天热气水合物地层降压开采出砂数值模拟

全世界范围内已开展天然气水合物资源短期试采中大部分都遇到了不同程度的出砂现象,使得天然气水合物资源的商业化一直没有实现。利用水合物地层出砂判断方程模拟研究了天然气水合物地层在开采过程中的出砂程度。模拟结果表明:随着开采时间的增加,天然气水合物地层的最大等效塑性应变随之变大,地层破坏性出砂的风险程度增加;同时,天然气水合物地层出砂现象可分为轻微出砂、暂稳定出砂、快速出砂、后稳定出砂4个阶段。     

油气井筒出砂理论技术新进展

油气井筒出砂问题不仅仅出现在石油和天然气的生产过程中,海域天然气水合物(以下简称水合物)的开采和枯竭油气藏型储气库的运行同样伴随出砂导致的各种不利因素的影响。主要针对国内油气井筒出砂的研究现状进行三个层面介绍,分别为出砂的理论研究(宏观研究和微观研究)、出砂预测方法和出砂防治措施(机械挡砂、化学固沙、携砂管理和综合防砂)。通过研究分析业界专家的出砂理论和实验结果,结合具体的案例对油气井筒出砂研究存在的问题进行了归纳和总结。认为目前油气井筒出砂亟需解决的技术重点在枯竭油气藏型储气库注采井方面,同时要推动出砂技术与智能技术的结合,针对异常地层和复杂井况形成成熟的应对措施,提升单井产量和开采效率。通过本文的介绍可为井筒出砂的发展趋势和研究提供理论基础。     

降压幅度和出砂堵塞对天然气水合物开采产能的影响分析

为研究降压幅度和出砂堵塞对天然气水合物开采产能的影响,使用天然气水合物多相流数值模拟软件TOUGH＋HYDRATE进行水合物降压开采模拟,通过不同情况下的水合物分解速率、产气速率、产气量和产水量分析了降压幅度和出砂堵塞对天然气水合物开采产能的影响,并通过不同情况下的储层压力、储层温度和水合物饱和度分布分析了其影响机理。数值模拟结果表明：①随着降压幅度的增大,储层中压力降低范围逐渐增大,而且压力降低幅值逐渐增大,储层与开采井之间的压力梯度越大,导致相同时间时的水合物分解速率、产气速率、产气量和产水量都逐渐增大;降压幅度的增大对短期开采的累积产气量有明显提高,而对长期开采的产气量影响不大,而降压幅度的增大可能导致出砂堵塞以及水合物二次生成,因此实际开采时应设定一个合理的降压幅度并辅助升温等其它措施;②随着出砂堵塞的加剧,井周附近的渗透率逐渐降低,储层中压力降低范围逐渐减小,而且压力降低幅值逐渐减小,储层与开采井之间的压力梯度越小,另外井周渗透率的降低还会导致气体的流速的降低,从而导致相同时间时的水合物分解速率、产气速率、产气量和产水量逐渐减小;出砂堵塞会对产气量持续产生影响,导致产气量随时间成比例减少,因此实际开采时应进行储层改良减轻出砂问题或采取防砂措施避免出砂堵塞。     

砾石充填防砂试验的出砂演化规律分析

出砂现象是泥质粉细砂水合物储层开采中常见的一种不利因素,其岩层、充填砾石的渗流特征变化直接影响着演化机理。基于泥质粉细砂水合物储层和砾石充填防砂结构,采用自行研制的防砂试验系统对出沙现象进行全程和分段(2、4、6、8 min)模拟,测定和研究了气-液渗流特征和出砂现象;并对全程和分段试验所形成的储层泥膜和防砂结构进行微观结构、含水量、密度的测量。全程防砂试验的结果显示,整个过程可分为4个阶段,即为初始渗流阶段、稳定渗流阶段、快速渗流阶段、和无液体渗流阶段。对比全程试验和分段试验,其气-水渗流特征具有相似性,其渗流规律几乎不受时间影响。泥质粉细砂储层的渗流规律具有分层的特征,储层中液体分层发生了运移并导致了土层的固结,形成了不同稳定性的固结圈,即为稳定、较稳定、弱稳定泥膜固结圈,和无扰动储层。出砂演化规律为:储层液体稳定渗流→液体携带细粒固体颗粒运移→储层细粒侵入防砂结构→气水加速渗流→大量出砂→形成泥膜与防砂砾石共同作用的阻砂结构。     

