CN104345133A - 一种注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值计算分析方法，该方法基于流固耦合理论，通过室内试验、数值计算和现场检测相结合的方法开展研究，选取典型泥岩，进行不同含水率下的室内试验，建立套管变形数据反演套变点地层应力和变形的反演模型，针对典型的注采方案，通过数值模拟与现场检测对比，判断和优化出的渗漏、窜层、沿断层流走的准确位置，最终提出合理的注采方案及防止注入水严重流失的合理措施，对于改善油田注采效果，提高最终采收率及油田整体开发水平具有重要的应用价值。

Description

一种注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法

技术领域

本发明属于油田开发领域，尤其涉及一种注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法。

背景技术

高压注水是低渗油田增产的有效措施。对于注水开发油田来说，良好的注水驱油效果是油田稳产的基础。而对于低渗油藏的难点就是注入水沿裂缝流失、窜流或渗漏等都对有效开发带来不利的影响，从而导致低渗透油藏的注水开发效果不理想，地层能量得不到有效的补充。

国内外在低渗油田开发研究中，对多层油气藏中存在问题进行了相关研究，如深井泥岩吸水特性试验研究、多层段窜槽井水泥封窜技术研究、注水开发基本规律等研究，得出了一些有意义的结论，对高压注水低渗油田的合理开发具有一定的理论指导意义。但是相关研究中，对注水开发中泥岩吸水及其泥岩层的渗漏和窜流方面的研究几乎是空白。因此，考虑泥岩渗透性研究渗漏窜流机理对于油田开发具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法，旨在解决国内外在低渗油田开发研究中对注水开发中泥岩吸水及其泥岩层的渗漏和窜流方面的研究几乎是空白的问题。

本发明是这样实现的，一种注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法包括：

步骤一、选取区域内典型的泥岩，进行不同含水率下的室内试验，获取不同含水率下泥岩的弹性模量、抗压强度、粘聚力、内摩擦角、蠕变特征、吸水膨胀特征等力学参数及渗透率、孔隙率、饱和度等渗流参数；

步骤二、建立根据套管变形数据反演套变点地层应力和变形的反演模型，根据现场统计的实际套变情况，反演套变处的地层应力分布情况和地层变形情况；

步骤三、对整个区域进行综合地质调查，弄清楚各地层的基本地质属性、区域内断层的分布情况及各地层的层间集合情况，在此基础上建立整个区块的Petrel地质模型，对其中的断层及层间结合进行精细建模，并转化为有限元模型；

步骤四、针对典型的高压注水方案，基于流-固耦合理论，进行整个区域内流固耦合计算，得出整个区域内的压力场分布情况、油水饱和度分布情况和整个区域内的地层变形趋势；在此基础上，选取典型的井组进行精细分析，获取井组内压力场分布、油水饱和度分布和地层变形情况；

步骤五、将每种可能的渗漏、窜层及沿断层流走情况作为一种工况，进行多工况组合计算；以压力、油水饱和度、地层变形数据的计算值与监测值或反演值之间的残差最小为优化目标，以工况组合为优化变量，建立优化模型，研究高效的优化算法，对该优化模型进行求解，寻找与监测数据差异最小的工况组合；

步骤六、在上述研究基础上，针对渗漏、窜层及断层流失三种形式，给出不同流失位置和不同流失方式的防控措施；

步骤七、总结上述研究中发生渗漏、窜层、沿断层流失时的地层条件、生产参数等方面的基本规律，对不同类型针油藏发生渗漏、窜层、沿断层流失的可能性进行预测，并提出预防措施。

进一步，不同含水情况下的泥岩力学实验包括含水量对泥岩力学性质的影响的实验和含水量对泥岩蠕变特性的影响的实验；

含水量对泥岩力学性质的影响的实验的具体方法为选取不同岩心开展不同含水量下泥岩单轴抗压强度试验；

含水量对泥岩蠕变特性的影响的实验的具体方法为分别对不同岩心进行相同压力情况下进行不同含水量试样的蠕变试验。

进一步，考虑泥岩蠕变及流固耦合作用的理论模型中的砂岩弹塑性模型为：

砂岩采用弹塑性初应力法进行计算，砂岩弹塑性力学模型由平衡微分方程、几何方程、弹塑性本构方程(含屈服准则、流动法则、增量形式的应力应变关系)组成。

(1)考虑有效应力作用的油藏岩土变形的平衡微分方程为

σ_ij,j-(αδ_ijp)_,j+f_i＝0

(2)岩土变形的几何方程为

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}(u_{i,j}+u_{j,i})$

式中：ε_ij为应变张量；u为位移；

(3)本构方程，变形场本构方程采用弹塑性本构方程，本构方程增量形式为：

{dσ′_ij}＝[D_ep]{dε_ij}

式中：dσ′_ij为有效应力增量；[D_ep]为弹塑性矩阵；dε_ij为应变增量；

塑性准则采用Drucker-Prager准则，Drucker-Prager准则的形式为

$F=\mathrm{\α}{I}_1+J_2^{1/2}-S,$ 式中

J₂为应力第二偏张量不变量，C为粘结力，为内摩擦角；

油藏岩土变形场的边界条件有两种：

(1)岩土骨架的表面力已知，可表示为：

σ_ijL_j＝s_i(x,y,z)

