金華—中臺山區(qū)塊致密砂巖儲(chǔ)層井壁穩(wěn)定判斷及出砂預(yù)測

龔 浩，張華禮，唐 庚，李玉飛，張 林，陸林峰

(中國石油西南油氣田公司 工程技術(shù)研究院，四川 德陽 618000)

金華—中臺山區(qū)塊位于川中古隆中斜平緩構(gòu)造帶東北部與川北古中拗陷低緩構(gòu)造帶西南部交匯區(qū)，有利面積達(dá)1 460 km2，資源量1 900×108m3，以中-細(xì)粒長石砂巖為主，次為巖屑長石砂巖，孔隙度8%～12%，滲透率0.01～1.00 mD，厚度約為1 200～1 600 m，氣層特征明顯，勘探開發(fā)潛力大。

目前，金華—中臺山區(qū)塊形成的致密氣藏完井技術(shù)主要是針對須家河組氣藏，完井方式主要包括裸眼完井及射孔完井，完井工藝包括裸眼封隔器+滑套分段完井、射孔加砂聯(lián)作工藝、射孔后不動(dòng)管柱分段加砂工藝、射孔+橋塞分段壓裂完井工藝。其中所用的裸眼完井、裸眼封隔器+滑套分段完井屬于裸眼系列的完井方法；所使用的射孔完井、射孔加砂聯(lián)作工藝、射孔后不動(dòng)管柱分段加砂工藝、射孔+橋塞分段壓裂完井工藝完井方法屬于射孔系列的完井方法。無論是裸眼系列完井方法還是射孔系列完井方法都需要滿足相應(yīng)的地質(zhì)條件和工藝技術(shù)要求[1-10]。例如，裸眼系列完井要求巖性堅(jiān)硬致密，井壁穩(wěn)定不坍塌，對砂巖地層還要求不出砂；射孔系列完井方法同樣對砂巖地層也要求不出砂。因此，不能簡單的將應(yīng)用于金華—中臺山區(qū)塊的須家河組完井工藝直接應(yīng)用于該區(qū)塊沙溪廟組，須家河組完井方式在沙溪廟組的適應(yīng)性有待進(jìn)一步的分析與論證。該研究根據(jù)儲(chǔ)層巖石力學(xué)參數(shù)測試結(jié)果，利用氣井生產(chǎn)過程中井壁穩(wěn)定及出砂預(yù)測方法，判斷金華—中臺山區(qū)塊沙溪廟組氣井生產(chǎn)過程中井壁是否穩(wěn)定；考慮氣藏出水及氣藏壓力衰減影響，預(yù)測氣井生產(chǎn)過程中是否出砂，為工區(qū)沙溪廟組氣井完井方法優(yōu)選提供依據(jù)。

1 水化對原巖弱化效應(yīng)測試

1.1 水化對原巖抗張強(qiáng)度影響測試

利用工區(qū)沙溪廟組儲(chǔ)層巖心，在巖樣制備的基礎(chǔ)上，將試樣分為3組，每組2塊巖心，首先將所有巖心在烘箱中完全干燥。第1組巖心(記為1-1-1，1-1-2)完全干燥后不進(jìn)行地層水浸泡；將第2組巖心放入已經(jīng)配置好的地層水中進(jìn)行浸泡，浸泡2天后取出(記為1-1-3，1-1-4)；將第3組巖心放入已經(jīng)配置好的地層水中進(jìn)行浸泡，浸泡4天后取出(記為1-1-5，1-1-6)。按照巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程第21部分:巖石抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(DZ/T0276.21—2015)，將3組巖心利用巴西劈裂法[11-13]進(jìn)行水化前后抗張強(qiáng)度測試，測試結(jié)果見表1。

表1 水化對原巖抗張強(qiáng)度影響測試

從表1可知，沙溪廟組儲(chǔ)層巖心試樣的抗張強(qiáng)度為3.8～5.2 MPa，平均為4.4 MPa。沙溪廟組未經(jīng)地層水浸泡的儲(chǔ)層巖心(原巖)平均抗張強(qiáng)度為4.9 MPa；經(jīng)地層水浸泡2天的巖心平均抗張強(qiáng)度為4.35 MPa，抗張強(qiáng)度較原巖下降11.2%；經(jīng)地層水浸泡4天的巖心平均抗張強(qiáng)度為3.9 MPa，抗張強(qiáng)度較原巖下降20.4%。

