金華—中臺山區塊致密砂巖儲層井壁穩定判斷及出砂預測

龔 浩，張華禮，唐 庚，李玉飛，張 林，陸林峰

(中國石油西南油氣田公司 工程技術研究院，四川 德陽 618000)

金華—中臺山區塊位于川中古隆中斜平緩構造帶東北部與川北古中拗陷低緩構造帶西南部交匯區，有利面積達1 460 km2，資源量1 900×108m3，以中-細粒長石砂巖為主，次為巖屑長石砂巖，孔隙度8%～12%，滲透率0.01～1.00 mD，厚度約為1 200～1 600 m，氣層特征明顯，勘探開發潛力大。

目前，金華—中臺山區塊形成的致密氣藏完井技術主要是針對須家河組氣藏，完井方式主要包括裸眼完井及射孔完井，完井工藝包括裸眼封隔器+滑套分段完井、射孔加砂聯作工藝、射孔后不動管柱分段加砂工藝、射孔+橋塞分段壓裂完井工藝。其中所用的裸眼完井、裸眼封隔器+滑套分段完井屬于裸眼系列的完井方法；所使用的射孔完井、射孔加砂聯作工藝、射孔后不動管柱分段加砂工藝、射孔+橋塞分段壓裂完井工藝完井方法屬于射孔系列的完井方法。無論是裸眼系列完井方法還是射孔系列完井方法都需要滿足相應的地質條件和工藝技術要求[1-10]。例如，裸眼系列完井要求巖性堅硬致密，井壁穩定不坍塌，對砂巖地層還要求不出砂；射孔系列完井方法同樣對砂巖地層也要求不出砂。因此，不能簡單的將應用于金華—中臺山區塊的須家河組完井工藝直接應用于該區塊沙溪廟組，須家河組完井方式在沙溪廟組的適應性有待進一步的分析與論證。該研究根據儲層巖石力學參數測試結果，利用氣井生產過程中井壁穩定及出砂預測方法，判斷金華—中臺山區塊沙溪廟組氣井生產過程中井壁是否穩定；考慮氣藏出水及氣藏壓力衰減影響，預測氣井生產過程中是否出砂，為工區沙溪廟組氣井完井方法優選提供依據。

1 水化對原巖弱化效應測試

1.1 水化對原巖抗張強度影響測試

利用工區沙溪廟組儲層巖心，在巖樣制備的基礎上，將試樣分為3組，每組2塊巖心，首先將所有巖心在烘箱中完全干燥。第1組巖心(記為1-1-1，1-1-2)完全干燥后不進行地層水浸泡；將第2組巖心放入已經配置好的地層水中進行浸泡，浸泡2天后取出(記為1-1-3，1-1-4)；將第3組巖心放入已經配置好的地層水中進行浸泡，浸泡4天后取出(記為1-1-5，1-1-6)。按照巖石物理力學性質試驗規程第21部分:巖石抗拉強度試驗標準(DZ/T0276.21—2015)，將3組巖心利用巴西劈裂法[11-13]進行水化前后抗張強度測試，測試結果見表1。

表1 水化對原巖抗張強度影響測試

從表1可知，沙溪廟組儲層巖心試樣的抗張強度為3.8～5.2 MPa，平均為4.4 MPa。沙溪廟組未經地層水浸泡的儲層巖心(原巖)平均抗張強度為4.9 MPa；經地層水浸泡2天的巖心平均抗張強度為4.35 MPa，抗張強度較原巖下降11.2%；經地層水浸泡4天的巖心平均抗張強度為3.9 MPa，抗張強度較原巖下降20.4%。

1.2 水化對原巖三軸抗壓強度影響測試

同樣，利用工區沙溪廟組儲層巖心，在巖樣制備的基礎上，將試樣分為3組，每組2塊巖心，第1組巖心為干燥狀態(記為1-2-1，1-2-2)；將第2組巖心(記為1-2-3，1-2-4)放入已經配置好的地層水中進行浸泡，浸泡2天后取出；將第3組巖心(記為1-2-5，1-2-6)放入已經配置好的地層水中進行浸泡，浸泡4天后取出。按照巖石物理力學性質試驗規程第20部分:巖石三軸抗壓強度試驗標準(DZ/T 0276.21—2015)[14]，利用MTS815巖石力學分析系統(如圖1所示)，對3組巖心進行三軸抗壓強度測試，測試結果見表2。

