CN108843303A - 一种基于泥岩蠕变模型的油水井套管损坏预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于泥岩蠕变模型的油水井套管损坏预测方法，该方法具体为：首先基于物质平衡法，计算出含水量，然后由不同含水量下的泥岩蠕变试验，获得不同应力、不同含水率下泥岩应变随时间变化的蠕变曲线，代入蠕变方程计算得到蠕变模型参数E₁,E₂,E₃，η₁,η₂,η₃，a，将所得参数代入到新的泥岩蠕变方程，使其变为显式方程，再根据所求含水量和新的泥岩蠕变方程对套管受力进行数值模拟，得到井周泥岩和套管的应力分布，最后将所得应力代入含有孔隙压力的Mohr‑Coulomb强度准则，从而判断套管是否损坏。由于本发明考虑含水率的变化对泥岩物理性质以及流变性的影响，因此，具有更好适用性和准确性。

Description

一种基于泥岩蠕变模型的油水井套管损坏预测方法

技术领域

本发明属于油气田开发领域，具体涉及一种基于泥岩蠕变模型的油水井套管损坏预测方法。

背景技术

多数油气储层岩性为砂岩、泥岩，而这一类围岩遇水后有一个蠕变反应。在这个过程中，地层的不均匀变化将导致套管受到剪应力超过套管最大抗剪强度，造成套管的损坏。特别是油井注水开发过程中，由于注入水沿着射孔与岩层裂隙窜入软岩层，将会加快岩层蠕变的速率，使套管周围岩层中应力重新分布，位移随着发生变化，严重的话，将导致套管发生错断。

目前，国内外主要通过试验、理论计算、以及有限元模型分析的方法来预测围岩蠕变是否导致套管剪切破坏。其中，通过室内蠕变试验来分析岩石蠕变对于套管的剪切破坏，可以看出蠕变试验可以计算出蠕变过程中岩石的应力与应变，同时利用实验结果可以推导出地层对套管产生的剪切力。但其计算与推导结果精确程度不够，且计算与推导的过程繁琐，不适合大规模油水井套管损坏的分析判断。对于运用理论计算研究套管损坏的方法，主要集中与数学方法和元件模型计算，其中元件模型是模拟泥岩蠕变过程最常用的方法，这些分析为岩层对套管的剪切力计算提供了相应的理论基础。但也有各自的缺陷，有的无法模拟泥岩蠕变过程中某些阶段，有的模型本构过于复杂，使模型适应性较差，而且不能描述由于含水率的变化对于泥岩物理性质以及其流变性的影响，从而影响套管损坏的分析结果。有限元模型分析法虽可直观的反映套管剪切应力的变化情况，为岩层蠕变模型的建立提供一定的方向，但仍然存在计算条件简化、计算量大，模型收敛性差，结构不精确等缺点，不易单独用于分析预测油井套管损坏。因此，现有的油井套管损坏预测方法均存在一定程度的不足，不适合大量应用于现场实践。而目前需要的预测油水井套管损坏的方法应该具有以下特点：(1)实施时对于模型本构以及相关参数要求低，可适用性强，不需要事先获得大量的基础数据，就可分析预测油水井套管是否损坏。(2)基础理论完善，思路简洁直观，可操作性强，且能获得较准确的预测结果。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于泥岩蠕变模型的油水井套管损坏预测方法，用于分析预测油水井套管是否损坏，具有更好适用性和准确性，并提出一种新的泥岩蠕变模型，可为模拟含水量变化下井周泥岩蠕变的过程以及分析预测油水井套管损害提供了理论依据。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于泥岩蠕变模型的油水井套管损坏预测方法，其包括以下步骤：

步骤一：基于物质平衡法，通过油田注采比的变化计算出含水量；其计算公式为：

ΔQ_if＝(1-1/IPR)Q_i (2)

式中，IPR为注采比，ρ₀为地面脱气原油密度，B_0i为原始原油体积系数，B_w为地层水体积系数，Q₀为原始产油量对时间的导数，Q_i为累计注水量对时间的微分，Q_w为累计产水量对时间的微分，ΔQ_if为地下年注采液量差；

步骤二：通过在不同的应力、时间及含水率的条件下，进行泥岩蠕变试验，而得到泥岩蠕变试验曲线，再将泥岩蠕变试验曲线的数据代入含水元件模型蠕变方程(3)中，从而计算得到含水元件模型参数E,η,a；其中，所述含水元件模型蠕变方程公式如下：

式中，ε为轴向应变，σ为轴向应力，w为泥岩含水率，w₀为地层条件下泥岩饱和含水率，w₁为泥岩处于稳定状态的含水率，t为时间，E,η,a分别为弹性元件的弹性系数、粘性元件的粘性系数和岩石流变参数；

