春光油田白垩系储层出砂规律预测及其生产应用研究

2015-07-02罗全民董长银王地举冯兴武彭建文许拓拓

石油地质与工程 2015年5期

关键词：流压防砂砾石

罗全民，董长银，王地举，冯兴武，彭建文，许拓拓

(1.中国石化河南油田分公司新疆采油厂，新疆焉耆 841199；2.中国石油大学(华东)石油工程学院；3.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院)

春光油田白垩系储层出砂规律预测及其生产应用研究

罗全民1，董长银2，王地举1，冯兴武3，彭建文3，许拓拓2

(1.中国石化河南油田分公司新疆采油厂，新疆焉耆 841199；2.中国石油大学(华东)石油工程学院；3.中国石化河南油田分公司石油工程技术研究院)

春光油田白垩系稠油储层为疏松砂岩储层，生产过程中出砂严重，为此应用考虑孔隙压力的Mohr-Coulomb准则建立了临界出砂生产压差预测模型，使用伽马分布模型建立了出砂速度预测方法。利用测井资料计算岩石力学参数，使用实测地应力资料计算了最大、最小水平主应力构造系数，进而对春光油田春17井区白垩系储层的出砂规律进行了预测，得到了出砂临界压差和出砂速度。根据出砂预测结果推荐了防砂时机和防砂后生产制度。

春光油田；白垩系储层；出砂预测；临界压差

以春17井区为代表的春光油田白垩系储层为典型的疏松砂岩储层，主力层系KⅣ砂组属于高孔中渗储层，生产过程中出砂严重，必须采取防砂措施。储层出砂规律不明确，对防砂时机选择、防砂工艺优化、防砂后工作制度优化造成了困难，因此出砂规律预测对于春光油田白垩系储层防砂井生产管理至关重要。

1 出砂规律预测模型与方法

围压条件下储层出砂临界压差预测的三个基本要素分别为岩石静态强度和变形参数、岩石破坏准则、近井地应力分布规律。岩石强度参数通常使用岩石力学测试实验获得。但由于岩心获取困难及数量限制，一般根据测井资料计算得到，详细的计算方法见参考文献[1-5]。

1.1 岩石破坏准则选取

岩石破坏准则有多种，对于疏松砂岩储层岩石破坏，一般选择Mohr-Coulomb岩石破坏准则[3，6]。对于油气储层多孔介质岩石，必须考虑孔隙流体压力。用主应力表示的莫尔-库仑准则为：

σ1-βp=2σctanα+(σ3-βp) tan2α

(1)

式中：σ1、σ3——柱坐标中垂向、径向和切向应力中的最大和最小应力，MPa；β——Biot常数，对于高渗透地层一般取值为1；α——失效角，α=φf/2 +π/4，rad；φf——岩石内摩擦角，(°)；σc——岩石内聚力，MPa；p——孔隙流体压力，MPa。

1.2 近井地带弹性应变时应力分布计算

预测储层出砂临界压差时，一般首先假设地层为弹性变形，计算弹性应力分布。当应力超出岩石破坏准则时，储层破坏，此时的井底流压即为出砂临界井底流压。描述近井弹性变形条件应力分布一般使用Lubinski模型，它假设地层岩石为各向同性、忽略温度场影响，任意位置的井筒围岩有效应力为[6-7]：

(2)

在井壁上有r=ri，代入上式得到井壁有效应力：

(3)

式中：θ——与最大水平主应力σh,max的夹角，rad；r——距井眼中心的径向距离，m；ri——井眼半径，m；pi——井底流压，MPa；p——地层孔隙压力，MPa；σh,max、σh,min——原始地层最大水平主应力和最小水平主应力，MPa；σv——原始垂向地应力，MPa；τrθ——井眼围岩的剪切应力，MPa；σr、σθ、σz——分别为弹性区有效径向、切向与垂向应力，MPa。

1.3 临界出砂生产压差计算方法

式(3)表明，油井近井地应力分布于井底流压pi有关。已知岩石强度以及井壁应力分布，可使用岩石破坏准则判断井壁岩石是否发生破坏，或计算井壁岩石处于临界破坏状态下的井底流压大小，即临界出砂井底流压。为了计算临界井底流压，假设在井壁位置r=ri处，岩石应力状态正好符合莫尔-库伦岩石破坏准则。将r=ri处的最大、最小应力σ1、σ3(井底流压pi的函数)代入式(1)得到关于井底流压pi的方程(为了便于表述，下式中的井底流压使用pwf表示)：

σ1(pwf)-β×p(pwf)=

2σctanα+[σ3(pwf)-β×p(pwf)]×tan2α

(4)

以pwf为未知数，求解方程(4)得到的井底流压即为出砂临界井底流压，转换可得到临界生产压差：

Δpc=pr-pwfc

(5)

式中：pwfc——临界出砂井底流压，MPa；Δpc——临界出砂生产压差，MPa；pr——地层静压，MPa。

1.4 出砂速度预测的伽马分布模型

统计分析发现，出砂速度随时间的变化趋势遵循伽马分布规律，出砂速度存在峰值。出砂速度使用的伽马分布模型为：

(6)

(7)

对上式作一定的压力因素线性修正，在生产压差Δp下出砂量为：

(8)