圖1 MTS815巖石力學分析系統

表2 水化對原巖三軸抗壓強度弱化效應實驗

從表2可知，在測試圍壓35 MPa、測試溫度70 ℃條件下，沙溪廟組儲層巖心試樣的三軸抗壓強度為200.7～332.0 MPa，平均值278.3 MPa。未經地層水浸泡的儲層巖心(原巖)平均三軸抗壓強度為328.5 MPa；而經地層水浸泡2天的巖心平均三軸抗壓強度則為265.8 MPa，較原巖下降19.1%；經過地層水浸泡4天后的巖心平均三軸抗壓強度為240.6 MPa，較原巖下降26.8%。

水化對原巖抗張強度影響測試結果表明，水化對原巖抗張強度、三軸抗壓強度均有一定的弱化效應，在選擇完井方法時應考慮氣井生產后期可能出水引起的井壁失穩、出砂等問題。

2 氣井生產過程中井壁穩定性判斷

生產過程中井壁穩定判斷的目的是為了判斷是否需要采用支撐井壁的完井方式。根據沙溪廟組氣藏基礎資料及水化對原巖弱化效應測試成果，分別利用Mohr-Coulumb和Von.Mises剪切破壞理論[15-21]計算不同井斜角氣井下井壁巖石最大剪切應力、巖石剪切強度，判斷沙溪廟組氣井生產過程中井眼力學穩定性。Mohr-Coulumb剪切破壞理論計算表明，當井斜角為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°時，井壁巖石最大剪切應力分別為43.65 MPa，43.52 MPa，43.17 MPa，42.69 MPa，42.21 MPa，41.86 MPa和41.74 MPa；井壁巖石剪切強度分別為72.82 MPa，72.70 MPa，72.37 MPa，71.92 MPa，71.47 MPa，71.14 MPa和71.02 MPa；即不同井斜角氣井井壁巖石最大剪切應力均小于相應井斜角下的井壁巖石剪切強度。圖2所示為Mohr-Coulumb準則不同井斜角下井壁巖石最大剪切應力、巖石剪切強度對比情況。

圖2 Mohr-Coulumb準則不同井斜角下井壁巖石最大剪切應力、巖石剪切強度對比圖

同樣，Von. Mises剪切破壞理論計算表明，當井斜角分別為0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°時，井壁巖石最大剪切應力均方根分別為43.88 MPa，43.76 MPa，43.46 MPa，43.04 MPa，42.63 MPa，42.34 MPa和42.23 MPa；井壁巖石剪切強度均方根分別為47.61 MPa，47.48 MPa，47.13 MPa，46.65 MPa，46.16 MPa，45.81 MPa和45.68 MPa；即不同井斜角氣井井壁巖石最大剪切應力均方根均小于相應井斜角下的井壁巖石剪切強度均方根。圖3所示為Von. Mises準則不同井斜角下井壁巖石最大剪切應力均方根、巖石剪切強度均方根對比情況。

圖3 Von. Mises準則不同井斜角下井壁巖石最大剪切應力均方根、巖石剪切強度均方根對比圖

因此，根據Mohr-Coulumb和Von. Mises剪切破壞理論可以判斷，工區沙溪廟組不同井斜角氣井生產過程中井壁穩定。

3 氣井生產過程中出砂預測

生產過程中地層出砂預測的目的是為了判斷是否需要采用防砂型完井方式。按巖石力學觀點，地層出砂是由于井壁巖石結構被破壞所引起的。其判斷方法主要有現場觀測法、經驗法及力學計算方法等。該研究主要采用力學計算法，考慮生產過程中氣井出水、地層壓力衰減影響，對沙溪廟組氣井生產過程中出砂與否進行預測。

3.1 考慮出水后生產過程中地層出砂預測

根據文獻[22]的研究成果，對沙溪廟組不同井斜氣井在不同生產壓差下井壁巖石的最大切向應力進行計算，巖石泊松比取0.188，上覆巖石密度取0.252 kg/m3，儲層中部深度為2 250 m，原始地層壓力為24.76 MPa，計算結果見圖4。從圖4可見，沙溪廟組不同井斜氣井在不同生產壓差下井壁巖石最大切向應力均小于考慮水化后的地層巖石抗壓強度138.7 MPa(沙溪廟組測試巖心平均三軸抗壓強度為277.42 MPa，預計地層巖石水化后強度最多降低50%，則考慮水化后地層巖石三軸抗壓強度為138.71 MPa)，因此判斷沙溪廟組不同井斜氣井在不同生產壓差下生產不出砂(地層骨架砂)。

圖4 不同生產壓差條件下井壁巖石的最大切向應力變化規律

根據文獻[22]的研究成果，對沙溪廟組不同井斜氣井在最大生產壓差下井壁巖石最大切向應力進行計算，公式中參數與不同井斜氣井在不同生產壓差下井壁巖石的最大切向應力計算相同,計算結果見圖5。從圖5可見，沙溪廟組不同井斜氣井在最大生產壓差下井壁巖石最大切向應力也均小于考慮水化后的地層巖石抗壓強度138.7 MPa(原始三軸抗壓強度的50%)，因此，判斷沙溪廟組不同井斜氣井即使在最大生產壓差下生產也不出砂(地層骨架砂)。

