疏松砂巖擠壓充填變形機理及模擬技術研究

常方瑞

摘 要：文章利用標準巖心開展常規三軸實驗研究了疏松砂巖擠壓變形響應，研究表明其應力-應變曲線呈現彈塑性特征；另一方面，利用大尺寸巖心真三軸實驗研究了疏松砂巖破裂延展響應，表明疏松砂巖受到擠壓不一定產生裂縫。最后，基于大變形理論建立了疏松砂巖擠壓變形充填帶數學模型，利用現場井例開展了擠壓充填形態模擬及充填強度預測，為擠壓充填參數優化設計提供了理論支撐。

關鍵詞：疏松砂巖；擠壓充填；變形；模擬

中圖分類號：O14 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0054-02

繞絲擠壓充填防砂已成為疏松砂巖油藏主導的防砂工藝，其施工參數優化主要立足于如何將礫石攜帶至炮眼端部，設計地層填砂量即為炮眼容積，設計施工排量較小。而對于壓裂防砂技術，則主要采用端部脫砂水力壓裂數學模型，采用MEYER等相關壓裂防砂軟件進行施工參數優化，并無專用的疏松砂巖擠壓充填模擬數學模型及模擬軟件。本文采用室內實驗方法對擠壓充填作用下疏松砂巖變形機理開展了探索，引入大變形理論定量描述疏松砂巖擠壓變形充填帶形態，建立了數學模型，編制了計算程序，開展了現場應用，驗證了模型的可靠性。

1 疏松砂巖擠壓充填變形模擬實驗

1.1 實驗設計及巖心制備

擠壓充填過程中，隨高粘攜砂液泵入，一方面，井筒周圍的巖石首先會發生擠壓變形，此時利用直徑1in的標準巖心為研究對象，采用常規三軸實驗研究疏松砂巖受力變形過程；另一方面，隨井底壓力升高，井周巖石可能發生破裂延展，此時利用尺寸為100×100×100mm的方形巖樣采用真三軸（施加三向模擬應力環境）破裂模擬實驗研究疏松砂巖破裂延展過程。

對于疏松砂巖而言，一方面，現場獲取天然巖心難度較大，另一方面，鉆取及后續加工巖樣難度較大，給疏松砂巖相關室內實驗的開展帶來了很大困難。因此，從可接近性和相似性考慮，研究過程中采用了人造巖心代替天然巖樣開展實驗，疏松砂巖巖心制備及實驗參考了前人部分研究成果。

首先，采用壓制法制備了直徑1in的疏松砂巖巖心， 為系統研究不同類型疏松砂巖受力變形特性，制備了5類巖心，其物性見表1，滲透率介于141×10-3-2043×10-3um2，孔隙度介于22%-36%，縱波時差介于263-377us/m，與勝利疏松砂巖油藏具有較好一致性，可滿足實驗要求。

在此基礎上，制備了100×100×100mm的方形巖樣，將制作過程分為兩步：（1）采用壓制法制備5類直徑80mm的疏松砂巖巖心（物性參數同1in標準巖心）；（2）采用澆鑄法將其制備成100×100×100mm的方形巖心，并利用水浴法進行養護。

1.2 疏松砂巖擠壓變形實驗

利用伺服控制三軸實驗系統開展巖心擠壓變形實驗。把巖心放置在高壓釜內，隨后將5類模擬巖心分別在圍壓為5、10、15、20MPa下開展擠壓變形實驗，獲取了5組共20例巖心的應力-應變曲線。

重點研究儲層應力及儲層膠結強度對疏松砂巖受力變形的影響，以1號巖心為例，其不同圍壓下應力-應變曲線，可知：（1）疏松砂巖應力-應變曲線呈現彈塑性特征，線彈性階段，隨應力增加應變呈線性增加，進入塑性階段后，應力的微小增加即會導致應變顯著增加；（2）圍壓越大，產生同樣應變所需應力顯著增加，側面反映了儲層應力越強的儲層，同樣施工條件下儲層變形量越小，導致充填強度越低；（3）圍壓越小，巖心越容易進入塑性階段，表明儲層應力越弱的儲層，同樣施工條件下，更容易產生幅度大的變形量，導致充填強度越高。

以20MPa圍壓條件為例，不同巖心應力應變曲線，可知：（1）隨巖心膠結強度增加，應力應變曲線由彈塑性逐漸變為脆彈性，達到強度極限后更易破裂；（2）隨巖心強度增加，產生同樣應變所需外載力顯著增加，表明儲層強度越高，要達到同樣的填砂強度，其施工壓力要越高。

