疏松砂巖臨界生產(chǎn)壓差參數(shù)求解方法研究

康 凱,馮 敏,李彥來,李其正,蘇彥春,劉 超

(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津塘沽 300452）

疏松砂巖臨界生產(chǎn)壓差參數(shù)求解方法研究

康 凱,馮 敏,李彥來,李其正,蘇彥春,劉 超

(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津塘沽 300452）

依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,利用彈性和彈塑性理論,建立防止疏松砂巖油藏出砂的臨界井底流壓模型,可較準(zhǔn)確求解地層出砂臨界生產(chǎn)壓差。針對(duì)模型涉及彈性力學(xué)參數(shù)測試費(fèi)用昂貴、難以獲取等難題,提出一套不需測試的參數(shù)確定方法。旅大5-2油田應(yīng)用本方法,得到的臨界生產(chǎn)壓差與油井實(shí)際基本一致,結(jié)果符合率高、誤差小,該方法具有明顯的經(jīng)濟(jì)意義和實(shí)用價(jià)值,可廣泛的應(yīng)用于類似疏松砂巖油藏。

疏松砂巖;臨界生產(chǎn)壓差;地層內(nèi)聚力;動(dòng)態(tài)泊松比;地層內(nèi)摩擦角

疏松砂巖油藏出砂一般分為兩種,充填砂出砂和骨架出砂。實(shí)踐證明,充填砂適度出砂可疏通地層孔隙通道、提高原油流動(dòng)能力,產(chǎn)生有利影響,生產(chǎn)過程中要避免的是巖石骨架出砂。

出砂與否與儲(chǔ)層骨架顆粒和膠結(jié)物之間的交接方式、膠結(jié)強(qiáng)度、地層應(yīng)力狀態(tài)和油氣生產(chǎn)的作業(yè)方式、環(huán)境、條件有關(guān)。油氣儲(chǔ)層巖石在地應(yīng)力及流體流動(dòng)力的作用下,產(chǎn)生剪切破壞或拉伸破壞時(shí)就可能會(huì)造成出砂。

1 油層出砂力學(xué)模型建立

Mohr-Coulomb準(zhǔn)則認(rèn)為:當(dāng)巖石破裂面上的剪切應(yīng)力τ等于巖石材料本身的抗剪強(qiáng)度(即內(nèi)聚力C)與作用于該破裂面上的正應(yīng)力σ引起的內(nèi)摩擦阻力σtgθ(θ為地層內(nèi)摩擦角)之和時(shí),發(fā)生剪切破壞,造成巖石骨架出砂。Mohr-Coulomb準(zhǔn)則關(guān)系式[1]為:

油井不出砂最小井底壓力[2],即臨界井底流壓Pwcr為:

式中:C——地層內(nèi)聚力 ,MPa;σzo——上覆巖層壓力,MPa;μd——?jiǎng)討B(tài)泊松比,取值一般小于 0.25;β——孔隙彈性介質(zhì)Biot常數(shù),小數(shù);Pe——油藏外邊界處壓力 ,MPa;θ——地層內(nèi)摩擦角,°。

油層出砂臨界生產(chǎn)壓差ΔPcr為:

2 參數(shù)求解方法

臨界生產(chǎn)壓差的求解過程中,砂泥巖內(nèi)聚力、動(dòng)態(tài)泊松比、上覆巖層壓力、地層內(nèi)摩擦角、孔隙彈性介質(zhì)Biot常數(shù)等參數(shù)求解難度較大;縱波速度、巖石體積密度、泥質(zhì)含量及油藏外邊界壓力相對(duì)較易取得。

2.1 砂泥巖內(nèi)聚力 C的確定

砂泥巖內(nèi)聚力 C與聲波傳播速度Vp的關(guān)系[3]:

式中:ρb——巖石體積密度 ,g/cm3;νp——縱波速度,m/s;Vcl——泥質(zhì)含量,%;

2.2 動(dòng)態(tài)泊松比μd的確定

采用實(shí)際巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可以獲得動(dòng)態(tài)泊松比μd數(shù)值,一般油田缺乏實(shí)測資料,疏松砂巖通常情況可取0.13。

根據(jù)巖石彈性力學(xué)理論,巖石泊松比是縱橫波時(shí)差的函數(shù)[3]。

式中 ,Δts——巖石的橫波時(shí)差 ,μs/ft;Δtp——巖石的縱波時(shí)差,μs/ft。

并不是所有的測井系列都開展聲波全波列測井或偶極橫波測井。為此,部分學(xué)者開展利用縱波時(shí)差等常規(guī)測井資料求取巖石泊松比的研究,建立利用地層泥質(zhì)指數(shù)、巖石縱波時(shí)差、中子測井孔隙度和自然伽馬值求取巖石泊松比的統(tǒng)計(jì)模型[4]。

式中,ΦN——中子孔隙度,%;GR——自然伽馬值,API;Ish——地層泥質(zhì)指數(shù);Φs、Φd——聲波時(shí)差和地層密度測井求得的孔隙度,%。

隨著動(dòng)態(tài)泊松比的增大,臨界生產(chǎn)壓差降低。

2.3 上覆巖層壓力σzo的確定

上覆巖層壓力也稱為圍巖壓力,是整個(gè)上覆巖石地層所施加的壓力。密度測井曲線可以比較真實(shí)地反映地下巖石的體密度隨其埋藏深度的變化規(guī)律,是求取上覆巖壓力最為理想資料,通過密度曲線積分求取σzo[5]。

