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岩石力学论文
课程论文
概述流固耦合对砂岩油藏脱砂的影响
论文题目:
概述流固耦合对砂岩油藏脱砂的影响
课程名称:
岩石力学
指导老师:
李斌老师
完成时间:
2010年03月15日
摘要
基于广义达西定律,建立了渗透率各向异性疏松砂岩油藏脱砂压裂人工裂缝一油藏系统流固耦合模型,模拟分析了降压生产流固耦合作用对储层应力应变特征、储层孔渗特性变化及储层压后生产动态的影响。
研究表明:
在流固耦合作用影响下,近井眼及人工裂缝周边储层有效应力显著增大,随着距井眼及人工裂缝距离的增加,储层有效应力及其梯度急剧减小;开井生产初期,储层有效应力场变化显著,随生产时间的增加,储层有效应力场逐渐趋于稳定,仅随空间位置而变化;近人工裂缝壁面处储层弹性模量显著增加,在一定程度上降低了储层应变,增强了储层抵抗外载变形的能力;流固耦合作用会导致储层孔渗参数显著降低,使得脱砂压裂井产量明显低于常规渗流模型计算结果。
疏松砂岩油藏,出砂是提高采油速度的主要障碍。
疏松砂岩油藏分布较广、储量大,产量占有重要的地位。
油井出砂会导致产量降低;沙埋油层或井筒砂堵造成油井停产;出砂使地面和井下设备严重磨损、砂卡;频繁地冲砂检泵、地面清罐等使得维修工作量剧增,既提高了原油生产成本,又增加了油田管理难度。
随着压裂技术的不断发展,新的脱砂压裂防砂工艺弥补上述缺陷,可以达到控制出砂、穿过近井眼的损伤和增产的目的。
脱砂压裂是一项既能有效防砂又能增加产能的新型防砂技术,在中、高渗透油气层和不稳定松软地层得到了快速的发展和应用,同时也成为一种新的完井方式。
关键词:
疏松砂岩;脱砂压裂;渗透率;流固耦合;
脱砂压裂是国外近年来发展起来的一种高效防砂技术,该技术既能有效控制储层出砂,又能显著提高压裂井产量,应用前景极为广泛。
为使脱砂压裂取得最优经济效益,压前需采用产能模型优化缝长等参数。
疏松砂岩油藏流固耦合作用较强,储层物性参数在开发过程中实时变化,进而会影响脱砂压裂井产能。
而目前脱砂压裂产能分析大多采用常规渗流模型,并未考虑流固耦合作用影响,这必然会给脱砂压裂产能分析带来一定误差。
为此,建立了新的脱砂压裂产能模型,模拟分析了流固耦合作用对储层应力应变、储层孔渗特性变化及压后生产动态的影响。
1渗透率各向异性疏松砂岩流固耦合
流固耦合模型主要包括渗流场、变形场、流固耦合关系三部分,建立了疏松砂岩脱砂压裂人工裂缝一油藏系统流固耦合数学模型。
1.1流固耦合渗流场方程
本文建立的渗透率各向异性疏松砂岩流固耦合渗流方程
油相
水相
式中
——油水相压力,
;
——油水相密度,
;
、
——油水相饱和度,无因此;
、
——油水相黏度,m
s
——油水相对渗透率,无因次;
g——重力加速度,
;
——渗透率矩阵,
;
——体积应变,无因次;
——孔隙度,无因次;
t——时间,s。
1.2流固耦合变形场
流固耦合变形场方程主要包括平衡方程、几何方程及本构方程。
其中,平衡方程可用张量形式表示。
在我国低渗透油田的开发过程中,人们发现低渗透油田流固耦合效应较中高渗透油田要强得多。
这主要是因为低渗透油层孔隙度、渗透率随上覆压力的变化明显所造成的。
另外,低渗透油藏的渗流机制有其特殊性,其渗流曲线偏离达西定律。
由于低渗透油田的这些特点,使得低渗透油田的流固耦合理论不同于中高渗透油田。
因此,有必要对低渗透介质的流固耦台渗流理论进行专门的研究。
1.3流固耦合关系
基于实验分析,建立了疏松砂岩物性参数动态模型。
