巖石力學(xué)10章

1、 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 石油工業(yè)中，石油工業(yè)中，油井生產(chǎn)出砂油井生產(chǎn)出砂( (sand productionsand production ) )是個普遍性問是個普遍性問題，而且油井生產(chǎn)出砂問題的研究十分困難，原因是：題，而且油井生產(chǎn)出砂問題的研究十分困難，原因是： 無法直接觀測出砂過程無法直接觀測出砂過程 油田開發(fā)在地層深處進行，在地面無法直接觀測；油田開發(fā)在地層深處進行，在地面無法直接觀測； 第十章第十章 油井生產(chǎn)出砂油井生產(chǎn)出砂cementation strength cementation strength 膠結(jié)強度膠結(jié)強度 reservoir depletionreservoir

2、 depletion 油藏壓油藏壓力衰減力衰減 well completion well completion 完井完井 perforation perforation 射孔射孔 draw-downdraw-down生產(chǎn)生產(chǎn)壓差壓差sand up sand up 砂堵砂堵gravel packing gravel packing 礫石充填礫石充填 chemical chemical consolidation consolidation 化學(xué)固結(jié)化學(xué)固結(jié) stable arch sand control stable arch sand control 穩(wěn)定砂拱固穩(wěn)定砂拱固砂砂epoxy re

3、sin epoxy resin 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂 fluid drag stress fluid drag stress 流體拖曳力流體拖曳力sand control sand control 防砂防砂stimulation stimulation 強化，油層增產(chǎn)措施強化，油層增產(chǎn)措施casing casing 套管套管 proppantproppant 支撐劑支撐劑 capillary force capillary force 毛細管力毛細管力oil and gas field oil and gas field 油氣田油氣田 banding agent banding agent 膠結(jié)劑

4、膠結(jié)劑 in site in site stresses stresses 原地應(yīng)力原地應(yīng)力 pore pressurepore pressure孔隙壓力孔隙壓力 mechanical mechanical properties poorly consolidated properties poorly consolidated 固結(jié)不好的固結(jié)不好的 frameworkframework骨架骨架, ,框架框架 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)(rock (rock mechanical propertiesmechanical properties ) )復(fù)雜復(fù)雜 地層巖石的力學(xué)性質(zhì)可能在較大范圍內(nèi)變

5、化，地層深部地層巖石的力學(xué)性質(zhì)可能在較大范圍內(nèi)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，而這些因素對地層巖石的力學(xué)性質(zhì)有很大影響；些因素對地層巖石的力學(xué)性質(zhì)有很大影響； 儲層條件復(fù)雜儲層條件復(fù)雜 隨著生產(chǎn)的進行和各種增產(chǎn)措施的實施，使儲層變得十分隨著生產(chǎn)的進行和各種增產(chǎn)措施的實施，使儲層變得十分復(fù)雜，這也給研究出砂機理帶來困難。復(fù)雜，這也給研究出砂機理帶來困難。 油井出砂影響因素多油井出砂影響因素多 油井出砂受許多復(fù)雜因

6、素的影響，如；地質(zhì)條件、巖石力油井出砂受許多復(fù)雜因素的影響，如；地質(zhì)條件、巖石力學(xué)性質(zhì)、生產(chǎn)參數(shù)等；學(xué)性質(zhì)、生產(chǎn)參數(shù)等； 在一口井最終完成之前以及在其生產(chǎn)過程中，準確地預(yù)測其在一口井最終完成之前以及在其生產(chǎn)過程中，準確地預(yù)測其是否出砂是至關(guān)重要的，因為無論采取何種是否出砂是至關(guān)重要的，因為無論采取何種防砂防砂( (sand control sand control ) )措施費用都會很高，所以不必要的采取防砂措施，不僅使生產(chǎn)費措施費用都會很高，所以不必要的采取防砂措施，不僅使生產(chǎn)費用增加，而且污染油氣層，降低生產(chǎn)效率。用增加，而且污染油氣層，降低生產(chǎn)效率。 但是對那些因出砂而被放棄或不能繼續(xù)開

7、發(fā)的井，采取防砂但是對那些因出砂而被放棄或不能繼續(xù)開發(fā)的井，采取防砂措施又是使油井成為有開采價值的唯一方法。措施又是使油井成為有開采價值的唯一方法。 一、油井出砂的基本過程一、油井出砂的基本過程 地層砂可分為兩種：充填（松散）砂和地層砂可分為兩種：充填（松散）砂和骨架砂骨架砂(framework (framework sand)sand)。 當流體的流速達到一定值時，首先使得充填于油層孔道中當流體的流速達到一定值時，首先使得充填于油層孔道中的未膠結(jié)的砂粒發(fā)生移動，油井開始出砂，這類充填砂的流出的未膠結(jié)的砂粒發(fā)生移動，油井開始出砂，這類充填砂的流出是不可避免的，而且起到疏通地層孔隙通道的作用；反

