出砂預測

出砂預測是指利用密度、聲波時差、泥質含量、井徑等測井資料, 計算岩石強度參數, 然後計算出砂指數並進行判斷或者運用現場預測、經驗法等方法對油井出砂進行預測。

基本介紹

• 中文名：出砂預測
• 學科：石油工程
• 依據：密度、聲波時差、井徑等測井資料
• 工具：出砂預測軟體
• 方法：現場預測、經驗法等

出砂

出砂是指油氣水井在生產過程中，由於生產壓差過大、砂岩油氣層岩石膠結疏鬆等原因，使地層砂流入井筒，堵塞油氣通道，造成油氣井停產的現象。

石油工業中，油井生產出砂是個普遍性問題，而且油井生產出砂問題的研究十分困難，原因是：

①無法直接觀測出砂過程。油田開發在地層深處進行，在地面無法直接觀測；

②岩石力學性質(rock mechanical properties )複雜。地層岩石的力學性質可能在較大範圍內變化，地層深部取心不但花費昂貴，而且也有一定的偶然性、局限性，如地層深部的含水率、溫度和壓力條件在地面上難以保持，而這些因素對地層岩石的力學性質有很大影響；

③儲層條件複雜。隨著生產的進行和各種增產措施的實施，使儲層變得十分複雜，這也給研究出砂機理帶來困難。

④油井出砂影響因素多。油井出砂受許多複雜因素的影響，如；地質條件、岩石力學性質、生產參數等；

在一口井最終完成之前以及在其生產過程中，準確地預測其是否出砂是至關重要的，因為無論採取何種防砂措施費用都會很高，所以不必要的採取防砂措施，不僅使生產費用增加，而且污染油氣層，降低生產效率。 但是對那些因出砂而被放棄或不能繼續開發的井，採取防砂措施又是使油井成為有開採價值的唯一方法。

出砂危害

油、氣井出砂是石油開採遇到的重要問題之一。每年要花費大量人力物力進行防治和防砂(sand control )研究。出砂給生產帶來的危害可概括為以下三類：

(1)井下、井口採油設備的磨損和腐蝕

產液中帶砂使各種採油泵、管線受到磨損，大大縮短了它們的壽命。對於輸油管線由於砂粒磨損加快了腐蝕速度；

(2)井眼穩定(borehole stability )問題 由於出砂使井眼失穩而導致套管擠毀、油井報廢。通過對勝利油田某疏鬆砂岩區塊資料分析發現：隨著出砂的加劇和原地層壓力的降低，套損井逐年增加，疏鬆砂岩儲層油井套管(casing)損壞嚴重，總數已占10%以上，個別區塊已達30%以上。

（3）出砂會導致減產或停產作業油井出砂磨損泵筒與柱塞，降低泵效，甚至損壞採油泵，造成油井減產或停產。

影響因素

影響油井出砂的因素很多，概括起來可分為三大類：

①地質力學因素，包括：原地應力狀態（垂直地應力與原始水平地應力）、孔隙壓力、原地溫度、地質構造等；

②砂岩儲層的綜合性質：井深、砂岩的強度和變形特徵、孔隙度、滲透率、泄流半徑、流體的組成（油、氣、水的含量及分布等）、粘土含量、岩石組成、顆粒尺寸和形狀及壓實情況等；

③工程因素，包括完井類型、井身結構參數（井深．井斜、方位、井徑）、完井液的性能、增產措施（壓裂、酸化等）、生產工藝參數（流速、生產壓差及流量）、油層損害（表皮係數增大）、放油或關井方案、人工舉升技術、油藏衰竭、累計出砂量等。

這些因素和參數相互作用、相互影響、使研究出砂問題變得十分複雜，對某一油田，只憑現場經驗很難決定哪些因素是地層出砂的主要因素。

發展歷程

出砂預測方法的研究走過了漫長的發展道路。初期是通過岩心、初始動態等生產資料進行預測,這是出砂預測方法發展的第一階段。經過對岩石性質如彈性模量、剪下模量等的認識,找出了一個地區不出砂的岩石特性臨界值來預測出砂,這是出砂預測方法發展的第二個階段,其較為著名的方法就是組合模量法和斯倫貝謝法。20世紀80年代以後,出砂預測向實驗室模擬研究[1]和數值計算方向發展,從前兩個階段的定性研究轉向定量的研究,可以得出油氣井不出砂的產量或生產壓差臨界值。這是出砂預測的第三階段。

