岩石力学讲义出砂

岩石力学讲义出砂第一页，共三十八页，2022年，8月28日主要内容概述出砂的机理出砂预测技术问题及讨论第二页，共三十八页，2022年，8月28日出砂是指在油气开采过程中砂粒随流体从油层中运移至井底或携带出井口的现象。出砂是一个带有普遍性的复杂问题，而其中弱固结或固结砂岩油层的出砂现象尤为严重。由于这类岩石胶结性差，强度低，一般在较低的井底压力下，容易造成井周地层不稳，发生拉伸破坏或剪切破坏而出砂。一、概述第三页，共三十八页，2022年，8月28日Increasedeffectivestressesduetodrawdown/depletionfailrocksurroundingtheperforationtunnelFlowrateremovesloosesandfromtunnel(Noteloosesandlyingbelowtheentrancehole‘spillpoint’)FigurecourtesyofJohnCook,SchlumbergerCambridgeResearch第四页，共三十八页，2022年，8月28日出砂的危害减产或停产作业：油、气井出砂最容易造成油层砂埋、油管砂堵，地面管汇和储油罐积砂。沙子在井内沉积形成砂堵，从而降低油井产量，甚至使油井停产，因此，常被迫起油管清除砂堵、清洗砂埋油层，清理地面管汇和储油罐。其工作量大，条件艰苦，既费时又耗资。即使这样，问题也还没有最终解决。恢复生产不久，又须重新作业。第五页，共三十八页，2022年，8月28日出砂的危害地面和井下设备磨蚀：由于油层出砂使得油、气井产出流体中含有地层砂，而地层砂的主要成分是二氧化硅（石英），硬度很高，是一种破坏性很强的磨蚀剂，能使抽油泵阀磨损而不密封，阀球点蚀，柱塞和泵缸拉伤，地面阀门失灵，输油泵叶轮严重冲蚀。使得油、气井不得不停产进行设备维修或更换，造成产量下降，成本上升。第六页，共三十八页，2022年，8月28日出砂的危害套管损坏，油井报废：最严重的情况是随着地层出砂量的不断增加，套管外的地层孔穴越来越大，到一定程度往往会导致突发性地层坍塌。套管受坍塌地层砂岩团块的撞击和地层应力变化的作用受力失去平衡而产生变形或损坏，这种情况严重时会导致油井报废。第七页，共三十八页，2022年，8月28日出砂的危害安全及环境问题：意料之外的由于出砂引起的管道渗漏或设备失效还会引起严重的安全问题和溢出事故，尤其是在海上或陆上有水的地方。此外地层砂产出井筒，对环境会造成污染，尤其是海洋油、气田更为环境保护法规所制约，所以油、气井防砂不仅是油、气开采本身的需要，也是环境保护的需要。第八页，共三十八页，2022年，8月28日适度出砂对产能的影响适度出砂作为改善地层的孔渗结构，提高油井产量的开采方式，越来越受到油田的重视，对于疏松砂岩稠油油藏来说更是如此。第九页，共三十八页，2022年，8月28日出砂的三种类型不稳定出砂：由于某种原因使油气井产生激动而突然出砂，而且出砂量逐渐减少的一种出砂形式。通常出现在射孔或酸化后的排液过程，出砂浓度与出砂量及其衰减时间等随时间的变化较大。连续性出砂：油气井生产过程中长时间稳定的连续出砂，生产参数、出砂浓度都较稳定，衰减时间变化较小。突发性大量出砂：短时间内大量出砂造成油气井突然砂堵或关闭。第十页，共三十八页，2022年，8月28日第十一页，共三十八页，2022年，8月28日地层出砂砂粒来源充填砂：弱固结砂岩油藏在开发过程中，因地层本身胶结弱，储层中存在大量细小、弱胶结的微粒，这部分微粒的最大特点是易于启动，即使在产量很低的情况下也难以克服它们在储层中产生运移，这类出砂在疏松砂岩油藏开发中不可避免，但一般量很少，且在生产条件不变时递减很快，对生产的影响较小。第十二页，共三十八页，2022年，8月28日地层出砂砂粒来源骨架砂：主要是由于岩石骨架破坏后从骨架上剥离出的砂，这部分颗粒受钻井、完井，射孔等工艺措施的合理性和参数的选择。主要原因是施工过程中引起的压力、应变，造成地层变形、滑动，使岩石成为散砂，引起地层严重出砂，甚至井层不稳定。第十三页，共三十八页，2022年，8月28日二、出砂的力学机理从力学机理上来看，弱固结砂岩油藏的出砂是一个流固耦合的过程，它包括应力作用产生的力学破坏、流体作用对砂粒的拖曳运移以及破坏区的扩展三个方面。很多文献将出砂的机理区分为拉伸破坏和剪切破坏机理。第十四页，共三十八页，2022年，8月28日地层出砂的力学机理

剪切破坏：井壁周围岩石所受的应力超过了岩石本身的强度，使地层造成剪切破坏。拉伸破坏：产出液在产出过程中对砂岩地层颗粒的拖曳力过大，当大于岩石的拉伸强度时造成岩石拉伸破坏，脱落的砂粒形成岀砂。剪切失效可能造成灾难性的岀砂后果，拉伸破坏具有“自稳定”效应。发生拉伸破坏后，砂岩孔径增大，流速梯度降低，拖曳力降低，岀砂程度减小。第十五页，共三十八页，2022年，8月28日地层出砂影响因素

