本发明涉及一种水平井水平段相对出砂亏空剖面预测及防砂分段分级方法，属于油气勘探技术领域。
背景技术：
疏松砂岩油气资源储量在全球及国内都占较大的比例，开发潜力巨大。水平井开采技术因其泄油面积大、采油速度快、有效减缓底水锥进，被广泛应用于油气藏开采，特别是疏松砂岩油气藏，是新油田开发、老油田挖潜的重要技术手段。
由于疏松砂岩储层岩石胶结程度差，在水平井开采疏松砂岩油气藏过程中常伴有不同程度的出砂现象，轻则造成抽油泵磨蚀、油嘴冲蚀；重则形成地层亏空、储层坍塌、套管挤毁、甚至油气井报废。此外，水平井水平段长度大，储层均质性差，各井段出砂程度各异，增加了防砂施工的复杂性。但由于目前对于水平井长水平段出砂位置和剖面难以预测，导致难以根据出砂严重层段进行针对性防砂，只能全井段笼统防砂，既增加成本，影响油气井产量，又难以取得理想的综合防砂效果，不利于提高经济效益。
技术实现要素：
针对现有技术的疏松砂岩油气藏易出砂的问题，本发明提供了一种水平井水平段相对出砂亏空剖面预测及防砂分段分级方法；
本发明通过测井资料预测水平井段出砂临界生产压差分布，计算出砂净压差和出砂强度指数，进而绘制水平井相对出砂剖面图，划分出砂亏空程度等级；据此决定分段分级防砂的分段分级方法，优化防砂方案，提高了水平井防砂的针对性，提高了防砂效果,提高油井产量同时降低了防砂成本，提高了经济效益。
术语解释：
1、地层静压，全称为地层静止压力，也叫油层压力，是指油井在关井后，待压力恢复到稳定状态时所测得的油层中部压力，简称静压。
2、井底流压，全称井底流动压力，又简称流动压力或流压。是油、气井生产时的井底压力。它表示油、气从地层流到井底后剩余的压力，对自喷井来讲，也是油气从井底流到地面的起点压力。
3、流动压降计算模型，是指对于给定井段根据一端的压力和温度用于计算整个井段压力和温度分布的计算方法、公式等，常用的有beggs-brill模型、aziz模型和okasweki模型等。
4、井筒多相流模型，对于油井是指适用于油气水三相流动条件的流动压降计算模型，对于气井是指适用于气水两相流动条件的流动压降计算模型。
本发明的技术方案为：
一种水平井水平段相对出砂亏空剖面预测及防砂分段分级方法，包括：
s1：计算储层岩石力学参数沿水平井水平段的分布，储层岩石力学参数包括动态泊松比、静态泊松比、动态弹性模量、单轴抗压强度、内聚力以及内摩擦角；
s2：根据储层岩石力学参数及地应力分布，预测水平井水平段出砂临界生产压差分布；地应力分布是指水平井周围岩石所处的垂向应力、切向应力和径向应力三个主应力；
s3：根据地层静压和标定井底流压，以及水平段流动压降计算模型，计算水平段各点的实际井底流压，以及水平段各点的实际生产压差(地层静压减去井底流压)；标定井底流压即水平段根端位置的井底流压；
s4：定义出砂净压差为实际生产压差与出砂临界生产压差的差值，计算得到出砂净压差，进行无量纲化计算得到出砂强度指数；
s5：绘制水平井相对出砂剖面图，划分出砂亏空程度等级，并实现不同等级出砂程度的分段；水平井相对出砂剖面图是指用来表达沿水平井井轴方向上出砂严重程度和亏空程度相对大小的剖面图。根据计算得到的出砂强度指数绘制，是出砂强度指数沿井深的分布曲线。
s6：根据出砂程度等级决定分段分级防砂的分段分级方案。
本发明通过相对出砂剖面预测指导分段分级防砂，解决水平井笼统防砂的盲目性强、防砂效果差的问题，降低了防砂作业的成本，保证水平井长期稳定生产，提高经济效益。
根据本发明优选的，所述步骤s1中，
动态泊松比的计算公式如式(ⅰ)所示：
式(ⅰ)中，μd—岩石的动态泊松比，无量纲；δth—横波时差，μs/m；δtv—纵波时差，μs/m；
静态泊松比的计算公式如式(ⅱ)所示：