出砂預測模型的發展歷史較短。Stein首先引入了第一個重要的技術概念,他將地層的剪下強度與油井出砂聯繫起來,利用聲波測井及密度測井數據建立出砂井與分析井生產狀態之間的聯繫[2]。此法的局限性在於油井必須進行完井與試驗,要求大量地出砂後才能獲得可靠的數據,而未考慮油藏

壓力衰減及產水的影響,並假定不存在油層損害,故其結果只能反映生產中的瞬時問題而無法預測油井是否出砂。Tixier等人採用類似於Stein的方法,用測井資料分析評價當前生產狀態下的油井出砂[3],該方法的主要缺陷是只能判斷油井是否出砂,不能給出定量結果,故無法計算最大的無砂產油速度。後來,Coast等人提出“砂岩強度”測井模型,它利用莫爾圓應力分析的方法描述了出砂的可能性與井眼應力狀態之間的關係[4],可用於產水量不大的油井出砂預測。沈琛等利用三軸試驗提出了弱膠結砂岩油藏岩石破壞準則及出砂預測方法[5]。

出砂預測的方法很多,常見的有現場預測法[6]、經驗公式及經驗圖表法、實驗室法、理論分析模型以及出砂預測的神經網路法等。

出砂預測方法

現場預測法

1、岩心觀察

用肉眼觀察、手觸摸等方法判斷岩心強度,若存在下列情況之一則屬易於出砂:①一觸即碎;②停放數日自行破裂;③用指甲可以在岩心上刻痕;④用水或鹽水浸泡,岩心鬆散破壞。

2、岩石膠結

油層出砂與岩石膠結物種類、數量和膠結方式有著密切的關係。砂岩的膠結物主要有粘土、碳酸鹽、矽質和鐵質等,以矽質和鐵質的膠結強度最大,碳酸鹽次之,粘土最差。對於同一類型的膠結物,其數量越多,膠結強度越大,越不容易出砂,反之亦然

3、綜合測井法

現代測井技術給出了豐富的井下地層信息,利用測井資料和生產測試資料預測井的出砂是較好的方法。霍樹義等利用測井資料對出砂層位進行預測,利用聲波時差和密度測井等獲得岩石的強度,據此預測油井生產時是否出砂。

4、試井法

對同一口井在不同時期進行試井測試,繪製滲透率隨時間的變化曲線,從滲透率的變化來判斷油井是否出砂。

經驗法及經驗圖表法

1、出砂指數法

出砂指數法未考慮射孔及產液對岩石顆粒拖曳力的影響,出砂指數臨界值是根據經驗得出來的,它是多種因素影響的結果。不同油田的出砂指數臨界值是不一樣的,它可以由測井資料計算。因此,該方法在一定程度上得到了套用。根據德萊賽公司介紹,採用英制單位時,出砂指數大於3為不出砂;出砂指數小於2為出砂;出砂指數為2～3時是少量出砂。

2、斯倫貝謝法

斯倫貝謝法主要考察剪下模量與體積模量乘積,石油勘探開發科學研究院套用此方法,將二者的乘積定為5.9×10⁷MPa作為判斷是否出砂的定量指標(臨界門限值)。

3、斯倫貝謝比

斯倫貝謝比值越大,岩石強度大、穩定性好、不易出砂,反之易出砂。

4、聲波測井法

聲波測井法測出的聲波時差值同岩石的孔隙度有良好的對應關係。較小的聲波時差,代表低孔隙度、堅硬、高密度岩石;較大的聲波時差值,代表高孔隙度、鬆軟、低密度岩石。通過出砂井的對比,可以得出其出砂臨界值。

5、地層強度法

預測出砂應考慮地層岩石的強度,可以通過剪下強度與生產壓差比較來確定某井的臨界生產壓差。20世紀70年代初,Exxon公司開始尋求二者之間的關係,發現當生產壓差是岩石剪下強度的1.7倍時,岩石開始被破壞並出砂。

