殷堯，劉益良，姜畔，朱慶杰

(河北聯(lián)合大學(xué)河北省地震工程研究中心，河北唐山 063009)

0 引 言

在石油工程中，為了提高原油的采收率，往往采用向儲(chǔ)油層注入一種流體(氣體或液體)以驅(qū)動(dòng)原油外流，從油藏中采出比一次采油法更多的石油。注水是一種應(yīng)用最為廣泛的提高原油采收率的方法。在我國(guó)大部分油田采用早期注水開(kāi)發(fā)［1］，經(jīng)過(guò)多年實(shí)踐，在多油層、小斷塊、低滲透和稠油油藏進(jìn)行注水開(kāi)發(fā)方面逐步形成了適合油藏特點(diǎn)的配套技術(shù)。但隨著油田開(kāi)發(fā)時(shí)間的增長(zhǎng)，特別是在高壓注水采油的情況下，油水井套管損壞現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，特別是近些年來(lái)，注水井的套損破壞已經(jīng)遠(yuǎn)超油井［2］。油水井的大量套損不僅嚴(yán)重影響到石油的正常生產(chǎn)，同時(shí)也帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，研究注水采油套損機(jī)理，防止套損破壞是石油開(kāi)采中亟待解決的問(wèn)題。

套管損壞與生產(chǎn)因素是密不可分的，如大慶杏北地區(qū)套管損壞速度明顯與注水壓力有關(guān)。杏北地區(qū)超壓注水井占投注井?dāng)?shù)比例80.7%，超壓注水井的套損率為37.8%;合理壓力注水井占投注井?dāng)?shù)比例19.3%，合理壓力注水井套損率為12.0%。同時(shí)也與油層本身的性質(zhì)有一定的關(guān)系，比如說(shuō)孔隙度、滲透系數(shù)等。

1 流固耦合問(wèn)題

流固耦合問(wèn)題［3］的本質(zhì)是流體和固體之間相互作用、相互影響所產(chǎn)生的直接或間接的關(guān)系。流固耦合問(wèn)題是流、固兩場(chǎng)同時(shí)存在時(shí)的基本問(wèn)題。自然界有許多由流體和固體組成的多相系統(tǒng)，而由液相、氣相與巖層固相組成的多孔介質(zhì)系統(tǒng)就是其中的一部分。流固耦合現(xiàn)象廣泛存在于很多工程問(wèn)題中，如、水庫(kù)誘發(fā)地震、地面沉降堤壩穩(wěn)定性、煤層瓦斯?jié)B流等。同時(shí)流固耦合也廣泛存在于石油工業(yè)中，比如注采過(guò)程中的油藏滲流、井壁穩(wěn)定、油井和套管的損壞、水力壓裂、產(chǎn)層出砂、地層失穩(wěn)坍塌等，這些都是流固耦合應(yīng)用的領(lǐng)域。流固耦合問(wèn)題的基本關(guān)系如圖1所示:

圖1 流固耦合關(guān)系圖

這里a表示滲流對(duì)巖體應(yīng)力的改變，例如孔隙度;a＇表示巖層變形對(duì)滲流的影響，例如滲透系數(shù)，滲流速度等。

流固耦合問(wèn)題的研究以下面的理論模型為基礎(chǔ):

油田注采開(kāi)發(fā)過(guò)程是一個(gè)油藏滲流場(chǎng)與巖土體應(yīng)力場(chǎng)的耦合變化過(guò)程，注入水在油藏流動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，與巖體相互作用會(huì)引起巖石骨架應(yīng)力變化，一方面導(dǎo)致油藏巖石物性參數(shù)的變化，另一方面導(dǎo)致地應(yīng)力場(chǎng)重新分布并在套管附近形成應(yīng)力集中，同時(shí)，這些變化反過(guò)來(lái)又影響孔隙流體的滲流和孔隙壓力分布，這一流固耦合過(guò)程是引起套管損壞的重要因素［4-5］。所以，從某種意義上來(lái)說(shuō)，套損問(wèn)題是結(jié)構(gòu)物與具有孔隙流體的巖體相互作用、相互耦合的問(wèn)題。不同的原因?qū)е绿讚p現(xiàn)象不同的表現(xiàn)形態(tài)。由于受力狀況的不同，油水井套管的變形和損壞表現(xiàn)為不同的類型。