8、之，如是不可避免的，而且起到疏通地層孔隙通道的作用；反之，如果這些充填砂留在地層中，有可能堵塞地層孔隙，造成滲透率果這些充填砂留在地層中，有可能堵塞地層孔隙，造成滲透率下降，產(chǎn)量降低。因此充填砂不是防治的對象。下降，產(chǎn)量降低。因此充填砂不是防治的對象。 第二節(jié)第二節(jié) 油井出砂的過程及危害油井出砂的過程及危害 當流速和生產(chǎn)壓差達到某一數(shù)值時，巖石所受的應(yīng)力達當流速和生產(chǎn)壓差達到某一數(shù)值時，巖石所受的應(yīng)力達到或超過它的強度，造成巖石結(jié)構(gòu)損壞，使骨架砂變成松散到或超過它的強度，造成巖石結(jié)構(gòu)損壞，使骨架砂變成松散砂，被流體帶走，引起油井大量出砂。砂，被流體帶走，引起油井大量出砂。 防砂的主要對象就是骨

9、架砂，上述情況是在生產(chǎn)過程中防砂的主要對象就是骨架砂，上述情況是在生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量避免的。應(yīng)盡量避免的。 根據(jù)以上情況可以把油井出砂過程分為兩個階段：根據(jù)以上情況可以把油井出砂過程分為兩個階段： 第一階段是由骨架砂變成自由砂，這是導(dǎo)致出砂的必要第一階段是由骨架砂變成自由砂，這是導(dǎo)致出砂的必要條件；條件； 對于出砂的該階段來說，應(yīng)力因素：如對于出砂的該階段來說，應(yīng)力因素：如井眼壓力井眼壓力(borehole pressure(borehole pressure) 、原地應(yīng)力狀態(tài)原地應(yīng)力狀態(tài)( (in site stresses in site stresses statestate) )幾幾巖石

10、強度巖石強度(rock strength)(rock strength)等是影響出砂的主要因等是影響出砂的主要因素。素。 第二階段是自由砂的運移。第二階段是自由砂的運移。 要運移由于剪切破壞而形成的松散砂，液力因素是主要影要運移由于剪切破壞而形成的松散砂，液力因素是主要影響因素：如流速、響因素：如流速、滲透率滲透率( (permeabilitypermeability ) )、粘度以及兩相或、粘度以及兩相或三相流動的相對滲透率等的作用等。三相流動的相對滲透率等的作用等。 生產(chǎn)過程中，只要滿足以上兩方面條件，油井就會出砂。生產(chǎn)過程中，只要滿足以上兩方面條件，油井就會出砂。 因此，對于具有一定因此

11、，對于具有一定膠結(jié)強度膠結(jié)強度(cementation strength )的的地層而言，要實現(xiàn)有效的地層而言，要實現(xiàn)有效的防砂防砂(sand controlsand control )，首先要防止地，首先要防止地層發(fā)生破壞，即不讓出砂的必要條件得到滿足，這主要通過控層發(fā)生破壞，即不讓出砂的必要條件得到滿足，這主要通過控制應(yīng)力因素：如保持儲層壓力、減小制應(yīng)力因素：如保持儲層壓力、減小生產(chǎn)壓差生產(chǎn)壓差(draw-downdraw-down)等來等來實現(xiàn)。實現(xiàn)。 但是，隨著生產(chǎn)的進行，儲層壓力衰減，巖石強度降低都但是，隨著生產(chǎn)的進行，儲層壓力衰減，巖石強度降低都是必然要發(fā)生的，那么，巖石不可避免要

12、發(fā)生破壞。這樣，過是必然要發(fā)生的，那么，巖石不可避免要發(fā)生破壞。這樣，過程就由出砂的第一階段過渡到第二階段，這時主要通過控制流程就由出砂的第一階段過渡到第二階段，這時主要通過控制流速來阻止自由砂的運移達到速來阻止自由砂的運移達到防砂防砂( (sand controlsand control) )的目的，即控的目的，即控制產(chǎn)量（流速）。制產(chǎn)量（流速）。 同樣，對于弱膠結(jié)和未膠結(jié)儲層而言，出砂第一階段的同樣，對于弱膠結(jié)和未膠結(jié)儲層而言，出砂第一階段的條件很容易滿足，這樣條件很容易滿足，這樣防砂防砂(sand controlsand control )的關(guān)鍵在于不讓的關(guān)鍵在于不讓出砂第二階段所需要的

