稠油油藏高含水及天然气吞吐出砂分析.pdf

第 2 7卷 第 6期 大庆石油地质与开发P ． G ． O ． D ． D ． 2 0 0 8年 1 2月 9 1． 文章编号 1 0 0 0 3 7 5 4 2 0 0 8 0 6 - 0 0 9 1 - 0 3 稠油油藏高含水及天然气吞吐出砂分析 王登庆 ，李维忠 ，朱彩虹 1 ．中国石 油大学 ，山东 东营2 5 7 0 6 1 ；2 ．胜利油田分公 司 采油工艺研究院，山东 东营2 5 7 0 0 0 摘要从理论和试验两方面论述 了高含水和天然气吞吐对稠 油油藏 开发 中后期 出砂的影响。从理论上 分析 了含水升高对 出砂指数 、弹性模量等地层强度的降低及相应地层渗流规律的变化，并通过利用物 模试验验证含水率升 高和天然气吞吐对地层 的破坏作用。试验表 明，随着天然气的吞吐和含水的升 高，炮孔的破坏压力和出砂压力都有明显的降低 ，由局部单点破坏进而诱发大面积的出砂 ，该研究对 砂岩稠油油藏后期天然气吞吐的开发能起到很好的指导作用。 关 键词稠油油藏 ；高含水 ；天然气吞吐 ；出砂分析 中图分类号 T E 3 5 7 ． 7 文献标识码 A An a l y s i s o f hi g h wa t e r c ut o f h e a v y o i l r e s e r v o i r a nd t h e s a n di ng o f na t u r a l g a s h uff- a n d p uff W ANG De n g - q i n g‘ ， L I W e i z h o n g ，ZHU Ca i h o n g 1 ． C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m，D o n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ，C h i n a ；2 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e of O i l P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y of S h e n g l i O i lfie l d ，D o n g y i n g 2 5 7 0 0 0 ，C h i n a Abs t r a c t I n v i e wp o i nt s o f t h e t wo a s p e c t s -- t h e o r y a n d e x p e r i me n t ， t h e i n f l u e n c e s o f hi g h wa t e r e u t a n d n a t u r a l g a s h u ff- a n d- p u ff u p o n t h e s a n d p r o b l e m i n t h e me d i u m a n d l a t e p e r i o ds o f h e a v y o i l r e s e r v o i r d e v e l o p me n t h a v e b e e n de s c rib e d ．T h e i mp a c t s o f wa t e r c u t r a i s i n g o n t he d e c r e a s e o f f o r ma t i o n i n t e n s i t y s uc h a s s a n d i n d e x，e l a s t i c mo d u l u s a n d S O o n a n d mo r e o v e r t h e c ha n g e o f c o r r e s p o n di ng f o rm a t i o n f i l t r a t i o n l a ws a r e a l s o a na l y z e d i n t h e o ry． At t h e s a me t i me， b y me a ns o f ph y s i c a l mo de l e x p e r i me n t s ， t h e d a ma g e o f wa t e r c u t r i s e a n d n a t ur a l g a s hu ff- a n d - p u ff t o t h e s e f o r ma t i o n s h a v e b e e n p r o v e d ．