本文以Biot固結(jié)理論為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮介質(zhì)滲透性能隨應(yīng)力的變化關(guān)系，利用有限元分析軟件ADINA建立注水井注采過(guò)程中流體滲流場(chǎng)與固體介質(zhì)彈塑性變形場(chǎng)的非線性耦合的有限元模型，采用全耦合的有限元法求解，并分析了油層不同滲透系數(shù)對(duì)注水井井壁位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的影響。

2 高壓注水下套管破壞機(jī)理

高壓注水引起套管變形:油層注水后，油層孔隙壓力普遍提高，特別是高壓注水以后，出現(xiàn)了一系列新的問(wèn)題，如巖體移動(dòng)等造成了套管的損壞，直接影響了油田的正常生產(chǎn)。注水使地應(yīng)力集中于井壁上，引起套管變形，此種情況變形一般呈橢圓形。注水壓力減小了巖石的抗剪切強(qiáng)度，增加了注采壓差，使巖石受剪切而破裂。破裂地層在注采壓差推動(dòng)下，從注水井向采油井方向滑動(dòng)，處于滑動(dòng)地層中的套管被推擠變形，這類變形一般為彎曲變形。注水壓力減小巖石的摩擦角，使傾斜的地層易滑動(dòng)，致使套管發(fā)生變形。注水使泥巖體積膨脹，產(chǎn)生體積力。該力會(huì)通過(guò)孔眼釋放，在非射孔段，圍巖很難壓縮，泥巖吸水膨脹，體積力的釋放可能將套管擠壓變形，多表現(xiàn)為縮徑變形。

3 注水油田水井套損算例及結(jié)果分析

3.1 模型假設(shè)及流固耦合有限元模型

假設(shè)為:

(1)耦合系統(tǒng)是由一個(gè)固相(巖石)和多相流體(油、水)組成。

(2)巖石為多孔介質(zhì)，巖石骨架具有彈塑性。

(3)完全充滿巖石孔隙空間。

(4)多相流體在巖石孔隙空間中的流動(dòng)服從Darcy定律。

(5)忽略流體的剪切應(yīng)力。

(6)考慮毛管力的影響。

圖2 幾何結(jié)構(gòu)模型

首先建立有限元幾何結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示，建立的是一個(gè)含有多種巖性的地層模型，模擬石油工程高壓注水采油過(guò)程，幾何模型為10 m×10 m×12 m的長(zhǎng)方體，用ADINA-M方法，即parasolide法，通過(guò)定義切片將地層分成三層，頂層為泥巖上覆層，厚4.5 m，中間層為儲(chǔ)油層，厚3 m，為多孔介質(zhì)屬性，儲(chǔ)油層中間2m厚度為注水區(qū)域，底層為泥巖層，厚4.5 m。采用布爾操作定義出注水井的位置(模型中心位置)，井眼半徑為0.15 m，模型中各區(qū)域材料參數(shù)如表1所示。

表1 各區(qū)域材料參數(shù)

對(duì)模型底面3個(gè)方向的位移約束、四周水平位移約束;在砂巖層中間段井被射開(kāi)2 m的高度，作為注水邊界，同時(shí)也將其定義為流固耦合邊界。地層初始孔隙壓力為10 MPa。給定注水25 MPa的高壓注水條件，模擬分析儲(chǔ)油層不同滲透系數(shù)(分別給定滲透系數(shù)為8e-2和4e-6)情況下地層的變形情況和套管所受的軸向應(yīng)力分布情況。

為了使流體模型與結(jié)構(gòu)模型的幾何模型能夠保持一致，在ADINA中點(diǎn)擊Meshing按鈕，選擇“Copy F.E.Model…”選項(xiàng)，選擇“Copy F.E.Model from ADINA Strcutures to ADINA CFD Model”，如此便將整個(gè)結(jié)構(gòu)模型復(fù)制到了流體模型里，即可得到流體模型。網(wǎng)格劃分，生成單元與節(jié)點(diǎn)，剖分之后的流體模型如圖3所示:

圖3 模型單元剖分圖

運(yùn)用ADINA中的FSI求解器把結(jié)構(gòu)模型與流體模型生成的兩個(gè).dat文件進(jìn)行流固耦合求解，計(jì)算結(jié)束后進(jìn)入后處理模塊，打開(kāi)結(jié)構(gòu)模型結(jié)果文件并讀取結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。計(jì)算結(jié)果變形應(yīng)力云圖如圖4所示，從圖中可以明顯看出中間層發(fā)生了地層的變形。