式中：L_j为边界的方向导数；s_i为表面力分布函数；

(2)岩土骨架的表面位移已知，可表示为：

u_i＝g_i(x,y,z)

式中：g_i为表面位移分布函数；

用有限元方法求解流固耦合岩土弹塑性变形问题的步骤为：首先将油藏空间离散化，以节点位移为基本未知量，利用虚功原理建立单元结点力和结点位移之间的平衡方程，解方程求得位移矢量后，再由几何方程求得应变，由本构方程求得应力分布。

进一步，考虑泥岩蠕变及流固耦合作用的泥岩蠕变模型为：

泥岩流变模型，可用非线性MAXWELL模式表示的泥岩蠕变方程式：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_3}{E}\exp \left(\mathrm{aW}\right)+\frac{{({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_3)}^N}{C}\exp \left(\frac{B}{W_0-W}\right)\·t$

式中：ε₁为轴向应变；σ₁为轴向应力；σ₃为围压；W为泥岩的含水量；W₀为地层压力条件下泥页岩的饱和含水量；B，E，C，a为岩石的流变参数；t为时间，N为非线性指数。

进一步，渗流-应力各模块的衔接的具体方法为：

(1)砂岩、泥岩层间载荷的作用计算:注采过程中孔隙压力变化导致砂岩段变形，砂岩段的变形传递到泥岩层，使泥岩段受到挤压作用，其变形通过三段蠕变曲线来进行计算，由于其强度较小，当其承载过大时，所承受的力又转移到砂岩层断，在同一时间，这种交互作用迭代进行，最终达到平衡；

(2)地层与套管交互作用模型：基于目前PETREL所建地质模型，考虑实际地层条件，重新建立与渗流计算相适应的新的应力计算模型。考虑大规模多井区块，由于尺寸效应的影响，引入井单元，对井附近采用二次网格法加密计算；对断层采用等效连续介质理论，并附法向和切向刚度反映断层的滑移等特征；

通过对ECLIPS油藏数值模拟软件源代码的解剖，研究输入到输出过程中的数据流格式，在此基础上，将输出油藏压力等数据转换为适用于应力计算的体积力载荷，并施加到应力场计算模型中，从而实现渗流－应力各个模块的衔接。

进一步，初始地应力场反演的遗传算法及实现过程为：

采用等效连续介质模型，基于该模型的渗流-应力耦合的有限元计算采用迭代法，首先计算出初始的应力场，根据各点的应力张量确定出该处的渗透系数张量；然后求解渗流场，计算出各点的渗透力；再将渗透力作为体载荷施加到应力场中去，计算出下一步的应力值。

进一步，耦合理论模型中，砂岩为弹塑性模型，泥岩为MAXWELL蠕变模型，渗流对应力的作用通过孔隙压力为体积力来实现，应力对渗流的作用，通过基于岩石应变的损伤变量来实现。

进一步，基于遗传算法的初始地应力场反演方法为:假设有n个反演变量，记为a＝(a1,a2,...an)，则可利用遗传算法的3个基本操作(即选择、交叉和变异)模拟自然选择和自然遗传过程的繁殖、交配和变异现象，从待反演参数组成的解种群中逐代产生新的群体，比较个体，如此循环，最终搜索到最优个体，从而得到反演的物理力学参数。

进一步，采用遗传算法对初始地应力进行反演，获得初始地应力场，采用渗流场和应力场耦合的数学模型并结合ABAQUS有限元软件，数值模拟分析油田渗流和注水对整个地质模型和套管受力的影响。

进一步，考虑夹层和不考虑夹层两种情况下的渗漏窜流数值模拟

进一步，分析了注采参数变化对泥岩窜流和断层窜流的影响

进一步，茂11区块渗漏、窜流防控方法为：

进一步，升382区块渗漏、窜流防控方法：

效果汇总

本发明基于流固耦合理论，通过室内试验、数值计算和现场检测相结合的方法开展研究，选取典型泥岩，进行不同含水率下的室内试验，建立套管变形数据反演套变点地层应力和变形的反演模型，针对典型的注采方案，通过数值模拟与现场检测对比，判断和优化出的渗漏、窜层、沿断层流走的准确位置，最终提出合理的注采方案及防止注入水严重流失的合理措施，对于改善油田注采效果，提高最终采收率及油田整体开发水平具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法流程图；