13、條件得到滿足，即可通過控制流速和出砂第二階段所需要的條件得到滿足，即可通過控制流速和生產(chǎn)壓差來達到防砂的目的。生產(chǎn)壓差來達到防砂的目的。 二、出砂的危害二、出砂的危害 油、氣井出砂是石油開采遇到的重要問題之一。每油、氣井出砂是石油開采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年要花費大量人力物力進行防治和防砂防砂( (sand controlsand control ) )研究。出砂給生產(chǎn)帶來的危害可概括為以下三類：研究。出砂給生產(chǎn)帶來的危害可概括為以下三類： (1)(1)井下、井口采油設(shè)備的磨損和腐蝕井下、井口采油設(shè)備的磨損和腐蝕 產(chǎn)液中帶砂使各種采油泵、管線受到磨損，大大縮短了產(chǎn)

14、液中帶砂使各種采油泵、管線受到磨損，大大縮短了它們的壽命。對于輸油管線由于砂粒磨損加快了腐蝕速度；它們的壽命。對于輸油管線由于砂粒磨損加快了腐蝕速度； (2)(2)井眼穩(wěn)定井眼穩(wěn)定(borehole borehole stabilitystability )問題問題 由于出砂使井眼失穩(wěn)而導(dǎo)致套管擠毀、油井報廢。通過對由于出砂使井眼失穩(wěn)而導(dǎo)致套管擠毀、油井報廢。通過對勝利油田某疏松砂巖區(qū)塊資料分析發(fā)現(xiàn)：隨著出砂的加劇和原勝利油田某疏松砂巖區(qū)塊資料分析發(fā)現(xiàn)：隨著出砂的加劇和原地層壓力的降低，套損井逐年增加，疏松砂巖儲層油井地層壓力的降低，套損井逐年增加，疏松砂巖儲層油井套管套管(casing)(c

15、asing)損壞嚴重，總數(shù)已占損壞嚴重，總數(shù)已占1010以上，個別區(qū)塊已達以上，個別區(qū)塊已達3030以以上。上。 （3 3）出砂會導(dǎo)致減產(chǎn)或停產(chǎn)作業(yè)）出砂會導(dǎo)致減產(chǎn)或停產(chǎn)作業(yè) 油井出砂磨損泵筒與柱塞，降低泵效，甚至損壞采油泵，油井出砂磨損泵筒與柱塞，降低泵效，甚至損壞采油泵，造成油井減產(chǎn)或停產(chǎn)。造成油井減產(chǎn)或停產(chǎn)。 三、油井出砂的影響因素三、油井出砂的影響因素 影響油井出砂的因素很多，概括起來可分為三大類：影響油井出砂的因素很多，概括起來可分為三大類： 地質(zhì)力學(xué)因素，包括：原地應(yīng)力狀態(tài)（垂直地應(yīng)力地質(zhì)力學(xué)因素，包括：原地應(yīng)力狀態(tài)（垂直地應(yīng)力與原始水平地應(yīng)力）、孔隙壓力、原地溫度、地質(zhì)構(gòu)造等；與

16、原始水平地應(yīng)力）、孔隙壓力、原地溫度、地質(zhì)構(gòu)造等； 砂巖儲層的綜合性質(zhì)砂巖儲層的綜合性質(zhì) 井深、砂巖的強度和變形特征、孔隙度、滲透率、泄流井深、砂巖的強度和變形特征、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）、粘土含半徑、流體的組成（油、氣、水的含量及分布等）、粘土含量、巖石組成、顆粒尺寸和形狀及壓實情況等；量、巖石組成、顆粒尺寸和形狀及壓實情況等； 工程因素，包括完井類型、井身結(jié)構(gòu)參數(shù)（井深井斜、工程因素，包括完井類型、井身結(jié)構(gòu)參數(shù)（井深井斜、方位、井徑）、完井液的性能、增產(chǎn)措施（壓裂、酸化等）、生方位、井徑）、完井液的性能、增產(chǎn)措施（壓裂、酸化等）、生產(chǎn)工藝參數(shù)（流速