T he e x p e rime n t s h o ws t h a t ，wi t h t h e hu ff- a n d- p u ff o f n a t u r a l g a s a n d t h e r i s e o f wa t e r c u t ， t h e b r e a k do wn p r e s s u r e o f t h e p e r f o r a t i o n h o l e s a n d s a n d i n g p r e s s u r e a r e r e du c e d o b v i o u s l y， a nd f u r t h e r mo r e t h e p a r t i a l s i n g l e - po i n t da ma g e h a s b e e n i n d u c e d i n t o l a r g e a r e a s a n di ng ．Th e s t u d i e s h a v e p l a y e d mu c h b e t t e r g ui di n g r o l e f o r t h e d e v e l o p me n t o f n a t u r a l g a s h u ff- a n d p u ff i n t h e l a t e s t a g e o f s a n d s t o ne h e a v y o i l r e s e r v o i r s ． Ke y wo r ds h e a v y o i l r e s e r v o i r； h i g h wa t e r c u t ； n a t u r a l g a s h u ff- a n d- p u ff； s a n d p r o b l e m a n a l y s i s 油井 出砂通常是由于井底附近岩层结构遭受破坏 引起的，其中弱胶结或中等胶结砂岩油层的出砂现象 较为严重 。这类储层在较大生产压差或压力波动影响 下 ，易造成岩石结构剪切或疲劳破坏而出砂。油层出 砂与油藏深度 、地层压力 、地层温度 、地层胶结状态 以及地层流体种类 、相态 、流速等有密切关系。从力 学角度分析 ，考虑油层出砂主要两个方向 ，即剪切破 坏机理和拉伸破坏机理 。前者为炮眼周围应力作 用结果 ，与生产压差有直接关系 ；后者为流体作用于 地层颗粒的拖拽力所致 ，与过高的开采速度即过大的 流体速度有关。 影响地层出砂 的因素一般 分为三类 ，即地质 因 素 、开发因素和完井因素 。地质油藏因素由地层和油 藏本身性质决定 包括构造应力 、沉积相 、岩石颗 粒的形状和大小 、胶结物及胶结程度 、流体类型和性 质等 ，属 内因条件 。开发和完井因素为主观 因素 ， 可以根据地层油藏的具体情况来进行调整。下面就从 含水率 的变化和天然气吞吐两个方面对稠油油藏出砂 的影响分别论述 。 l 含水的升高对地层出砂的影响 油层中的流体介质变化是油井出砂的一个重要原 因。在边 、底水驱油藏，随着开发的深入和生产压差 的加大 ，势必会导 致含水 的上升。另外在开发 中后 收稿 日期 2 0 0 8 -0 8 - 1 6 作者简介 王登庆 1 9 6 9一 ，男 ，高级工程 师，在读博士 ，从事油气井防砂技术研究。 9 2 大庆石油地质与开发P ． G ． O ． D ． D ． 第 2 7卷第 6期 期 ，为保持地层压力 ，需要进行注水开发 ，油层的含 水率的上升 ，使大量 的边 、底水或注入水浸泡油层 ， 使砂岩层的胶结物降低强度，水解 、粉化造成 出砂。 资料表明，粘土胶结物经水浸泡会使胶结强度降低很 多 j ，在较高的侧 向应力或 冲刷力下 ，粘土胶结物 不能有效联结砂粒而 出砂 ，且这种 出砂是不可逆的。 在钻井及完井过程中 ，砂岩层受污染越严重 ，水侵入 后的出砂越严重。对非粘土胶结的砂岩 ，水的侵入对 胶结强度的影响较小。如钙质 、硅质胶结的砂岩很少 引起出砂。 