龚 浩，张华礼，唐 庚，李玉飞，张 林，陆林峰

(中国石油西南油气田公司 工程技术研究院，四川 德阳 618000)

金华—中台山区块位于川中古隆中斜平缓构造带东北部与川北古中拗陷低缓构造带西南部交汇区，有利面积达1 460 km2，资源量1 900×108m3，以中-细粒长石砂岩为主，次为岩屑长石砂岩，孔隙度8%～12%，渗透率0.01～1.00 mD，厚度约为1 200～1 600 m，气层特征明显，勘探开发潜力大。

目前，金华—中台山区块形成的致密气藏完井技术主要是针对须家河组气藏，完井方式主要包括裸眼完井及射孔完井，完井工艺包括裸眼封隔器+滑套分段完井、射孔加砂联作工艺、射孔后不动管柱分段加砂工艺、射孔+桥塞分段压裂完井工艺。其中所用的裸眼完井、裸眼封隔器+滑套分段完井属于裸眼系列的完井方法；所使用的射孔完井、射孔加砂联作工艺、射孔后不动管柱分段加砂工艺、射孔+桥塞分段压裂完井工艺完井方法属于射孔系列的完井方法。无论是裸眼系列完井方法还是射孔系列完井方法都需要满足相应的地质条件和工艺技术要求[1-10]。例如，裸眼系列完井要求岩性坚硬致密，井壁稳定不坍塌，对砂岩地层还要求不出砂；射孔系列完井方法同样对砂岩地层也要求不出砂。因此，不能简单的将应用于金华—中台山区块的须家河组完井工艺直接应用于该区块沙溪庙组，须家河组完井方式在沙溪庙组的适应性有待进一步的分析与论证。该研究根据储层岩石力学参数测试结果，利用气井生产过程中井壁稳定及出砂预测方法，判断金华—中台山区块沙溪庙组气井生产过程中井壁是否稳定；考虑气藏出水及气藏压力衰减影响，预测气井生产过程中是否出砂，为工区沙溪庙组气井完井方法优选提供依据。

1 水化对原岩弱化效应测试

1.1 水化对原岩抗张强度影响测试

利用工区沙溪庙组储层岩心，在岩样制备的基础上，将试样分为3组，每组2块岩心，首先将所有岩心在烘箱中完全干燥。第1组岩心(记为1-1-1，1-1-2)完全干燥后不进行地层水浸泡；将第2组岩心放入已经配置好的地层水中进行浸泡，浸泡2天后取出(记为1-1-3，1-1-4)；将第3组岩心放入已经配置好的地层水中进行浸泡，浸泡4天后取出(记为1-1-5，1-1-6)。按照岩石物理力学性质试验规程第21部分:岩石抗拉强度试验标准(DZ/T0276.21—2015)，将3组岩心利用巴西劈裂法[11-13]进行水化前后抗张强度测试，测试结果见表1。

表1 水化对原岩抗张强度影响测试

从表1可知，沙溪庙组储层岩心试样的抗张强度为3.8～5.2 MPa，平均为4.4 MPa。沙溪庙组未经地层水浸泡的储层岩心(原岩)平均抗张强度为4.9 MPa；经地层水浸泡2天的岩心平均抗张强度为4.35 MPa，抗张强度较原岩下降11.2%；经地层水浸泡4天的岩心平均抗张强度为3.9 MPa，抗张强度较原岩下降20.4%。

1.2 水化对原岩三轴抗压强度影响测试

同样，利用工区沙溪庙组储层岩心，在岩样制备的基础上，将试样分为3组，每组2块岩心，第1组岩心为干燥状态(记为1-2-1，1-2-2)；将第2组岩心(记为1-2-3，1-2-4)放入已经配置好的地层水中进行浸泡，浸泡2天后取出；将第3组岩心(记为1-2-5，1-2-6)放入已经配置好的地层水中进行浸泡，浸泡4天后取出。按照岩石物理力学性质试验规程第20部分:岩石三轴抗压强度试验标准(DZ/T 0276.21—2015)[14]，利用MTS815岩石力学分析系统(如图1所示)，对3组岩心进行三轴抗压强度测试，测试结果见表2。

图1 MTS815岩石力学分析系统

表2 水化对原岩三轴抗压强度弱化效应实验

从表2可知，在测试围压35 MPa、测试温度70 ℃条件下，沙溪庙组储层岩心试样的三轴抗压强度为200.7～332.0 MPa，平均值278.3 MPa。未经地层水浸泡的储层岩心(原岩)平均三轴抗压强度为328.5 MPa；而经地层水浸泡2天的岩心平均三轴抗压强度则为265.8 MPa，较原岩下降19.1%；经过地层水浸泡4天后的岩心平均三轴抗压强度为240.6 MPa，较原岩下降26.8%。