17、、生產(chǎn)壓差及流量）、油層損害（表皮系數(shù)增產(chǎn)工藝參數(shù)（流速、生產(chǎn)壓差及流量）、油層損害（表皮系數(shù)增大）、放油或關(guān)井方案、人工舉升技術(shù)、油藏衰竭、累計出砂量大）、放油或關(guān)井方案、人工舉升技術(shù)、油藏衰竭、累計出砂量等。等。 這些因素和參數(shù)相互作用、相互影響、使研究出砂問題變得這些因素和參數(shù)相互作用、相互影響、使研究出砂問題變得十分復(fù)雜，對某一油田，只憑現(xiàn)場經(jīng)驗很難決定哪些因素是地層十分復(fù)雜，對某一油田，只憑現(xiàn)場經(jīng)驗很難決定哪些因素是地層出砂的主要因素。出砂的主要因素。 四、井下出砂的防治四、井下出砂的防治 若井眼出砂，就要采取防砂措施，針對出砂的危害，人們采若井眼出砂，就要采取防砂措施，針對出砂的危

18、害，人們采取了多種防砂方法?？梢园堰@些措施概括為兩大類：取了多種防砂方法。可以把這些措施概括為兩大類： 第一類方法是自然完井法防砂第一類方法是自然完井法防砂 利用生產(chǎn)參數(shù)如壓差、生產(chǎn)速率等來控制油井出砂。利用生產(chǎn)參數(shù)如壓差、生產(chǎn)速率等來控制油井出砂。 第二類方法是主動防砂法第二類方法是主動防砂法 包括包括礫石充填礫石充填(gravel packing(gravel packing ) ) 、繞絲篩管、繞絲篩管、化學(xué)固結(jié)化學(xué)固結(jié)(consolidation )(consolidation )和地層預(yù)和地層預(yù)強化強化(stimulation)(stimulation)等方法。礫石充等方法。礫石充填

19、是比較重要的一種方法。填是比較重要的一種方法。 礫石充填有兩種方法：礫石充填有兩種方法： 一是套管內(nèi)礫石充填。一是套管內(nèi)礫石充填。 在下入套管并在下入套管并射孔射孔(perforation )(perforation )的井中如有出砂，可在出的井中如有出砂，可在出砂井段下篩管，在篩管與油層套管之間的環(huán)空中充填礫石。砂井段下篩管，在篩管與油層套管之間的環(huán)空中充填礫石。 二是裸眼礫石充填二是裸眼礫石充填 裸眼礫石充填是在鉆開產(chǎn)層之前下套管封固，再鉆開產(chǎn)層，裸眼礫石充填是在鉆開產(chǎn)層之前下套管封固，再鉆開產(chǎn)層，在產(chǎn)層段擴大井眼，下入篩管，在井眼與篩管之間的環(huán)形空間中在產(chǎn)層段擴大井眼，下入篩管，在井眼與

20、篩管之間的環(huán)形空間中充填礫石。礫石和篩管對地層的出砂起阻擋作用。充填礫石。礫石和篩管對地層的出砂起阻擋作用。 化學(xué)固結(jié)化學(xué)固結(jié)(consolidationconsolidation)是把一種化學(xué)物質(zhì)注入井眼附近，是把一種化學(xué)物質(zhì)注入井眼附近，使其強度增大以防止出砂。使其強度增大以防止出砂。 穩(wěn)定砂拱法穩(wěn)定砂拱法(stable arch sand control )(stable arch sand control )是用水力封隔器是用水力封隔器將井眼附近地層機械壓實的方法。其目的是改善地層顆粒之間的將井眼附近地層機械壓實的方法。其目的是改善地層顆粒之間的橋堵能力。橋堵能力。 主動防砂法的共同點

21、：主動防砂法的共同點： 一是價格昂貴；一是價格昂貴； 二是會降低油層的滲透率，從而降低油井的生產(chǎn)能力。二是會降低油層的滲透率，從而降低油井的生產(chǎn)能力。 油井出砂機理作為防砂和出砂預(yù)測的理論基礎(chǔ)，它已油井出砂機理作為防砂和出砂預(yù)測的理論基礎(chǔ)，它已越來越受到人們的重視。油井出砂機理的研究主要有兩種越來越受到人們的重視。油井出砂機理的研究主要有兩種方法，即實驗研究和理論研究。方法，即實驗研究和理論研究。大規(guī)模的出砂模擬實驗大規(guī)模的出砂模擬實驗, ,小規(guī)模出砂模擬實驗小規(guī)模出砂模擬實驗, ,出砂的理論出砂的理論研究是將井眼周圍的巖石假設(shè)成一定的物理模型，然后根研究是將井眼周圍的巖石假設(shè)成一定的物理模型