1 ． 1 含水上升对地层强度的影响 边 、底水的推进或注水开发使得储层含水上升。 含水升高，地层强度进一步降低，含水溶解了颗粒间 的泥质胶结物，使得地层的胶结强度降低 ，即地层的 内聚力降低。在含水达到 6 0 ％ 以上时 ，地层骨架会 发生坍塌性破坏，导致大量出砂 图 1 。 凸_ 蒜 羽 含水饱和度／ ％ 图l中、低强度地层出砂指数 与含水的关系 Fi g ．1 Re l ati on b et we e n s an d i n d ex es an d w at er s a t u r a t i o n o f i n t e r m e d i a t e ／ 1 o w i n t e n s i t y f o r m a t i o n s 注水的反复冲刷，导致岩石发生拉伸破坏 ，使破 碎的骨架砂大量溢出，造成严重的出砂。在小流速 、 小压差下，砂粒可能排列成稳定砂拱 ；在高速流体的 冲刷下，射孔孔道或井壁处的砂拱破坏，砂粒大量溢 出。液流速度越高 ，出砂越严重；同时，油的粘度越 大 ，出砂也越严重。这些因素是稠油油藏中后期出砂 的主要 原 因。 随着油气的采出和油藏压力的降低，作用于岩石 上的有效应力增加 ，岩石力学性质发生变化。通过对 砂岩在一定条件下 地层水 、围压和孔 隙压力 力 学性质变化规律 的试验 ，发现岩石力学参数 抗压 强度 ． 和弹性模量 E随含水饱 和度增加 ，岩石模 量强度值 、内聚力 、弹性模量急剧下降 图 2 。 1 ． 2 含水上升对地层渗透率的影晌 地层中的粘土对基质渗透率的降低有极大的影 响 ，不同的粘土矿物以各种不 同的形态沉积 ，其中高 岭石分散在整个孑 L 隙系统中，它的晶体具有分散层理 性，在流体运动的条件下，高岭石极易分散运移， 运 移中的粘土部分桥堵和阻塞孔隙喉道 ，这对渗透率起 着不利的影响。成岩作用中最常见的粘土形式是成为 孔隙涂层或衬层绿泥石，伊利石和蒙脱石的沉淀都是 含水饱和度／ ％ 图2 I O MP a 围压时力学参数随含水饱和度的变化 Fi g． 2 C ha ng e o f me c ha ni c p a ra me te rs wi t h wat e r sa t u rat i on at 1 0 Mp a c on fi ni n g p re ss u re 较连续的附着在基质颗粒表面上 ，趋向于从颗粒表面 向外生长进入到孔隙空问，形成微孔隙并急剧的降低 了渗透率。另外 ，当蒙脱石地层与外来水相接触时， 蒙脱石就会膨胀 ，降低地层渗透率。 在注水的过程中，如果注入水与地层不配伍 ，可 能引起地层渗透率的变化 ，造成地层堵塞，尤其对于 水敏地层更要特别注意。岩石水侵后岩石的单轴抗压 强度和内聚强度都会产生 明显 的降低现象 ，为出 砂的第一阶段创造条件；其次，也会破坏孔隙内油流 的连续性 ；储层油砂颗粒周围一般情况下都包有极薄 的粘土膜，水侵时，砂粒周 围的粘土发生体积膨胀， 使油流通道缩小 ，降低了油的相对渗透率 ，极大地增 加了油流阻力 ，增加产液对砂粒的拖曳力 ，也为出砂 的第二个阶段创造了条件。 孔隙中存在两相流体时 ，润湿相沿砂粒表面铺 展 ，将另一相排出。毛细管力是润湿相和非湿相间的 压差 ，表面张力与使砂粒胶结在一起的粘着力成正 比。如图3所示，提高含水饱和度 ，毛细管力开始迅 速下降 ，而粘着力增大，当含水饱 和度为 8 0 ％左右 时，粘着力最 大。当孔 隙介质 中完全充满一种液体 时 ，砂粒间就不存在胶结力 。另外 ，含水上升产 生的水锁效应，导致油的相对渗透率将不断下降而水 的相对渗透率则随之增加。 2 稠油 以及天然气的注入对 出砂的影 响 为提高油井产量 ，稠油油藏的开发须加大生产压 差 ，更易产生剪切破坏 ；在同样的流速下，原油粘度 高 ，携砂能力强 ，稠油流动作用与炮孔周围地层颗粒 上的水动力拖曳力要比普通稀油大，使得炮眼孔壁岩 石径向应力大于其本身的抗拉强度，脱离基体导致拉 伸破坏而出砂。在注开然气开采的情况下 ，天然气的 周期性吞吐也加剧 了地层的拉伸破坏 ；另外，天然气 的注入虽然降低了原油的粘度 ，但胶质沥青质的降解 也降低了地层的胶结强度，最终导致出砂加剧。 2 0 0 8 年 1 2月 王登庆等稠油油藏高含水及天然气吞吐出砂分析 9 3 要 扭 1 }} ] 盆 蛏 Jl 广 要 黑 榔 含水饱和度／ ％ 图3粘着力测试 曲线 Fi g． 