疏松砂岩高压挤压砾石充填理论及工程应用研究

论文摘要

疏松砂岩油藏在我国分布范围广、储量大,出砂是疏松砂岩油藏开采中经常遇到的难题之一。在国内外各油田生产中均广泛存在着出砂问题,而油井出砂已成为目前制约油田稳产上产的重要因素之一。目前各油田针对油井出砂问题较多采用的工艺方法是高压挤压充填技术。但长期以来疏松砂岩高压挤压理论体系未能得到有效建立,理论与实际应用的脱节,导致工艺技术和施工参数不甚合理,影响了高压挤压防砂技术的进一步发展。文章从疏松砂岩的岩石特性以及施工工艺角度分析了影响高压挤压砾石充填效果的各种可能因素。在此基础上,认为高压挤压充填压实过程为高压浆液挤压目标岩层使它发生弹塑性变形,然后携砂液占领这些空隙,达到近井压实充填的目的。随着施工压力的不断增大,塑性区内的岩层持续被压实,当压实到一定程度,携砂液无法挤入到岩层的孔隙中去时,携砂液积聚的能量会快速增加,当目标岩层附近井底压力增大到一定程度,岩体就会开始沿一定方向发生启裂。文章在对砾石在携砂液中运动进行力学分析的基础上,借鉴泥沙运动力学的成果,研究了高压挤压过程中砾石的运移规律。针对目前高压砾石充填后近井地带形态认识不清以及现有理论没有考虑井底岩层压实的情况,首次根据摩尔-库仑准则和平面应变轴对称问题的基本理论,推导得出了疏松砂岩高压挤压时近井地带的应力场、应变场和位移场等参数同压实区半径之间的关系,并通过算例分析了疏松砂岩岩体的内摩擦角、杨氏模量等参数对高压挤压结果的影响。以离散元理论为基础,利用二维颗粒流模拟软件PFC2D,针对疏松砂岩油藏,进行了数值模拟。模拟结果显示:当施加均匀地应力时,井眼产生均匀扩张现象,近井砾石充填体形状近似为圆形,井眼周围目标层被压密压实,岩层孔隙明显减小;模型被施加非均匀地应力时,井眼亦产生扩张现象,但其扩张沿最小地应力方向幅度较大,沿最大地应力方向较小,近井砾石充填体形状为近似椭圆形,井眼周围目标层被压密压实。模拟结果还显示,胶结强度不同的地层在高压挤压后,其地层形态差别较大。胶结较强的疏松砂岩地层,高压挤压后地层的形态接近于低渗油藏,胶结弱的疏松砂岩地层,高压挤压后井眼周围岩层被压散,沿最大主应力方向地层会出现数条裂缝。为正确确定地层软硬程度,为高压挤压砾石充填技术提供理论指导,本文首次提出疏松砂岩挤压模量概念,并在挤压模量计算公式推导的基础上提出疏松砂岩岩层挤压指数概念。采用推导的挤压模量计算公式对胜利油田防砂中心提供的具有完整测井资料的多口施工井进行编程计算,将各施工井挤压模量等相关参数加权平均后进行拟合得到两组拟合公式。研究了施工参数和地应力等因素对单位油层管外填砂量的影响,在此基础上对前面所拟合的公式进行了修正。文章最后对高压挤压施工过程中,套管最薄弱位置—射孔段的强度利用有限元法进行了分析研究,认为射孔孔密和相位相同时,随着孔径的增大,套管抗压强度降低;孔径和相位相同时,随着孔密的增大,套管抗压强度降低;孔密和孔径相同时,当相位在90度至180度区间内时,套管内的应力随着相位的增大而增大;当套管内施加内压时,套管射孔段的应力状况得到改善。根据推导得出的理论模型,开发了高压挤压充填优化设计软件。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 创新点摘要
• 主要符号表
• 第1章 前言
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 国内外现状分析
• 1.3 研究目标及研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.4 课题采取的研究方法
• 第2章 高压挤压效果影响因素分析
• 2.1 疏松砂岩岩性分析
• 2.1.1 疏松砂岩的粒组
• 2.1.2 疏松砂岩的胶结
• 2.1.3 疏松砂岩油藏的力学特征
• 2.1.4 疏松砂岩的非线性、弹塑性性质
• 2.1.5 疏松砂岩的体缩与体胀
• 2.1.6 硬化与软化
• 2.1.7 围压对变形和强度的影响
• 2.1.8 疏松砂岩的各向异性性质