μ＝a·μd+b(ⅱ)
式(ⅱ)中，μ—岩石的静态泊松比，无量纲；a、b—经验系数，通过实测数据拟合得到，无量纲；a＝0.38，b＝0.082；
动态弹性模量的计算公式如式(ⅲ)所示：
式(ⅲ)中，ed—岩石的动态弹性模量，mpa；ρr—地层岩石密度，kg/m3；
单轴抗压强度的计算公式如式(ⅳ)所示：
σc＝[c·(1-vcl)+d·vcl]·ed(ⅳ)
式(ⅳ)中，σc—岩石单轴抗压强度，mpa；c、d—为经验拟合系数，c＝0.00459，d＝0.00816；vcl—泥质含量，小数；
内聚力的计算公式如式(ⅴ)所示：
式(ⅴ)中，c0—内聚力，c/mpa；
内摩擦角的计算公式如式(ⅵ)所示：
φf＝36.545-0.4952c0(ⅵ)
式(ⅵ)中，φf—岩石内摩擦角，rad。
根据本发明优选的，所述步骤s2，出砂临界生产压差的计算公式如式(ⅶ)所示：
式(ⅶ)中，△pc—出砂临界生产压差，mpa；c0—岩石内聚力，mpa；μ—岩石的静态泊松比，无量纲；σze—外边界处的垂向应力，mpa；β—比奥特常数，无量纲；α—失效角，rad；pr—地层静压，mpa。
根据本发明优选的，所述步骤s3，水平段各点的实际井底流压的计算公式如式(ⅷ)所示，水平段各点的实际生产压差的计算公式如式(ⅸ)所示：
pwf(i)＝pwf0+δpw(i)(ⅷ)
δp(i)＝pr-pwf(i)(ⅸ)
式(ⅷ)、(ⅸ)中，pwf0—标定井底流压，mpa；δpw(i)—第i点的压力与根端压力之差，mpa；i是水平井水平段按照长度计算的任一分段，1≤i≤i；分段长度为1-3m，分段总数i等于水平井水平段总长度除以分段长度；根据井筒多相流模型计算得到；pwf(i)—第i点实际井底流压，mpa；pr—地层静压，mpa；δp(i)—第i点的实际生产压差，mpa。
根据本发明优选的，所述步骤s4中，
定义出砂净压差为实际生产压差与出砂临界生产压差的差值，计算得到出砂净压差，如式(ⅹ)所示：
δp(i)＝δp(i)-δpc(i),ifδp(i)≤0thenδp(i)＝0(ⅹ)
式(ⅹ)中，δpc(i)—第i点的出砂临界生产压差，mpa；δp(i)—第i点的出砂净压差，mpa；
计算得到出砂强度指数，计算公式如式(ⅺ)所示：
式(ⅺ)中，△pmax—全井段出砂净压差的最大值，δpmax＝max{p(i)}；△pmin—全井段出砂净压差的最小值，δpmin＝min{δp(i)},ifδp#in>0.25thenδpmin＝0.25；js(i)—第i点的出砂强度指数，无量纲。
根据本发明优选的，所述步骤s5，包括：
以5-15m为最小计量井段长度间隔划分水平井水平段，当求取的某水平段的出砂强度指数不大于0.1时，将该水平段划分为不出砂井段；当求取的某水平段的出砂强度指数为0.1-0.35时，将该水平段划分为轻微出砂井段；当求取的某水平段的出砂强度指数为0.35-0.70时，将该水平段划分为中等出砂井段；当求取的某水平段的出砂强度指数为0.70-1.0时，将该水平段划分为严重出砂井段。
进一步优选的，以10m为最小计量井段长度间隔划分水平井水平段。
根据本发明优选的，所述步骤s6，根据出砂程度等级决定分段分级防砂的分段分级方案，包括：
对于步骤s5中划为的不出砂井段，如果不出砂井段的长度(是指出砂等级被判别为不出砂的井段的长度)大于20m，则设计为零级防砂井段；如果长度不大于20m，则防砂等级设置为与该井段相邻两侧井段中防砂等级较低的防砂等级；
对于步骤s5中划为的轻微出砂井段，如果轻微出砂井段的长度大于20m，则设计为一级防砂井段；如果长度不大于20m，则防砂等级设置为与该井段相邻两侧井段中的防砂等级较低的防砂等级；
