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2015SIMULIA中国区用户年会，北海，2015年10月
采油过程中产砂趋势预测及采油最佳压力降选择的3维
Abaqus数值分析
沈新普，沈国阳，WilliamStandifird
Halliburton,Houston,TXUSA
摘要：本文简要介绍了石油生产过程中产砂分析及最佳采油压力降选择的数值计算原理、流程、及
应用实例。针对基于塑性的产砂分析模型，分析了相关的建模过程中遇到的问题，提出了相应的解
决措施。对有关的塑性力学概念和力学量进行了简要阐述和使用分析。
关键词：产砂，油层，塑性，渗流，完井
1.引言：
一般地说，采油过程中产砂是由于地层的地应力大、而岩石强度小。如果岩石强度足够强，或
者地应力足够小，那么不会有产砂的问题。地应力大而岩石强度小的时候，地层的力学行为特征之
一就是岩石的塑性变形，而且很多的室内试验及工程经验都证明了采油过程中产砂和岩石塑性变形有密切关系[1,2,3]。在过去的25年里，对基于塑性力学理论框架的采油过程中产砂预测方法的研究
及其应用有很多。文献[4]介绍了使用耦合的储层岩石力学模型对产砂的起始与等效塑性应变的关系
进行研究的成果。文献[5]报道了采用一系列的渗流-材料参数的函数建立的解析模型进行产砂预测
解析求解的成果。文献[6]使用霍克-布朗屈服准则而不是摩尔-库仑准则进行解析计算产砂问题的成
果。文献[7]介绍的‘等效塑性应变’和‘米泽思应力’是塑性力学分析的两个经典概念，本文的产
砂分析将会用到。本文的方法是基于塑性的采油过程中产砂分析方法。
数值分析中采用的理论体系属于‘孔隙弹塑性固结分析’的范畴。这个固结分析主要关注井孔
周围（裸眼完井）和射孔周围（套管完井）的渗流和变形行为。近年来有若干相关研究。文献
[8][9][10][11]报道了采用数值计算手段对产砂及相关的不完全固结地层侵蚀的研究及应用实例。文
献[12]报道了他们做的2维数值计算，他们分析了裸眼完井和套管完井两种情况下的产砂及侵蚀情
况。文献[13]报道了采用解析和数值两种手段、对裸眼及套管两种完井方式下的产砂进行分析的结
果。文献[14]报道了采用文献[13]介绍的3维数值方法进行产砂分析的应用实例。
本文的目标是简要介绍采油过程中产砂分析及最佳压力降选择的数值计算原理、流程。这个最
佳采油、压力降是‘能够保证生产过程中不出现明显产砂现象的最大压力降’的数值。此外，数值
分析结果还将给出在指定的压力降数值下生产过程中产砂的严重程度（按照交通红绿灯的形式，分
为绿、黄、红三种），给之后的完井设计提供理论指导和参考依据。
2.计算原理：
本课题采用的方法是‘基于塑性分析的3维数值方法’，也就是在产砂趋势预测时，首先先进
行孔隙弹塑性有限元分析，根据模型的塑性变形的数值结果的特性，得出结论：产砂程度轻微、或
者中等、或者严重。之后，在此基础上，选择最合适的压力降、以及相应的完井设计。
这里所说的‘塑性变形的数值结果的特性’，包括两个方面：一个是数值结果中塑性变形的最
大值：这个塑性变形越大，产砂趋势越严重；若没有塑性变形，则完全没有产砂风险。另一个是塑
2015SIMULIA中国区用户年会，北海，2015年10月
性变形沿井壁或者射孔的内表面的分布：如果塑性区在井壁周围/射孔表面形成闭合环，则认为产
砂趋势严重，否则即认为不严重。
下面的分析中，采用了石油工程中关于应力正负号的惯例，即压应力为正。所谓最小水平地应
力是指最小水平压应力。
当数值结果中，压力降引起的塑性变形的最大值达到或者超过一个临界值（叫做临界塑性应变
值CriticalPlasticStrainCPS）的时候，这个压力降就是‘没有明显产砂风险的最大需用压力降’,也
叫临界压力降CriticalDrawdownPressureCDP。超过这个CDP值的压力降将会在生产过程中有明显
的产砂现象。
3.数值计算流程：
根据上述原理，产砂趋势预测及最佳压力降选择的3维岩石力学Abaqus数值分析的数值流程
如下：
1）进行测井数据分析，得出地层各处的岩石力学材料特性参数。需要的测井数据包括：Gama
射线，电阻率，声波包括压缩波和剪切波，密度测井，等。得出的岩石力学材料特性参数
将包括弹性模量、泊松比、剪切强度、内摩擦角。这个过程包括数据整理、准备等。
2）初始地应力预测。将在内容1）的基础上、并结合影像测井数据及钻井报告进行。这个过
程得出的结果为初始地应力三个分量的大小及方向。
3）建立油田区块有限元3维模型。建立的网格模型包括断层、向斜、背斜等地质结构。
4）建立井眼尺度的有限元3维子模型。建立的子模型将包括实际过程的细节，具体模拟钻井
过程。对
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