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1、中国石油大学（华东）岩石力学（论文）裸眼完井出砂预测学生姓名：陈蓓蓓学号：S10020234专业班级：石工研2010-1班2011年6月27日摘要由于影响油井出砂的因素众多,因此,对于出砂机理的研究,要根据不同的地层、不同的完井方法以及出砂的不同过程而采取不同的研究方法。为了研究裸眼完井的出砂机理,根据岩石力学及弹塑性力学理论,对直井井壁围岩应力分布进行了分析计算,采用Mohr-Coulom准则建立了非均匀地应力作用下油井出砂的解析模型。通过分析裸眼井周围的应力分布,利用Drucker-Prager强度准则,建立了相应的出砂预测模型,提出了地层
2、稳定性指数的概念,分析了储层压力、生产压差及原地应力状态对地层稳定性的影响。关键词：裸眼完井；出砂；弹塑性变形；预测模型；生产压差油层出砂是油田开发过程中经常遇到的问题,不仅给采油工艺带来许多麻烦,而且影响储层采油速度及油气采收率,严重时甚至造成井壁坍塌、套管损坏,乃至油井报废.目前,国内外在防砂工艺方面均有长足发展,但在出砂机理方面研究成果相对较少.本文对油层出砂机理进行了深入分析和总结,以期为更好地防砂、控砂及提高油井经济效益等提供保障.油层出砂影响因素,从大方面可分为地质因素和工程因素2大类。地质因素主要包括沉积相、构造应力、砂岩颗粒大小
3、及形状、岩矿组成、储层敏感性、润湿性、压实情况、胶结物类型及胶结程度、油层压力、流体性质及分布等.在开发过程中,生产条件的改变会对地质因素产生不同程度的影响,从而改善或恶化出砂程度;工程因素包括开采因素和完井因素,这些因素在多数情况下受工程活动控制,包括生产压差、液体流动速度,多相流动及相对渗透率、毛细管作用力、含水变化、完井类型、井深结构、生产工艺等.这些因素相互作用、相互影响,只有深入研究油层出砂机理,找出这些因素与出砂之间的内在联系,才能达到防砂、控砂及出砂,提高油田开发效益。目前,对油井出砂机理的研究一般采用Mohr-Coulom准则和
4、Drucker-Prager准则,也有的用井壁岩石的拉伸和破坏准则[1,2]。本文根据岩石力学和弹塑性力学理论建立出砂预测的解析模型。1、井壁围岩应力状态分析基本假设：地层完整,井眼不与天然裂缝、溶洞、破碎带相交;地层岩石为均质、各向同性线弹性体;地层岩石受到原地应力场、地层孔隙压力和井内流体压力的共同作用;忽略构造应力场和温度场的影响。垂直井眼围岩应力分析：图1井壁受力的力学模型井壁围岩处于平面应变状态,垂直井眼围岩受力状态可以简化为文献[3]中图1所示的力学模型。即在无限大平面上,一圆孔受均匀内压,而在这个平面的无限远处受两个水平地应力的作
5、用,其垂直方向上受有上覆岩层压力。根据弹性力学理论,可求得井眼围岩应力场分布为式中,为井眼液柱压力,MPa；为距井眼中心的径向距离，mm；为井眼半径,mm。和分别为x方向和y方向的水平地应力,MPa;为井眼岩石的剪切应力,MPa;为井眼岩石的径向应力,MPa;;为井眼岩石的切向应力,MPa;为井眼围岩轴向应力,MPa;为上覆岩层压力,MPa;为岩石泊松比。由于井眼附近产生应力集中,使得井壁上的应力最大,因此将井壁上的应力与强度准则相比较,便可判断是否出砂。同时,在多孔的连续介质中,由于有效应力等于总应力与孔隙压力之差，即，据此,井壁处有效应力分
6、布为式中，为有效应力，MPa；为总应力，MPa；为Boit系数；为孔隙压力，MPa。当，即时，径向和轴向应力达到最大（如图2、3所示）[4],即图2应力-角度关系1图3应力-角度关系22、出砂预测模型的建立2.1两种准则（1）Coulomb-Mohr准则（比较简便）根据岩石力学所学内容，莫尔-库仑破坏准则认为,岩石破坏时,破坏面上的剪应力必须克服岩石的固有剪切强度（初始剪切强度、内聚力）以及作用于破坏面上的摩擦力，即式中，为岩石内摩擦系数，；为岩石的内摩擦角（）。莫尔-库仑准则可用主应力表示为（1）（2）德鲁克-普拉格(Drucker-Prag
7、er)准则为了研究3个主应力作用下岩石的破坏规律,不少学者提出了自己的经验准则,Drucker-Prager准则比较简单实用[3]。它的表达式为（2）其中，（3）式中，是岩石的强度系数，可通过室内试验确定,也可以通过已钻井的信息反算或由测井资料求出。根据现场油井出砂的具体情况,在确定井壁应力分布的基础上,代入出砂判别准则即可确定油井是否出砂。2.2弹塑性解2.2.1Mohr-Coulomb解井壁附近出现塑性区时,载荷的轴对称导致弹塑性变形的轴对称,按井壁轴对称条件,满足平衡方程（4）由Mohr-Coulomb屈服条件（5）可得（6）将式(6)代
8、入平衡方程式(4),得（7）令则平衡方程式可改写为（8）（9）利用边界条件可确定积分常数，由内边界应力条件，可得（10）又，则（11）将与（11）式代
