深海油田油井投產極限生產壓差確定及應用研究

范學平

（中國海洋石油烏干達有限公司 上海 200232）

深海油田油井投產極限生產壓差確定及應用研究

范學平

（中國海洋石油烏干達有限公司 上海 200232）

尼日利亞某深海油田油藏儲層為深海河道和水下濁積扇沉積體，巖石膠結較差，在優質篩管完井油井投產階段可能會破壞出砂，甚至引起井壁坍塌，導致泄流區流動效率降低，因此須確定可允許的壓降范圍，以確保井壁的完整性。油井投產啟動時處于非穩定流，作用于巖石顆粒上的水動力起著主要作用，據此推導出了流體流動和巖石顆粒平衡耦合的生產壓差計算公式，并應用于該油田的極限生產壓差確定，其中對于推導公式中所涉及的無側限抗壓強度UCS，首次提出了基于巖心實驗RSD數據的關聯法確定。現場應用表明，在油井投產實際操作中沒有出現出砂和井壁垮塌現象，而且長期生產井動態數據也表明生產井產能較為穩定，說明了本文方法的實用性及可行性。

深水油田；優質篩管完井；油井投產；極限生產壓差；無側限抗壓強度；尼日利亞

非洲尼日利亞幾內亞灣某深海油田水深1 300～1 500 m，油藏埋深在海底之下約1 600～2 200 m，儲層為深海河道和深海濁積扇沉積體。該砂巖油藏巖石顆粒膠結差，結構疏松，在優質篩管完井油井投產階段容易出現巖石破壞出砂，甚至引起井壁垮塌事故，因此須確定可允許的壓降范圍，研究投產時合理的生產壓差。

文獻［1－6］就油氣井出砂和相關理論進行了一定程度的探討。實踐表明，油田投產期間需要保持井筒附近巖石結構的穩定，使破壞巖石和穩定巖石顆粒結構的作用力之間保持平衡；油井投產啟動時處于非穩定流，作用于巖石顆粒上的水動力起著主要作用。基于此，本文以尼日利亞某深海油田為研究對象，采用流固耦合方法推導出了生產壓差計算方程，并應用于該油田的極限生產壓差的確定，其中對于推導公式中涉及到的無側限抗壓強度UCS值，則先采用刻劃硬度試驗RSD確定巖石比能，再基于經驗所得的UCS和比能之間的回歸關系進行確定。與文獻［7］相比，本文這種對有關參數進行的簡化處理，使得最終計算方程非常簡單，便于現場實際應用。

1 極限生產壓差確定

為了維持優質篩管完井油井投產時井壁巖石顆粒穩定，總的原則是破壞巖石顆粒膠結穩定的作用力小于維持穩定的作用力。其中，破壞平衡的主要作用力除局部應力外，主要有由液體流動作用于顆粒上的拖拉力；而維持平衡的作用力主要有由巖石顆粒間膠結產生的巖石強度以及顆粒之間的摩擦力，這一作用力用無側限抗壓強度UCS來表示。基于流體流動規律，研究并比較這2種作用力，可推導出所需的控制條件，使投產時生產壓差能夠確保井壁巖石顆粒的穩定。

由于流體流動，作用于基質單元體積上的水動力FHD可由下式［8］表示：

達西定律可以表示為

因此有

在軸對稱狀態下，井筒流動方程為

通過破壞準則將不同的應力部分聯系起來，至少在井筒附近的彈性區域有以下方程：

因此，平衡方程為

由于滲流速度可表示為

聯立式（2）和式（7），則有

將式（8）代入式（3），可得

令

將式（8）～（10）代入式（6），則平衡方程可寫為

對式（11）進行求解，可得

或

在非穩定流階段，對于各向同性油藏，井筒流動壓降為

結合式（14）和式（15），可以得到為確保井壁巖石顆粒穩定的生產壓降方程為

可見，通過式（16）可以將引起破壞井壁巖石顆粒膠結的流體流動力和穩定力UCS有機地聯系在一起。

2 UCS值實驗確定

尼日利亞某深海油田沒有測井系列UCS值，因此筆者提出根據油藏巖心先求取巖石硬度，再基于硬度和UCS之間的經驗關系來確定UCS值。由于該油田巖心膠結弱、易碎，不能采用傳統的三軸強度測試方法，故采用巖石硬度設備RSD（巖石硬度擦痕方法）確定巖心硬度。實驗采用切割器沿固定在移動條凳上的巖心軸設定一個深度的槽，裝在切割器上的傳感器計錄儀通過電子方式記錄切割這個槽所需要的法向和切向力。通過獲得的法向和切向力破壞已知體積巖心所需要的能量，即為巖石比能，可以用來計算和獲取定量的硬度剖面。