步骤三：根据步骤二中所得的泥岩蠕变试验曲线，将不同应力、不同含水率下应变随时间变化数据，代入新泥岩蠕变方程(4)～(6)，并结合公式(7)～(8)计算出模型参数E₁,E₂,E₃，η₁,η₂,η₃，其中E₃，η₃分别为步骤二中计算出的含水元件模型参数E，η，计算公式如下：

当σ<σ_s时，

当σ≥σ_s,w<w₁时，

当σ≥σ_s,w≥w₁时，

式中ε为轴向应变，σ为轴向应力，w为泥岩含水率，w₀为地层条件下泥岩饱和含水率，w₁为泥岩处于稳定状态的含水率，t为时间，E₁,E₂,E₃为弹性元件的弹性系数；η₁,η₂,η₃为粘性元件的粘性系数；σ_s为岩石的屈服应力或长期强度；

将上述计算得到的模型参数E₁,E₂,E₃，η₁,η₂,η₃，a，代入到新泥岩蠕变方程(4)～(6)中，而得到不同应力、不同含水率下的新泥岩蠕变方程的显式方程；

步骤四：根据步骤一所得的含水率，结合步骤三所得的新泥岩蠕变方程，应用数值模拟软件对不同套管位置、不同注采比下套管受力进行数值模拟，得到井周泥岩应力和套管的主应力分布；

步骤五：采用公式(9)来计算套管应力系数M，并根据计算出的套管盈利系数M，判断套管是否发生损坏；其中，若M>0，则表示套管发生损坏，否则，表示套管未发生损坏；应力系数M的计算公式为：

式中σ₁为最大主应力，σ₃为最小主应力，为泥岩剪切面上内摩擦角，c为黏聚力，p₀为泥岩所受的孔隙压力。

根据一种具体的实施方式，在步骤四中，采用的所述数值模拟软件为流固耦合有限元软件。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明基于泥岩蠕变模型的油水井套管损坏预测方法，首先基于物质平衡法，通过注采比计算出含水量，然后将含水率有关的含水元件模型引入西原模型，从而建立泥岩新的蠕变模型，通过泥岩蠕变试验，求得蠕变方程的相关模型参数，得到新泥岩蠕变模型的显式蠕变方程。再根据得到的出含水量与新的泥岩蠕变方程，对套管受力进行数值模拟，得到井周泥岩应力和套管周边主应力分布，最后将所得套管所受主应力代入含有孔隙压力的Mohr-Coulomb强度准则，进而判断套管是否损坏。由于本发明考虑含水率的变化对泥岩物理性质以及流变性的影响，因此，具有更好适用性和准确性。

附图说明：

图1为本发明的流程示意图；

图2为含水元件模型的示意图；

图3为新的泥岩蠕变模型结构示意图；

图4为模拟区块井位分布图；

图5为模拟S177区块1990年应力分布情况；

图6为模拟S177区块2000年应力分布情况；

图7为模拟S177区块2010年应力分布情况。

具体实施方式

以下结合附图及现场运用实例，对本发明进一步详细说明。

以我国北部某油田中一井网(S177区块)为例，包括一个注水井和六个采油井。储层表现出一定的均质性，在砂体内部渗透率和孔隙度变化均衡，但是砂泥岩互存的层间渗透率和孔隙度变化较大。在储层上部基本为盖层，砂体不发育。在储层下部砂体发育较好，孔隙参数分布较均匀。

如图1所示，根据步骤一，通过不同注采比参数来计算不同含水量。由表1中的数据可知目标区块注采时注采比通过测井数据确定，因此含水量可以通过物质平衡法求得。本发明采用的是屈斌学在《油藏注采比计算方法综述[J].石油化工应用，2009，28(5)：7-11》提及的物质平衡法。

表1注采比方案工艺参数

接着，如图2和图3分别所示的含水元件模型与新的泥岩蠕变模型的结构示意图；通过在不同含水量条件下进行泥岩蠕变试验所得到的泥岩蠕变试验曲线，并通过步骤二和步骤三中(3)～(8)式计算得到模型参数E₁,E₂,E₃，η₁,η₂,η₃，a，再将计算出的模型参数E₁,E₂,E₃，η₁,η₂,η₃，a代入到方程(4)～(6)，使其为显式蠕变方程。本发明中有关泥岩新蠕变模型参数是采用不同含水情况下该油田泥岩的蠕变试验所得到的泥岩蠕变参数(黄小兰，杨春和，刘建军，等.不同含水情况下的泥岩蠕变试验及其对油田套损影响研究[J].岩石力学与工程学报，2008,27(增2)：3477-3482.)(刘合，王秀喜.大庆油田泥岩黏弹性本构方程及套管受力计算[J].中国科学技术大学学报，2005，35(1)：118–123.)，具体见表2，此处不再重复求取。