地质因素应力状态：通常在钻井前，油藏岩石在垂向应力和侧向应力的作用下处于平衡状态，钻开井眼后，井壁岩石的原始应力平衡状态遭到破坏，造成井壁附近岩石的应力集中，引起岩石变形和破坏，在开采过程中引起地层出砂。第十六页，共三十八页，2022年，8月28日地层出砂影响因素地质因素岩石强度：油井出砂的根本原因与岩石强度有关，即岩石中胶结物种类、胶结物含量、胶结方式及成岩作用和压实作用有关。一般胶结物含量少，埋藏浅、压实作用弱的砂岩油层易出砂，而胶结物含量高、压实作用强的油层不易出砂。在构造变化剧烈，断层多、裂缝发育、地层倾角大和边底水活跃的地层，由于油层构造受到破坏，容易出砂。第十七页，共三十八页，2022年，8月28日UCS(MPa)0-55-2020-50大于50强度等级未固结弱固结固结高强砂岩强度分级

第十八页，共三十八页，2022年，8月28日地层出砂影响因素地质因素地层流体的粘度：地层流体的粘度越大，在流向井底的过程中对岩石的拖曳力就越大，地层出砂的可能性就越大。这也是大多数稠油油藏易出砂的原因第十九页，共三十八页，2022年，8月28日地层出砂影响因素开发因素在地质情况一定的情况下，生产过程中的许多因素对出砂存在较大影响，甚至加剧地层的出砂。如过高的生产压差，开采过程中的强烈抽吸、气举，以及水井的强烈放喷等都会造成油层结构破坏，引起大量出砂。随采出液中含水的上升，也会引起出砂加剧。

第二十页，共三十八页，2022年，8月28日开发因素油层压力衰减：从有效应力变化来理解，随着油藏压力降低，岩石所受的有效应力增加，当油藏压力下降较小时，岩石可能发生弹性变形，这时岩石的孔隙度及渗透率的变化是可逆的，当油层压力下降到某一极限时，作用在岩石上的应力超过岩石的弹性极限时，岩石发生塑性变形，胶结物发生破坏。由于压降主要发生在井筒附近，故在井筒周围形成出砂带。第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日过高的采液速度：采油过程中，流体渗流而产生的对颗粒的拖曳力是造成出砂的重要因素之一，在其它条件相同的情况下，生产压差越大，渗流速度越高，井壁附近液流对岩石的冲刷力就越大，流体的粘度越高，流动的摩擦阻力越大，产生的拖曳力也越大。越易引起地层出砂。开发因素第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日开发因素油井工作制度的改变：在同样的压差下，地层是否出砂还取决于建立压差的方式。所谓建立压差的方式是指以缓慢的方式建立压差还是以突然的方式建立压差，两者在井壁附近油层中造成的压力梯度不同。抽吸，开、关井操作不平稳，也会使弱胶结地层承受过大的应力，不恰当的酸化措施等第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日开发因素水侵的影响：水侵使岩石强度降低：水能溶解或软化砂粒之间的一部分胶结物，使地层胶结强度下降第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日开发因素水侵破坏了孔隙中油流的连续性：增加了产液对砂粒的拖拽力，也就使岩石中微粒更容易移动严重降低渗透率，在流量保持不变的情况下，由于孔隙通道变窄，使生产压差增大，因而进一步加大岩石出砂的可能性。第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日开发因素气侵的影响：油气两相流动增加了油流阻力（贾敏效应）油气界面张力

第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日开发因素气侵的影响：空化作用加速了岩石的破坏：产液携带着空泡在流经压强较高的区域时，空泡发生溃灭。由于空泡在溃灭时，产生很大的瞬时压强，不仅使岩石表面破坏，发生“空蚀”，而且气泡破裂产生的瞬时高压，还可能使砂粒启动而进入井眼。第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日开发因素气侵的影响：形成气柱，使井眼压力降低，加速井壁的剪切破坏脱气原油粘度增大，加大了对砂粒的拖曳力第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日开发因素射孔的影响：射孔参数包括相位角、射孔密度、孔径、孔深、孔的排列分布方式等，好的设计应综合考虑射孔的稳定性和流体的流动效率。第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日第三十页，共三十八页，2022年，8月28日三、出砂预测技术出砂可能性的预测出砂压差的预测储层压力衰竭对出砂临界压差的影响出砂量预测技术第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日出砂可能性的预测声波时差法B指数法Schlumberger指数法物理意义是什么？第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日出砂可能性的预测经验表明：声波时差大于95us/ft时，开采过程中储层有出砂的可能性当B>=2.0*104MPa时，在正常压力的生产方式下开采，油气层不会出砂；当B<2.0*104MPa时，开采时将造成储层出砂当SR>=5.9*107MPa2时开采初期储层不会出砂，而当SR<5.9*107MPa2时开采过程中储层可能出砂，应严格控制生产压差。

第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日出砂可能性的预测孔隙度法：地层的孔隙结构与地层的胶结强度有关，大量油井出砂统计结果表明，疏松砂岩地层孔隙度大于30%，地层出砂较为严重，地层孔隙度在20%--30%之间，地层出砂减缓，地层孔隙度小于20%，则出砂轻微。岩石剪切模量与体积压缩系数比法组合模量法第三十四页，共三十八页，2022年，8月