取自該油田X油藏某井的弱膠結巖心測試比能剖面如圖1所示，X油藏所有井巖心測試比能分布如圖2所示。可見，該油藏56%巖心樣品測試比能小于5 MPa，35%巖心樣品測試比能介于5～10 MPa，約91%的巖心樣品測試比能小于10 MPa。

圖1 尼日利亞某深海油田X油藏某井巖心測試比能剖面Fig.1 Cores specific energy section of a well in X reservoir of a deep water oilfield，Nigeria

圖2 尼日利亞某深海油田X油藏所有井巖心測試比能分布Fig.2 Cores specific energy distribution chart of all wells in X reservoir of a deep water oilfield，Nigeria

由RSD測得的比能盡管是真正的硬度指標，但不能直接應用于本文所需解決的巖石力學模型，需要與更傳統的參數如UCS相關聯。根據RSD比能和UCS的經驗關系，建立了比能與UCS之間的回歸關系，其關系曲線如圖3所示。在圖中交點處，可以得到比能與UCS之間的相關關系；從統計關系來講，這兩者是等效的，一個是線性關系，另一個是冪律關系。

圖3 巖心測試比能與UCS統計相關關系（圖中數據來自項目組內部統計實驗數據）Fig.3 Stastical relationship between UCS and cores specific energy（data from inner projecct experiment）

由圖3可知，研究區的RSD比能值較低，在該區采用冪律回歸關系更接近實驗數據，擬合關系更好，其關系式為

通過式（17）這一相關關系式可以將RSD比能轉換成UCS。圖4為該油田X油藏某井巖心測試比能轉換后的UCS剖面，圖5為X油藏所有井巖心測試比能轉換后UCS分布，可見其形狀與比能分布圖（圖2）很相似，但UCS結果可以直接應用于式（16）。

圖4 尼日利亞某深海油田X油藏某井巖心測試比能轉換后的UCS剖面Fig.4 UCSsection converted from cores specific energy of a well in X reservoir of a deep water oilfield，Nigeria

圖5 尼日利亞某深海油田X油藏所有井巖心測試比能轉換后的UCS分布Fig.5 UCS distribution chart converted from cores specific energy of all wells in X reservoir of a deep water oilfield，Nigeria

3 現場應用

3.1 油井極限生產壓差的確定

尼日利亞某深海油田X油藏流體原油黏度為0.1 mPa·s，平均滲透率為25 mD，巖石壓縮系數為1×10－5MPa－1。該油藏巖石平均孔隙度為0.22，井筒半徑為12 cm，表皮系數為0。考慮時間極小時，將上述數據代入式（16），有

將上式簡化后可得

根據圖5所示的該油田X油藏UCS分布狀況，結合經驗建議該油藏UCS值取P10時為0.5 MPa較好。將該值代入式（19），計算得到的理論極限生產壓差應為1.8 MPa。

P10是一個具有概率意義的參數。對于實驗樣品或實際油藏剖面，P10值是指樣品數據累計值統計10%的概率事件所對應的UCS值。相對于P50，P10值要小一些。取較小的UCS實驗數據，目的是要盡可能考慮到實際油藏剖面的非均質性，將油藏最薄弱的部分考慮到。另一方面，一口深海生產井的費用一般會超過1億美元，必須避免在實際操作中引起油藏破壞出砂。

