中東地區碳酸鹽巖地層水平井完井方式優化

文敏，朱磊，王平雙，劉書杰，曹硯鋒，范志利　(中海油研究總院,北京 100028)

中東地區碳酸鹽巖地層水平井完井方式優化

文敏，朱磊，王平雙，劉書杰，曹硯鋒，范志利(中海油研究總院,北京 100028)

[摘要]國內外部分碳酸鹽巖油氣藏在后期開采和增產措施作業過程中，陸續出現井壁坍塌的狀況，嚴重影響產能和作業進度。以中東地區碳酸鹽巖地層為例，研究了儲層的各項物性參數，將理論研究與室內試驗相結合，優選出了針對碳酸鹽巖層的單軸抗壓強度計算模型。首次運用ANSYS有限元分析軟件，對不同生產壓差及不同酸化程度的裸眼井壁穩定性進行了模擬，研究表明水平井在開采過程中裸眼井壁失穩的可能性較大；實施酸化作業后，井眼擴大率明顯增大，發生崩落甚至垮塌的可能性進一步增大，推薦裸眼下入打孔管支撐井壁的完井方式。

[關鍵詞]碳酸鹽巖；單軸抗壓強度；井壁穩定性；酸化；生產壓差

碳酸鹽巖是指主要由沉積的碳酸鹽礦物組成的沉積巖。據統計，碳酸鹽巖占全國總面積的40%，分布廣泛，是目前國內富含油氣資源的主要地層。世界上與碳酸鹽巖有關的油氣藏儲量約占世界總儲量的50%，產量占世界總產量的60%[1]。中東地區白堊系碳酸鹽巖儲層Mishrif層，巖性變化小，南部為大套顆粒灰巖儲層，向北變為大套的泥質顆粒灰巖儲層，厚度在80m左右，儲層分布相對穩定。目前水平井裸眼完井方式開發在后期開采和增產措施作業過程中，陸續出現井壁坍塌的狀況，造成油氣井產能下降或停產，嚴重影響產量。

筆者應用ANSYS有限元分析軟件，從地質應力、生產制度和增產措施等方面，研究分析開采和增產過程中儲層段井壁穩定性，進而確定中東地區碳酸鹽巖地層采用裸眼下入打孔管的完井方式，為類似儲層的開發提供重要理論依據。

1碳酸鹽巖地層強度

儲層巖石力學及強度特性是井壁穩定分析的重要依據[2]。結合室內試驗和相應的測井數據，建立或選擇合適的巖石彈性和強度參數測井模型可真實反映地層特性[3]。

通過大量調研，對比多個常用碳酸鹽巖單軸強度的計算模型，如Militzer模型、Golubev模型、Rzhewski模型等[4～7]。考慮試驗測得灰巖巖心在0MPa圍壓條件下實測縱波波速4055.14m/s，相應的縱波時差為75.183μs/ft。分別代入碳酸鹽巖單軸強度計算模型，僅有Golubev模型計算抗壓強度(53.73MPa)與巖心實測單軸抗壓強度(52.00MPa)接近。因此選用該模型作為碳酸鹽巖層的單軸抗壓強度計算模型可靠。

以室內巖石力學試驗獲取的動靜態轉換關系及優選出的強度模型為基礎，結合測井數據計算該層單軸抗壓強度波動不大，主要集中在40～80MPa，地層初始強度較高。

2碳酸鹽巖地層井壁穩定性分析

中東地區碳酸鹽巖儲層在后期開采和增產措施作業過程中，部分井出現了井壁坍塌的狀況，分析主要原因為生產壓差變化以及酸處理對于巖石強度和井壁穩定性的影響。

2.1碳酸鹽巖井壁穩定性判定準則

圖1　井壁崩落寬度示意圖

圖2　碳酸鹽巖井壁穩定性分析物理模型示意圖

Zoback等[8]通過對數千口油井的研究表明，穩定的井眼并不是指沒有破壞的井眼，而是允許存在一個極限崩落寬度(≤90°)(圖1)，在該區域內，隨著井壁持續崩落，崩落區域逐漸加深，但崩落寬度不變，井壁依然保持穩定狀態。不同初始崩落寬度條件下的井壁崩落隨時間的變化規律如下：當初始崩落寬度較小時(<60°)，持續崩落時深度不斷加深，但寬度基本不變，井壁仍有一定的拱形支撐，井眼可以保持穩定狀態；然而當初始崩落寬度較大時(>120°)，后續的崩落會導致井壁失去拱形支撐，最終導致井壁失穩。筆者以井眼崩落寬度90°為準則，對Mishrif碳酸鹽巖層裸眼井壁穩定性進行分析。

2.2物理模型

針對酸化前與酸化后不同情況，建立2種不同彈塑性有限元分析模型[9,10]，其中水平井的分析模型如圖2所示。酸化后物理模型地層依次劃分為嚴重腐蝕區、輕微腐蝕區和原狀地層。模型選取邊長為12m的正方形，井眼位于模型中央，井眼半徑為0.105m，嚴重腐蝕區半徑為2m，輕微腐蝕區半徑為4m，考慮到井眼的對稱性，采用四分之一模型。根據巖體力學的觀點，距巖體硐室半徑6.5倍以外的地方幾乎不會發生應力重新分布的現象，所以上述模型基本上可以消除邊界效應對計算結果的影響。