1.2 水化對原巖三軸抗壓強(qiáng)度影響測試

同樣，利用工區(qū)沙溪廟組儲(chǔ)層巖心，在巖樣制備的基礎(chǔ)上，將試樣分為3組，每組2塊巖心，第1組巖心為干燥狀態(tài)(記為1-2-1，1-2-2)；將第2組巖心(記為1-2-3，1-2-4)放入已經(jīng)配置好的地層水中進(jìn)行浸泡，浸泡2天后取出；將第3組巖心(記為1-2-5，1-2-6)放入已經(jīng)配置好的地層水中進(jìn)行浸泡，浸泡4天后取出。按照巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程第20部分:巖石三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(DZ/T 0276.21—2015)[14]，利用MTS815巖石力學(xué)分析系統(tǒng)(如圖1所示)，對3組巖心進(jìn)行三軸抗壓強(qiáng)度測試，測試結(jié)果見表2。

圖1 MTS815巖石力學(xué)分析系統(tǒng)

表2 水化對原巖三軸抗壓強(qiáng)度弱化效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

從表2可知，在測試圍壓35 MPa、測試溫度70 ℃條件下，沙溪廟組儲(chǔ)層巖心試樣的三軸抗壓強(qiáng)度為200.7～332.0 MPa，平均值278.3 MPa。未經(jīng)地層水浸泡的儲(chǔ)層巖心(原巖)平均三軸抗壓強(qiáng)度為328.5 MPa；而經(jīng)地層水浸泡2天的巖心平均三軸抗壓強(qiáng)度則為265.8 MPa，較原巖下降19.1%；經(jīng)過地層水浸泡4天后的巖心平均三軸抗壓強(qiáng)度為240.6 MPa，較原巖下降26.8%。

水化對原巖抗張強(qiáng)度影響測試結(jié)果表明，水化對原巖抗張強(qiáng)度、三軸抗壓強(qiáng)度均有一定的弱化效應(yīng)，在選擇完井方法時(shí)應(yīng)考慮氣井生產(chǎn)后期可能出水引起的井壁失穩(wěn)、出砂等問題。

2 氣井生產(chǎn)過程中井壁穩(wěn)定性判斷

生產(chǎn)過程中井壁穩(wěn)定判斷的目的是為了判斷是否需要采用支撐井壁的完井方式。根據(jù)沙溪廟組氣藏基礎(chǔ)資料及水化對原巖弱化效應(yīng)測試成果，分別利用Mohr-Coulumb和Von.Mises剪切破壞理論[15-21]計(jì)算不同井斜角氣井下井壁巖石最大剪切應(yīng)力、巖石剪切強(qiáng)度，判斷沙溪廟組氣井生產(chǎn)過程中井眼力學(xué)穩(wěn)定性。Mohr-Coulumb剪切破壞理論計(jì)算表明，當(dāng)井斜角為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°時(shí)，井壁巖石最大剪切應(yīng)力分別為43.65 MPa，43.52 MPa，43.17 MPa，42.69 MPa，42.21 MPa，41.86 MPa和41.74 MPa；井壁巖石剪切強(qiáng)度分別為72.82 MPa，72.70 MPa，72.37 MPa，71.92 MPa，71.47 MPa，71.14 MPa和71.02 MPa；即不同井斜角氣井井壁巖石最大剪切應(yīng)力均小于相應(yīng)井斜角下的井壁巖石剪切強(qiáng)度。圖2所示為Mohr-Coulumb準(zhǔn)則不同井斜角下井壁巖石最大剪切應(yīng)力、巖石剪切強(qiáng)度對比情況。

圖2 Mohr-Coulumb準(zhǔn)則不同井斜角下井壁巖石最大剪切應(yīng)力、巖石剪切強(qiáng)度對比圖

同樣，Von. Mises剪切破壞理論計(jì)算表明，當(dāng)井斜角分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°時(shí)，井壁巖石最大剪切應(yīng)力均方根分別為43.88 MPa，43.76 MPa，43.46 MPa，43.04 MPa，42.63 MPa，42.34 MPa和42.23 MPa；井壁巖石剪切強(qiáng)度均方根分別為47.61 MPa，47.48 MPa，47.13 MPa，46.65 MPa，46.16 MPa，45.81 MPa和45.68 MPa；即不同井斜角氣井井壁巖石最大剪切應(yīng)力均方根均小于相應(yīng)井斜角下的井壁巖石剪切強(qiáng)度均方根。圖3所示為Von. Mises準(zhǔn)則不同井斜角下井壁巖石最大剪切應(yīng)力均方根、巖石剪切強(qiáng)度均方根對比情況。

