注采壓差對儲層井壁圍巖應力場動態演化研究★

許幸幸 于獻彬

(1.臨沂大學土木工程與建筑學院，山東 臨沂 276000； 2.臨沂市建筑結構鑒定與加固重點實驗室，山東 臨沂 276000)

1 概述

由于地應力場的影響因素眾多而且變化復雜，為攻克這一難題，就石油工程領域國內外學者進行了大量的研究工作。Shlumberger測井公司借助測井資料來對地層力學問題進行了解釋。從此開始了對石油工程領域中有關地應力問題的研究。20世紀80年代美國能源部通過改變應力的壓裂試驗，得到了地應力場會因為相鄰井裂縫的作用而發生變化，通過現場測試和室內試驗，一些科學家也得到了類似的結論[1，2]。Sneddon和Elliott從理論上推導出了在無限大的彈性體中，裂縫周圍的應力場計算公式[3]；Eibel和Mack研究了前次裂縫周圍孔隙壓力隨時間演化的影響并證明了長期生產能逐漸改變地應力場，使得應力能發生90度的反轉[4]。20世紀80年代以來，由于油氣田發展的需要，國內許多石油部門都相繼開展了地應力的測量及研究工作。2000年，董平川對油井進行了開采過程中的流固耦合模擬[5]；2001年，劉建軍利用流—固耦合計算程序對裂縫性低滲透油田開發過程中孔隙度、滲透率的變化情況[6]。2008年，周包依據勢的疊加原理，確定了重復壓裂裂縫周圍孔隙壓力大致分布[7]。2009年，修乃嶺根據現有的理論，推導出低滲透油藏注水過程激動邊界的擴展規律[8]。2018年，范白濤建立了彈塑性地層中壓裂裂縫擴展的數值計算模型,探索塑性變形對裂縫擴展特性的影響[9]。上述研究工作大都是基于中高滲透油藏并且沒有考慮地應場的動態演化規律，基于此有必要對低滲透油藏井壁圍巖流固耦合作用下應力場動態演化規律進行研究。

基于流固耦合理論，以ABAQUS大型有限元分析軟件為計算平臺，通過編寫用戶子程序來實現應力場和滲流場的完全耦合。模擬了開發過程中某油田井壁圍巖孔隙壓力及Z向位移隨注采壓差不斷變化的動態演化規律。

2 建立數值模型

基于流固耦合理論，借助ABAQUS有限元分析軟件，模擬開發過程中的某油田井壁圍巖應力場隨著注采比不斷變化的動態演化規律。

2.1 數值模型的建立

為了比較注水井和采油井井壁圍巖孔隙壓力和應力場的變化規律，數值模型采用一注一采即上部為一口注水井，下部為一口采油井，計算模型如圖1所示；模型選取地下1 500 m處的砂巖儲層，注水井和采油井的半徑均為0.15 m,注水井和采油井的井距為70.7 m；井壁圍巖體為彈塑性介質，服從Drucker-Prager準則。模型中力學參數如表1所示。

2.2 數值模型的前處理設置

1)網格劃分。圍巖體的應力分布由于受到井眼的影響，在井眼附近容易產生應力集中，故井眼附近對網格應該細化，遠處適當增大網格以滿足數值模擬計算速度和精度的要求；為了提高計算速度，根據對稱性原則，取1/4模型進行數值模擬；單元數8 000個，節點數為9 471個，采用六面體孔壓單元，網格劃分如圖1所示。

表1 模擬區域的力學參數

2)邊界條件及初始條件的設置。受非均勻地應力的作用:X方向地應力取25 MPa，Y方向地應力取23 MPa，Z方向受上覆蓋巖層壓力，大小為30 MPa；Z向底部約束x,y,z向位移；假設初始孔隙壓力為6 MPa，如圖2所示。

3)分析步的設置。第一步為地應力場的平衡；第二步為注水井和采油井進行注水和生產的數值模擬，模擬時間取為10年，假設模擬過程中注水和采油持續進行。

4)分析工況的設置。固定其他注采參數，給注水井和采油井分別施加井底流壓邊界，保持采油井井底壓力不變，改變注水井井底壓力。研究工況如表2所示。

表2 研究工況 MPa

2.3 數值模擬及結果分析

2.3.1 孔隙壓力及Z向位移隨注采壓差的變化規律

為了分析孔隙壓力及Z向位移隨注采壓差的變化規律，給出井壁圍巖孔隙壓力及Z向位移在不同工況的云圖，如圖3～圖8所示。

由圖3～圖8可知，當采油井井底壓力保持不變時，隨著注采壓差由5 MPa增加到35 MPa，井壁圍巖孔隙壓力由10 MPa增加到40 MPa；Z向正位移由0.053 6 mm增加到4.82 mm。

2.3.2 不同位置孔隙壓力隨時間的變化規律

為了研究井壁圍巖不同位置孔隙壓力隨時間的變化規律，分別給出注采壓差為5 MPa,15 MPa及25 MPa點N(1 206),N(153)及N(2 261)孔隙壓力隨時間的變化曲線，如圖9,圖10所示。

圖9，圖10表明，井壁圍巖的每一個位置，孔隙壓力均隨著時間的增大呈現先升高后趨向不變。同時，在文中所取的計算工況下，對比圖9，圖10可以看出，隨著注采壓差的增大，孔隙壓力呈現增大的趨勢。

2.3.3 井壁圍巖不同位置Z向位移隨時間的變化規律

為了研究井壁圍巖不同位置Z向位移隨時間的變化規律，分別給出注采壓差為5 MPa，15 MPa及25 MPa點N(1 206)，N(153)及N(2 261)Z向位移隨時間的變化曲線，如圖11，圖12所示。

圖11，圖12表明，井壁圍巖的每一個位置，Z向正位移均隨著時間的增大呈現先升高后趨向不變。同時，在文中所取的計算工況下，對比圖11，圖12可以看出，注采壓差越大，Z向正位移越大。

3 結語

首先完成了ABAQUS用戶子程序的編寫，然后將編寫的用戶子程序導入到ABAQUS有限元計算軟件中，對一注一采的井壁圍巖應力場在注采壓差不斷變化下的演化規律進行了研究，從模擬結果可以看出：當采油井井底壓力保持不變時，對整個研究區域來說，隨著注采壓差的增大區塊巖體的孔隙壓力逐漸增大，沿Z向的正位移逐漸增大；當采油井井底壓力保持不變時，在同一注采壓差下，孔隙壓力及Z向正位移均隨著時間的增加呈現先增大后趨于不變。

研究結果對為達到最優開采目的提供了理論依據，也為后期開發調整及套損預測提供可靠的理論依據。