对于步骤s5中划为的中等出砂井段，如果中等出砂井段的长度大于20m，则设计为二级防砂井段；如果长度不大于20m，则防砂等级设置为与该井段相邻两侧井段中的防砂等级较低的防砂等级；
对于步骤s5中划为的严重出砂井段，如果严重出砂井段的长度大于20m，则设计为三级防砂井段；如果长度不大于20m，则防砂等级设置为与该井段相邻两侧井段中的防砂等级较低的防砂等级。
零级防砂井段、一级防砂井段、二级防砂井段、三级防砂井段是指根据出砂井段的出砂程度和需要防砂的强度所划分的防砂等级，等级越高，表示越需要重点防砂；等级越低，表示防砂的要求越低。其中，零级防砂是指不需要防砂，具体实施时零级防砂井段不需要管柱或仅使用打孔管(在光油管上打孔孔密50-120孔/m，孔径8-10mm)；一级防砂是指筛管挡砂介质厚度不低于5-8mm或砾石层厚度不低于20mm；二级防砂是指筛管挡砂介质厚度不低于10-15mm或砾石层厚度不低于30mm；三级防砂是指筛管挡砂介质厚度不低于20-25mm或砾石层厚度不低于50mm。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过测井资料预测水平井段出砂临界生产压差分布，计算出砂净压差和出砂强度指数，进而绘制水平井相对出砂剖面图，划分出砂亏空程度等级；有助于准确了解水平井水平段的严重出砂位置，通过控制各分段的生产压差实现水平井水平段分段生产控制，利于获得均匀产出剖面和提高产量；并且降低了总体防砂附加渗流阻力和表皮系数。相比未知出砂剖面分布情况下的笼统生产，表皮系数降低0.2-0.5，平均产量提高15％左右。
2、本发明根据划分得到的水平井水平段出砂亏空和严重程度等级，决定分段分级防砂的分段分级方法，优化防砂方案，提高了水平井防砂的针对性和综合防砂效果。相比未知出砂剖面分布情况下的笼统防砂，防砂工艺设计和实施的目的性和针对性更强，防砂有效率提高10-15％。
3、本发明根据划分得到的水平井水平段出砂亏空和严重程度等级，决定分段分级防砂的分段分级方法，优化防砂方案，避免了不出砂和轻微出砂井段的过度防砂或不必要的防砂，降低施工难度和防砂成本。相比全井段笼统防砂，平均成本节约30％以上。
4、本发明提出的出砂相对剖面预测和分级分段防砂的分段分级方法，为提高疏松砂岩水平井综合防砂效果提供了一条有效途径。尤其与水平段控水结合起来，可以实现控水防砂一体化设计，同时实现高效防砂和控水，提高了含水疏松砂岩油气藏水平井开发效果。
附图说明
图1为实施例1水平井水平段出砂临界生产压差分布计算结果示意图；
图2为实施例1水平井水平段实际生产压差分布计算结果示意图；
图3为实施例1预测得到的水平井水平段出砂强度指数分布示意图；
图4为实施例1预测得到的水平井相对出砂剖面及出砂亏空程度等级划分结果示意图；
图5为实施例1水平井分级防砂多段多级划分结果示意图；
图6为实施例2预测得到大港油田某水平井水平段的出砂临界压差、生产压差、出砂净压差分布示意图；
图7为实施例2预测得到大港油田某水平井水平段的分级防砂多段多级划分结果示意图；
图8为实施例2预测得到胜利油田某稠油油藏水平井水平段的分级防砂多段多级划分结果示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种水平井水平段相对出砂亏空剖面预测及防砂分段分级方法，包括：
s1：根据水平井测井资料(密度测井、纵波测井、横波测井)计算储层岩石力学参数沿水平井水平段的分布，储层岩石力学参数包括动态泊松比、静态泊松比、动态弹性模量、单轴抗压强度、内聚力以及内摩擦角；
动态泊松比的计算公式如式(ⅰ)所示：
式(ⅰ)中，μd—岩石的动态泊松比，无量纲；δth—横波时差，μs/m；δtv—纵波时差，μs/m；