2 春光油田白垩系储层出砂规律预测

2.1 储层岩石强度纵向分布规律计算

利用春17井区春17-10井的声波、密度和自然伽马测井数据计算得到了岩石强度参数随井深的分布规律如图1所示。

图1 春17-10井岩石强度参数分布计算结果

计算了春17井区16口井白垩系储层的岩石强度，统计得到白垩系储层平均岩石泊松比0.2744，杨氏模量7089 MPa，抗压强度8.09 MPa，抗拉强度1.35 MPa，内聚强度2.01 MPa，内摩擦角26.56°。从岩石强度分析，春光油田白垩系储层属于疏松易出砂储层。

2.2 原始主应力剖面计算

最大和最小水平应力构造系数是计算地应力的关键基础数据。根据春光油田春17区块实际地应力测试结果，在958～965 m井段，实际水平最大、最小主应力分别为21.21 MPa和16.89 MPa，垂向主应力为19.84 MPa。根据黄荣樽两向不等应力模型，反求春17井区白垩系最大最小水平主应力构造系数分别为0.848和0.270。

根据上述水平应力构造系数，利用测井资料及岩石力学参数计算了春17-10井原始地层主应力剖面，如图2所示。

2.3 临界出砂生产压差预测分析

根据岩石强度参数以及主应力，使用本文模型计算得到春17-10井白垩系三个小层出砂临界生产压差纵向分布如图3所示。春17-10井白垩系储层的出砂临界压差为0.8～1.0 MPa，为储层静压的6%～8%。

图2 春17-10井原始主应力剖面

图3 春17-10井白垩系储层出砂临界生产压差的纵向分布规律

使用同样方法预测了春17井区16口井的临界出砂生产压差纵向分布规律，统计了白垩系及其他层系的出砂临界压差。春17井区白垩系储层出砂临界压差平均1.65 MPa，较低值0.5 MPa左右，正常生产条件下容易出砂。新近系沙湾组出砂临界压差约为1.62 MPa，古近系约为1.53 MPa，侏罗系约为2.14 MPa，石炭系约为4.07 MPa。

对于白垩系储层，根据产量需求，配产条件下生产压差要求达到3～4 MPa；而根据出砂预测结果，白垩系平均出砂临界压差生产压差仅有1.65 MPa左右，远低于实际生产压差。因此，对于白垩系储层，油井投产前必须采用先期防砂完井。

3 出砂预测结果在生产中的应用

3.1 出砂速度及其在防砂时机优化中的应用

春光油田垂直井使用套管射孔完井，允许生产一段时间后采取后期防砂措施，因此存在防砂时机选择的问题。在油井防砂之前，允许油井出砂及携砂生产一段时间，以排出井底近井地带的游离砂和细砂成分，疏通近井地带，同时避免防砂过早造成地层细砂在近井堆积，形成低渗透带，进而影响油井产量。防砂时机优化的方法主要是根据地层不防砂情况下出砂量随时间的变化规律来确定。利用本文模型对春17-10井KIV3小层进行给定实际生产条件下的地层出砂速度随时间的变化规律预测，结果如图4所示。

图4 春17-10井地层出砂浓度随生产时间变化

根据图4的结果，在给定的生产压差下，储层出砂速度是随生产时间明显变化的。出砂速度峰值对应的生产时间约为30 d左右，当生产时间50 d后，出砂速度峰值开始回落。良好的防砂时机是躲避出砂高峰期，因此推荐春光油田白垩系储层的油井防砂时间为30～50 d。

3.2 油井防砂后生产制度优化

目前春光油田白垩系储层防砂工艺多采用砾石充填防砂，油井防砂后生产过程中，地层砂会侵入砾石层造成渗透率下降，并且，生产压差越大，产量越高，地层砂侵入砾石层越严重[8-10]。根据这一规律，砾石充填防砂井合理生产压差确定的主要思路与方法为：①预测得到不防砂情况下气井的出砂临界生产压差△pc；②计算分析挡砂介质堵塞规律及其受生产压差影响的程度和变化规律；③ 根据挡砂介质堵塞程度随生产压差的变化规律，确定合理的有效生产压差△pe，该压差为允许的高于不防砂临界出砂生产压差△pc的最大值；④防砂井合理生产压差应控制在△p=△pc+△pe之内。

图5为模拟得到的20～40目砾石层渗透率在春10井区10%细砂侵入情况下随围压的变化规律，图6为预测得到的循环砾石充填防砂产能比随炮眼砾石层渗透率的变化规律。根据图6，炮眼砾石层渗透率约25 μm2之前，产能比增加明显；超过25 μm2后，随着充填渗透率的提高，产能比变化较小。因此，在进行砾石充填防砂时，应最少保证充填带渗透率不低于25 μm2，该渗透率对应图5中的最大围压为不超过2.5 MPa，该值即确定为△pe。

图5 砾石渗透率随围压的变化规律

图6 产能比随环空充填渗透率变化

春17井区白垩系平均出砂临界生产压差约为1.65 MPa，允许合理生产压差为1.65 MPa + 2.5 MPa=4.15 MPa，约为不防砂情况下出砂临界压差的2.5倍。因此，为了避免砾石充填层的过度侵入和压实降低渗透率，推荐春光油田白垩系储层砾石充填防砂后的合理生产压差为不防砂情况下出砂临界压差的2.5倍左右。

另外，为了避免储层的应力敏感以及投产早期防砂介质的过度堵塞降低产量，在砾石充填防砂后投产时应该逐步放大压差，缓慢建立起生产压差，直到达到配产要求。推荐根据配产或预定的生产压差大小，通过3～5次更换工作制度达到逐步提产目的，每个工作制度的工作持续时间推荐12～24 h。