图2是本发明实施例提供的岩心1-2#在15.6MPa时的应力－应变曲线；

图3是本发明实施例提供的1-5#岩心在围压26MPa时的应力－应变曲线；

图4是曲线；

是本发明实施例提供的茂11井5#、6#岩样内聚力、摩擦角；

图5是本发明实施例提供的茂111井9#、11#岩样内聚力、摩擦角；

图6本发明实施例提供的1-3#岩心渗透率随有效压力变化曲线；

图7是本发明实施例提供的10#组孔压－渗透率曲线；

图8是本发明实施例提供的泥岩弹性模量随含水量变化关系；

图9是本发明实施例提供的泥岩抗压强度随含水量变化关系；

图10是本发明实施例提供2-7#岩心的不同含水量的泥岩蠕变曲线；

图11是本发明实施例提供的2-7#岩心不同含水量的泥岩蠕变曲线；

图12是本发明实施例提供的泥岩稳态蠕变率与含水量关系曲线；

图13是本发明实施例提供的泥岩稳态蠕变率与偏应力关系曲线；

图14是本发明实施例提供的初始地应力场反演程序框图；

图15是本发明实施例提供的渗流－应力耦合计算流程图；

图17是本发明实施例提供的含夹层的数值模型；

图18是本发明实施例提供的油层和夹层总进水量随夹层孔隙度变化规律；

图19是本发明实施例提供的夹层总进水量和油层总进水量随日注水量变化规律；

图20是本发明实施例提供的夹层和油层总进水量随油井流压变化规律；

图21是本发明实施例提供的升382区块整体模型；

图22是本发明实施例提供的油层及断层窜流量随油井流压变化规律；

图23是本发明实施例提供的断层窜流量以及油层进水量随日注水量变化规律；

图24是本发明实施例提供的断层窜流量和油层进水量随注水井流压变化规律

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本发明实施例的所有实验均在油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)进行，所采用的仪器设备包括：岩石三轴试验机、岩石流变试验机、高温高压岩石多参数测定仪等。

本发明实施例所用岩心，共有两批。第一批岩心来自头台油田茂11、茂111的泥岩和泥质砂岩岩心共11块，均为标准岩心；来自榆树林油田升38-1井、树14井的泥岩和砂岩岩心共10块。第一次试样中头台油田的11块岩心，共有四块岩心用来测试应力敏感性，分别为1#、3#、4#和10#岩心，其余2#、5#、6#、7#、8#、9#、11#岩心用来测试岩心的力学参数。由于泥岩岩心钻取困难，根据实验性质，将获得的岩心先测孔隙度和气测渗透率，然后再进行加载实验和浸水实验。实际实验岩心共30块。

第二批岩心共有10块，分别取自升381和升382井的扶余油层和杨大城子油层。由于泥岩岩心获取困难，所以大部分为粉砂质泥岩岩心。比较纯的泥岩岩心共4块。所取岩心的主要信息见表1所示。

表1第二批岩心主要信息

如图1所示，本发明是这样实现的，一种注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法包括：

S101:选取区域内典型的泥岩，进行不同含水率下的室内试验，获取不同含水率下泥岩的弹性模量、抗压强度、粘聚力、内摩擦角、蠕变特征、吸水膨胀特征等力学参数及渗透率、孔隙率、饱和度等渗流参数；

S102:建立根据套管变形数据反演套变点地层应力和变形的反演模型，根据现场统计的实际套变情况，反演套变处的地层应力分布情况和地层变形情况；

S103:对整个区域进行综合地质调查，弄清楚各地层的基本地质属性、区域内断层的分布情况及各地层的层间集合情况，在此基础上建立整个区块的Petrel地质模型，对其中的断层及层间结合进行精细建模，并转化为有限元模型；

S104:针对典型的高压注水方案，基于流-固耦合理论，进行整个区域内流固耦合计算，得出整个区域内的压力场分布情况、油水饱和度分布情况和整个区域内的地层变形趋势；在此基础上，选取典型的井组进行精细分析，获取井组内压力场分布、油水饱和度分布和地层变形情况；

S105:将每种可能的渗漏、窜层及沿断层流走情况作为一种工况，进行多工况组合计算；以压力、油水饱和度、地层变形数据的计算值与监测值或反演值之间的残差最小为优化目标，以工况组合为优化变量，建立优化模型，研究高效的优化算法，对该优化模型进行求解，寻找与监测数据差异最小的工况组合；

S106:在上述研究基础上，针对渗漏、窜层及断层流失三种形式，给出不同流失位置和不同流失方式的防控措施；

S107:总结上述研究中发生渗漏、窜层、沿断层流失时的地层条件、生产参数等方面的基本规律，对不同类型针油藏发生渗漏、窜层、沿断层流失的可能性进行预测，并提出预防措施。

1、岩石渗透性及抗压强度的测定

(1)岩心孔隙度和渗透率测试结果

实验测得到第一批岩心孔隙度和渗透率结果见表2所示。由于所取岩心为非纯泥岩岩心，从测试结果看，1-4#、1-5#、1-6#、1-11#岩心的孔隙度小于6％，渗透率低于0.05mD，可将这四块岩心视为隔夹层岩心。其余为泥质砂岩。