22、，然后根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系、受力情況和一定的破壞準則判斷巖石據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系、受力情況和一定的破壞準則判斷巖石是否發(fā)生破壞是否發(fā)生破壞第三節(jié)第三節(jié) 出砂機理研究出砂機理研究 一、實驗研究一、實驗研究 實驗研究是觀察控制條件下的出砂行為，來認識出砂機理實驗研究是觀察控制條件下的出砂行為，來認識出砂機理及各類生產(chǎn)工藝參數(shù)對出砂的影響規(guī)律。同時，出砂模擬實驗及各類生產(chǎn)工藝參數(shù)對出砂的影響規(guī)律。同時，出砂模擬實驗可以驗證理論模型?？梢则炞C理論模型。 實驗研究方法主要有兩種：實驗研究方法主要有兩種： 一種是進行大規(guī)模的出砂模擬實驗，其優(yōu)點是能比較真實一種是進行大規(guī)模的出砂模擬實驗，其優(yōu)點是能比較真實地模擬

23、實際出砂現(xiàn)象，缺點是設(shè)備龐大，試驗成本高，而且不地模擬實際出砂現(xiàn)象，缺點是設(shè)備龐大，試驗成本高，而且不具有可重復(fù)性；如下圖的出砂模擬實驗。具有可重復(fù)性；如下圖的出砂模擬實驗。 圖圖10-1 10-1 出砂模擬試驗出砂模擬試驗 出砂模擬實驗是研究有限模擬井底條件下的出砂影響因素。出砂模擬實驗是研究有限模擬井底條件下的出砂影響因素。 在模擬實驗研究的基礎(chǔ)上，在模擬實驗研究的基礎(chǔ)上，CookCook等人研究了應(yīng)力、流動速等人研究了應(yīng)力、流動速率等對出砂的影響。率等對出砂的影響。 研究發(fā)現(xiàn)：對于高滲透性巖石，流體向孔道中徑向流動時研究發(fā)現(xiàn)：對于高滲透性巖石，流體向孔道中徑向流動時產(chǎn)生的應(yīng)力對出砂有很小

24、的影響，而沿射孔孔道的軸向流起著產(chǎn)生的應(yīng)力對出砂有很小的影響，而沿射孔孔道的軸向流起著決定性的作用。他們認為出砂問題可以分成應(yīng)力問題和流動問決定性的作用。他們認為出砂問題可以分成應(yīng)力問題和流動問題。應(yīng)力問題是確定低膠結(jié)強度巖石在具體應(yīng)力狀態(tài)下是否發(fā)題。應(yīng)力問題是確定低膠結(jié)強度巖石在具體應(yīng)力狀態(tài)下是否發(fā)生破壞；而流動問題主要是確定射孔孔道最高能承受多大流速生破壞；而流動問題主要是確定射孔孔道最高能承受多大流速而不會剝落孔道壁上的巖石，使破壞不能進一步進行。而不會剝落孔道壁上的巖石，使破壞不能進一步進行。 KooijmanKooijman等也進行了大規(guī)模的室內(nèi)出砂實驗，他們得出等也進行了大規(guī)模的室

25、內(nèi)出砂實驗，他們得出的結(jié)論是：有效應(yīng)力增加和壓降都能導(dǎo)致不穩(wěn)定（瞬態(tài)）出的結(jié)論是：有效應(yīng)力增加和壓降都能導(dǎo)致不穩(wěn)定（瞬態(tài)）出砂；而水侵導(dǎo)致大量出砂但又很快消失，表明了兩相流動是砂；而水侵導(dǎo)致大量出砂但又很快消失，表明了兩相流動是影響出砂的主要因素。影響出砂的主要因素。 TronvollTronvoll等采用室內(nèi)實驗和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，研究等采用室內(nèi)實驗和數(shù)值分析相結(jié)合的方法，研究了射孔孔道的穩(wěn)定性，他們認為射孔孔道開始破壞主要是由地了射孔孔道的穩(wěn)定性，他們認為射孔孔道開始破壞主要是由地層強度和應(yīng)力狀態(tài)（原始地應(yīng)力、孔隙壓力和生產(chǎn)壓差等）控層強度和應(yīng)力狀態(tài)（原始地應(yīng)力、孔隙壓力和生產(chǎn)壓差等）