3 T est c urv es o f bi n di ng f or ce 在研究 中，我们利用吐哈油田鲁 8井 的稠油油井 岩心 ，通过注入流体的不同和注入压力的变化来研究 注天然气对出砂的影响，试验条件见表 1 ，试验装置 如图4 。 表 1 岩心 的实验条件 Ta b l e 1 E x p e r i me n t a l c o n d i t i o n o f v a r i o u s c o r e s 压 力传 感器 流体1 流量计 不锈 隔离阀 流体 砂子 图4注天然气出砂试验装置剖面 F i g ． 4 C r o s s s e c t i o n o f s a n d i n g e x p e r i m e n t e q u i p m e n t o f g a s i n j e c t i o n 通过实验 ，得到孔 眼破裂及其破裂延展的结果 ， 最初的破坏先是集中在强度较低的几个点上 ，随着天 然气的不断注人和轴向压力的不断增大 ，由最初 的几 个独立的点发展成为大面积的破坏 ，最终导致出砂。 通过表 2的实验数据可以看出含水的升高使得 在较低压力时就会出砂；同时也可以看出，油水系统 的破坏压力和出砂压力都明显高于注天然气 以及水时 形成的流动系统压力 ，这说明注天然气对系统岩石的 剪切破坏和拉伸破坏起到了非常显著的作用 ，同时含 水的升高对于岩石内聚强度的降低也是非常明显的。 表 2注天 然气 出砂试验 结果 T a b l e 2 R e s u l t s o f s a n d i n g e x p e r i me n t o f g a s i n j e c t i o n 3 结论 研究表明，稠油油藏原油粘度高 ，携砂能力强 ， 容易导致拉伸破坏 ，使得地层出砂加剧。高含水使得 地层强度降低 ，地层的渗流关系发生变化，油相渗透 率降低 ，在相同产量 的情况下，必须加大生产压差 ， 易导致地层发生剪切破坏 ；同时由于含水的升高 ，必 须加大采液强度 ，提高产量，也易产生拉伸破坏 ，以 上因素为砂岩稠油油藏 出砂的两个 阶段创造了条件。 试验证实了天然气的吞吐对地层强度造成 了严重的破 坏 ，使得岩心的破坏压力和出砂压力都急剧降低。 参考文献 [ 1 ]万仁溥 ．现代 完井工程 [ M]．北京 石油 工业 出版社 ，2 0 0 6 5_ 4 5． [ 2 ]B run o M S ，B o v b e r g C A，Me y e r R F ． S o me I n fl u e n c e s o f S a t u r a t i o n a n d F l u i d F l o w o n S a n d Pr o d u c t i o n L a b o r a t o r y a n d Di s c r e t e El e me n t Mo d e l I n v e s t i g a t i o n [ R]． S P E 3 6 5 3 4，1 9 9 6 ． [ 3 ]B i a n c o L C B，H a l l e c k P M ． M e c h a n i s ms o f A r c h I n s t a b i l i t y a n d S a n d P r o d u c t i o n i n T wo p h a s e S a t u r a t e d P o o r l y Co n s o l i d a t e d S a n d s t o n e s [ R]． S P E 6 8 9 3 2，2 0 0 1 ． [ 4 ]P a t r i c k B， Z h u W L， Wo n g T F ． F a i l u r e Mo d e a n d We a k e n i n g E ff e c t o f Wa t e r o n S a n d s t o n e s [ J ] ． J ． G e o p h y ．R e s ， 2 0 0 0， 1 0 5 B 7 1 6 3 7 1 1 6 3 8 9． [ 5 ]王桂花． 含水饱和度对岩石力学参数影响的实验研究 [ J ]．石 油钻探技术 ，2 0 0 1 ，2 9 4 5 9 - 6 1 ． 编辑 宋铁星