疏松砂岩挤压充填变形机理及模拟技术研究

常方瑞

摘 要：文章利用标准岩心开展常规三轴实验研究了疏松砂岩挤压变形响应，研究表明其应力-应变曲线呈现弹塑性特征；另一方面，利用大尺寸岩心真三轴实验研究了疏松砂岩破裂延展响应，表明疏松砂岩受到挤压不一定产生裂缝。最后，基于大变形理论建立了疏松砂岩挤压变形充填带数学模型，利用现场井例开展了挤压充填形态模拟及充填强度预测，为挤压充填参数优化设计提供了理论支撑。

关键词：疏松砂岩；挤压充填；变形；模拟

中图分类号：O14 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0054-02

绕丝挤压充填防砂已成为疏松砂岩油藏主导的防砂工艺，其施工参数优化主要立足于如何将砾石携带至炮眼端部，设计地层填砂量即为炮眼容积，设计施工排量较小。而对于压裂防砂技术，则主要采用端部脱砂水力压裂数学模型，采用MEYER等相关压裂防砂软件进行施工参数优化，并无专用的疏松砂岩挤压充填模拟数学模型及模拟软件。本文采用室内实验方法对挤压充填作用下疏松砂岩变形机理开展了探索，引入大变形理论定量描述疏松砂岩挤压变形充填帶形态，建立了数学模型，编制了计算程序，开展了现场应用，验证了模型的可靠性。

1 疏松砂岩挤压充填变形模拟实验

1.1 实验设计及岩心制备

挤压充填过程中，随高粘携砂液泵入，一方面，井筒周围的岩石首先会发生挤压变形，此时利用直径1in的标准岩心为研究对象，采用常规三轴实验研究疏松砂岩受力变形过程；另一方面，随井底压力升高，井周岩石可能发生破裂延展，此时利用尺寸为100×100×100mm的方形岩样采用真三轴（施加三向模拟应力环境）破裂模拟实验研究疏松砂岩破裂延展过程。

对于疏松砂岩而言，一方面，现场获取天然岩心难度较大，另一方面，钻取及后续加工岩样难度较大，给疏松砂岩相关室内实验的开展带来了很大困难。因此，从可接近性和相似性考虑，研究过程中采用了人造岩心代替天然岩样开展实验，疏松砂岩岩心制备及实验参考了前人部分研究成果。

首先，采用压制法制备了直径1in的疏松砂岩岩心， 为系统研究不同类型疏松砂岩受力变形特性，制备了5类岩心，其物性见表1，渗透率介于141×10-3-2043×10-3um2，孔隙度介于22%-36%，纵波时差介于263-377us/m，与胜利疏松砂岩油藏具有较好一致性，可满足实验要求。

在此基础上，制备了100×100×100mm的方形岩样，将制作过程分为两步：（1）采用压制法制备5类直径80mm的疏松砂岩岩心（物性参数同1in标准岩心）；（2）采用浇铸法将其制备成100×100×100mm的方形岩心，并利用水浴法进行养护。

1.2 疏松砂岩挤压变形实验

利用伺服控制三轴实验系统开展岩心挤压变形实验。把岩心放置在高压釜内，随后将5类模拟岩心分别在围压为5、10、15、20MPa下开展挤压变形实验，获取了5组共20例岩心的应力-应变曲线。

重点研究储层应力及储层胶结强度对疏松砂岩受力变形的影响，以1号岩心为例，其不同围压下应力-应变曲线，可知：（1）疏松砂岩应力-应变曲线呈现弹塑性特征，线弹性阶段，随应力增加应变呈线性增加，进入塑性阶段后，应力的微小增加即会导致应变显著增加；（2）围压越大，产生同样应变所需应力显著增加，侧面反映了储层应力越强的储层，同样施工条件下储层变形量越小，导致充填强度越低；（3）围压越小，岩心越容易进入塑性阶段，表明储层应力越弱的储层，同样施工条件下，更容易产生幅度大的变形量，导致充填强度越高。

以20MPa围压条件为例，不同岩心应力应变曲线，可知：（1）随岩心胶结强度增加，应力应变曲线由弹塑性逐渐变为脆弹性，达到强度极限后更易破裂；（2）随岩心强度增加，产生同样应变所需外载力显著增加，表明储层强度越高，要达到同样的填砂强度，其施工压力要越高。

