裸眼井出砂预测模型的解析分析

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1、_______________________________________________________________________________www.paper.edu.cn裸眼井出砂预测模型的解析分析刘建军(武汉工业学院多孔介质力学研究所武汉430023)摘要：根据弹性力学的有关知识，分析了考虑油层流体渗流作用下，裸眼井周围的应力分布情况。根据Mohr-Coulomb准则，建立了相应的出砂模型，给出油井出砂时临界井底流压的计算方法。分析了储层压力、岩石抗压强度及原地应力状态对出砂的影响。关键词：裸眼完井

2、出砂预测地应力中图分类号：TE358.1文献标示码：A0引言在石油开采过程中，由于水动力的冲刷等作用引起的疏松砂岩储层出砂是导致储层损害和产能降低的主要原因。出砂不仅会导致油井减产或停产以及地面和井下设备的腐蚀，而且会使套管损坏、油井报废。胜利石油管理局孤东油田就是如此。该油田由于大量出砂导致地层亏空、坍塌，严重时引起套管破裂甚至使油井报废。为防治该事故的发生、稳定产量，进行疏松油藏砂岩出砂机理研究具有重要意义。疏松砂岩油藏出砂机理十分复杂，影响因素很多，包括地质力学因素、岩石力学性质、储层的综合性质、工程因素等。这些因

3、素相互影响、相互作用，使出砂问题的理论研究变得十分复杂，因此，要根据不同的地层、不同的完井方法以及出砂的不同过程采取不同的研究方法。采用裸眼完井的油井，其地层一般具有较高的强度，只有在地层发生破坏时，才会引起出砂。对于这类储层，防砂的关键在于防止地层破坏。现场资料表明，油井日产量较低时，油井不出砂。当日产量达到某一值时，即原油在储层中的流速大于门限流速时，油井开始出砂，此时油井的产出砂仅是充填砂。随着日产油量的增加，即生产压差增大或实际井底流压降低，出砂量逐渐增大，当日产油量达到某一临界值时，引起岩石骨架变形破坏，油井出

4、砂量剧增。由此可见，油层出砂和流速具有重要的关系，而决定流速的因素是压力和渗透率。由于储层的渗透率在生产时不能随意改变，所以只能调整井底流压来防止油井出砂。本文通过解析分析的方法，对裸眼井围岩的应力状态进行了分析，给出油层出砂时临界井底流压的计算方法，并讨论了储层压力、地应力、岩石强度对油层出砂的影响。本文的工作对于裸眼井的防砂具有重要意义。1生产过程中井壁围岩应力状态分析井壁附近的岩石处于地层深处，既受地应力作用，又受到钻采扰动力等的作用，所以井壁周围岩体大多处于损伤软化状态，易于发生剪切破坏而出砂。因此对井壁的应力状

5、态进行分析对于预测油井出砂具有重要的意义。油井井壁由于受流体渗透力作用，井壁围岩应力要重新分布。假设井壁围岩是化学稳定的，即岩石充水后没有膨胀和收缩，不改变岩石原来的物理力学性质，并假设岩石内的渗流满足达西定律，那么只要能够确定出岩石内各部分渗透孔隙水压力的变化规律，即可求得井壁围岩的应力状态。为了进行解析分析，可将井壁简化为厚壁筒问题（如图1所示）。厚壁圆筒由多孔材料组成，圆筒中受到流体渗透力的作用，形成一个孔隙流体压力场，每点产生渗透力。设井眼半径为a，井壁外缘半径为b，井底流压为p，远场流压为p。a0_______

6、________________________________________________________________________中国科技论文在线www.paper.edu.cn图1井壁力学模型考虑渗透力作用时，井壁围岩的平衡微分方程为：dσσ−σdprrθw+−η=0(1)mdrrdr式中，p为孔隙水压力，随r而变化；η为与岩土材料相关的常数。wm经考察，如果用应力函数F来确定，并写成如下形式，那么上式就被满足：Fσ=rr(2)dFdpwσ=−ηrθmdrdru由ε=可得θrdεθ1duu=−2

7、drrdrrdεθ所以ε−ε+r=0(3)θrdr这就是用径向应变和切向应变表示的对称系统的应变相容条件。岩石的本构方程为：1ε=[]σ−µ()σ+σxxyzE1εy=[σy−µ(σx+σz)](4)E1ε=[]σ−µ()σ+σzzyxE将式(2)的应力代入本构方程(4)，再把这样得到的应变代入式(3)，就可得到以应力函数F表示的变形协调方程：_______________________________________________________________________________中国

8、科技论文在线www.paper.edu.cn2dFdFFηmdpw2γ+−=r+ηr∇p(5)2mwdrdrr1−µdr22d1d式中，∇为拉普拉斯算符，这里轴对称中为+。2drrdr方程式(5)是控制方程式。只要知道了p的分布规律，即可解这个微分方程求F，从而w把F代入式(3)确定在渗透力作用下的应