天然气水合物非成岩出砂储层砂流数值模拟

天然气水合物(可燃冰)作为新兴洁净能源,受到全世界的重视,由中国地质调查局组织实施的中国海域天然气水合物第二轮试采取得成功,并超额完成目标任务.当前,中外天然气水合物模拟器开发和相关研究虽然有通过力学耦合描述"砂"的行为,但大部分都没有涉及"砂"的流动过程.针对天然气水合物分解后,储层多孔介质中"砂"流动过程的数值模拟,通过通用储层渗流模拟器GPSFLOW,实现水、气(甲烷)、砂三相三组分模拟,把砂当做一种非牛顿流体,即为一组分也是一个相态,按宾汉流体进行模拟,初步探讨砂流过程模拟的理论方法和模型实现方案,并通过理想模型进行验证.结果表明:相较于其他出砂数值模拟研究方法,提出的砂流模拟方法简单高效,能够有效地模拟砂流过程,后续通过耦合水合物开采渗流模型,有望实现对水合物开采过程中砂流的准确模拟.     

天然气水合物藏开采数值模拟技术研究进展

中国天然气水合物资源丰富,实现天然气水合物商业化开采,对于缓解中国能源短缺压力具有战略意义。数值模拟是指导天然气水合物藏安全有效开采的重要技术手段,通过对水合物藏产能预测与动态分析,可以实现对开采方法的优选、可采资源评价和开发方案优化。天然气水合物藏开采过程涉及水合物分解相变与气水在地层内渗流传热等多个物理化学过程之间的复杂耦合机理。重点介绍了水合物藏开采现状、水合物藏开采数学模型优化研究、天然气水合物开采数值模拟应用进展,分析了数值模拟研究的核心问题、取得的进展以及当前亟需解决的瓶颈问题,并指出水合物藏开采数值模拟发展趋势,对于开展天然气水合物数值模拟研究具有较好的指导意义。     

水合物储层颗粒间微力测试与分析

海域天然气水合物储层具有离散特征,从颗粒角度研究水合物与储层泥砂之间的力学行为,有助于揭示水合物储层力学和出砂行为的微观机理,为离散元数值模拟提供参数.本文基于自行搭建的颗粒间微力测试装置,分析了模拟水合物储层中水滴与砂团的吸附行为,测试了水合物颗粒与砂板在干燥和润湿条件下的黏附力,以及不同法向力、接触时间和温度条件下...     

松软地层套管损坏机理分析

为了防止和减少松软地层套管损坏,采用分析计算方法,建立了松软出砂地层中套管的三维有限元力学模型,分析了出砂段高度、套管内压、以及垂向地应力对套管受力的影响。分析结果表明,出砂段的存在大大增加了套管损坏的危险性：出砂套管损坏危险程度与出砂段高度为二次曲线关系;最大当量应力与内压的关系基本上为双段线性。应使出砂段高度避免接近临界出砂段高度;并尽量使套管内压力接近临界内压。同时根据普氏砂拱效应建立了出砂量和套管最大应力之间的关系,为有效预测松软地层套管的损坏幅供了可行依椐．     

地应力和油藏压力对弱胶结砂岩油藏出砂的影响

借助岩石力学的基本理论,结合弱胶结油藏的岩石学特征,系统地分析了原地应力、生产压差等因素对弱胶结砂岩油藏出砂的影响,并对防砂技术和措施进行了讨论。结果表明:在弱胶结砂岩地层,地应力的非均匀性将导致某些方位地层先于其它方位地层剪切屈服、出砂,因此,对这些方位进行选择性避射将有助于防砂和延长油井开采寿命;当井筒内压力保持不变时,随着油藏压力衰竭,射孔孔眼发生剪切屈服、出砂的可能性增大;当地层压力恒定时,随着开采压差的增大,射孔孔眼发生剪切屈服、出砂的可能性随之增大。     

疏松砂岩油藏出砂机理物理模拟研究

利用玻璃板填砂平面模型,在室内对地层出砂进行了实验研究,分析了疏松砂岩油藏出砂机理,并对影响地层出砂的非均质性、粘度、渗透率和流体渗流速度等因素进行了分析.结果表明,大孔道的形成是一个在主流线上分枝发展的“灾变”过程.在临界出砂速度以上,随流速的增加,出砂速度迅速增大;胶结强度越高,出砂量和出砂速度越小;在相同的渗流速度下,渗透率越大,出砂量越小;随着原油粘度的增加,出砂量增加.出砂量的变化表明,胶结程度和水力冲刷是影响油层出砂的重要因素.大孔道一旦形成,油井含水率增加,油藏的采收率降低36%.     