• 2.2 地层岩性对高压挤压效果的影响
• 2.2.1 胶结程度对高压挤压效果的影响
• 2.2.2 孔隙度和渗透率对高压挤压效果的影响
• 2.2.3 近井应力场对高压挤压效果的影响
• 2.3 施工因素对高压挤压效果的影响
• 2.3.1 射孔对高压挤压效果的影响
• 2.3.2 温度对高压挤压效果的影响
• 2.3.3 压裂液对高压挤压效果的影响
• 2.3.4 排量、压力对高压挤压效果的影响
• 2.4 小结
• 第3章 高压挤压砾石充填砾石运移规律
• 3.1 砾石运动的基本形式
• 3.2 砾石在携砂液中运动的力学分析
• 3.3 管外充填过程中的砾石沉积运动分析
• 3.3.1 砾石自由沉降运动分析
• 3.3.2 砾石自由平移运动分析
• 3.4 小结
• 第4章 高压挤压近井形态及力学参数分析
• 4.1 疏松砂岩挤压过程微观结构变化规律
• 4.2 压实区域的尺寸界定
• 4.2.1 模型的建立及其简化
• 4.2.2 系统的应力分布
• 4.2.3 计算与分析
• 4.3 高压挤压压实区域的启裂
• 4.3.1 高压挤压启裂力学机理分析
• 4.3.2 形成垂直裂缝
• 4.3.3 形成水平裂缝
• 4.4 小结
• 第5章 地层形态数值模拟
• 5.1 疏松砂岩圆形刚性颗粒模型
• 5.2 力和位移的关系
• 5.3 离散元方法的基本假设
• 5.4 颗粒流的理论依据
• 5.4.1 力-位移定律
• 5.4.2 运动定律
• 5.4.3 接触本构模型
• 5.4.4 平均应力和平均应变
• 5.4.5 流固耦合在PFC2D程序中的实现
• 5.5 裂缝形态数值模拟
• 5.5.1 模型箱的建立
• 5.5.2 地应力的计算和施加
• 5.5.3 PFC2D微观参数的确定
• 5.5.4 压实模拟结果
• 5.5.5 启裂模拟结果
• 5.5.6 模拟数据分析
• 5.6 小结
• 第6章 基于声波测井资料的砾石充填施工参数预测研究
• 6.1 测井资料分析理论
• 6.1.1 最小水平地应力大小计算
• 6.1.2 地层孔隙压力预测
• 6.1.3 利用测井资料计算岩石强度
• 6.2 疏松砂岩岩层可压性表述
• 6.3 挤压模量概念的引入和计算
• 6.4 利用测井文件计算挤压模量
• 6.5 非敏感岩层施工井拟合公式
• 6.6 疏松砂岩岩层可压性指数及分级
• 6.7 编程计算
• 6.8 填砂量预测值与实际值对比
• 6.9 考虑施工参数与地应力因素对拟和公式的修正
• 6.9.1 地层等效主应力及施工压力对管外填砂量影响
• 6.9.2 施工排量及携砂比的对单位管外砂量的影响
• 6.9.3 对拟和公式的修正
• 6.9.4 实例计算
• 6.9.5 修正后的填砂量预测值与实际值对比
• 6.10 小结
• 第7章 高压挤压井射孔段套管强度研究
• 7.1 套管受力分析
• 7.1.1 轴向拉（压）力
• 7.1.2 外挤压力
• 7.1.3 内应力
• 7.1.4 套管弯曲应力
• 7.2 套管射孔段强度研究基本理论及方法
• 7.2.1 基本理论
• 7.2.2 数值模拟计算方法
• 7.3 套管应力分析
• 7.3.1 无射孔套管应力分析
• 7.3.2 射孔套管应力分析
• 7.3.3 非均匀外压条件下的套管应力分析
• 7.3.4 不同规格套管在不同内外压下的计算结果
• 7.4 小结
• 第8章 高压挤压优化设计软件开发
• 8.1 高压砾石充填优化设计专家系统的建立
• 8.1.1 FPES专家系统的结构
• 8.1.2 FPES专家系统的总体技术方案
• 8.1.3 不确实信息的处理
• 8.1.4 设计方案的模糊性评判
• 8.2 软件计算模块
• 8.3 图形模块
• 8.4 文件模块
• 8.5 软件特点
• 8.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士研究生期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介