水驅(qū)對地應力場影響機制的研究

王 銳,何 翔

(武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023)

水驅(qū)對地應力場影響機制的研究

王 銳,何 翔

(武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023)

對油藏進行注水開采時，地下巖層滲流場能引起地層應力場的改變。采取從大慶油田南二區(qū)西部選取的典型井組，基于有效應力原理，研究水驅(qū)注入方式下地層的孔隙壓力分布情況及其動態(tài)演化規(guī)律，地層有效應力分布情況及其動態(tài)演化規(guī)律，揭示出水驅(qū)注入方式對地層壓力場和有效應力場的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，在對油藏采取注水開采時，流―固耦合的作用影響顯著，能夠促使地層壓力場和有效應力場發(fā)生很大變化。研究結(jié)果可為后續(xù)的水驅(qū)方式下注入?yún)?shù)界限值、計算方法研究以及復雜地質(zhì)構(gòu)造下的注入?yún)?shù)界限提供理論性指導。

注水；滲流場；地層壓力場；有效應力場；流—固耦合

1 引言

由于多年的開發(fā)，世界上相當多的油田都曾發(fā)生過很多油水井套損問題。套管損壞問題一直是困擾國內(nèi)外油田開采的問題，且并沒取得較好的解決，怎樣對套損井進行預防和治理是世界各生產(chǎn)油田普遍出現(xiàn)的技術(shù)難題。在工程和地質(zhì)因素單一或共同的作用下，注水采油井套管則會出現(xiàn)不同程度的損害，國內(nèi)專家學者針對有關(guān)套管損壞的問題所進行的相關(guān)研究，結(jié)論是套損是由于地應力的作用；國外同樣也長期存在套損問題， 其有關(guān)套損研究主要對于地層、流體的應力，這方面研究較成熟?，F(xiàn)階段，高壓注采、壓裂、大型酸化等強化措施用在油田的開采上，雖取得了不錯的成果，與此同時卻使套管所在的生產(chǎn)環(huán)境也愈加惡劣[1]。

油藏開發(fā)過程是滲流場和應力場的流—固耦合作用的一個過程，注入水在地下產(chǎn)生滲流作用使地下巖層骨架的應力發(fā)生改變，改變地層巖石的物性參數(shù) ，地應力場會產(chǎn)生應力重分布，套管周圍會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，反過來，這些改變又會對孔隙流體的滲流和孔隙壓力的分布造成影響，這一過程則是套管發(fā)生損壞的主要原因[2]。

筆者采用水驅(qū)注入對地應力場的影響機制進行研究。主要工作如下：本項目的研究區(qū)塊位于某油田南二區(qū)西部區(qū)塊，其構(gòu)造處于松遼盆地的中央坳陷區(qū)朝陽溝階地的西端，為一段向北西傾沒的鼻狀構(gòu)造(如圖1)。在油田南二區(qū)西部選取典型的井組，采用四點面積法布井方式布井。布井方式采用理想地質(zhì)模型，基于有效應力原理，對水驅(qū)條件下地層壓力場和有效應力場進行數(shù)值模擬，研究水驅(qū)注入方式下地層壓力場和有效應力場動態(tài)演化特征，揭示注入方式水驅(qū)對地層壓力場和有效應力場的影響規(guī)律。

圖1 研究區(qū)域構(gòu)造位置圖

2 油藏油水兩相流―固耦合關(guān)系

目前，采用流-固耦合理論研究主要關(guān)于孔滲性能發(fā)生改變而對油層產(chǎn)能造成的影響，但是研究有關(guān)滲流場變化對應力場造成影響還比較少，甚至基于流固―耦合的基本理論來研究套管發(fā)生套損問題的成果少之又少。滲流―應力場的流固―耦合理論在套損的研究中主要體現(xiàn)在滲流對變形場所產(chǎn)生的影響，滲流場對應力場的影響表現(xiàn)在以下兩方面： 一方面，地層的孔隙壓力作用在地層巖土體上產(chǎn)生的力學作用，在注采過程中，流體滲流作用到巖土體上導致儲層地應力場重新分布繼而可能導致套；其二，流體發(fā)生滲流作用使地層巖石的物理力學性質(zhì)參數(shù)改變[3]。

2.1 有效應力原理

1941年，Biot在研究三軸壓縮力學問題時，發(fā)現(xiàn)低滲透性多孔介質(zhì)不適合應用Terzaghi原理，提出了修正后的有效應力原理，即有效應力等于上層總壓力減去等效孔隙壓力。由Biot有效應力原理可知，巖土體的介質(zhì)骨架和巖體孔隙中水一起來承擔作用于飽和巖土體的外力，即巖土體骨架的有效應力和孔隙水壓力構(gòu)成了巖土體內(nèi)總應力[4]。各向同性巖體的孔隙流體壓力只改變介質(zhì)體積而不會改變介質(zhì)的形狀，所以巖土體介質(zhì)的剪應力和孔隙壓力不相關(guān)， 在任何方向上，巖土體的孔隙壓力對巖體介質(zhì)的正應力影響都一樣，有：

