测试生产过程中临界压差计算方法研究

本文摘要：（由ai生成）

自1977年起，学者们提出了多种预测井壁稳定性和出砂临界压差的方法，如Nordgren的压降计算、Geertsma的出砂预测等。地层强度、空腔尺寸和应力分布等因素对井壁稳定性有重要影响。国内外学者通过室内实验、线弹性模型、有限元数值方法等研究了井壁稳定性问题，为油气田开发提供了理论和实践指导。

早在1977年，Nordgren就利用Von Mises 屈服函数的线性及抛物线扩展准则计算生产时的压降，他称之为“完井强度”。井底压力的结果取决于地层岩石的固有强度以及生产过程中施加在岩石上的应力，应力受到流速、井底压力、储层压力和原始地应力状态的控制。  

1985 年，Geertsma提出了基于线性多孔弹性应力解来预测出砂的模型，以环向拉应力大于抗拉强度或者压应力大于单轴抗压强度为准则，可分别求解井壁拉伸破坏（水力压裂）和压缩破坏（沙粒涌入）的临界压差，另外该方法也将孔隙压力的衰减和温度变化导致的热应力纳入考虑。  

1991 年，Veeken等认为发生压缩破坏时，使用不同的准则判断出砂会造成完全不同的结果。这些破坏准则包括最大应力、最大塑性应变、最大塑性区面积、Drucker-Prager和Mohr-Coulomb 准则。因此井壁出砂的判断要结合实验验证和现场数据对比。同时他认为最能影响出砂预测精确性的参数为地层强度，而实验测量的强度在应用上太过保守，应使用特征强度代替，特征强度可能是测量强度的1.9倍。  

2000 年，Van Den Hoek等认为空腔会发生拉伸破坏或压缩破坏仅取决于空腔尺寸，而不取决于井周应力分布和压降；大尺寸空腔例如井眼只会产生压缩破坏，应力条件为近井有效应力大于空心筒强度。然而，实验观察到的高表观空心筒强度可归因于尺寸效应，并利用分叉理论估算了尺寸效应的上限。  

2002 年，Willson等认为井壁上有效周向应力大于地层有效强度则会造成出砂，而地层有效强度与厚壁筒强度呈比例关系。基于线弹性模型假设和尺寸效应研究，该比例系数为3.10。  

2013 年，Deng等基于全直径岩心的室内实验研究了深水砂岩气藏的生产临界流速和临界压差。实验结果表明开采流量对出砂的影响巨大，流量过大会导致出砂速率激增；临界压差与岩石的抗压强度呈正比例关系，剪切模型与经验模型对出砂的估计过于乐观，出砂压差应控制在0.4倍单轴抗压强度以下。  

2018 年，Yan等基于水合物储层样品的单三轴力学试验和弱固结砂岩储层出砂的前人研究，确定了以等效塑性应变为破坏准则的水合物储层出砂的临界条件：当最大等效塑性应变大于1％时，储层即有出砂的风险；介于1%和3%之间时，仍可以控制出砂以保证工程的顺利进行；而达到3％则被认为是破坏性出砂的临界条件，此时可能因出砂量过大导致不能有效防砂，将威胁生产的安全性。  

同年，Younessi等提出了结合解析法和数值法来预测临界出砂压差的方法：利用数值实验模拟分析物模试验（包括单三轴和TWC）的过程和结果，从而反演岩石材料的本构方程和破坏准则；开发了一个模拟井筒-射孔-地层的三维模型并采用临界应变极限的准则来评估开始出砂的压差；利用模拟结果反演解析方程中有效强度因子的经验系数，最终应用解析方程预测油田的出砂临界压差。  

在国内，测试生产压差的设计工作总是结合油田现场的实践开展。2011 年，康凯等认为避免剪切破坏导致的岩石骨架出砂是疏松砂岩油藏出砂防治的重点，利用Mohr-Coulomb准则结合测井数据估算的临界生产压差在旅大5-2油田得到了成功应用。  

2014年，刘洪杰等在渤海PL 油田疏松砂岩稠油油藏的生产数据中发现，利用流入动态曲线法估算的生产压差不准确，而结合Mohr-Coulomb准则的岩石力学方法估计的临界出砂压差准确性高。  

2017年，范志利等利用有限元数值方法求解海上LF油田中-高强度砂岩的生产压差。数值模拟中岩石被看作弹塑性材料，采用Drucker-Prager准则与0.3%最大等效塑性应变相结合的井壁失稳判据，求解的生产压差与生产实际相符。  

2020年，石先亚等针对疏松砂岩海上油气藏开展临界生产压差预测工作，研究表明Mogi-Coulomb准则相较于其他经典准则能更精确地计算井底临界生产压差；随着储层压力的衰竭，井壁发生失稳的风险逐渐增加。