水化对原岩抗张强度影响测试结果表明，水化对原岩抗张强度、三轴抗压强度均有一定的弱化效应，在选择完井方法时应考虑气井生产后期可能出水引起的井壁失稳、出砂等问题。

2 气井生产过程中井壁稳定性判断

生产过程中井壁稳定判断的目的是为了判断是否需要采用支撑井壁的完井方式。根据沙溪庙组气藏基础资料及水化对原岩弱化效应测试成果，分别利用Mohr-Coulumb和Von.Mises剪切破坏理论[15-21]计算不同井斜角气井下井壁岩石最大剪切应力、岩石剪切强度，判断沙溪庙组气井生产过程中井眼力学稳定性。Mohr-Coulumb剪切破坏理论计算表明，当井斜角为0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°时，井壁岩石最大剪切应力分别为43.65 MPa，43.52 MPa，43.17 MPa，42.69 MPa，42.21 MPa，41.86 MPa和41.74 MPa；井壁岩石剪切强度分别为72.82 MPa，72.70 MPa，72.37 MPa，71.92 MPa，71.47 MPa，71.14 MPa和71.02 MPa；即不同井斜角气井井壁岩石最大剪切应力均小于相应井斜角下的井壁岩石剪切强度。图2所示为Mohr-Coulumb准则不同井斜角下井壁岩石最大剪切应力、岩石剪切强度对比情况。

图2 Mohr-Coulumb准则不同井斜角下井壁岩石最大剪切应力、岩石剪切强度对比图

同样，Von. Mises剪切破坏理论计算表明，当井斜角分别为0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°时，井壁岩石最大剪切应力均方根分别为43.88 MPa，43.76 MPa，43.46 MPa，43.04 MPa，42.63 MPa，42.34 MPa和42.23 MPa；井壁岩石剪切强度均方根分别为47.61 MPa，47.48 MPa，47.13 MPa，46.65 MPa，46.16 MPa，45.81 MPa和45.68 MPa；即不同井斜角气井井壁岩石最大剪切应力均方根均小于相应井斜角下的井壁岩石剪切强度均方根。图3所示为Von. Mises准则不同井斜角下井壁岩石最大剪切应力均方根、岩石剪切强度均方根对比情况。

图3 Von. Mises准则不同井斜角下井壁岩石最大剪切应力均方根、岩石剪切强度均方根对比图

因此，根据Mohr-Coulumb和Von. Mises剪切破坏理论可以判断，工区沙溪庙组不同井斜角气井生产过程中井壁稳定。

3 气井生产过程中出砂预测

生产过程中地层出砂预测的目的是为了判断是否需要采用防砂型完井方式。按岩石力学观点，地层出砂是由于井壁岩石结构被破坏所引起的。其判断方法主要有现场观测法、经验法及力学计算方法等。该研究主要采用力学计算法，考虑生产过程中气井出水、地层压力衰减影响，对沙溪庙组气井生产过程中出砂与否进行预测。

3.1 考虑出水后生产过程中地层出砂预测

根据文献[22]的研究成果，对沙溪庙组不同井斜气井在不同生产压差下井壁岩石的最大切向应力进行计算，岩石泊松比取0.188，上覆岩石密度取0.252 kg/m3，储层中部深度为2 250 m，原始地层压力为24.76 MPa，计算结果见图4。从图4可见，沙溪庙组不同井斜气井在不同生产压差下井壁岩石最大切向应力均小于考虑水化后的地层岩石抗压强度138.7 MPa(沙溪庙组测试岩心平均三轴抗压强度为277.42 MPa，预计地层岩石水化后强度最多降低50%，则考虑水化后地层岩石三轴抗压强度为138.71 MPa)，因此判断沙溪庙组不同井斜气井在不同生产压差下生产不出砂(地层骨架砂)。

图4 不同生产压差条件下井壁岩石的最大切向应力变化规律

根据文献[22]的研究成果，对沙溪庙组不同井斜气井在最大生产压差下井壁岩石最大切向应力进行计算，公式中参数与不同井斜气井在不同生产压差下井壁岩石的最大切向应力计算相同,计算结果见图5。从图5可见，沙溪庙组不同井斜气井在最大生产压差下井壁岩石最大切向应力也均小于考虑水化后的地层岩石抗压强度138.7 MPa(原始三轴抗压强度的50%)，因此，判断沙溪庙组不同井斜气井即使在最大生产压差下生产也不出砂(地层骨架砂)。