26、控制的。制的。 D. AntheurisD. Antheuris等對影響氣井出砂的因素進行了實驗研究，等對影響氣井出砂的因素進行了實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)，射孔孔道的穩(wěn)定性主要取決于有效應(yīng)力水平，對于所研究發(fā)現(xiàn)，射孔孔道的穩(wěn)定性主要取決于有效應(yīng)力水平，對于所研究的弱膠結(jié)砂巖，氣流的沖蝕對孔道破壞的影響很小，而對那研究的弱膠結(jié)砂巖，氣流的沖蝕對孔道破壞的影響很小，而對那些比較硬的砂巖幾乎沒有影響。些比較硬的砂巖幾乎沒有影響。 VrizenVrizen等研究了氣體流入和通過孔道時的沖蝕作用對孔道等研究了氣體流入和通過孔道時的沖蝕作用對孔道穩(wěn)定性的重要性。結(jié)果表明：對于給定硬度的砂巖，孔道的穩(wěn)穩(wěn)定性的重要

27、性。結(jié)果表明：對于給定硬度的砂巖，孔道的穩(wěn)定性主要是由有效應(yīng)力確定的，沖蝕作用對射孔孔道的穩(wěn)定性定性主要是由有效應(yīng)力確定的，沖蝕作用對射孔孔道的穩(wěn)定性并不重要。因此他們推論認為：射孔孔道的穩(wěn)定性基本上是由并不重要。因此他們推論認為：射孔孔道的穩(wěn)定性基本上是由射孔周圍區(qū)域結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性確定的。射孔周圍區(qū)域結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性確定的。 綜上所述，對出砂影響最大的兩個因素：一是應(yīng)力因素，綜上所述，對出砂影響最大的兩個因素：一是應(yīng)力因素，如井眼壓力、原地應(yīng)力狀態(tài)、巖石強度；二是液力因素，如如井眼壓力、原地應(yīng)力狀態(tài)、巖石強度；二是液力因素，如流速、滲透率、粘度以及兩相或三相流動的相對滲透率等。流速、滲透率、粘度以及兩

28、相或三相流動的相對滲透率等。 從現(xiàn)場觀察到的現(xiàn)象來看，有的出砂主要受液力的影響，從現(xiàn)場觀察到的現(xiàn)象來看，有的出砂主要受液力的影響，而有的主要受應(yīng)力的影響。而有的主要受應(yīng)力的影響。 另一種實驗研究方法就是小規(guī)模出砂模擬實驗。其特點是另一種實驗研究方法就是小規(guī)模出砂模擬實驗。其特點是模擬控制出砂的幾個因素，試驗靈活簡便、具有可重復(fù)性，缺模擬控制出砂的幾個因素，試驗靈活簡便、具有可重復(fù)性，缺點在于與實際出砂情況差別較大。如砂拱穩(wěn)定性實驗。點在于與實際出砂情況差別較大。如砂拱穩(wěn)定性實驗。 圖圖10-2 10-2 砂拱穩(wěn)定性試驗示意圖砂拱穩(wěn)定性試驗示意圖 拱是一種能跨過孔道的自支持結(jié)構(gòu)，它很早以前就被人

29、們拱是一種能跨過孔道的自支持結(jié)構(gòu)，它很早以前就被人們用于建筑結(jié)構(gòu)中。用于建筑結(jié)構(gòu)中。 在弱膠結(jié)砂巖中進行采油時，砂拱就會在原射孔孔道中形在弱膠結(jié)砂巖中進行采油時，砂拱就會在原射孔孔道中形成。成。 TerzaghiTerzaghi首先對拱的形成與穩(wěn)定機理進行了分析，他使用首先對拱的形成與穩(wěn)定機理進行了分析，他使用了一個裝滿砂子的箱子，箱子的底面有個活動門，當將活動門了一個裝滿砂子的箱子，箱子的底面有個活動門，當將活動門移開時，他發(fā)現(xiàn)施加在活動門上的載荷能轉(zhuǎn)移到其周圍。移開時，他發(fā)現(xiàn)施加在活動門上的載荷能轉(zhuǎn)移到其周圍。 HallHall和和HarrisbergerHarrisberger在研究砂拱

30、的穩(wěn)定性及最大無砂采在研究砂拱的穩(wěn)定性及最大無砂采油速率的影響因素時，重新做了油速率的影響因素時，重新做了TerzaghiTerzaghi的實驗，他們發(fā)現(xiàn)的實驗，他們發(fā)現(xiàn)在低應(yīng)力水平下拱對流動速率很敏感，而在高應(yīng)力水平下，在低應(yīng)力水平下拱對流動速率很敏感，而在高應(yīng)力水平下，它與流動速率無關(guān)，他們沒有給出在流動速率敏感區(qū)內(nèi)砂拱它與流動速率無關(guān)，他們沒有給出在流動速率敏感區(qū)內(nèi)砂拱的破壞速率。的破壞速率。 SteinStein與其同事認為砂拱能承受的最大流動速率是與砂巖與其同事認為砂拱能承受的最大流動速率是與砂巖的剪切模量成比例的。的剪切模量成比例的。 HallHall等在等在19721972年研究