式中,ρb(H)——H深度處的巖石體積密度,g/cm3;g——重力加速度,9.8m/s2;h——所計(jì)算的油層深度,m。

并不是所有井的密度測井都是全井段的,依靠積分求解有時(shí)存在一定難度,一般情況下,可采用上覆巖層壓力梯度的理論值22.7kPa/m計(jì)算。

假設(shè)上覆巖層壓力隨深度均勻增加,則:

式中,ρ巖——巖石骨架平均密度,g/cm3,通常取值2.5g/cm3;ρ流——流體平均密度 ,g/cm3,通常取值1.0g/cm3;Φ平——平均孔隙度 ,%,通常取值10.0%。

隨著上覆巖層壓力增大,臨界生產(chǎn)壓差減少。

2.4 地層內(nèi)摩擦角θ的確定

一般巖石的內(nèi)摩擦角θ與內(nèi)聚力C之間有關(guān)系[3]:

2.5 孔隙彈性介質(zhì)Biot常數(shù)

對(duì)于疏松砂巖來說,孔隙彈性介質(zhì)Biot常數(shù)通常取值1.0。

研究表明,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方程[6]可以確定靜態(tài)Biot彈性常數(shù):

式中,KCMR——用核磁共振測井(CMR)解釋的滲透率 ,10-3μm2。

隨著孔隙彈性介質(zhì)Biot常數(shù)的增大,臨界生產(chǎn)壓差減少。

2.6 縱波速度νp的確定

應(yīng)用測井資料可以獲得為縱波速度νp,計(jì)算公式為:

隨著縱波速度的增大,臨界生產(chǎn)壓差增大。

2.7 巖石體積密度ρb的確定

巖石體積密度ρb并非巖石骨架密度,該值可從常規(guī)密度測井直接得到。

隨著砂巖密度的增大,臨界生產(chǎn)壓差增大。

2.8 泥質(zhì)含量Vcl的確定

泥質(zhì)含量Vcl指的是巖石中具有膠結(jié)作用的粘土含量。應(yīng)用測井資料得到泥質(zhì)含量數(shù)據(jù),包含了粘土含量以及部分細(xì)粉砂、束縛水等,測井解釋結(jié)果偏大,不具備使用意義。準(zhǔn)確的泥質(zhì)含量Vcl數(shù)據(jù)應(yīng)來源于巖心化驗(yàn)分析資料。隨著泥質(zhì)含量的增大,臨界生產(chǎn)壓差增大。

3 油田應(yīng)用效果

LD5-2油田位于渤海海域,主要目的層為東營組東二上段,湖相三角洲前緣沉積,油藏埋深淺,儲(chǔ)層膠結(jié)疏松,泥質(zhì)含量較低,為2%左右。

采取上述方法,進(jìn)行LD5-2油田出砂臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算,見表1。

利用油井出砂時(shí)的生產(chǎn)壓差,驗(yàn)證臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,見表2。

臨界生產(chǎn)壓差與油井開始出砂時(shí)實(shí)際生產(chǎn)壓差基本一致,二者平均相差0.13MPa,誤差為5.1%,計(jì)算結(jié)果精度較高好。對(duì)比結(jié)果說明:

(1)依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,利用彈性和彈塑性理論,建立的防止疏松砂巖油藏出砂臨界井底流壓模型,可較準(zhǔn)確地求解地層出砂臨界生產(chǎn)壓差,差,計(jì)算結(jié)果真實(shí)、可靠,準(zhǔn)確率高;

表1 LD5-2油田部分油井臨界生產(chǎn)壓差計(jì)算結(jié)果

表2 油井出砂階段生產(chǎn)壓差與臨界生產(chǎn)壓差對(duì)比

(2)參數(shù)確定方法實(shí)用性較強(qiáng),計(jì)算結(jié)果可以滿足油田日常生產(chǎn)需要,使用該方法可節(jié)約大量的彈性力學(xué)參數(shù)測試費(fèi)用、測井費(fèi)用,具有明顯的經(jīng)濟(jì)意義和實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)論與建議

(1)依據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則,利用彈性和彈塑性理論建立的臨界井底流壓模型,可較準(zhǔn)確地求解地層出砂臨界生產(chǎn)壓差。

(2)本文提出的臨界井底流壓模型參數(shù)確定方法實(shí)用性較強(qiáng),計(jì)算結(jié)果與油井實(shí)際吻合度較高,可基本滿足油田日常生產(chǎn)管理需要。

(3)為避免LD5-2油田東二上段油井出砂,建議合理生產(chǎn)壓差小于2.20MPa。

[1] 王勤田,越彥超,楊晶,等.油井出砂臨界井底流壓計(jì)算模型及應(yīng)用[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào),2002,24(2):75-76.

[2] 陳民鋒,姜漢橋.渤中25-1南油田不同井型油井合理生產(chǎn)壓差研究[J].中國海上油氣,2006,18(6):399-402.

[3] 李天太,張益,張寧生,等.地層力學(xué)特性參數(shù)求解及其在蘇里格地區(qū)的應(yīng)用[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,20(5):22-24.

[4] 劉之的,夏宏泉,陳平.巖石泊松比的測井計(jì)算方法研究[J].測井技術(shù),2004,28(6):508-510.

[5] 褚義.薩北開發(fā)區(qū)破裂壓力梯度研究[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā),2006,25(增刊):23-24.

[6] 曹文杰.NMR在與巖石力學(xué)相關(guān)的出砂控制、水力裂縫和井眼穩(wěn)定性等石油方面的應(yīng)用[J].測井技術(shù)信息,2003,16(6):42-45.

TE313

A

1673-8217(2011)02-0058-03

2010-08-10

康凱,1978年生,2003年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院,獲碩士學(xué)位,現(xiàn)從事油氣田開發(fā)方面研究。

編輯:彭剛