深部砂岩力学实验及储层开采出砂影响规律

为研究深部储层砂岩在高温、高压、高应力状态下的开采出砂规律及主控因素,以克深区块为研究对象,开展了相应的岩石力学实验和数值模拟分析。实验岩心取自该区块致密砂岩储层,通过实验获得了高温高压下岩石的弹性模量、内聚力和内摩擦角等参数及其变化规律。结合实验结果和该地区地质特征,建立了深部砂岩储层直井开采热流固耦合模型,并利用有限元软件进行求解;通过分析储层Mises应力、等效塑性应变等参数变化特征,结合出砂判别标准,得到了不同开采条件下的出砂影响规律。采用正交试验设计方法进行了出砂敏感性因素分析,获得了其出砂的主控因素。研究结果表明：水平地应力的非均匀程度对储层开采出砂的影响最大,岩石胶结强度和生产压差的影响次之,地层温度变化影响相对较小。     

天然气水合物储层颗粒级尺度微观出砂数值模拟

构建颗粒级尺度的天然气水合物储层地层砂颗粒结构模型,在此基础上进行天然气水合物储层颗粒级尺度微观出砂过程和形态模拟,研究出砂机制和出砂形态及其影响因素。颗粒结构模型根据地层砂粒度分布曲线随机确定颗粒直径、圆球度系数及位置倾角,根据测井曲线利用随机方法表征颗粒胶结强度和水合物饱和度的随机非均质性分布和粒间应力。使用水合物强度比例系数和影响系数表征水合物分解对胶结强度的影响。根据构建的颗粒剥落判别模型,结合水合物分解模型,建立颗粒剥落孔道延伸扩展模拟及出砂形态模拟方法。结果表明:对于胶结强度较低的高水合物饱和度储层,出砂首先从孔壁边界上开始,沿胶结弱面不均匀扩展形成类蚯蚓洞形态,最终总体呈现前端类蚯蚓洞与后端连续垮塌的复合出砂形态;水合物分解会大幅度降低储层强度,生产过程中出砂前沿与分解前沿非常接近;随着初期生产延续,最大剥落出砂粒径由16μm降低为6μm,剥落出砂速度呈上升趋势;水合物饱和度及其分解对出砂形态和出砂速度有明显影响;水合物饱和度越低,其分解对储层总体内聚强度的影响越小,越不容易出砂;饱和度为0.4、0.3和0.18时的砂粒剥落速度分别约降低到平均水合物饱和度0.48对应的砂粒剥落速度的80%、69%和58%。     

基于生产压差的深层气层出砂预测

随着油气开采程度的不断加大,地层出砂现象日益增多。深部储层压实作用较强,岩石致密且稳定性较好,只有生产压差过大时才会导致岩石发生剪切破坏或拉伸破坏,表现为地层出砂。准确把握和计算产层的合理生产压差显得尤为重要。为此,以大北气田埋藏较深的白垩系产气层段为研究对象,运用多种方法建立临界生产压差的计算模型,实现了利用测井资料快速准确地计算生产压差,用于出砂定量分析与确定最优完井方法,旨在为防砂增产提供决策依据。     

定向油气井出砂模型的建立与参数分析

从分析定向井井眼的应力状态出发，建立了油气井的出砂模型。将出砂划分为地层填充砂随流体的产出运移和地层骨架结构破坏出砂两种类型，提出了临界井底压差与出砂程度两个概念，分析了地应力、抽层压力、井斜角、方位角等因素对油气并出砂程度的影响．研究结果表明，垂直应力为最大主应力时，其出砂程度较小；而为中间主应力时出砂程度较大，井斜角与方位角对出砂程度的影响同应力状态有关。     