表2岩心孔隙度、渗透率测试结果

(2)岩石力学参数测试

图2-7为岩心1-2#、1-5#、1-6#、1-8#、1-9#、1-10#岩心在不同围压下得应力应变曲线。从岩石全程应力应变曲线，可以得到弹性模量、泊松比、抗压强度、粘结力和内摩擦角等参数。

根据得到的应力-应变曲线，由摩尔-库伦定律可给出不同岩样泥岩三轴实验内聚力、摩擦角图，见图4、5所示。图8为两块泥岩岩心的应力应变曲线结果绘制，可基本反映泥岩的剪切力学性质。图9为泥岩和粉砂岩的应力应变曲线结果绘制，可反映泥质粉砂岩的剪切力学性质。从两图可以看出，泥岩的内聚力为5.05MPa、内摩擦角为40.5度；泥质粉砂岩的内聚力为：18.57MPa、内摩擦角为28.6度。泥岩的粘结力小、内摩擦角大。第一批岩心的岩样的物理力学实验结果见表3所示。

表3岩石力学参数测定结果

2.岩石应力敏感性实验

图10-12分别为1-1#、1-3#、1-4#和1-10#岩心的应力敏感性测试结果，实验是通过固定围压，调整孔压的方法考察随着有效压力变化渗透率的变化规律。实验过程中，由于1-4#岩心为泥岩岩样，渗透率很低，只有0.005mD，在有效应力增加之后，渗透率几乎为零，很难准确得到应力敏感性曲线。从测试曲线看，岩心渗透率随有效压力增加而降低，而且降低幅度较大。

3、不同含水情况下的泥岩力学实验

第二批岩心来自升381和升382井的10块岩心，其中，2-3#、2-7#、2-9#岩心为纯泥岩岩心，2-1#和2-5#为粉砂质泥岩，其它岩心为泥质粉砂岩或粉砂岩。为测定岩心的吸水能力，根据《岩石力学试验规程》泡水1、3、5d，再分别进行抗压强度试验与蠕变实验。进行泡水的试样先称重，烘干冷却后再称重，然后放入水中浸泡相应的时间，擦干后称量吸水后的质量，并计算出不同泡水时间的含水率。将试样放入抽真空的容器中浸泡规定的时间得到其饱和含水率。表4为泥岩浸水试验的基本资料。

表4试样基本数据表

不同含水情况下的泥岩力学实验包括含水量对泥岩力学性质的影响的实验、含水量对泥岩蠕变特性的影响的实验、3)偏应力对泥岩蠕变特性的影响的实验；

3.1含水量对泥岩力学性质的影响

实验的具体方法为选取不同岩心开展不同含水量下泥岩单轴抗压强度试验；分别选取1、3、5号岩心开展不同含水量下泥岩单轴抗压强度试验。

图8、图149为对3组泥岩试样进行抗压强度试验后得到的泥岩弹性模量和单轴抗压强度随含水量的变化关系曲线。从图中可以看出，纯泥岩岩心的弹性模量随含水量变化下降最快，其次是2-5号和2-3号岩心，也就是说泥质含量越到，遇水后弹模下降越快，这也就是泥岩遇水软化的主要特征之一。从图9同样可以看出，泥岩遇上之后，强度急剧下降。

3.2含水量对泥岩蠕变特性的影响

实验的具体方法为分别对不同岩心进行相同压力情况下进行不同含水量试样的蠕变试验。

分别对升381井取得的2-7、2-8和2-9#岩心进行了相同压力情况下进行不同含水量试样的蠕变试验。图10是2-7#泥岩在3种不同含水量下的蠕变试验曲线，试验中偏应力均为10MPa。

图11为2-9#泥岩岩心在不同含水量下的蠕变试验曲线，蠕变试验分2级进行。试验开始保持偏应力为5MPa，待蠕变达到稳定后，再保持偏应力为10MPa，进行第2级蠕变试验。

从上述2组泥岩的不同含水量试样的蠕变试验曲线，都可以看出，在相同的外载条件下，随着含水量的增加，泥岩的蠕变变形增加。

图12为泥岩蠕变试验中，稳态蠕变率与含水量的关系曲线。

泥岩稳态蠕变率与含水量的变化关系曲线说明，含水量的增加对泥岩的蠕变应变和稳态蠕变率的影响很大。通常，在自然状态或者含水量低于2％的情况下，泥岩的蠕变特性并不明显，稳态蠕变率低于10×10^-6/h，但是，随着含水量的增加，蠕变变形和稳态蠕变率迅速增加，当含水量超过5％时，稳态蠕变率大于30×10^-5/h，蠕变应变接近100×10^-4。这是因为泥岩内的粘土矿物吸水后，内粘聚力和强度迅速降低，表现出较强的流变特性。