圖3 Von. Mises準(zhǔn)則不同井斜角下井壁巖石最大剪切應(yīng)力均方根、巖石剪切強(qiáng)度均方根對比圖

因此，根據(jù)Mohr-Coulumb和Von. Mises剪切破壞理論可以判斷，工區(qū)沙溪廟組不同井斜角氣井生產(chǎn)過程中井壁穩(wěn)定。

3 氣井生產(chǎn)過程中出砂預(yù)測

生產(chǎn)過程中地層出砂預(yù)測的目的是為了判斷是否需要采用防砂型完井方式。按巖石力學(xué)觀點(diǎn)，地層出砂是由于井壁巖石結(jié)構(gòu)被破壞所引起的。其判斷方法主要有現(xiàn)場觀測法、經(jīng)驗(yàn)法及力學(xué)計(jì)算方法等。該研究主要采用力學(xué)計(jì)算法，考慮生產(chǎn)過程中氣井出水、地層壓力衰減影響，對沙溪廟組氣井生產(chǎn)過程中出砂與否進(jìn)行預(yù)測。

3.1 考慮出水后生產(chǎn)過程中地層出砂預(yù)測

根據(jù)文獻(xiàn)[22]的研究成果，對沙溪廟組不同井斜氣井在不同生產(chǎn)壓差下井壁巖石的最大切向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，巖石泊松比取0.188，上覆巖石密度取0.252 kg/m3，儲(chǔ)層中部深度為2 250 m，原始地層壓力為24.76 MPa，計(jì)算結(jié)果見圖4。從圖4可見，沙溪廟組不同井斜氣井在不同生產(chǎn)壓差下井壁巖石最大切向應(yīng)力均小于考慮水化后的地層巖石抗壓強(qiáng)度138.7 MPa(沙溪廟組測試巖心平均三軸抗壓強(qiáng)度為277.42 MPa，預(yù)計(jì)地層巖石水化后強(qiáng)度最多降低50%，則考慮水化后地層巖石三軸抗壓強(qiáng)度為138.71 MPa)，因此判斷沙溪廟組不同井斜氣井在不同生產(chǎn)壓差下生產(chǎn)不出砂(地層骨架砂)。

圖4 不同生產(chǎn)壓差條件下井壁巖石的最大切向應(yīng)力變化規(guī)律

根據(jù)文獻(xiàn)[22]的研究成果，對沙溪廟組不同井斜氣井在最大生產(chǎn)壓差下井壁巖石最大切向應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，公式中參數(shù)與不同井斜氣井在不同生產(chǎn)壓差下井壁巖石的最大切向應(yīng)力計(jì)算相同,計(jì)算結(jié)果見圖5。從圖5可見，沙溪廟組不同井斜氣井在最大生產(chǎn)壓差下井壁巖石最大切向應(yīng)力也均小于考慮水化后的地層巖石抗壓強(qiáng)度138.7 MPa(原始三軸抗壓強(qiáng)度的50%)，因此，判斷沙溪廟組不同井斜氣井即使在最大生產(chǎn)壓差下生產(chǎn)也不出砂(地層骨架砂)。

圖5 最大生產(chǎn)壓差條件下井壁巖石最大切向應(yīng)力變化規(guī)律

3.2 考慮出水、地層壓力衰減時(shí)生產(chǎn)過程中地層出砂判斷

考慮水化之后地層巖石三軸抗壓強(qiáng)度為138.71 MPa(原始三軸抗壓強(qiáng)度50%)，原始地層壓力為24.76 MPa，利用文獻(xiàn)[16]的研究成果計(jì)算地層壓力衰減(模擬地層壓力衰減為原始地層壓力的90%，80%，70%，60%，50%，40%，30%和20%)條件下，氣井以最大生產(chǎn)壓差生產(chǎn)時(shí)，井壁巖石所受最大切向應(yīng)力變化規(guī)律見表3，其變化曲線如圖6所示。