3.2 實際應用效果

在該油田優質篩管完井油井投產階段，壓力調節的時間和方法也很重要。這是因為該油田所有的生產井都采用海底完井，流體要流經海底生產管線、控制管線和立管才能到達FPSO。數十千米長的海底管線分布較為復雜，管中流體體積大、慣性大、流態變化復雜，投產啟動期間容易引起流量和壓力波動，嚴重時可能破壞生產設施，這也是深水油田的主要特點之一。為此，采用OLGA管流軟件對X油藏進行了系統的非穩定流數值模擬計算，結果顯示該油藏油井采用以下的啟動方式可以使整個流程中壓力和流體流量保持平穩：30 min逐漸打開油嘴，使生產壓降達到0.2 MPa；之后保持這一狀態生產3 h，逐步達到不超過1.8 MPa的極限生產壓差［7］。

以該油藏P3井投產時生產壓差的實際調節為例說明實際應用效果。第一，考慮到P3井穿過該油藏的非均質性，投產啟動初期可能出砂和生產流程中流體波動的較大風險，將生產壓差控制在1.2 MPa左右；第二，在這一生產壓差下，產量能夠滿足設計需要，暫時不需要進一步增加生產壓差。該井計劃的壓力調節和實際調節過程如圖6所示。

P3井生產啟動階段生產非常順利，投產初期產能為2 000 m3/（d·MPa），投產一年后產能約為1 860 m3/（d·MPa），降低很少，這也表明該井投產啟動時所采用的壓差分析方法以及實施操作過程是正確的。

圖6 尼日利亞某深海油田X油藏P3井投產初期生產壓差調節曲線Fig.6 Producing pressure drop adjustment curves during early stage of P3well in X reservoir of a deep water oilfield，Nigeria

4 結論

針對尼日利亞某深海油田油井投產啟動面臨的出砂、井壁垮塌以及影響完井質量的長期有效性，本文提出了極限生產壓差的計算方法，并首次提出采用RSD比能和UCS之間的回歸關系計算無側限抗壓強度UCS。本文方法已在該油田實際生產中得到應用，實現了生產井產能較為穩定的目標，對其他深水油田油藏管理具有借鑒作用。

符號說明

Ct—巖石綜合壓縮系數，1/MPa；

FHD—水動力，MPa；

h—油藏滲流面長度，cm；

K—油藏巖石滲透率，D；

p—壓力，MPa；

q—流量，cm3/s；

r—徑向距離，cm；

rw—井筒半徑，cm；

S—表皮系數，f；

UCS—側壓抗壓強度，MPa；

μ—流體黏度，mPa·s；

vfl—流體速度，cm/s；

σr—徑向主應力，MPa；

σθ—切向主應力，MPa；

φ—摩擦角。

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Research on the maximum drawdown pressure and its application for well start－up in deep offshore oilfields

Fan Xueping
（CNOOC Uganda Limited，Shanghai 200232，China）

Reservoirs in deep water blocks offshore Nigeria were deposited in fluvial and turbiditic environments.The rock with weak to very weak cementation has the potential risk of sanding which may even induce wellbore collapse，and hence reduce the near wellbore fluid flow efficiency during well－starting up period with the SAS（stand alone screen）completion.So a reasonable wellbore pressure drawdown range needs to be decided to ensure the wellbore integrity.The fluid flow is transient and the hydro－dynamic force predominates in this time interval.Based on the understanding，the coupled fluid flow and rock mechanics pressure drawdown formula has been developed，which has been applied in determining the maximum pressure drawdown for the field.To determine the UCS（unconfined compress stress）in the formula，the correlation between RSDbased on core experiments and the UCSis suggested for the first time.Field applications show that sanding and borehole collapse were avoided in the well start－up operation guided by the methods.The good long term well dynamic performance also indicated the stable productivity.Hence it verifies the practicality and feasibility of the methods.

deep water oilfield；stand alone screen（SAS）；well start－up；maximum drawdown pressure；unconfined compress stress（UCS）；Nigeria

TE5343

A

2014－05－13改回日期：2014－12－18

（編輯：周雯雯）

范學平.深海油田油井投產極限生產壓差確定及應用研究［J］.中國海上油氣，2015，27（2）：53－57.

Fan Xueping.Research on the maximum drawdown pressure and its application for well start－up in deep offshore oilfields［J］.China Offshore Oil and Gas，2015，27（2）：53－57.

1673－1506（2015）02－0053－05

10.11935/j.issn.1673－1506.2015.02.009

范學平，男，博士，高級工程師，從事油氣田開發研究工作。E－mail：fanxueping＠sina.com。