适度出砂对储层物性影响的室内评价方法研究

适度出砂是通过优化产量和油井的产能在防砂生产和出砂生产之间确定最优的生产策略。适度出砂对储层物性有很大影响。以渤海胶结疏松的稠油油藏为例,提出了适度出砂提高单井产量的开采方式,并开展了室内实验研究。在调研国内外出砂模拟实验的基础上,利用现有的实验装置,以适度出砂原理为理论基础,与现场实际生产相结合,开展了人造岩芯制作,采用筛析法和直接出地层砂法进行了适度出砂对储层物性影响的室内实验研究。对渤海稠油油藏出砂油井的科学生产和管理具有一定的指导意义。     

青海台南-涩北气田出砂机理及防砂技术研究

青海柴达木盆地台南-涩北气田地层沉积期晚、埋藏浅、压实程度低、构造疏松,这是气田出砂的主要原因。该气田埋藏深度差别大,气层众多,气水关系复杂,防止地层出砂是一个具有实际意义的问题。因此,从资料分析、理论推导和实验,验证了气田出砂和油田出砂无论在机理和方向上都有很大的差异。从研究气田出砂机理入手,研究出一套完整的防砂工艺和方法,并且取得了良好的实施效果。     

高压充填防砂技术在雁木西油田的应用

雁木西油田为不完全胶结疏松砂岩油田,受生产压差增大及含水上升影响,开采过程始终出砂,造成有杆泵频繁砂卡、漏失、断杆。压裂充填防砂技术的实施,有效充填地层亏空,并利用机械防砂管封堵管外砾石,形成地层深部至孔眼、套管与防砂管环空、防砂管多重挡砂屏障,防砂有效期大幅延长,油田检泵周期延长23天,增油效果显著,平均单井日增油7．3t／d。     

海洋天然气水合物藏开采若干问题研究

文章阐述了在开采天然气水合物方面所取得的研究进展,包括天然气水合物开采模型及数值模拟,天然气水合物开采物理模拟相似准则,天然气水合物开采方法研究等。建立、完善了天然气水合物开采的数学模型,并以此为基础建立了降压开采水合物物理模拟相似准则。降压法开采单一水合物藏,在某些情况下开采能量不足会导致藏内结冰严重。对下伏气的天然气水合物藏而言,水合物能够提高产气量、延长稳产时间。结合降压和注热的优势提出了注温水-降压法联合开采方法,该方法具有稳产时间较长、稳产气速度高的特点。     

弱胶结油藏拟三维出砂预测模型及方法

根据有效应力定律和连续介质力学理论,建立了应力场和渗流场耦合作用的弱胶结油藏拟三维出砂预测模型,并应用顺序Galerkin有限元进行了求解.对复杂地质区域网格自动剖分、地层变形或破坏、液化砂运移、出砂动态预测等问题进行了数值模拟研究.结果表明:随着地层破坏和出砂,炮眼和井筒周围应力会重新分布;地层参数的变化受出砂和应力作用的复杂影响;出砂量是一个波动变化的过程--这一现象与现场和室内的观测是基本一致的.研究证明了该模型的可靠性,初步解决了弱胶结砂岩油藏的出砂预测数值模拟问题.     

压力衰竭下疏松砂岩出砂临界生产压差预测方法

海上油气藏多采取衰竭式开发,开发后期储层压力衰竭导致岩石应力状况变化,致使弱胶结疏松砂岩储层严重出砂可能性增加。为了有效做好出砂预测,针对衰竭式开采弱胶结疏松砂岩油气藏,同时考虑储层压力衰竭对地应力影响,基于井壁处岩石应力状态分析,引入岩石骨架破坏Mogi-Coulomb准则,建立出砂临界生产压差CDP模型,给出一种适用于海上储层压力衰竭开采生产井全生产周期出砂预测方法,并结合油田实例,计算并绘制出F-1井全生产周期出砂临界生产压差图版。研究表明,初期出砂临界生产压差较大,随着地层压力逐渐衰减,临界生产压差逐渐降低,至临界储层压力时,由于地层出砂不能生产,需要补充地层能量或者采取防砂措施,预测结果与现场出砂情况相符合,研究成果能为易出砂井配产提供指导意义。