静态泊松比的计算公式如式(ⅱ)所示：
μ＝a·μd+b(ⅱ)
式(ⅱ)中，μ—岩石的静态泊松比，无量纲；a、b—经验系数，通过实测数据拟合得到，无量纲；a＝0.38，b＝0.082；
动态弹性模量的计算公式如式(ⅲ)所示：
式(ⅲ)中，ed—岩石的动态弹性模量，mpa；ρr—地层岩石密度，kg/m3；
单轴抗压强度的计算公式如式(ⅳ)所示：
σc＝[c·(1-vcl)+d·vcl]·ed(ⅳ)
式(ⅳ)中，σc—岩石单轴抗压强度，mpa；c、d—为经验拟合系数，c＝0.00459，d＝0.00816；vcl—泥质含量，小数；
内聚力的计算公式如式(ⅴ)所示：
式(ⅴ)中，c0—内聚力，c/mpa；
内摩擦角的计算公式如式(ⅵ)所示：
φf＝36.545-0.4952c0(ⅵ)
式(ⅵ)中，φf—岩石内摩擦角，rad。
s2：根据储层岩石力学参数及地应力分布，预测水平井水平段出砂临界生产压差分布；地应力分布是指水平井周围岩石所处的垂向应力、切向应力和径向应力三个主应力；出砂临界生产压差的计算公式如式(ⅶ)所示：
式(ⅶ)中，△pc—出砂临界生产压差，mpa；c0—岩石内聚力，mpa；μ—岩石的静态泊松比，无量纲；σze—外边界处的垂向应力，mpa；β—比奥特常数，无量纲；α—失效角，rad；pr—地层静压，mpa。出砂临界生产压差分布计算结果示意图如图1所示。横坐标水平段位置具体是指从水平井跟端水平段起始位置算起的井深坐标，单位为m。
s3：根据地层静压和标定井底流压，以及水平段流动压降计算模型，计算水平段各点的实际井底流压，以及水平段各点的实际生产压差(地层静压减去井底流压)；标定井底流压即水平段根端位置的井底流压；水平段各点的实际井底流压的计算公式如式(ⅷ)所示，水平段各点的实际生产压差的计算公式如式(ⅸ)所示：
pwf(i)＝pwf0+δpw(i)(ⅷ)
δp(i)＝pr-pwf(i)(ⅸ)
式(ⅷ)、(ⅸ)中，pwf0—标定井底流压，mpa；δpw(i)—第i点的压力与根端压力之差，mpa；i是水平井水平段按照长度计算的任一分段，1≤i≤i；分段长度为1-3m，分段总数i等于水平井水平段总长度除以分段长度；根据井筒多相流模型计算得到；pwf(i)—第i点实际井底流压，mpa；pr—地层静压，mpa；δp(i)—第i点的实际生产压差，mpa。水平井水平段实际生产压差分布计算结果示意图如图2所示。
s4：定义出砂净压差为实际生产压差与出砂临界生产压差的差值，计算得到出砂净压差，进行无量纲化计算得到出砂强度指数；定义出砂净压差为实际生产压差与出砂临界生产压差的差值，计算得到出砂净压差，如式(ⅹ)所示：
δp(i)＝δp(i)-δpc(i),ifδp(i)≤0thenδp(i)＝0(ⅹ)
式(ⅹ)中，δpc(i)—第i点的出砂临界生产压差，mpa；δp(i)—第i点的出砂净压差，mpa；
计算得到出砂强度指数，计算公式如式(ⅺ)所示：
式(ⅺ)中，△pmax—全井段出砂净压差的最大值，δpmax＝max{p(i)}；△pmin—全井段出砂净压差的最小值，δpmin＝min{δp(i)},ifδpmin>0.25thenδpmin＝0.25；js(i)—第i点的出砂强度指数，无量纲。预测得到的水平井水平段出砂强度指数分布示意图如图3所示。
s5：绘制水平井相对出砂剖面图，划分出砂亏空程度等级，并实现不同等级出砂程度的分段；水平井相对出砂剖面图是指用来表达沿水平井井轴方向上出砂严重程度和亏空程度相对大小的剖面图。根据计算得到的出砂强度指数绘制，是出砂强度指数沿井深的分布曲线。包括：