(1)

平衡方程由孔隙壓力與有效應力表示如下：

(2)

由位移所表示的平衡方程為：

(3)

(4)

式中，εv表示體積變形，λ、G表示拉梅常數(shù)，p是流體的孔隙壓力，表示流體滲流對應力的影響。

2.2 介質(zhì)孔隙度與孔隙壓力的關(guān)系

巖土體介質(zhì)的孔隙度φ隨巖土體介質(zhì)的孔隙壓力p的變化由壓縮系數(shù)CR來表為[5]：

(5)

由上式可得

(6)

式中，φ0表示巖土體初始孔隙度，則有：

φ=φ0eCR(p-p0).

(7)

當?shù)貙訅毫ψ兓淮髸r，式(7)通過取用Taylor級數(shù)展開的前兩項有：

(8)

式(5)則表示巖土體孔隙度和孔隙壓力間的耦合關(guān)系。

2.3 介質(zhì)滲透系數(shù)與孔隙壓力和有效應力的關(guān)系

在油藏流―固耦合中，孔隙度出現(xiàn)變化會使得儲層形變后的滲透張量出現(xiàn)變化，且可用孔隙度來表示。滲透系數(shù)的張量和孔隙的變形滿足如下的關(guān)系式：

(9)

式中，Δφ表示孔隙介質(zhì)的孔隙度增量，K表示儲層的滲透系數(shù)張量，α表示流固耦合的耦合系數(shù)。

油藏流—固耦合中，往往進行實驗研究來給出滲透張量與有效應力、孔隙壓力間的關(guān)系[6]。巖土體介質(zhì)的孔隙增量、孔隙壓力及單元體應力張量相互間的有關(guān)系如下:

(10)

式中，Δφ表示介質(zhì)的孔隙度增量，σ表示單元體應力的張量，p表示介質(zhì)的孔隙壓力，R、H表示孔隙介質(zhì)的變形性質(zhì)常數(shù)。

把式(9)代入到式(10)中得到滲透系數(shù)的張量、介質(zhì)孔隙的壓力及應力的張量間的關(guān)系如下：

(11)

式(11)為在油田流—固耦合過程中，變形場對巖土體孔隙介質(zhì)滲透系數(shù)的影響。

3 油藏流固耦合的數(shù)值模擬

3.1 布井方式

面積注水指在油田開采時，油田注采系統(tǒng)根據(jù)油田特定的形狀均勻的分布于整個注采油田面積上(圖2)。面積注水適用的油層條件：油層含油面積較小，形狀不規(guī)則，含油分布較零散，滲透性能差，含有不規(guī)則斷層，且也適用于行列注水開采儲層。面積注水的優(yōu)點是：油藏儲量動用充足，油水井處于一線，油井采油效果好，速度快，且同時受到周圍注水井影響，缺點是開始實施后，調(diào)整起來較困難。

面積注水又分為：①交錯型排狀注水(又稱交錯斜對式)：注水井與生產(chǎn)呈平行四邊形互相交錯分布。②直線型排狀注水(又稱正對式)：注水井與生產(chǎn)井排互相分錯，但注水井與生產(chǎn)井呈形如長方形的正對式分布。③四點法面積注水：一口注水井和周圍三口生產(chǎn)井呈形如正三角形分布，注水井則構(gòu)成等邊三角形的中心。油井又在該井組構(gòu)成的正六邊形的中心，是七點法面積注水的一個特殊情況。④七點法面積注水：一口注水井和周圍六口生產(chǎn)井呈形如正六邊形分布，生產(chǎn)井組呈正六邊形井網(wǎng)，注水井布在每個正六邊形的中心。⑤五點法面積注水：井網(wǎng)型為正方形，注水井處于每個正方形的中心，每口注水井影響四口生產(chǎn)井。⑥反九點法面積注水：一口注水井周圍和八口生產(chǎn)井呈正方形分布，每一個基本單元都是正方形，是由一口注水井與八口生產(chǎn)井組成，注水井分布于八口油井正中央處[7]。

圖2 布井方式示意圖

3.2 計算模型

筆者選取了二區(qū)西部區(qū)塊用最多的四點面積注采井組，采用數(shù)值模擬方法[8]，研究簡單的地層條件下注水對地應力場的影響機制(見表1)。

四點面積法注采井組模型中，形如正三角形，一口注水井處于井組中心，周圍為三口生產(chǎn)油井，注水井構(gòu)成等邊三角形的中心，而油井處在該注水井構(gòu)成的正六邊形中心[9]。注水計算模型如圖3所示。模型尺寸取100 m×100 m×80 m，處于地下800 m深。模型分為3層，上下是泥巖蓋層。其中上覆蓋層的厚度30 m，底層40 m，中間層為砂巖層，砂巖厚度10 m。

表1 模型材料的力學參數(shù)

材料密度ρ/(kg/m3)彈性模量E/MPa泊松比滲透系數(shù)/毫達西蓋層24002．1×1041．344?砂巖層23001．8×1041．34480底層24002．1×1041．414?