圖4 地層變形應(yīng)力云圖

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)ADINA軟件計(jì)算結(jié)果在不同儲(chǔ)油層的滲透系數(shù)下，中間儲(chǔ)油層的受力和變形情況主要通過(guò)儲(chǔ)油層最大位移、流體流速、有效應(yīng)力和孔隙水壓力的變化來(lái)分析。因此下面截取中間儲(chǔ)油層段進(jìn)行具體分析，如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)油層變形應(yīng)力圖

在25 MPa的高壓注水條件下，不同滲透系數(shù)的中間位置儲(chǔ)油層的最大位移、流體流速變化如圖6、7所示，當(dāng)滲透系數(shù)為8e-2 m/s時(shí)，地層最大位移約為10.5 mm;當(dāng)滲透系數(shù)為4e-6 m/s時(shí)，地層最大位移約為8.5 mm。地層滲透系數(shù)越大，多孔介質(zhì)屬性油層越容易膨脹變形，隨著注水時(shí)間的增加，位移逐漸增大，最后趨于平緩。以滲透系數(shù)為8e-2 m/s時(shí)為例，開(kāi)始注水時(shí)段內(nèi)流體流速上升到一個(gè)最高值4 mm/s，然后逐漸趨向于1 m/s，隨著注水時(shí)間的推進(jìn)最后趨向于零，當(dāng)滲流系數(shù)減小至4e-6 m/s時(shí)，流速整體有相對(duì)略微減小的趨勢(shì)。

圖8是儲(chǔ)油層段孔隙壓力隨時(shí)間變化的曲線圖。隨著注水開(kāi)發(fā)時(shí)間的增加，儲(chǔ)層節(jié)點(diǎn)孔隙壓力也隨之逐漸增加，最終兩者均平穩(wěn)與26.3 MPa。同樣在25 MPa的高壓注水下，圖9反應(yīng)的是儲(chǔ)油層節(jié)點(diǎn)有效應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖9可以看出，隨著注水開(kāi)發(fā)時(shí)間的增加，儲(chǔ)層節(jié)點(diǎn)有效壓力也隨之逐漸增加，最終兩者均趨于47.2 MPa時(shí)平穩(wěn)，隨著滲透系數(shù)的大幅度減小，滲透系數(shù)為4e-6 m/s時(shí)的有效應(yīng)力比在8e-2 m/s時(shí)的要略微有所增大。綜上，通過(guò)圖8、9的各自對(duì)比分析，滲透系數(shù)的改變對(duì)儲(chǔ)油層節(jié)點(diǎn)有效應(yīng)力影響不大，而對(duì)于孔隙壓力的改變則更不明顯，但高壓注水對(duì)兩者的影響是不容忽視的。

4 結(jié)論

本文在分析高壓注水開(kāi)發(fā)油田時(shí)水井套管破損機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用大型有限元軟件ADINA對(duì)高壓注水條件下復(fù)雜地層的受力性能進(jìn)行了流固耦合模擬，對(duì)比分析了儲(chǔ)油層不同滲透系數(shù)情況下，儲(chǔ)層膨脹變形的最大位移、流體流速、孔隙壓力和有效應(yīng)力的變化情況，進(jìn)而得出以下結(jié)論及建議:

(1)高壓注水開(kāi)采會(huì)使儲(chǔ)油層孔隙壓力會(huì)不斷增大，地層不斷膨脹變形，地層在水平方向產(chǎn)生擠壓變形，在豎向方向出現(xiàn)明顯的張拉，整個(gè)地層會(huì)發(fā)生向上隆起的變形，而地層的這種變形導(dǎo)致了置于其中的油水井套管出現(xiàn)了不同形態(tài)的套管損壞，因此準(zhǔn)確的研究注水地層的變形情況，是研究和預(yù)防套損問(wèn)題的關(guān)鍵。

(2)在高壓注水條件下，滲透系數(shù)越大的儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，越容易發(fā)生地層的變形，因此，針對(duì)不同性質(zhì)的儲(chǔ)油層結(jié)構(gòu)體系，要采取不同的注水壓差，合理控制注采壓力，進(jìn)而預(yù)防和減少油水井的套管破壞。

［1］李文華.采油工程［M］.北京:中國(guó)石化出版社，2004:157.

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