1.3 疏松砂巖破裂延展實驗

利用真三軸壓裂模擬系統開展疏松砂巖破裂延展實驗，步驟如下：（1）將立方體巖心放入實驗系統腔體；（2）施加三向壓力6、8、10MPa，為模擬地層，三向壓力有所不同；（3）按照10、20、30、40、50ml/min的排量泵注粘度為60mPa.s的模擬攜砂液，記錄泵壓曲線，隨后泄壓，換巖心，重復上述步驟開展實驗。

當巖心滲透率較高（大于1600md）時，10-50ml/min實驗排量憋起壓力較低，井周形成穩定滲流而無法起裂，側面說明現場進行擠壓充填施工時必須保證一定的施工排量，若施工排量過小，一方面會使得井周微裂縫無法產生，導致填砂強度不夠，改造不徹底；另一方面會導致攜砂液過量滲濾，污染儲層。

當巖心滲透率低于1400md時，10ml/min排量憋起的壓力即可導致巖心起裂，壓力曲線反復出現升高-陡降的趨勢，反映了裂縫起裂及動態延展過程。現場擠壓充填施工過程中，為誘導疏松砂巖儲層產生裂縫，當攜砂液粘度確定時，可通過適當加大排量的方法誘導微裂縫的產生。

綜上研究：

（1）對于中高滲疏松砂巖油藏而言，當擠壓充填施工條件（攜砂液粘度、施工排量等）合適時，井周儲層可以產生裂縫。（對于本次實驗而言，50ml/min的排量可以使得滲透率低于1400md的巖心起裂；對于滲透率高于1400md的巖心，為誘導產生裂縫，應選用高于50ml/min的排量開展實驗，探索其起裂界限）。

（2）對于不同的疏松砂巖油藏，誘導儲層起裂（產生主裂縫）所需的施工參數也會存在差異。對于厚度10m的滲透率1300-1400md左右的疏松砂巖儲層，運用相似準則，推薦施工排量高于1.8m3/min。

2 軟件研發及典型井例應用

2.1 軟件研發

采用delphi語言編制了疏松砂巖擠壓充填模擬可視化軟件，主要包括工作目錄設置、儲層強度參數計算、塑性出砂區域計算、擠壓變形充填帶模擬、后處理顯示等子模塊。各模塊功能如下：endprint

（1）儲層強度參數計算：利用測井數據實現了疏松砂巖彈性模量、波松比、內聚力、內摩擦角及抗拉強度等參數計算。

（2）塑性出砂區域計算：實現了不同生產參數下井周儲層由于塑性屈服導致的巖石骨架破壞出砂區域計算。

（3）擠壓變形充填帶模擬：考慮儲層出砂影響，實現了不同施工參數下充填形態模擬計算。

（4）后處理顯示：實現塑性出砂區域、擠壓變形充填帶模擬等計算結果的云圖、等值線、動畫等不同形式的顯示。

2.2 擠壓變形充填帶模擬井例應用

以GO7-32-326井為例，該井施工油層為1294.6-1297.4m，施工參數如下：正擠攜砂液60m3，均勻加入0.6-1.2mm石英砂14m3，泵壓最高為20MPa，折算最高井底壓力約為33MPa，施工排量為1.8m3/min，平均攜砂比為20%，填砂強度為5m3/m。建立如下物理模型，模型邊界分別施加22MPa、26MPa、33MPa的地應力邊界，井眼內為施工壓力邊界，模擬充填形態，模擬充填強度為4.6m3/m，與實際充填強度誤差為8%，模擬精度較高。

3 充填模擬技術現場應用

利用自研的擠壓充填防砂模擬計算系統，針對24口油井開展了填砂強度模擬，可知預測與實際填砂強度誤差控制在11.2%左右，具有較高精度。

4 結論及建議

（1）開展了疏松砂巖擠壓充填模擬實驗，利用常規三軸實驗研究了疏松砂巖擠壓變形響應，其應力-應變曲線呈現彈塑性特征；利用真三軸實驗研究了疏松砂巖破裂延展響應，其泵注壓力曲線呈現升高-陡降的起裂特征，說明可調整排量來誘導疏松砂巖起裂。

（2）基于大變形理論建立了擠壓變形充填帶數學模型，研發了擠壓充填防砂模擬軟件系統，提高了擠壓充填參數設計針對性。

（3）開展了24口油井填砂強度模擬，預測與實際填砂強度平均誤差11.8%，具有較高計算精度。

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