3.3偏应力对泥岩蠕变特性的影响

图13为2-1#泥岩，保持同一含水量，三级蠕变试验后，在不同偏应力下的稳态蠕变率关系曲线。从图中可以看出，随着偏应力的增大，其稳态蠕变率增大，可以认为偏应力与稳态蠕变率之间存在幂指数关系。偏应力的增加，加快了层间弱面的闭合和裂隙的产生，导致蠕变速度加快。

通过以上岩石物理力学性质实验，可以得到以下结论：

泥岩在天然状态下的含水量很低，强度较高，一旦泥岩进水后，随着含水量的增加，泥岩的抗压强度和弹性模量迅速降低。

在相同的压力作用下，泥岩的蠕变变形随着含水量的增加而增加，蠕变速率也随着含水量的增加显著加快。

泥岩在整个吸水过程中，吸水速率随时间变化。吸水初期比较快，随着时间增加，吸水速率变慢，并趋于常数；

吸水特征曲线可用分段函数来表示，即减速吸水阶段的负指数函数和等速吸水阶段的线性函数；

泥岩几何形状、大小、分布及其相互连通关系，决定其吸水量的大小和快慢。孔隙度大的岩样吸水量大，吸水速率相对较高；孔隙率小的岩样吸水量小，吸水速率相对较低。孔隙通道有效半径大，吸水速率相对较高；孔隙通道有效半径小，吸水速率相对较低。

进一步，考虑泥岩蠕变及流固耦合作用的理论模型中的砂岩弹塑性模型为：

砂岩采用弹塑性初应力法进行计算，砂岩弹塑性力学模型由平衡微分方程、几何方程、弹塑性本构方程(含屈服准则、流动法则、增量形式的应力应变关系)组成。

(1)考虑有效应力作用的油藏岩土变形的平衡微分方程为

σ_ij,j-(αδ_ijp)_,j+f_i＝0

(2)岩土变形的几何方程为

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}(u_{i,j}+u_{j,i})$

式中：ε_ij为应变张量；u为位移；

(3)本构方程，变形场本构方程采用弹塑性本构方程，本构方程增量形式为：

{d′_ij}＝[D_ep]{dε_ij}

式中：dσ′_ij为有效应力增量；[D_ep]为弹塑性矩阵；dε_ij为应变增量；

塑性准则采用Drucker-Prager准则，Drucker-Prager准则的形式为

$F=\mathrm{\α}{I}_1+J_2^{1/2}-S,$ 式中

J₂为应力第二偏张量不变量，C为粘结力，为内摩擦角；

油藏岩土变形场的边界条件有两种：

(1)岩土骨架的表面力已知，可表示为：

σ_ijL_j＝s_i(x,y,z)

式中：L_j为边界的方向导数；s_i为表面力分布函数；

(2)岩土骨架的表面位移已知，可表示为：

u_i＝g_i(x,y,z)

式中：g_i为表面位移分布函数；

用有限元方法求解流固耦合岩土弹塑性变形问题的步骤为：首先将油藏空间离散化，以节点位移为基本未知量，利用虚功原理建立单元结点力和结点位移之间的平衡方程，解方程求得位移矢量后，再由几何方程求得应变，由本构方程求得应力分布。

进一步，考虑泥岩蠕变及流固耦合作用的泥岩蠕变模型为：

泥岩流变模型，可用非线性MAXWELL模式表示的泥岩蠕变方程式：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_3}{E}\exp \left(\mathrm{aW}\right)+\frac{{({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_3)}^N}{C}\exp \left(\frac{B}{W_0-W}\right)\·t$

式中：ε₁为轴向应变；σ₁为轴向应力；σ₃为围压；W为泥岩的含水量；W₀为地层压力条件下泥页岩的饱和含水量；B，E，C，a为岩石的流变参数；t为时间，N为非线性指数。

进一步，渗流-应力各模块的衔接的具体方法为：

(1)砂岩、泥岩层间载荷的作用计算:注采过程中孔隙压力变化导致砂岩段变形，砂岩段的变形传递到泥岩层，使泥岩段受到挤压作用，其变形通过三段蠕变曲线来进行计算，由于其强度较小，当其承载过大时，所承受的力又转移到砂岩层断，在同一时间，这种交互作用迭代进行，最终达到平衡；

(2)地层与套管交互作用模型：基于目前PETREL所建地质模型，考虑实际地层条件，重新建立与渗流计算相适应的新的应力计算模型。考虑大规模多井区块，由于尺寸效应的影响，引入井单元，对井附近采用二次网格法加密计算；对断层采用等效连续介质理论，并附法向和切向刚度反映断层的滑移等特征；

通过对ECLIPS油藏数值模拟软件源代码的解剖，研究输入到输出过程中的数据流格式，在此基础上，将输出油藏压力等数据转换为适用于应力计算的体积力载荷，并施加到应力场计算模型中，从而实现渗流－应力各个模块的衔接，图15为渗流－应力耦合计算流程图。

