CN109033504B - 一种油水井套管损坏预测方法 - Google Patents

一种油水井套管损坏预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种油水井套管损坏预测方法，它涉及油气井采油工程技术领域。其步骤为：基于近井筒储层物性参数、储层结构参数、套管参数及注水参数，建立套管损坏的影响因素体系；根据监测井油井测试数据建立数值计算模型，对数值计算模型进行校验，对套损影响因素进行敏感性分析，确定套管损坏的关键控制因素，提取表征套管损坏的临界应变、套管的真实应变与关键控制因素相关性的二次多项式回归方程，获得套管临界应变与真实应变的预测方程；依据优化后预测方程，预测套管的损坏状况。本发明能针对不同区块准确预测套管损坏的主控因素，便于根据预测结果采取减缓措施，以降低套损率及避免成片套损，对指导注水开发油藏套管的风险评价极具价值。

Description

一种油水井套管损坏预测方法
技术领域
本发明涉及的是油气井采油工程技术领域，具体涉及一种油水井套管损坏预测方法。
背景技术
油水井套损是国内外诸多油田长期存在的问题，随着油田生产规模的扩大和开采程度的深入，套损井总数还在迅速增加，不仅给油田带来直接经济损失，还会影响正常生产。
套损预测是套损治理的关键，国内外学者针对套管损坏的机理、套管损坏的修复方法以及套管损坏的影响因素进行了大量的理论及实验研究，但在套管损坏预测方法方面报道较少。由于引起套管损坏的控制因素较多，例如：地质条件(泥岩、层理页岩、盐岩)、采注条件、套管的工作年限(腐蚀状况不同)、套管型号，造成不同油田间的主控因素差异较大，因此，需要在套管损坏方面通过井筒附近地应力场数值模拟及数据统计，形成一套套管损坏预测方法。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种油水井套管损坏预测方法，能针对不同区块准确预测套管损坏的主控因素，便于根据预测结果采取减缓措施，以降低套损率及避免成片套损，对指导注水开发油藏套管的风险评价极具价值。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种油水井套管损坏预测方法，其步骤为：
S1：根据井筒中地层的物性参数、地层的结构参数、套管参数及注水参数，建立套管损坏影响因素体系；所述套管损坏影响因素体系包括：地层弹性模量、泊松比、地层渗透率、地层厚度、地层倾角、套管材料、套管尺寸、注水压力、注水时间；
S2：根据井筒测试数据，利用数值模拟软件，建立套损层段包含所述影响因素体系实测数据的数值计算模型；
S3：针对研究区块选取测试井，对测试井进行测试，测试套管外压力、应变及变形随时间的变化，根据前述数值模型对测试井建立模型，将测试数据与数值模拟数值进行对比，验证数值模型的准确性，并以测试井作为标准井对所述套管损坏影响因素体系进行敏感性分析，进而确定套管损坏的关键控制因素；
S4：根据正交实验设计方法，对确定的套管损坏关键控制因素进行实验，形成控制因素与套管损坏过程中真实应变的离散关系数据序列，采用数据统计分析方法，提取套管损坏与控制因素相关性的二次多项式回归方程，形成套管真实应变与临界应变的预测函数；
S5：根据套管损坏与控制因素的数学函数方程，预测套管的损坏状态。
作为优选，所述的步骤S2具体包括：
S2.1：根据所选油井区块提取套损井的油井数据，设定所述数值模型的初始条件及边界条件；
S2.2：在所述数值模型中预设岩体材料，套管变形类型设置岩体材料为扩展的D-P泥岩蠕变模型，套管错段类型设置岩体材料为节理材料与M-C模型的结合模型。
作为优选，所述的步骤S3具体包括：
S3.1：根据监测井油井参数，建立地层—水泥环—套管数值模型，取现场测试井套管外压力为载荷条件，将计算的套管真实应变与监测的真实应变数据进行对比，验证数学模型的正确性；
S3.2：分别取所述套管损坏影响因素体系实测数据的50％、75％、100％、125％和150％，建立套管损坏影响因素的五种参数序列值；
S3.3：将五种参数序列值导入到标准模型中，并计算相应的套管真实应变及临界应变值；
S3.4：对五种参数序列值对套管损坏的影响程度进行敏感性分析，将敏感性因子不为0的影响因素作为套管损坏关键控制因素。
作为优选，所述的步骤S4具体包括：
S4.1：对确定的套管损坏控制因素进行五种参数系列值数值实验，其中五种参数序列值为实测控制因素的50％、75％、100％、125％和150％；
S4.2：根据所述的正交实验设计方法，得到N组套管损坏控制因素组合，将N中控制因素组合导入到标准模型中，分别计算套管损坏过程中的真实应变与临界应变；