其中,渗透率动态模型,建立的疏松砂岩流固耦合数学模型同时考虑了多孔介质孑L渗参数及弹性参数的变化,考虑因素更加全面,对渗透率各向异性油藏适应性更强。
基于FEPG软件开发了相应流固耦合有限元程序,对脱砂压裂产能模型进行了模拟分析。
2脱砂压裂产能模型
假设脱砂压裂形成的人工垂直裂缝为理想对称双翼裂缝,裂缝水平剖面为矩形。
由于模型整体结构具有对称性,可仅取模型的1/4进行分析,其尺寸为1501TI×150m×6m建模时采用“等效阻力法”。
对人工裂缝宽度进行适当放大,同时,采用渐变网格在裂缝内部、近裂缝壁面、近井眼及裂缝端部处进行网格加密。
在油藏模型顶面及两侧面分别作用垂向及最大、最小有效水平地应力。
两侧面设为定孔压边界11.8MPa,油藏顶、底面为封闭边界,井筒孔压边界设为动态边界,在开井生产1d的时问内由11.8MPa均匀降低至9.8MPa,以避免突然开井降压造成井筒围岩应力急剧变化。
模拟算例取自胜利油田孤岛采油厂南区馆陶组某疏松砂岩油藏,其参数如下:
油藏初始孔隙压力为11.8MPa,生产压差为2.0MPa,初始含水饱和度为30%,初始孔隙度为30%,初始z向渗透率分别为1.1、1.1、0.8Ixm,初始弹性模量为3.0GPa,泊松比为0.25,Biot系数为1.0,最大、最小及垂向地应力分别为21.6、17.0、28.0MPa,敏感性系数a、b、C、m、n、A、B、C分别为0.0959、2.212、13.635、1.7658、0.0547、0.0855、1.9319、9.8465,油、水相黏度分别为100、1mPa·S,油、水相体积系数分别为1.15、1.01,油、水相体积压缩系数分别为4×10、4.5×10Pa,油、水相地面密度分别为970kg/m、1000kg/m,人工裂缝长为20m、宽为4cm、高为6m、导流能力为300xm·cm。
3流固耦合作用对生产动态影响
3.1储层应力应变特征
算例油藏厚度较小,重力作用影响很小,故主要以储层上表面为例进行规律性分析。
开井生产30d时,储层渗流场基本稳定,此时储层平均有效应力(x、y、z向有效正应力的算术平均值)等值线可知:
(1)在流固耦合作用影响下,储层平均有效应力发生显著变化,尤其是近裂缝及近井眼区域有效应力明显大于储层原场值;
(2)近井眼及近裂缝端部处,储层平均有效应力变化剧烈,离井眼及人工裂缝越远,有效应力变化越平缓。
这是因为流体从油藏流人井简及高导流人工裂缝时,缝外流动阻力相对较大,油藏压力相对较高,而缝内流动阻力较小,孔压相对较低,导致上述区域存在显著的流体压力梯度,流固耦合作用强烈,离井眼及人工裂缝越远,流固耦合作用越弱;(3)距井眼中心75in以外,储层平均有效应力等值线基本呈圆形,反映该区渗流形态为径向流,人工裂缝对该区域渗流形态影响很小,说明“短宽”型脱砂压裂裂缝主要对裂缝周边渗流场产生显著影响,对临井渗流场影响很小。
这里分析储层有效应力随时间的变化,研究表明:
开井初期,有效应力变化速度较大,短时间内有效应力急剧增加,随生产时间增加,有效应力变化速度急剧减小,开井生产12d后,有效应力趋于稳定。
分析原因如下:
开井初期,流体压力梯度较大,流固耦合作用显著,导致有效应力急剧增加,随后压力波向油藏深部扩展,流体压力梯度不断降低并趋于稳定,此时流固耦合作用趋于稳定,储层有效应力不再是时间的函数,而仅随空间位置而变化。
储层应力场与应变场密切相关,研究发现:
近井眼、近裂缝壁面及裂缝端部处储层应变显著,应变梯度较大,明显大于储层其余广大区域;随着距井眼及人工裂缝距离的增加,储层应变绝对值及应变梯度急剧减小,储层外边界处应变最小。
上述储层应变的空问变化趋势同时也反映了储层流固耦合作用的空间变化规律。
