为

如果式（1）成立，表明在生产压差Δps下井壁岩石是坚固的，地层不会出砂。可得出临界生产压差（Δpc）计算公式

式中，UCS为岩石单轴抗压强度，MPa；Δps为生产压差，MPa；p0为上覆岩层压力，MPa；θ为井斜角，（°）；pp为孔隙压力，MPa；μ为泊松比；α为 Biot系数。

生产压差指标既包含地层强度和稳定性这一内在因素，又包含生产过程这一外在因素。当Δps—Δpc＞5MPa时，产层严重出砂；当0＜Δps—Δpc＜5MPa时，地层轻微出砂；当Δps＜Δpc时，地层不出砂。

2．1．2 出砂指数（BK）

出砂指数亦称垮塌指数，可反映砂岩强度及其稳定性。定义为

式中，ρb为地层密度测井值，g／cm3；Δtc为地层纵波时差测井值，μs／ft＊非法定计量单位，1ft＝12in＝0．3048m，下同；BK为出砂指数，GPa。BK范围一般在1～100之间，BK越大，岩石强度越大，稳定性越好，油气层不易出砂。当BK＞20GPa时，正常生产方式下产层不出砂；当15GPa＜BK＜20GPa时，正常生产时产层轻微出砂；当BK＜15GPa，产层将严重出砂。

2．1．3 斯伦贝尔比（SR）

斯伦贝尔比可以更全面地描述地层强度及其稳定性，其定义为

式中，SR为斯伦贝尔比，×108MPa2；Δts为地层横波时差测井值，μs／ft。

经验表明，SR越大，地层稳定性越好，越不容易出砂。当SR＞3．95×108MPa2时，正常生产方式下地层不出砂；当2．75×108MPa2＜SR＜3．95×108MPa2时，地层轻微出砂；当SR＜2．75×108MPa2时，地层严重出砂。

2．2 异常高压情况下孔隙压力的计算

塔里木油田库车地区产层埋藏较深，地层沉积过程中压实现象严重［1］，形成了异常高压。统计资料得出该地区地层孔隙压力系数在1．8左右。地层孔隙压力是计算临界生产压差的重要参数。高压气层生产需要较高的生产压差，而生产压差又是决定产层是否出砂的重要因素，故需要准确地计算地层孔隙压力，依此确定合理的生产压差。

伊顿法是计算地层孔隙压力的常用方法，其使用前提是作出相应参数的正常压实趋势线，更适用于异常高压地层。图1为库车地区泥岩正常压实趋势线图，可以看出在4500m以下出现异常高压，数据点偏离了趋势线。

伊顿法计算地层孔隙压力公式为

图1 库车地区泥岩地层正常压实趋势线图

式中，pw为地层静水柱压力，MPa；x为伊顿指数，由工区资料反算得出；Δte为计算点深度对应的趋势线上的纵波时差，μs／ft。

2．3 深气层出砂评价标准建立

通过查阅文献［6－7］及统计分析工区多口井的岩石强度参数和临界生产压差及出砂情况，认为上述预测出砂的评价标准主要适用于中浅层出砂判别，不适用于塔里木盆地中深层尤其是高压深气层的出砂判别。为了消除产层埋深对出砂评价参数的影响，经大量统计分析对比与验证，将各出砂判别参数进行标准化处理，构成生产井眼产层出砂评价新标准。

表1 地层出砂评价新标准

3 应用实例分析

表2、表3为库车地区多口井出砂预测结果，分别使用了出砂指数法和斯伦贝尔比法进行预测。从表3中可以看出，用未标准化的BK和SR指标预测产层出砂的结论与实际生产情况的符合率分别为67%和88%，而用标准化后的新指标预测产层出砂的结论与实际生产情况的符合率则分别为100%和92%，表明了新的出砂评价标准更准确，且不受产层埋深等因素的影响，适用范围更广。

表4为使用生产压差法判别库车地区地层出砂结果。可以看出，实际生产压差高于临界生产压差的井段均出砂，实际生产压差低于临界生产压差的井段不出砂，用生产压差法判别地层出砂结果与实际生产情况相符，准确率达92%。用经过标准化后的临界生产压差指标判别出砂结果与实际生产情况符合率达到了100%，表明标准化后的指标可更准确地反映地层出砂与否。

表4中各生产井有实际生产压差数据，并不能体现出标准化后的临界生产压差指标的作用。本文着重选出一口无实际生产压差数据的井进一步印证该方法的实用性、可靠性。DB301井预测井段6920～7040m，岩性为砂泥岩，是深气层。从多口邻井的实际生产情况不能发现其出砂规律，对该井的出砂预测无参考作用。

表2 部分井出砂指数法判别地层出砂结果对比

表3 部分井斯伦贝尔比法判别地层出砂结果对比

常规的声波时差判别出砂标准为中浅深度地层＞90μs／ft时产层出砂，并且不适用于深层；而预测段为深井段，且产层位置的声波时差值在62～74μs／ft之间变化，明显判断为不出砂。通过测井计算，该井段地层出砂指数为33GPa，预测分析不出砂；斯伦贝尔比1．9×108MPa2，预测分析严重出砂；经过标准化处理得出新的参数值分别为4．71GPa／km和0．27×108MPa2／km，均反映该井段地层严重出砂。其临界生产压差为16．85MPa，无实际生产压差数据，无法用生产压差法判别地层出砂；经过标准化处理后的临界生产压差参数值为2．41MPa／km，预测该井段严重出砂，建议采取防砂措施（见图2）。分析其试油资料，发现该井段试油严重出砂，出砂量为133．1L，在该井的出砂判断中，常规的经验判别法出现了严重的判断失误。

4 结论与建议

（1）出砂指数和斯伦贝尔比等经验法出砂预测指标目前在国内外采用最多，仅适用于浅层，不能套用或沿用到深产层，存在很大的应用局限性；通过实验得出的出砂结果较为直观，但受条件限制较多，具体应用较少。

（2）建立了新出砂评价标准，即当满足Δpc／DEP≥3．0MPa／km、BK／DEP≥7．0GPa／km 和SR／DEP≥0．35×108MPa2／km 等条件正常生产时，产层不出砂。

（3）出砂评价新标准消除了储层埋深的影响，在塔里木油田库车地区E—K系深、中、浅砂岩储层出砂预测中取得了良好的应用效果，为生产井具体防砂提供了及时决策的理论依据，可以推广应用。

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