表2泥岩蠕变参数

然后，步骤四，主要根据步骤一所得含水量以及步骤三所得显式泥岩蠕变方程，结合表1和表3中的数据运用流固耦合有限元软件建立数值模型，针对不同注采参数下的套管受力进行模拟。其表3中数据为套管、围岩、水泥环计算模型的几何及力学参数。S177区块包括一个注水井和六个采油井，见图4，模型长和宽分别为1000m和650m，S72-46iw为注水井，其余为采油井。模型竖向分为13层，4-6、9-11层为泥岩层，计算模拟时间为10年。套管采用J55套管，数值模型计算中所采用的物理力学参数以及注采比方案工艺参数见表1、表3。

表3区块井基本参数

步骤五，采用表1、表3中的数据，结合步骤四中的计算结果，计算应力系数M值，用含有孔隙压力的Mohr-Coulomb强度准则，来判断套管是否损坏。

观察图5、图6、图7可知，随着时间推移，S177区块应力分布呈现一种规律，应力首先集中在泥岩层段，在这些层位上，应力逐渐扩展，使套管跟随地层发生较大偏移，出现剪切破坏；随着注采开发的逐渐深入，地层中剪应力逐渐增大。

按照本发明的方法，可以预测S177区块中S72-44井套管将发生损坏，也能预测S177区块中S72-46井套管，在长期注水开发过程中，中间层的泥岩夹层在长期浸水过程中，逐渐软化蠕变，导致应力发生较大变化，最终导致套管发生损坏。

而实际发生的情况则是：该区块S72-44井为一口采油井，于2008年4月发现套管损坏；S72-46井为注水井，2007年4月发现套管损坏。因此，实际发生的情况与本发明预测结果十分相似，说明本发明提出的注采井套管损坏的预测方法较为合理，可为套损预防与修复措施提供有利的参考。

Claims (2)

1.一种基于泥岩蠕变模型的油水井套管损坏预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：基于物质平衡法，通过油田注采比的变化计算出含水量，其计算公式为：

△Q_if＝(1-1/IPR)Q_i (2)

式中，IPR为注采比，ρ₀为地面脱气原油密度，B_0i为原始原油体积系数，B_w为地层水体积系数，Q₀为原始产油量对时间的导数，Q_i为累计注水量对时间的微分，Q_w为累计产水量对时间的微分，△Q_if为地下年注采液量差；

步骤二：通过泥岩蠕变试验，得到泥岩蠕变试验曲线，并将所述泥岩蠕变试验曲线的数据代入含水元件模型蠕变方程(3)中，而计算出含水元件模型参数E,η,a；其中，所述含水元件模型蠕变方程如下：

式中，ε为轴向应变，σ为轴向应力，w为泥岩含水率，w₀为地层条件下泥岩饱和含水率，w₁为泥岩处于稳定状态的含水率，t为时间，E,η,a分别为弹性元件的弹性系数、粘性元件的粘性系数和岩石流变参数；

步骤三：根据步骤二中所得的泥岩蠕变试验曲线，将不同应力、不同含水率下应变随时间变化数据，代入新泥岩蠕变方程(4)～(6)，并结合公式(7)～(8)计算出模型参数E₁,E₂,E₃，η₁,η₂,η₃，其中E₃，η₃分别为步骤二中计算出的含水元件模型参数E，η，计算公式如下：

当σ<σ_s时，

当σ≥σ_s,w<w₁时，

当σ≥σ_s,w≥w₁时，

式中ε为轴向应变，σ为轴向应力，w为泥岩含水率，w₀为地层条件下泥岩饱和含水率，w₁为泥岩处于稳定状态的含水率，t为时间，E₁,E₂,E₃为弹性元件的弹性系数；η₁,η₂,η₃为粘性元件的粘性系数；σ_s为岩石的屈服应力或长期强度；

将上述计算得到的模型参数E₁,E₂,E₃，η₁,η₂,η₃，a，代入到新泥岩蠕变方程(4)～(6)中，而得到不同应力、不同含水率下的新泥岩蠕变方程的显式方程；

步骤四：根据步骤一所得的含水率，结合步骤三所得的新泥岩蠕变方程，应用数值模拟软件对不同套管位置、不同注采比下套管受力进行数值模拟，得到井周泥岩应力和套管的主应力分布；

步骤五：采用公式(9)来计算套管应力系数M，并根据计算出的套管盈利系数M，判断套管是否发生损坏；其中，若M>0，则表示套管发生损坏，否则，表示套管未发生损坏；应力系数M的计算公式为：

式中σ₁为最大主应力，σ₃为最小主应力，为泥岩剪切面上内摩擦角，c为黏聚力，p₀为泥岩所受的孔隙压力。

2.如权利要求1所述的基于泥岩新蠕变模型的油水井套管损坏预测方法，其特征在于，在步骤四中，采用的所述数值模拟软件为流固耦合有限元软件。