2.3網格劃分及計算參數

模型采用4節點平面單元對幾何模型進行劃分，共獲得3381個節點和3200個單元。采用理想彈塑性本構方程，利用Drucker-Prager準則判斷巖石是否發生塑性屈服。計算參數見表1。

表1　計算參數

2.4分析結果

2.4.1生產制度對于井壁穩定的影響

分析不同生產壓差下水平井儲層段井壁穩定性。水平井開采生產壓差分別為0、1、3、5、8、10、12、15MPa下的井壁等效塑性應變云圖見圖3(井眼軸線沿最小地應力方向)。

圖3　不同生產壓差下的井壁等效塑性應變云圖

由圖3可得，在不同的生產壓差下，水平井地層均沿著最大平地應力方向發生屈服，屈服區域關于井眼對稱。不同生產壓差下的井眼擴大率及崩落寬度如表2所示。隨著生產壓差增大，井眼塑性屈服區范圍不斷擴大，生產壓差由0MPa增加到15MPa，相應的井眼最大塑性屈服區半徑由112.88mm增加到132.19mm，井壁失穩的風險顯著提高。

根據計算結果繪制了井眼極限擴大率、崩落寬度與生產壓差的關系曲線(圖4)，以崩落寬度90°為上限，可見任意生產壓差下，井眼崩落寬度均大于90°，水平井裸眼完井條件下井壁穩定性較差，極易發生崩落。

圖4　水平井井眼極限擴大率、崩落寬度與生產壓差的關系

生產壓差/MPa井眼最大塑性屈服區半徑/mm極限井眼擴大率/%崩落寬度/(°)0112.887.50126.01114.198.75144.03115.5010.00180.05119.1312.25180.08122.2317.25180.010124.8819.50180.012128.2722.75180.015132.1926.50180.0

2.4.2增產措施對于井壁穩定的影響

表3　不同酸化程度模擬參數

生產壓差分別為5MPa情況下，分析不同酸化程度下水平井儲層段井壁穩定性[11]，模擬參數見表3。不同酸化程度下井壁等效塑性應變云圖如圖5所示。隨著酸化程度的增大，地層塑性屈服區范圍不斷擴大，井眼崩落寬度均大于90°，3種條件下的井壁最大塑性屈服半徑及極限井眼擴大率見表4。隨著酸化程度增大，井眼塑性屈服區范圍不斷擴大，嚴重腐蝕區強度降低30%，井眼最大塑性屈服區半徑達到137.88mm，井壁失穩的風險顯著提高；隨著酸化程度的增加，井壁巖石強度降低明顯，井眼發生垮塌的機率進一步升高。

圖5　不同酸化程度下水平井井井壁等效塑性應變云圖

嚴重腐蝕區強度降低幅度/%輕微腐蝕區強度降低幅度/%井眼最大塑性屈服區半徑/mm極限井眼擴大率/%50121.3616.132010131.9826.303020137.8831.94

3碳酸鹽巖地層完井方式優化

Mishrif儲層主要為灰巖，水平井開發單一層位，儲層含極少量泥巖夾層，從儲量動用和控制程度角度，目前采用水平井裸眼完井方式。完井工藝與施工作業簡單，保護儲層效果好，最大程度地溝通與儲層的接觸面積，實現產能最大化，且易于后期修井。

灰巖儲層巖石強度較高，原始地層井壁穩定性較好，但隨著開采過程中壓差變化、后期酸化作業的影響，巖石強度降低明顯，井壁極易發生崩落，可能造成井眼垮塌。后續水平井開發推薦采用裸眼下入打孔管支撐井壁的完井方式。

中東地區Mishrif碳酸鹽巖儲層9口水平井采用裸眼下入打孔管支撐井壁的完井方式，且投產后成功實施酸化增產工藝，累計日增油達到3372m3，生產狀況良好。

4結論和建議

1)針對中東地區碳酸鹽巖儲層，將理論研究與室內試驗相結合，優選出了碳酸鹽巖層的單軸抗壓強度計算模型。

2)首次運用ANSYS有限元分析軟件，從地質應力、開采制度和增產措施等方面，對水平井儲層段井壁穩定性進行了模擬研究。

3)對中東地區碳酸鹽巖儲層進行模擬，水平井在開采過程中裸眼井壁失穩的可能性較大；實施酸化作業后，井眼擴大率明顯增大，發生崩落甚至垮塌的可能性進一步增大，推薦采用裸眼下入打孔管支撐井壁的完井方式。

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[編輯]帥群

[引著格式]文敏，朱磊，王平雙，等.中東地區碳酸鹽巖地層水平井完井方式優化[J].長江大學學報(自科版) ,2015,12(11):52～56.

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)11-0052-05

[中圖分類號]TE257

[作者簡介]文敏(1982-)，女，碩士，工程師，現主要從事鉆完井設計工作，wenmin@cnooc.com.cn。

[基金項目]國家科技重大專項(2011ZX05030-05)。

[收稿日期]2015-01-04