海上低滲透儲層長期注水對地層的影響研究

2019-11-08 07:41:54徐康泰

溫州職業技術學院學報 2019年3期

徐康泰

（1.承德石油高等專科學校教務處，河北承德 067000；2.河北省儀器儀表產業技術研究院，河北承德 067000）

0 引言

注水技術已廣泛運用于油氣藏生產開發中[1-3]，通過外部注水能夠使地層壓力保持在一定范圍內，使地層孔隙中的原油持續流向井底，增大地層孔隙壓力，從而達到穩產增產效果。然而，海上低滲透儲層由于受注入水水質、地層膠結程度較弱導致的出砂、注入水與地層和地層水的配伍等因素[4]影響，長期注水井將導致井筒附件應力集中，從而致使儲層巖石發生損傷，產生變形，改變地層的滲流特性[5-6]，使得注水效果變差。最終，長期注水使得儲層巖石內部的裂隙進一步擴展，近井筒附近儲層出砂等現象[7-8]發生。本文考慮多相耦合效應，建立長期注水的地層流體—應力—損傷耦合數學[9-10]模型，利用有限元軟件ABAQUS完成耦合模型的實現，模擬研究長期注水對地層孔隙壓力和損傷程度的影響，分析不同時間段地層孔隙壓力與損傷程度，從而指導油田的注水開發，旨在分析注水對地層孔隙壓力的影響，以期有助于預測長期注水引起的地層損傷。

1 有限元模型的建立

長期注水能夠增大地層壓力，達到增產穩產的目的，但也會對儲層造成損傷。儲層巖石自身具有各種尺度的缺陷，油田注水過程中，儲層受到外來載荷，引起地層流體壓力發生變化，導致裂隙的閉合或張開，影響流體在地層中的滲流過程，從而對油氣開采造成影響。基于長期注水油藏基本原理和方法，利用專業有限元軟件ABAQUS完成數值模擬，研究注水對地層的作用與影響，主要通過建立長期注水情況下的地層流體—應力—損傷耦合的數學模型，較為全面地考慮流體與地層之間的相互作用，作為后續的數值模擬研究基礎。其中，模型假設主要有:巖石完全飽和；儲層內的流體流動遵循Biot原理；將儲層看作彈性材料。

1.1 滲流—應力耦合方程

平衡方程:

流體連續性方程:

本構方程:

滲流方程:

其中，σij為應力張量；bi為體積力；i,j為張量下標，i,j=1, 2, 3；x,y為裂縫擴展方向；ρw為流體密度；nw為巖石孔隙度；vw為流體移動速度；σij’為有效應力；δij為Kronecker常數；k為滲透率；Q為流量；εv為應變；n為邊界Ψ上的單位法向量；α為Biot系數。

1.2 滲流—損傷耦合方程

地層注水過程中，儲層巖石變形達到一臨界值時，其內部缺陷開始擴大，即裂隙開始擴展，從而影響儲層滲透率。基于彈性損傷力學，巖石單元發生破壞，破壞后單元按照損傷演化方程進行處理，以彈性模量為例，破壞后單元彈性模量的線性損傷演化方程為:

其中，E0為無損傷單元的彈性模量，E為損傷單元的彈性模量，B為損傷因子。

彈性變形中，巖石的滲透率與地層孔隙壓力之間的關系為:

其中，ξ,β為滲透率損傷系數，k0為地層初始滲透率。

2 注水井損傷數值模型的建立

利用ABAQUS軟件建立注水井長期注水的地層流體—應力—損傷耦合的有限元模型。針對某海上低滲透儲層特性，模擬區域儲層基本特征:中間為6m儲層，上、下為無限大隔層，儲層中間射孔，射孔半徑為8.8mm，深度0.5m。由于對稱性，我們只需研究1/4個儲層，如圖1所示。

圖1 幾何模型

其他儲層物理參數有:儲層初始地層孔隙壓力10MPa；最大、最小水平主應力22MPa、25MPa；垂向主應力18MPa；巖石的抗張強度為2.5MPa。上下蓋層巖石密度、彈性模量、泊松比、滲透率分別為2 400kg·m-3、25GPa、0.25、0.01mD；儲層巖石密度、彈性模量、泊松比、滲透率分別為2 100kg·m-3、20GPa、0.20、1mD。

3 注水井損傷數值模擬

據上文所述，利用ABAQUS軟件建立的耦合有限元模型，用于分析長期注水井注水對地層的影響。本節將從孔隙壓力與損傷系數的角度，分析不同時間段注水對地層的影響，預測長期注水后地層損傷程度，指導海上低滲透儲層注水開發。

3.1 孔隙壓力分析

長期注水將造成地層壓力的改變，提高地層壓力，提升油氣井產量，影響地層孔隙壓力，孔隙壓力變化如圖2所示。由圖2可知，隨著注水時間的增加，地層孔隙壓力逐漸增加，注水5年后的地層孔隙壓力大于注水前地層孔隙壓力，有效達到增產目的。注水第1年，孔隙壓力增加很多，隨著注水時間的增加，注水影響的地層區域逐漸擴大，注水波及范圍擴大，由于地層損傷加大，導致區域內滲透率有所下降，地層壓力增大趨勢減緩，但整體呈現遞增趨勢；5年后，地層孔隙壓力最大值達到14.5MPa，比原始地層孔隙壓力增大45%，注水波及范圍明顯加大，有效達到驅油效果。

圖2 孔隙壓力變化

3.2 巖石損傷系數分析

長期注水將造成地層壓力的改變，同時對地層也造成一定的損傷。長期注水地層巖石損傷系數變化如圖3所示。由圖3可知，隨著注水時間的增加，地層巖石損傷系數逐漸變大，在設定時間范圍內，注水5年后的地層損傷系數最大，且這種增大的趨勢并沒有隨著時間的增加而減弱；隨著注水時間的增加，儲層巖石損傷的區域逐漸擴大，射孔點處，即井筒邊界處受到的壓力最大，損傷程度最為明顯，進一步觀察發現，隨著遠離射孔損傷減小，壓應力減小，滲透率增大。