1.3 疏松砂岩破裂延展实验

利用真三轴压裂模拟系统开展疏松砂岩破裂延展实验，步骤如下：（1）将立方体岩心放入实验系统腔体；（2）施加三向压力6、8、10MPa，为模拟地层，三向压力有所不同；（3）按照10、20、30、40、50ml/min的排量泵注粘度为60mPa.s的模拟携砂液，记录泵压曲线，随后泄压，换岩心，重复上述步骤开展实验。

当岩心渗透率较高（大于1600md）时，10-50ml/min实验排量憋起压力较低，井周形成稳定渗流而无法起裂，侧面说明现场进行挤压充填施工时必须保证一定的施工排量，若施工排量过小，一方面会使得井周微裂缝无法产生，导致填砂强度不够，改造不彻底；另一方面会导致携砂液过量渗滤，污染储层。

当岩心渗透率低于1400md时，10ml/min排量憋起的压力即可导致岩心起裂，压力曲线反复出现升高-陡降的趋势，反映了裂缝起裂及动态延展过程。现场挤压充填施工过程中，为诱导疏松砂岩储层产生裂缝，当携砂液粘度确定时，可通过适当加大排量的方法诱导微裂缝的产生。

综上研究：

（1）对于中高渗疏松砂岩油藏而言，当挤压充填施工条件（携砂液粘度、施工排量等）合适时，井周储层可以产生裂缝。（对于本次实验而言，50ml/min的排量可以使得渗透率低于1400md的岩心起裂；对于渗透率高于1400md的岩心，为诱导产生裂缝，应选用高于50ml/min的排量开展实验，探索其起裂界限）。

（2）对于不同的疏松砂岩油藏，诱导储层起裂（产生主裂缝）所需的施工参数也会存在差异。对于厚度10m的渗透率1300-1400md左右的疏松砂岩储层，运用相似准则，推荐施工排量高于1.8m3/min。

2 软件研发及典型井例应用

2.1 软件研发

采用delphi语言编制了疏松砂岩挤压充填模拟可视化软件，主要包括工作目录设置、储层强度参数计算、塑性出砂区域计算、挤压变形充填带模拟、后处理显示等子模块。各模块功能如下：endprint

（1）储层强度参数计算：利用测井数据实现了疏松砂岩弹性模量、波松比、内聚力、内摩擦角及抗拉强度等参数计算。

（2）塑性出砂区域计算：实现了不同生产参数下井周储层由于塑性屈服导致的岩石骨架破坏出砂区域计算。

（3）挤压变形充填带模拟：考虑储层出砂影响，实现了不同施工参数下充填形态模拟计算。

（4）后处理显示：实现塑性出砂区域、挤压变形充填带模拟等计算结果的云图、等值线、动画等不同形式的显示。

2.2 挤压变形充填带模拟井例应用

以GO7-32-326井为例，该井施工油层为1294.6-1297.4m，施工参数如下：正挤携砂液60m3，均匀加入0.6-1.2mm石英砂14m3，泵压最高为20MPa，折算最高井底压力约为33MPa，施工排量为1.8m3/min，平均携砂比为20%，填砂强度为5m3/m。建立如下物理模型，模型边界分别施加22MPa、26MPa、33MPa的地应力边界，井眼内为施工压力边界，模拟充填形态，模拟充填强度为4.6m3/m，与实际充填强度误差为8%，模拟精度较高。

3 充填模拟技术现场应用

利用自研的挤压充填防砂模拟计算系统，针对24口油井开展了填砂强度模拟，可知预测与实际填砂强度误差控制在11.2%左右，具有较高精度。

4 结论及建议

（1）开展了疏松砂岩挤压充填模拟实验，利用常规三轴实验研究了疏松砂岩挤压变形响应，其应力-应变曲线呈现弹塑性特征；利用真三轴实验研究了疏松砂岩破裂延展响应，其泵注压力曲线呈现升高-陡降的起裂特征，说明可调整排量来诱导疏松砂岩起裂。

（2）基于大变形理论建立了挤压变形充填带数学模型，研发了挤压充填防砂模拟软件系统，提高了挤压充填参数设计针对性。

（3）开展了24口油井填砂强度模拟，预测与实际填砂强度平均误差11.8%，具有较高计算精度。

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