S4.3：以S4.2中计算的到处的N组控制因素组合对应的套管真实应变与临界应变作为预测响应值，并利用数据统计方法做方差分析，提取所述的二次多项式回归方程，形成套管损坏与关键控制因素的数学函数方程。
作为优选，所述的步骤S5包括：依据步骤S4.3获得的套管的临界应变与真实应变的预测方程，在一定的井况下可以预测套管的临界应变值及套管发生的真实应变，若εzs＞εlj，则套管失稳变形，若εzs≤εlj，则套管稳定，发生失稳破坏。
本发明的有益效果：本方法针对套管在储层内的变形情况，研究各控制因素对套管应变及变形的影响，通过对套管应变及变形的数据统计研究和参数的优化组合设计，获得套管变形及应变的关键控制因素及与各因素间的函数方程，并依此评估套管的安全性，降低油水井套损给油田带来的经济损失，保证油田的正常生产。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明套损监测井套管应变检测值与数值模拟的对比图；
图3为本发明实施例的数值模型示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1-3，本具体实施方式采用以下技术方案：一种油水井套管损坏预测方法，其步骤为：
S1：根据井筒中地层的物性参数、地层的结构参数、套管参数及注水参数，建立套管损坏影响因素体系；所述套管损坏影响因素体系包括：地层弹性模量、泊松比、地层渗透率、地层厚度、地层倾角、套管材料、套管尺寸、注水压力、注水时间。
S2：根据井筒测试数据，利用数值模拟软件，建立套损层段包含所述影响因素体系实测数据的数值计算模型，具体包括：
S2.1：根据所选油井区块提取套损井的油井数据，设定所述数值模型的初始条件及边界条件；
S2.2：在所述数值模型中预设岩体材料，套管变形类型设置岩体材料为扩展的D-P泥岩蠕变模型，套管错段类型设置岩体材料为节理材料与M-C模型的结合模型。
S3：针对研究区块选取测试井，对测试井进行测试，测试套管外压力、应变及变形随时间的变化，根据前述数值模型对测试井建立模型，将测试数据与数值模拟数值进行对比，验证数值模型的准确性，并以测试井作为标准井对所述套管损坏影响因素体系进行敏感性分析，进而确定套管损坏的关键控制因素，具体包括：
S3.1：根据监测井油井参数，建立地层—水泥环—套管数值模型，取现场测试井套管外压力为载荷条件，将计算的套管真实应变与监测的真实应变数据进行对比，验证数学模型的正确性；
S3.2：分别取所述套管损坏影响因素体系实测数据的50％、75％、100％、125％和150％，建立套管损坏影响因素的五种参数序列值；
S3.3：将五种参数序列值导入到标准模型中，并计算相应的套管真实应变及临界应变值；
S3.4：对五种参数序列值对套管损坏的影响程度进行敏感性分析，将敏感性因子不为0的影响因素作为套管损坏关键控制因素。
S4：根据正交实验设计方法，对确定的套管损坏关键控制因素进行实验，形成控制因素与套管损坏过程中真实应变的离散关系数据序列，采用数据统计分析方法，提取套管损坏与控制因素相关性的二次多项式回归方程，形成套管真实应变与临界应变的预测函数，具体包括：
S4.1：对确定的套管损坏控制因素进行五种参数系列值数值实验，其中五种参数序列值为实测控制因素的50％、75％、100％、125％和150％；
S4.2：根据所述的正交实验设计方法，得到N组套管损坏控制因素组合，将N中控制因素组合导入到标准模型中，分别计算套管损坏过程中的真实应变与临界应变；
S4.3：以S4.2中计算的到处的N组控制因素组合对应的套管真实应变与临界应变作为预测响应值，并利用数据统计方法做方差分析，提取所述的二次多项式回归方程，形成套管损坏与关键控制因素的数学函数方程。
S5：根据套管损坏与控制因素的数学函数方程，预测套管的损坏状态：依据步骤S4.3获得的套管的临界应变与真实应变的预测方程，在一定的井况下可以预测套管的临界应变值及套管发生的真实应变，若εzs＞εlj，则套管失稳变形，若εzs≤εlj，则套管稳定，发生失稳破坏。
本具体实施方式通过选取套管损坏中涉及到储层岩体物性参数、地层的结构参数、套管参数及注水参数作为套管损坏的影响因素，并通过套管损坏影响因素的敏感性分析，有效的判定了套管损坏的关键控制因素，采取正交实验设计方法，对关键控制因素进行全因子数值实验，获得套管损坏关键控制因素及其交互作用的显著性，并形成了套管损坏应变变化与控制因素的数学函数方程，实现目标区块油水井套管损坏的判定。
实施例1：一种油水井套管损坏的预测方法，包括如下步骤：
S1：基于套管发生损坏的条件，建立套损的影响因素体系，该体系包括：地层弹性模量、泊松比、地层渗透率、地层厚度、地层倾角、套管强度、套管尺寸、注水压力、注水时间；
S2：选取某油田区块作为研究对象，选取监测井，监测井油井参数见表1，根据监测井测井数据，并利用数值模拟软件(ABAQUS)，建立检测井段包含步骤S1影响因素体系实测数据的数值模型。