圖5 最大生產壓差條件下井壁巖石最大切向應力變化規律

3.2 考慮出水、地層壓力衰減時生產過程中地層出砂判斷

考慮水化之后地層巖石三軸抗壓強度為138.71 MPa(原始三軸抗壓強度50%)，原始地層壓力為24.76 MPa，利用文獻[16]的研究成果計算地層壓力衰減(模擬地層壓力衰減為原始地層壓力的90%，80%，70%，60%，50%，40%，30%和20%)條件下，氣井以最大生產壓差生產時，井壁巖石所受最大切向應力變化規律見表3，其變化曲線如圖6所示。

表3 地層壓力衰減條件下井壁巖石最大切向應力變化規律

圖6 地層壓力衰減條件下井壁巖石最大切向應力變化曲線

由表3和圖6可知，當沙溪廟組氣井井斜角大于45°后，氣井井壁巖石最大切向應力變化隨著地層壓力衰減而增加，當井斜角為60°時，地層壓力衰減到9.90 MPa(原始地層壓力40%)時井壁巖石最大切向應力為139.86 MPa，大于考慮水化后地層巖石三軸抗壓強度138.71 MPa(原始三軸抗壓強度50%)，預測地層出砂；當井斜角為75°時，地層壓力衰減到19.80 MPa(原始地層壓力80%)時井壁巖石最大切向應力為139.54 MPa，大于考慮水化后地層巖石三軸抗壓強度138.71 MPa(原始三軸抗壓強度50%)，預測地層出砂；當井斜角為90°時，地層壓力衰減到17.30 MPa(原始地層壓力70%)時井壁巖石最大切向應力為140.57 MPa，大于考慮水化后地層巖石三軸抗壓強度138.71 MPa(原始三軸抗壓強度50%)，預測地層出砂。

以上關于出砂的分析是在假設氣井出水導致巖石抗壓強度下降到原始強度的50%時(極端情況)，同時在地層壓力衰減后才可能發生，如果假設氣井出水后巖石抗壓強度下降到原始強度的55%，即水化后地層巖石三軸抗壓強度為152.6 MPa，不同井斜氣井在地層壓力衰減后即使以最大生產壓差生產也不出砂。因此，沙溪廟組氣井生產過程中不易出砂。

根據上述井壁穩定分析及出砂預測結果，預測沙溪廟組氣井生產過程中不易出砂，可以選擇非防砂型完井方式完井。

目前,工區沙溪廟組已經累計完鉆15口井，其中完鉆直井2口，斜井1口，水平井12口，水平段長536～1 500 m，均采用套管射孔完井，電纜射孔+橋塞分段完井工藝，測試過程中均未出地層砂，說明沙溪廟組氣井在原始地層壓力條件下，未出地層水時不出砂。

4 結論

1)沙溪廟組儲層巖心水化對原巖弱化效應測試表明，水化對原巖的抗張強度、三軸抗壓強度有一定的弱化效應，儲層巖心經地層水浸泡2天后，抗張強度下降11.2%、三軸抗壓強度下降19.1%；儲層巖心經地層水浸泡4天后，抗張強度下降20.4%、三軸抗壓強度下降26.8%。隨著水化時間增加，沙溪廟組儲層巖心抗張強度、三軸抗壓強度逐漸降低。

2)根據Mohr-Coulumb和Von. Mises剪切破壞理論，工區沙溪廟組不同井斜角氣井井壁巖石所受最大剪切應力(平均42.69 MPa)均小于井壁巖石剪切強度(平均71.92 MPa)；工區沙溪廟組不同井斜角氣井井壁巖石所受最大剪切應力均方根(平均43.05 MPa)均小于井壁巖石剪切強度均方根(平均46.64 MPa)；沙溪廟組不同井斜角氣井生產過程中井壁穩定，可以采用不支撐井壁的完井方式。

3)力學計算法出砂預測表明，沙溪廟組不同井斜氣井在不同生產壓差條件下，井壁巖石最大切向應力均小于考慮水化后的地層巖石抗壓強度138.7 MPa；如果假設氣井出水后巖石抗壓強度下降到原始強度的55%(即考慮水化后地層巖石三軸抗壓強度152.6 MPa)，不同井斜角氣井在地層壓力衰減條件下井壁巖石最大切向應力均小于地層巖石抗壓強度；因此，工區不同井斜角氣井在地層壓力衰減后即使以最大生產壓差生產也不易出砂。