进一步，初始地应力场反演的遗传算法及实现过程为：

采用等效连续介质模型，基于该模型的渗流-应力耦合的有限元计算采用迭代法，首先计算出初始的应力场，根据各点的应力张量确定出该处的渗透系数张量；然后求解渗流场，计算出各点的渗透力；再将渗透力作为体载荷施加到应力场中去，计算出下一步的应力值，图14为初始地应力场反演程序框图。

进一步，耦合理论模型中，砂岩为弹塑性模型，泥岩为MAXWELL蠕变模型，渗流对应力的作用通过孔隙压力为体积力来实现，应力对渗流的作用，通过基于岩石应变的损伤变量来实现。

进一步，基于遗传算法的初始地应力场反演方法为:假设有n个反演变量，记为a＝(a1,a2,...an)，则可利用遗传算法的3个基本操作(即选择、交叉和变异)模拟自然选择和自然遗传过程的繁殖、交配和变异现象，从待反演参数组成的解种群中逐代产生新的群体，比较个体，如此循环，最终搜索到最优个体，从而得到反演的物理力学参数。

进一步，由于地应力是随时间、空间而变化的非稳定场，因此，故引入智能优化的方法，进行初始地应力场反演，采用全局优化的遗传算法对初始地应力进行反演，获得初始地应力场，采用渗流场和应力场耦合的数学模型并结合ABAQUS有限元软件，基于ECLIPS油藏数值模拟软件先对区块生产历史进行拟合，然后结合ABAQUS有限元软件分析该区块注入水渗漏量影响因素，得出断层窜流量随各影响因素的变化规律，最后对油井流压、日注水量、注水井流压等可人为控制的注采参数进行优化，以减少窜流量为目标，最终实现油田开发注采参数的最优化。进一步，考虑夹层和不考虑夹层两种情况下的渗漏窜流数值模拟：传统研究中将夹层视为不可渗流的区域，这与实际工况不符，故本分析方法中赋予夹层现场测得的渗透率与孔隙度等参数，真实还原了现场地质条件(如图16所示)；首先对考虑含夹层和不含夹层两种情况对储层注入水的去向进行分析，揭示夹层对渗漏和窜流的影响；然后选择双孔双渗模型对夹层窜流进行分析，对比两种模型合理性，在该区块生产动态历史拟合的基础上再分析夹层窜流量影响因素，得出夹层窜流量随各影响因素的变化规律，最后对可人为控制的注采参数进行优化，以减少夹层的窜流量为目标，优化出茂11区块最优注采参数(如图17,18,19,20所示)。

进一步，分析了注采参数变化对泥岩窜流和断层窜流的影响：储层中由于构造地应力作用，存在有大量的断层，使得储层中注入相当一部分沿断层渗漏，断层在开发过程中的形态是变化的，尤其随着储层有效应力的的改变而变化，当储层注水井流压超过岩石的最大主应力时，储层中的断层就会过度成为大裂缝，这时的窜流量就会大大提高，且随着注采参数的变化，注入水渗漏会越严重，通过利用扩展有限元法(数值模型如图21所示)分析了流固耦合作用下断层对窜流量的影响，最终实现油井流压、日注水量、注水井流压(如图22,23,24所示)等可人为控制的注采参数的优化。

进一步，茂11区块渗漏、窜流防控方法为：该区块微裂缝发育，裂缝在开发中起着十分重要的作用。为了防止开发过程中非东西向微裂缝开启，建议采取低压、低量、平稳注水，注水压力控制在11MPa，采油强度控制在2.5m3/(m.d)以下。同时根据裂缝发育情况，采用线状注水、周期注水的方式提高该区块的油井受效程度。生产过程中，应加强裂缝动态监测，根据不同方向裂缝的开启状况，适时动态调整井网系统。

进一步，升382区块渗漏、窜流防控方法：开发过程中，断层承受张应力作用，随着注水压力的升高而密封性发生破坏，从而使得注入水沿断层流失。因此，注水压力保持在断层破裂带吸水压力之下至关重要，建议注水压力控制在14MPa以下，以防止注水导致断层破碎带某些层位开启，注入水沿断层破碎带窜流，使断层起不到密封作用。同时，对夹层分布情况调查清楚，针对不同隔夹层分布特征，结合断层展布一起考虑进行井网调整可以提高该区块的开发效果。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法，其特征在于，所述的注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法包括：

步骤一、选取区域内典型的泥岩，进行不同含水率下的室内试验，获取不同含水率下泥岩的弹性模量、抗压强度、粘聚力、内摩擦角、蠕变特征、吸水膨胀特征力学参数及渗透率、孔隙率、饱和度渗流参数；

步骤二、建立根据套管变形数据反演套变点地层应力和变形的反演模型，根据现场统计的实际套变情况，反演套变处的地层应力分布情况和地层变形情况；

步骤三、对整个区域进行综合地质调查，清楚各地层的基本地质属性、区域内断层的分布情况及各地层的层间集合情况，在此基础上建立整个区块的Petrel地质模型，对其中的断层及层间结合进行精细建模，并转化为有限元模型；