图5 最大生产压差条件下井壁岩石最大切向应力变化规律

3.2 考虑出水、地层压力衰减时生产过程中地层出砂判断

考虑水化之后地层岩石三轴抗压强度为138.71 MPa(原始三轴抗压强度50%)，原始地层压力为24.76 MPa，利用文献[16]的研究成果计算地层压力衰减(模拟地层压力衰减为原始地层压力的90%，80%，70%，60%，50%，40%，30%和20%)条件下，气井以最大生产压差生产时，井壁岩石所受最大切向应力变化规律见表3，其变化曲线如图6所示。

表3 地层压力衰减条件下井壁岩石最大切向应力变化规律

图6 地层压力衰减条件下井壁岩石最大切向应力变化曲线

由表3和图6可知，当沙溪庙组气井井斜角大于45°后，气井井壁岩石最大切向应力变化随着地层压力衰减而增加，当井斜角为60°时，地层压力衰减到9.90 MPa(原始地层压力40%)时井壁岩石最大切向应力为139.86 MPa，大于考虑水化后地层岩石三轴抗压强度138.71 MPa(原始三轴抗压强度50%)，预测地层出砂；当井斜角为75°时，地层压力衰减到19.80 MPa(原始地层压力80%)时井壁岩石最大切向应力为139.54 MPa，大于考虑水化后地层岩石三轴抗压强度138.71 MPa(原始三轴抗压强度50%)，预测地层出砂；当井斜角为90°时，地层压力衰减到17.30 MPa(原始地层压力70%)时井壁岩石最大切向应力为140.57 MPa，大于考虑水化后地层岩石三轴抗压强度138.71 MPa(原始三轴抗压强度50%)，预测地层出砂。

以上关于出砂的分析是在假设气井出水导致岩石抗压强度下降到原始强度的50%时(极端情况)，同时在地层压力衰减后才可能发生，如果假设气井出水后岩石抗压强度下降到原始强度的55%，即水化后地层岩石三轴抗压强度为152.6 MPa，不同井斜气井在地层压力衰减后即使以最大生产压差生产也不出砂。因此，沙溪庙组气井生产过程中不易出砂。

根据上述井壁稳定分析及出砂预测结果，预测沙溪庙组气井生产过程中不易出砂，可以选择非防砂型完井方式完井。

目前,工区沙溪庙组已经累计完钻15口井，其中完钻直井2口，斜井1口，水平井12口，水平段长536～1 500 m，均采用套管射孔完井，电缆射孔+桥塞分段完井工艺，测试过程中均未出地层砂，说明沙溪庙组气井在原始地层压力条件下，未出地层水时不出砂。

4 结论

1)沙溪庙组储层岩心水化对原岩弱化效应测试表明，水化对原岩的抗张强度、三轴抗压强度有一定的弱化效应，储层岩心经地层水浸泡2天后，抗张强度下降11.2%、三轴抗压强度下降19.1%；储层岩心经地层水浸泡4天后，抗张强度下降20.4%、三轴抗压强度下降26.8%。随着水化时间增加，沙溪庙组储层岩心抗张强度、三轴抗压强度逐渐降低。

2)根据Mohr-Coulumb和Von. Mises剪切破坏理论，工区沙溪庙组不同井斜角气井井壁岩石所受最大剪切应力(平均42.69 MPa)均小于井壁岩石剪切强度(平均71.92 MPa)；工区沙溪庙组不同井斜角气井井壁岩石所受最大剪切应力均方根(平均43.05 MPa)均小于井壁岩石剪切强度均方根(平均46.64 MPa)；沙溪庙组不同井斜角气井生产过程中井壁稳定，可以采用不支撑井壁的完井方式。

3)力学计算法出砂预测表明，沙溪庙组不同井斜气井在不同生产压差条件下，井壁岩石最大切向应力均小于考虑水化后的地层岩石抗压强度138.7 MPa；如果假设气井出水后岩石抗压强度下降到原始强度的55%(即考虑水化后地层岩石三轴抗压强度152.6 MPa)，不同井斜角气井在地层压力衰减条件下井壁岩石最大切向应力均小于地层岩石抗压强度；因此，工区不同井斜角气井在地层压力衰减后即使以最大生产压差生产也不易出砂。