31、了形成穩(wěn)定圓拱結(jié)構(gòu)的條件，他們認年研究了形成穩(wěn)定圓拱結(jié)構(gòu)的條件，他們認為松散砂不能形成穩(wěn)定的砂拱形成穩(wěn)定砂拱必需具備的兩個為松散砂不能形成穩(wěn)定的砂拱形成穩(wěn)定砂拱必需具備的兩個條件是膨脹性和內(nèi)聚性。條件是膨脹性和內(nèi)聚性。 YimYim等研究了出口尺寸、拖曳力和粒度分布對砂拱的影響，等研究了出口尺寸、拖曳力和粒度分布對砂拱的影響，他們發(fā)現(xiàn)：流體的拖曳力對成拱有不穩(wěn)定作用。他們發(fā)現(xiàn)：流體的拖曳力對成拱有不穩(wěn)定作用。 通過砂拱的穩(wěn)定性實驗，人們還發(fā)現(xiàn)有楞角的砂粒在較低通過砂拱的穩(wěn)定性實驗，人們還發(fā)現(xiàn)有楞角的砂粒在較低的載荷作用下無法形成砂拱，載荷提高后才能形成穩(wěn)定的砂拱，的載荷作用下無法形成砂拱，載荷

32、提高后才能形成穩(wěn)定的砂拱，隨著載荷進一步增大，砂粒楞角破壞，砂拱失去穩(wěn)定性。而球隨著載荷進一步增大，砂粒楞角破壞，砂拱失去穩(wěn)定性。而球形砂粒在無粒間粘結(jié)力作用時，無法形成穩(wěn)定砂拱。形砂粒在無粒間粘結(jié)力作用時，無法形成穩(wěn)定砂拱。 砂拱隨圍壓的增加而減小，而穩(wěn)定性隨圍壓和粘結(jié)力增加砂拱隨圍壓的增加而減小，而穩(wěn)定性隨圍壓和粘結(jié)力增加而增大。而增大。 流速對砂拱的穩(wěn)定性影響主要是由于壓降和流體拖曳力作流速對砂拱的穩(wěn)定性影響主要是由于壓降和流體拖曳力作用，砂拱越小，泄流面積越小，流速越大，壓降和流體拖曳力用，砂拱越小，泄流面積越小，流速越大，壓降和流體拖曳力就越大，小砂拱就會變成大砂拱使泄流面積增大。就

33、越大，小砂拱就會變成大砂拱使泄流面積增大。 二、理論研究二、理論研究 出砂的理論研究是將井眼周圍的巖石假設(shè)成一定的物理出砂的理論研究是將井眼周圍的巖石假設(shè)成一定的物理模型，然后根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系、受力情況和一定的破壞準模型，然后根據(jù)材料的本構(gòu)關(guān)系、受力情況和一定的破壞準則判斷巖石是否發(fā)生破壞。眾所周知，深埋地下的油層，受則判斷巖石是否發(fā)生破壞。眾所周知，深埋地下的油層，受到上覆巖層壓力、水平地應(yīng)力及地層孔隙壓力的作用，在井到上覆巖層壓力、水平地應(yīng)力及地層孔隙壓力的作用，在井眼鉆開前，地下巖層處于平衡狀態(tài)。但是油、氣井在生產(chǎn)過眼鉆開前，地下巖層處于平衡狀態(tài)。但是油、氣井在生產(chǎn)過程中，巖石中的應(yīng)力

34、狀態(tài)要發(fā)生變化，可能導(dǎo)致巖石破壞。程中，巖石中的應(yīng)力狀態(tài)要發(fā)生變化，可能導(dǎo)致巖石破壞。 巖石的破壞形式主要有兩種：巖石的破壞形式主要有兩種： 剪切破壞和拉伸破壞。剪切破壞和拉伸破壞。 通常認為剪切破壞是大多數(shù)現(xiàn)場出砂的基本機理。通常認為剪切破壞是大多數(shù)現(xiàn)場出砂的基本機理。 若油層發(fā)生剪切破壞，便產(chǎn)生了破裂面，同時由于產(chǎn)液流若油層發(fā)生剪切破壞，便產(chǎn)生了破裂面，同時由于產(chǎn)液流動的拖曳力，將破裂面上的砂子攜帶出來。動的拖曳力，將破裂面上的砂子攜帶出來。 拉伸破壞是巖石出砂的另一個機理。拉伸破壞是巖石出砂的另一個機理。 該破壞機理認為由于產(chǎn)液流速過大，引起的徑向拉應(yīng)力超該破壞機理認為由于產(chǎn)液流速過大，