步骤四、针对典型的高压注水方案，基于流-固耦合理论，进行整个区域内流固耦合计算，得出整个区域内的压力场分布情况、油水饱和度分布情况和整个区域内的地层变形趋势；在此基础上，选取典型的井组进行精细分析，获取井组内压力场分布、油水饱和度分布和地层变形情况；

步骤五、将每种可能的渗漏、窜层及沿断层流走情况作为一种工况，进行多工况组合计算；以压力、油水饱和度、地层变形数据的计算值与监测值或反演值之间的残差最小为优化目标，以工况组合为优化变量，建立优化模型，研究高效的优化算法，对该优化模型进行求解，寻找与监测数据差异最小的工况组合；

步骤六、针对渗漏、窜层及断层流失三种形式，给出不同流失位置和不同流失方式的防控措施；

步骤七、总结发生渗漏、窜层、沿断层流失时的地层条件、生产参数的基本规律，对不同类型针油藏发生渗漏、窜层、沿断层流失的可能性进行预测，并提出预防措施。

2.如权利要求1所述的注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法，其特征在于，不同含水情况下的泥岩力学实验包括含水量对泥岩力学性质的影响的实验和含水量对泥岩蠕变特性的影响的实验；

含水量对泥岩力学性质的影响的实验的具体方法为选取不同岩心开展不同含水量下泥岩单轴抗压强度试验；

含水量对泥岩蠕变特性的影响的实验的具体方法为分别对不同岩心进行相同压力情况下进行不同含水量试样的蠕变试验。

3.如权利要求1所述的注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法，其特征在于，考虑泥岩蠕变及流固耦合作用的理论模型中的砂岩弹塑性模型为：

砂岩采用弹塑性初应力法进行计算，砂岩弹塑性力学模型由平衡微分方程、几何方程、弹塑性本构方程组成，包括含屈服准则、流动法则、增量形式的应力应变关系；

(1)考虑有效应力作用的油藏岩土变形的平衡微分方程为：

σ_ij,j-(αδ_ijp)_,j+f_i＝0

(2)岩土变形的几何方程为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}(u_{i,j}+u_{j,i})$

式中：ε_ij为应变张量；u为位移；

(3)本构方程，变形场本构方程采用弹塑性本构方程，本构方程增量形式为：

{dσ′_ij}＝[D_ep]{dε_ij}

式中：dσ′_ij为有效应力增量；[D_ep]为弹塑性矩阵；dε_ij为应变增量；

塑性准则采用Drucker-Prager准则，Drucker-Prager准则的形式为： $F=\mathrm{\α}{I}_1+J_2^{1/2}-S$ ，式中

J₂为应力第二偏张量不变量，C为粘结力，为内摩擦角；

油藏岩土变形场的边界条件有两种：

(1)岩土骨架的表面力已知，表示为：

σ_ijL_j＝s_i(x,y,z)

式中：L_j为边界的方向导数；s_i为表面力分布函数；

(2)岩土骨架的表面位移已知，表示为：

u_i＝g_i(x,y,z)

式中：g_i为表面位移分布函数；

用有限元方法求解流固耦合岩土弹塑性变形问题的步骤为：首先将油藏空间离散化，以节点位移为基本未知量，利用虚功原理建立单元结点力和结点位移之间的平衡方程，解方程求得位移矢量后，再由几何方程求得应变，由本构方程求得应力分布。

4.如权利要求1所述的注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法，其特征在于，考虑泥岩蠕变及流固耦合作用的泥岩蠕变模型为：

泥岩流变模型，用非线性MAXWELL模式表示的泥岩蠕变方程式：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_3}{E}\exp \left(\mathrm{aW}\right)+\frac{{({\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_3)}^N}{C}\exp \left(\frac{B}{W_0-W}\right)\·t$

式中：ε₁为轴向应变；σ₁为轴向应力；σ₃为围压；W为泥岩的含水量；W₀为地层压力条件下泥页岩的饱和含水量；B，E，C，a为岩石的流变参数；t为时间，N为非线性指数。

5.如权利要求1所述的注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法，其特征在于，渗流-应力各模块的衔接的具体方法为：

(1)砂岩、泥岩层间载荷的作用计算:注采过程中孔隙压力变化导致砂岩段变形，砂岩段的变形传递到泥岩层，使泥岩段受到挤压作用，变形通过三段蠕变曲线来进行计算，由于其强度较小，当其承载过大时，所承受的力又转移到砂岩层断，在同一时间，这种交互作用迭代进行，最终达到平衡；

(2)地层与套管交互作用模型：基于目前PETREL所建地质模型，考虑实际地层条件，重新建立与渗流计算相适应的新的应力计算模型；考虑大规模多井区块，由于尺寸效应的影响，引入井单元，对井附近采用二次网格法加密计算；对断层采用等效连续介质理论，并附法向和切向刚度反映断层的滑移等特征；有限差分网格与有限元网格之间的相互转换，实现了地质模型与有限元计算模型的完美衔接；