3.2储层物性参数变化规律
开井生产30d时,储层渗透率及弹性模量等值线中渗透率等值线单位为m,弹性模量等值线单位为GPa。
可知:
近井眼及人工裂缝处,储层渗透率损失显著,弹性模量增加较明显,这是因为上述区域流固耦合作用强烈,储层有效应力变化显著;远离井眼及人工裂缝后,储层渗透率及弹性模量变化趋于平缓,离井眼及人工裂缝越远,流固耦合作用对储层物性参数的影响越弱,储层外边界处各物性参数趋于开发前原场值。
储层物性参数的变化反过来会影响渗流场及变形场,其中孔渗参数变化主要影响渗流场,弹性模量变化主要影响应变场。
考虑及不考虑弹性模量变化所对应的缝长边界储层总应变可知:
弹性模量变化对储层应变的影响主要体现在裂缝周边区域,考虑弹性模量增加后,储层应变值明显低于不考虑弹性模量变化的情况,远离人工裂缝10m以外区域,储层弹性模量变化较小,此时弹性模量变化对储层应变的影响可忽略不计。
综上分析,在流固耦合作用影响下,裂缝周边储层会受到一定程度的压实,增强了储层抵抗外载变形的能力,有利于储层稳定,降低出砂危险。
3.3流固耦合作用对压裂产能影响
储层变形场对渗流场的影响体现在两方面,一是储层骨架体积应变直接影响储层孔隙压力,二是储层孔渗参数变化影响渗流场。
为此,分别对不考虑流固耦合、考虑骨架体积应变但不考虑储层参数变化、考虑骨架体积应变同时考虑储层参数变化三
种情况进行了模拟,其压后日产油可知:
(1)只考虑骨架体积应变影响时,其日产油较之不考虑流固耦合的常规渗流模型计算结果高2%左右。
这是因为骨架体积应变会造成储层孔隙收缩,一定程度上增加了油藏弹性驱动能量,提高了油井产量;
(2)同时考虑骨架体积应变及孔渗参数变化影响时,其日产油较之常规渗流模型计算结果低8%左右。
这是因为储层孔隙收缩一方面会增加油藏弹性驱动能量,另一方面会降低储层渗透率,降低储层渗储能力,对生产造成不利影响,相比而言,后者影响占主导地位,使得耦合模型预测产量明显低于常规渗流模型。
目前,现场油井压后实际产量常低于常规产能模型计算结果,其中,施工污染是压裂井产量降低的原因之一,而流固耦合作用则是造成压裂井实际产量低于常规模型的另外一个重要原因,尤其是对应力敏感性较强的疏松砂岩储层进行压裂产能分析时,更应充分考虑流固耦合作用的影响。
4结论
(1)建立了渗透率各向异性疏松砂岩脱砂压裂人工裂缝一油藏系统流固耦合模型,考虑了多孔介质孔渗参数及弹性参数变化,对渗透率各向异性油藏适应性强。
(2)近井眼及近裂缝区域储层有效应力变化显著;随着距井眼及人工裂缝距离的增加,储层有效应力及其梯度急剧减小;开井初期,储层有效应力变化较大,随生产时问增加,储层有效应力趋于稳定,仅随空间位置而变化。
(3)流固耦合作用会导致裂缝周边储层弹性模量显著增加,一定程度上降低了储层应变,增强了裂缝周边储层抵抗外载的能力,有利于储层稳定。
(4)流固耦合作用会导致储层孔渗参数显著降低,使得脱砂压裂井产量明显低于常规模型计算结果,尤其是对应力敏感性较强的储层进行压裂产能分析时,更应充分考虑流固耦合作用的影响。
(5)根据岩石力学、渗流力学、弹塑性力学、损伤力学与断裂力学,在考虑流固耦合的动态效应以及岩石塑性变形的基础上,采用瞬态分析方法,建立了渗透储水层水力压裂全三维动态扩展力学模型。
参考文献
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油水两相流固耦台渗流的数学模型、石油勘探与开发[M],1998(25)5。
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