35、引起的徑向拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強度時，就會導(dǎo)致拉伸破壞。過巖石的抗拉強度時，就會導(dǎo)致拉伸破壞。 實際上兩種機理同時起作用并相互影響。實際上兩種機理同時起作用并相互影響。 從微觀上看，出砂是由于地層流體對巖石顆粒的沖蝕而引從微觀上看，出砂是由于地層流體對巖石顆粒的沖蝕而引起的。流體流經(jīng)砂體的小孔隙時，產(chǎn)生摩擦和壓降。當壓力降很起的。流體流經(jīng)砂體的小孔隙時，產(chǎn)生摩擦和壓降。當壓力降很大且砂粒的膠結(jié)物少或缺少膠結(jié)物時，單個砂粒開始移動并進入大且砂粒的膠結(jié)物少或缺少膠結(jié)物時，單個砂粒開始移動并進入井筒。井筒。 為了有效地預(yù)防油井出砂問題，有必要了解油井出砂預(yù)測為了有效地預(yù)防油井出砂問題，有必要了解油井

36、出砂預(yù)測技術(shù)。概括來講，目前存在下列出砂預(yù)測模型：技術(shù)。概括來講，目前存在下列出砂預(yù)測模型： 1 1、單參數(shù)模型、單參數(shù)模型 此模型的形式最簡單，只有一個參數(shù)，如極限井深準則，此模型的形式最簡單，只有一個參數(shù)，如極限井深準則，只有在該深度以下才會出砂；只有在該深度以下才會出砂； 此外還有聲波傳遞時間準則，利用聲波在地層中的傳播時此外還有聲波傳遞時間準則，利用聲波在地層中的傳播時間間T T來進行預(yù)測。當來進行預(yù)測。當T295us/mT295us/m時，該地層應(yīng)采取防砂措施。時，該地層應(yīng)采取防砂措施。 單參數(shù)模型簡單易用，但偏于保守。單參數(shù)模型簡單易用，但偏于保守。 第四節(jié)第四節(jié) 油井出砂預(yù)測技術(shù)

37、油井出砂預(yù)測技術(shù) 2 2、雙參數(shù)模型、雙參數(shù)模型 雙參數(shù)模型考慮雙參數(shù)模型考慮油藏壓力衰減油藏壓力衰減(reservoir depletion)(reservoir depletion)及及生產(chǎn)壓差生產(chǎn)壓差(draw-down)(draw-down)的影響。的影響。 3 3、多參數(shù)模型、多參數(shù)模型 在出砂因素中考慮深度、聲波傳播時間、生產(chǎn)速率、生產(chǎn)在出砂因素中考慮深度、聲波傳播時間、生產(chǎn)速率、生產(chǎn)壓差、生產(chǎn)指數(shù)、泥質(zhì)含量、含水量等因素。壓差、生產(chǎn)指數(shù)、泥質(zhì)含量、含水量等因素。 GhalamborGhalambor等人等人首先提出了水侵后的氣井出砂預(yù)測問題，并且利用現(xiàn)場氣井數(shù)首先提出了水侵后的氣

38、井出砂預(yù)測問題，并且利用現(xiàn)場氣井數(shù)據(jù)和通過測井資料獲得的儲集層特性參數(shù)，用統(tǒng)計的方法建立據(jù)和通過測井資料獲得的儲集層特性參數(shù)，用統(tǒng)計的方法建立了水侵后的氣藏出砂預(yù)測模式了水侵后的氣藏出砂預(yù)測模式: :4 06 .236551 .1303629912.2000557. 097.115318457. 0GGCVPGVVPPtbwceMwcahws上式中：上式中：P P 極限生產(chǎn)壓差，極限生產(chǎn)壓差，psi; psi; 井底靜壓，井底靜壓，psi;psi; 泥頁巖體積分數(shù)泥頁巖體積分數(shù), , ； G G 剪切模量，剪切模量，psi;psi; 濕粘土體積，濕粘土體積， ； 莫爾圓預(yù)測的壓