通过对ECLIPS油藏数值模拟软件与有限元计算软件Abaqus源代码的解剖，输入到输出过程中的数据流格式，将输出油藏压力数据转换为适用于应力计算的体积力载荷，并施加到应力场计算模型中，从而实现渗流－应力各个模块的衔接。

6.如权利要求1所述的注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法，其特征在于，初始地应力场反演的遗传算法及实现过程为：

采用等效连续介质模型，基于该模型的渗流-应力耦合的有限元计算采用迭代法，首先计算出初始的应力场，根据各点的应力张量确定出该处的渗透系数张量；然后求解渗流场，计算出各点的渗透力；再将渗透力作为体载荷施加到应力场中去，计算出下一步的应力值。

7.如权利要求1所述的注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法，其特征在于，耦合理论模型中，砂岩为弹塑性模型，泥岩为MAXWELL蠕变模型，渗流对应力的作用通过孔隙压力为体积力来实现，应力对渗流的作用，通过基于岩石应变的损伤变量来实现。

8.如权利要求1所述的注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法，其特征在于，基于遗传算法的初始地应力场反演方法为:有n个反演变量，记为a＝(a1,a2,...an)，则利用遗传算法的3个基本操作即选择、交叉和变异模拟自然选择和自然遗传过程的繁殖、交配和变异现象，从待反演参数组成的解种群中逐代产生新的群体，比较个体，如此循环，最终搜索到最优个体，从而得到反演的物理力学参数。

9.如权利要求1所述的注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法，其特征在于，采用遗传算法对初始地应力进行反演，获得初始地应力场，反演过程为：有出事地应力n个反演变量，记为a＝(a1,a2,...an)；则利用遗传算法的3个基本操作即选择、交叉和变异模拟自然选择和自然遗传过程的繁殖、交配和变异现象，从待反演参数组成的解种群中逐代产生新的群体，比较个体，如此循环，最终搜索到最优个体，从而得到反演的初始地应力参数；基于砂岩弹塑性模型、泥岩蠕变模型岩石力学理论与渗流力学理论，构建了考虑砂岩与泥岩层间载荷、地层与套管交互作用的渗流场和应力场耦合的数学模型；并基于ECLIPS油藏数值模拟软件先对区块生产历史进行拟合，然后结合ABAQUS有限元软件分析该区块注入水渗漏量影响因素，得出断层窜流量随各影响因素的变化规律，最后对油井流压、日注水量、注水井流压人为控制的注采参数进行优化，以减少窜流量为目标，最终实现油田开发注采参数的最优化。

10.如权利要求1所述的注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法，其特征在于，考虑夹层和不考虑夹层两种情况下的渗漏窜流数值模拟：传统研究中将夹层视为不可渗流的区域，这与实际工况不符，故本分析方法中赋予夹层现场测得的渗透率与孔隙度参数，真实还原了现场地质条件；首先对考虑含夹层和不含夹层两种情况对储层注入水的去向进行分析，揭示夹层对渗漏和窜流的影响；然后选择双孔双渗模型对夹层窜流进行分析，对比两种模型合理性，在该区块生产动态历史拟合的基础上再分析夹层窜流量影响因素，得出夹层窜流量随各影响因素的变化规律，最后对可人为控制的注采参数进行优化，以减少夹层的窜流量为目标，优化出最优注采参数；

该注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法，分析了注采参数变化对泥岩窜流和断层窜流的影响：储层中由于构造地应力作用，存在有大量的断层，使得储层中注入相当一部分沿断层渗漏，断层在开发过程中的形态是变化的，尤其随着储层有效应力的的改变而变化，当储层注水井流压超过岩石的最大主应力时，储层中的断层就会过度成为大裂缝，这时的窜流量就会大大提高，且随着注采参数的变化，注入水渗漏会越严重，通过利用扩展有限元法分析了流固耦合耦合作用下断层对窜流量的影响，最终实现油井流压、日注水量、注水井流压人为控制的注采参数的优化；

该注入流体渗漏、窜流机理及防控方法的数值分析方法渗漏、窜流防控方法为：

该区块微裂缝发育，采取低压、低量、平稳注水，注水压力控制在11MPa，采油强度控制在2.5m³/(m.d)以下；同时根据裂缝发育情况，采用线状注水、周期注水的方式提高该区块的油井受效程度；生产过程中，应加强裂缝动态监测，根据不同方向裂缝的开启状况，适时动态调整井网系统；

开发过程中，断层承受张应力作用，随着注水压力的升高而密封性发生破坏，从而使得注入水沿断层流失；因此，注水压力保持在断层破裂带吸水压力之下至关重要，建议注水压力控制在14MPa以下，以防止注水导致断层破碎带某些层位开启，注入水沿断层破碎带窜流，使断层起不到密封作用；同时，对夹层分布情况调查清楚，针对不同隔夹层分布特征，结合断层展布一起考虑进行井网调整提高该区块的开发效果。