對所建模型進行約束設(shè)置，分別對四周進行水平位移約束，底面進行三個方向位移約束。

Petrel作為基于 Windows 平臺的三維可視化建模軟件，集地震解釋、構(gòu)造建模、巖相建模、油藏屬性建模和油藏數(shù)值模擬顯示及虛擬現(xiàn)實于一體，提高對油藏內(nèi)部細節(jié)認識、精確描述透視油藏屬性的空間分布、發(fā)現(xiàn)剩余和隱蔽油藏，極大降低開發(fā)成本。

圖3 計算模型

3.3 計算結(jié)果與分析

采用四點面積法水驅(qū)條件下的地層壓力及有效應力分布，當注水壓力為8 MPa時，由圖4―圖6可知，在注水井和采油井之間形成了壓力梯度，近井處壓力梯度較大，等勢線密集。

由圖7―圖9可知，地層內(nèi)大主應力分布不均勻，高壓區(qū)沿著注水井分布并貫通成環(huán)狀，最大地層豎向應力發(fā)生在注水井處，達0.5 MPa。

由圖10―圖12可知，地層內(nèi)小主應力分布并不均勻，最大小地層的豎向應力達-8.0 MPa。

由圖13―圖15可知，地層內(nèi)剪切應力分布較不均勻，沿注水井和油井呈現(xiàn)反對稱分布(絕對值相等，方向相反)。

圖4 注水90天后井組內(nèi)的地層孔隙壓力分布

圖5 1-1斷面上的地層孔隙壓力分布

圖6 2-2斷面上的地層孔隙壓力分布

圖7 井組內(nèi)地層最大主壓力分布

圖8 1-1斷面上的地層最大主壓力分布

圖9 2-2斷面上的地層最大主壓力分布

圖10 井組內(nèi)地層最小主壓力分布

圖11 1-1斷面上的地層最小主壓力分布

圖12 2-2斷面上的地層最小主壓力分布

圖13 井組內(nèi)地層的剪切應力分布

圖14 1-1斷面上的地層剪切應力分布

圖15 2-2斷面上的地層剪切應力分布

4 結(jié)論

(1)筆者選取大慶油田南二區(qū)西部典型的井組，在理想的地質(zhì)條件下，采用四點面積法布井方式，基于有效應力原理，對水驅(qū)條件下地層壓力場及有效應力場進行數(shù)值模擬，研究水驅(qū)注入方式下地層壓力場及有效應力場的變化情況，揭示水驅(qū)對地層壓力場和有效應力場的影響規(guī)律。地應力場產(chǎn)生變化，進而引起套管附近應力集中是造成套管損壞的重要因素，為后續(xù)注水井套損的預防措施提供可靠指導。

(2)注水方式下，地層孔隙壓力在注水采油井之間產(chǎn)生壓力梯度，近井處壓力梯度較大，等勢線密集；地層內(nèi)主應力分布不均勻，高壓區(qū)沿著注水井分布并貫通成環(huán)狀，最大地層豎向應力發(fā)生在注水井處；地層內(nèi)剪切應力分布也不均勻，沿注水井和采油井呈反對稱分布，由于剪切應力呈反對稱分布，地層有相互錯動的趨勢。

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The study of water flooding effects on ground stress field on mechanism

WANG Rui,HE Xiang

(School of Civil Engineering and Architecture , Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

The seepage field can cause the change of formation stress field when the oil reservoir is injected with water. This article takes the typical well group which is selected from the western region of the south two of the west of Daqing oil field . Based on the principle of effective stress, the distribution of pore pressure and its dynamic evolution of formation under water drive injection are studied, and reveals the effect of water flooding on formation pressure field and effective stress field is revealed. The research results show that the effect of fluid structure interaction on reservoir injection is significant, which can lead to great changes in formation pressure field and effective stress field. The results of this study can provide a reliable theoretical guidance for the further study of the boundary value of injection parameters, the calculation method and the boundary of injection parameters under the complicated geological structure.

water injection；seepage field；formation pressure field；effective stress field；fluid-structure interaction

2016-.

王銳(1992-)，女，碩士研究生，E-mail:1542749237@qq.com.

2095-7386(2016)04-0061-06

10.3969/j.issn.2095-7386.2016.04.012

TE 355

A