表3 地層壓力衰減條件下井壁巖石最大切向應(yīng)力變化規(guī)律

圖6 地層壓力衰減條件下井壁巖石最大切向應(yīng)力變化曲線

由表3和圖6可知，當(dāng)沙溪廟組氣井井斜角大于45°后，氣井井壁巖石最大切向應(yīng)力變化隨著地層壓力衰減而增加，當(dāng)井斜角為60°時(shí)，地層壓力衰減到9.90 MPa(原始地層壓力40%)時(shí)井壁巖石最大切向應(yīng)力為139.86 MPa，大于考慮水化后地層巖石三軸抗壓強(qiáng)度138.71 MPa(原始三軸抗壓強(qiáng)度50%)，預(yù)測地層出砂；當(dāng)井斜角為75°時(shí)，地層壓力衰減到19.80 MPa(原始地層壓力80%)時(shí)井壁巖石最大切向應(yīng)力為139.54 MPa，大于考慮水化后地層巖石三軸抗壓強(qiáng)度138.71 MPa(原始三軸抗壓強(qiáng)度50%)，預(yù)測地層出砂；當(dāng)井斜角為90°時(shí)，地層壓力衰減到17.30 MPa(原始地層壓力70%)時(shí)井壁巖石最大切向應(yīng)力為140.57 MPa，大于考慮水化后地層巖石三軸抗壓強(qiáng)度138.71 MPa(原始三軸抗壓強(qiáng)度50%)，預(yù)測地層出砂。

以上關(guān)于出砂的分析是在假設(shè)氣井出水導(dǎo)致巖石抗壓強(qiáng)度下降到原始強(qiáng)度的50%時(shí)(極端情況)，同時(shí)在地層壓力衰減后才可能發(fā)生，如果假設(shè)氣井出水后巖石抗壓強(qiáng)度下降到原始強(qiáng)度的55%，即水化后地層巖石三軸抗壓強(qiáng)度為152.6 MPa，不同井斜氣井在地層壓力衰減后即使以最大生產(chǎn)壓差生產(chǎn)也不出砂。因此，沙溪廟組氣井生產(chǎn)過程中不易出砂。

根據(jù)上述井壁穩(wěn)定分析及出砂預(yù)測結(jié)果，預(yù)測沙溪廟組氣井生產(chǎn)過程中不易出砂，可以選擇非防砂型完井方式完井。

目前,工區(qū)沙溪廟組已經(jīng)累計(jì)完鉆15口井，其中完鉆直井2口，斜井1口，水平井12口，水平段長536～1 500 m，均采用套管射孔完井，電纜射孔+橋塞分段完井工藝，測試過程中均未出地層砂，說明沙溪廟組氣井在原始地層壓力條件下，未出地層水時(shí)不出砂。

4 結(jié)論

1)沙溪廟組儲(chǔ)層巖心水化對原巖弱化效應(yīng)測試表明，水化對原巖的抗張強(qiáng)度、三軸抗壓強(qiáng)度有一定的弱化效應(yīng)，儲(chǔ)層巖心經(jīng)地層水浸泡2天后，抗張強(qiáng)度下降11.2%、三軸抗壓強(qiáng)度下降19.1%；儲(chǔ)層巖心經(jīng)地層水浸泡4天后，抗張強(qiáng)度下降20.4%、三軸抗壓強(qiáng)度下降26.8%。隨著水化時(shí)間增加，沙溪廟組儲(chǔ)層巖心抗張強(qiáng)度、三軸抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

2)根據(jù)Mohr-Coulumb和Von. Mises剪切破壞理論，工區(qū)沙溪廟組不同井斜角氣井井壁巖石所受最大剪切應(yīng)力(平均42.69 MPa)均小于井壁巖石剪切強(qiáng)度(平均71.92 MPa)；工區(qū)沙溪廟組不同井斜角氣井井壁巖石所受最大剪切應(yīng)力均方根(平均43.05 MPa)均小于井壁巖石剪切強(qiáng)度均方根(平均46.64 MPa)；沙溪廟組不同井斜角氣井生產(chǎn)過程中井壁穩(wěn)定，可以采用不支撐井壁的完井方式。

3)力學(xué)計(jì)算法出砂預(yù)測表明，沙溪廟組不同井斜氣井在不同生產(chǎn)壓差條件下，井壁巖石最大切向應(yīng)力均小于考慮水化后的地層巖石抗壓強(qiáng)度138.7 MPa；如果假設(shè)氣井出水后巖石抗壓強(qiáng)度下降到原始強(qiáng)度的55%(即考慮水化后地層巖石三軸抗壓強(qiáng)度152.6 MPa)，不同井斜角氣井在地層壓力衰減條件下井壁巖石最大切向應(yīng)力均小于地層巖石抗壓強(qiáng)度；因此，工區(qū)不同井斜角氣井在地層壓力衰減后即使以最大生產(chǎn)壓差生產(chǎn)也不易出砂。