6、雙參數法

以聲波時差為橫軸,生產壓差為縱軸,把數口井

的時差、壓差數據點繪在坐標圖上,則出砂井數據點形成一個出砂區。要把預測井的數據點繪在同一坐標圖上,若落點在出砂區則該井出砂,否則不出砂。

7、多參數法

建立一個出砂井與深度、開採速度、生產壓差、採油指數、泥質含量、含水率等的判別函式,用該函式判別油井是否出砂。

實驗室試驗法

1、岩心實驗模型

在模擬井下溫度、壓力、產液量、生產壓差下用大、小岩心進行模擬試驗。大岩心實驗所用的岩心直徑為102～245mm、長度為204～506mm,流體流量200mL/s左右。用這種岩心進行破壞實驗,可測定岩心破壞應力。若岩心破壞應力大於近井筒垂直有效應力,則地層出砂,否則不出砂。該方法考慮了射孔的影響,國內外套用較多,典型的有厚壁圓柱筒簡化模型。

在無法取得大岩心的條件下,可以採用常規小岩心模擬出砂試驗。該方法的缺點在於未考慮射孔的影響,預測結果不夠準確。

2、室內模擬實驗

該方法的模擬對象是採油井井壁炮眼處的地層小單元,實驗樣品為製作成圓柱型的油層實際岩樣。模型有兩種類型,一種適用於低壓試驗,便於反映出砂狀況;另一種適用於高壓試驗,可以模擬改變各種生產工藝參數對出砂狀況的影響。該方法在埕島油田出砂預測中取得較好的結果。

3、三軸試驗及破壞模型

用三軸實驗對弱膠結地層的變形破壞性質進行試驗研究,建立了極限塑性變形破壞準則。通過流體—固體力學耦合計算建立炮孔出砂的預測模型。

4、其他室內試驗模型

斯倫貝謝採用了一個簡單、易於監測的出砂試驗系統,可分別改變單個變數,考察對出砂的影響。1992年,殼牌公司採用岩石岩樣尺寸為0.7m×0.7m×0.81m進行了大型出砂實驗室試驗,目的是研究應力和流速對出砂的影響。試驗裝置可以模擬三維地應力、孔隙壓力等。

技術手段

1、測井技術

測井技術作為認識和識別油氣層的重要手段,在出砂預測中具有重大意義。聲波測井資料獲取方便,是廣泛套用的出砂預測方法。

21世紀初的10a內,測井領域重點發展的關鍵技術有成像測井、核磁共振測井、超聲多參數工程測井、井間聲波/電磁成像測井、隨鑽測井、過套管測量地層電阻率測井以及儀表化油田技術與測井信息處理和解釋一體化技術等。中國自1947年玉門油礦自製第一台半自動測井儀以來,至今已開發了電磁波傳播測井儀、自然伽馬能譜測井儀和超聲成像測井儀等高科技測井儀器。

2、󰀁數據挖掘技術

數據挖掘技術是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的和隨機的實際套用數據中,提取隱含在其中的、事先不知道的、但又是潛在有用的信息和知識的過程;它是通過預測未來趨勢及行為,做出前攝性的、基於知識的決策;其目標是從資料庫中發現隱含的、有意義的知識,主要具有自動預測趨勢和行為、關聯分析、聚類、概念描述和偏差檢測5類功能。目前,該技術常用的方法有人工神經網路、決策樹、遺傳算法、近鄰算法和規則推導等。

3、󰀁試驗模擬技術

中國關於研究和預測油井出砂的工作起步於20世紀90年代初,在防砂工藝研究方面取得了較大成績,但在試驗預測研究方面卻無大的突破。勝利油田的王建等以採油井井壁炮眼處的地層小單元作為室內出砂模擬試驗的對象,建立了適用於低壓試驗且便於直觀地反映出砂狀況的模型Ⅰ,以及適用於高壓試驗並可模擬各種生產工藝參數的改變對出砂狀況的影響的模型Ⅱ;同時考慮了含水率、過液量、過液強度和環壓改變等因素對樣品出砂狀況的影響,並通過岩石力學分析來判斷出砂類型(自由砂或骨架砂)。