以10m为最小计量井段长度间隔划分水平井水平段，当求取的某水平段的出砂强度指数不大于0.1时，将该水平段划分为不出砂井段；当求取的某水平段的出砂强度指数为0.1-0.35时，将该水平段划分为轻微出砂井段；当求取的某水平段的出砂强度指数为0.35-0.70时，将该水平段划分为中等出砂井段；当求取的某水平段的出砂强度指数为0.70-1.0时，将该水平段划分为严重出砂井段。预测得到的水平井相对出砂剖面及出砂亏空程度等级划分结果示意图如图4所示。
s6：根据出砂程度等级决定分段分级防砂的分段分级方案。包括：
对于步骤s5中划为的不出砂井段，如果不出砂井段的长度(是指出砂等级被判别为不出砂的井段的长度)大于20m，则设计为零级防砂井段；如果长度不大于20m，则防砂等级设置为与该井段相邻两侧井段中防砂等级较低的防砂等级；
对于步骤s5中划为的轻微出砂井段，如果轻微出砂井段的长度大于20m，则设计为一级防砂井段；如果长度不大于20m，则防砂等级设置为与该井段相邻两侧井段中的防砂等级较低的防砂等级；
对于步骤s5中划为的中等出砂井段，如果中等出砂井段的长度大于20m，则设计为二级防砂井段；如果长度不大于20m，则防砂等级设置为与该井段相邻两侧井段中的防砂等级较低的防砂等级；
对于步骤s5中划为的严重出砂井段，如果严重出砂井段的长度大于20m，则设计为三级防砂井段；如果长度不大于20m，则防砂等级设置为与该井段相邻两侧井段中的防砂等级较低的防砂等级。
零级防砂井段、一级防砂井段、二级防砂井段、三级防砂井段是指根据出砂井段的出砂程度和需要防砂的强度所划分的防砂等级，等级越高，表示越需要重点防砂；等级越低，表示防砂的要求越低。其中，零级防砂是指不需要防砂，具体实施时零级防砂井段不需要管柱或仅使用打孔管(在光油管上打孔孔密50-120孔/m，孔径8-10mm)；一级防砂是指筛管挡砂介质厚度不低于5-8mm或砾石层厚度不低于20mm；二级防砂是指筛管挡砂介质厚度不低于10-15mm或砾石层厚度不低于30mm；三级防砂是指筛管挡砂介质厚度不低于20-25mm或砾石层厚度不低于50mm。
水平井分级防砂多段多级划分结果示意图如图5所示。
本发明通过相对出砂剖面预测指导分段分级防砂，解决水平井笼统防砂的盲目性强、防砂效果差的问题，降低了防砂作业的成本，保证水平井长期稳定生产，提高经济效益。
实施例2
采用实施例1所述的一种水平井水平段相对出砂亏空剖面预测及防砂分段分级方法，该方法应用于大港油田某油藏水平井水平段，该水平井水平段长580m，含水85％，产液量约180t/d。利用实施例1的方法预测得到水平段的出砂临界压差、生产压差、出砂净压差分布示意图如图6所示。水平段的分级防砂多段多级划分结果示意图如图7所示。
根据评价结果，整个水平段的出砂和防砂分为8段，如图7所示，a段为轻微出砂井段，需要一级防砂；b、d、f、h段为中等出砂井段，需要二级防砂；c、e、g段为严重出砂井段，需要三级防砂。经测算，按照上述方案进行分段分级防砂，可节约防砂成本15-20万元，降低全井段表皮系数约0.23左右，对应提高产量15％以上。
实施例3
采用实施例1所述的一种水平井水平段相对出砂亏空剖面预测及防砂分段分级方法，该方法应用于胜利油田某稠油油藏水平井水平段，该水平井水平段穿过三个层位，水平段长分别为25m、35m和400m。
利用实施例1方法预测得到水平段的出砂剖面及分段防砂评价结果如图8所示。根据评价结果，第一层段a为中等出砂井段，需要二级防砂；第二层位b段为轻微出砂段，需要一级防砂；第三层位中c、e、g为中等出砂井段，需要二级防砂、d、f段为严重出砂井段，需要三级防砂。经测算，按照上述方案进行分段分级防砂，可节约防砂成本20-30万元，降低全井段表皮系数约0.28左右，对应提高产量18％以上。