表1监测井段储层岩体及套管参数
Figure BDA0001692741480000061
Figure BDA0001692741480000071
S2.1，根据表1中数据，标准层厚度为2.6m，上下砂岩厚度分别为3.2与4.4m，模型长宽分别取5m，套管采用三维8节点结构化单元(C3D8R)，地层及水泥环采用三维八节点孔压结构化单元(C3D8RP)，模型划分17676个单元，从而构建出监测储层地层—水泥环—套管的数值模型。
S2.2，设定数值模型的初始条件及边界条件，模型边界条件：模型上表面施加X、Y方向位移约束；底面不允许有刚性位移，在底面施加X、Y、Z方向的位移约束；外表面施加X和Y方向的位移约束，以模拟周围地层岩石对模型的横向约束作用，模型初始条件：储层岩石在地下受到赋存的地应力场，岩石自重的作用，地层单侧承受注水压力作用，套管内部承受井筒采出液压力作用，在地层上、下表面及周面上施加初始渗透压力9.5MPa，储层饱和系数为1.0，初始孔隙度为0.5。
分两步计算，第一步采用重力步施加套管、水泥环及地层初始地应力场，模拟地层初始的应力赋存状态；第二步，模拟注水过程，在标准层(油层)外表面施加注水压力45MPa(测试压力)，持续作用时间为1年(监测时间)。
S3：将步骤S2建立的地层—水泥环—套管的数值模型作为标准模型，对步骤S1中建立的套管损坏的影响因素进行敏感性分析，以确定套管损坏的关键控制因素。
基于标准模型进行影响因素敏感性分析时，所采用的具体方法如下：
S3.1：依据监测井的监测时间及套管外压力变化，施加在步骤S2建立的数值计算模型，计算得到套管外真实应变的变化规律，并与测试的套管外真实应变对比，误差率在2.3％-7.6％之间，验证了模型的可靠性。
S3.2：分别取实测因素的50％、75％、100％、125％和150％五种参数序列值，表2为五种套管损坏影响因素的参数取值表。
表2五种套管损坏影响因素的参数取值表
Figure BDA0001692741480000081
S3.3：将五种参数序列值采用标准模型进行计算，计算出套管变形过程中真实应变变化规律，以及套管发生损坏时的临界应变值。具体的，将步骤S3.2中建立的8因素五种参数序列，共40组因素组合导入到步骤S2中建立模型。
S3.4：对步骤S3.3中计算处的五种参数序列值进行套管损坏的敏感性性分析，将敏感系数不为零的影响因素作为套管损坏的关键控制因素。根据敏感性分析结果，套管损坏的控制因素为：套管强度、地层厚度、地层倾角、地层的弹性模量、注水压力，而地层的渗透率、地层的泊松比、地层的注水时间影响不显著。
S4：根据正交实验设计方法，对确定的套管损坏关键控制因素进行数值实验，形成控制因素与套管损坏过程中真实应变的离散关系数据序列，采用数据统计分析方法，提取套管损坏与控制因素相关性的二次多项式回归方程；
S4所采用的具体方法如下：
S4.1：对步骤S3.4确定的5个关键因素进行3种参数序列的全因子数值实验，5种参数序列的取实测数据的75％、100％、125％，具体取值见表3。
表3 3种参数序列值下的关键控制因素取值
影响因素 50％ 100％ 150％
储层弹性模量/GPa 0.86 1.71 2.57
储层厚度/m 0.75 1.5 2.25
储层倾角/度 1.5 3 4.5
套管强度/MPa 276 552 828
套管外压力/MPa 22.5 45 67.5
S4.2：根据正交实验设计方法，对于5因素3种参数序列值的全因子实验组合为37组，将37组参数序列导入到标准模型中，分别计算套管损坏时的临界应变值，具体计算结果见表4。
表4全因子数值实验计算套损临界应变表
Figure BDA0001692741480000091
/>
Figure BDA0001692741480000101
S4.3：基于表4储层弹性模量、储层厚度、储层角度、套管强度及套管外压力对应控制因素组合下与套损临界应变值、套管真实应变值，利用数据分析软件，进行方差分析，获得套管损坏过程中临界应变值及真实应变值预测的二元多次回归方程：
εlj＝0.00084·10-3-0.033·10-3·x1-0.30·10-3·x2-0.0028·10-3·x3+0.0039·10-3·x4
εzs＝0.0062+0.0037·x1-0.0082·x2+0.0030·x3-0.0000035·x4-0.00027·x5-0.00073·x12
+0.0022·x22+0.00010·x32+0.0000000068·x42+0.0000023·x52-0.00024·x1·x2+0.0000041·x1·x3
+0.000000024·x1·x4-0.000015·x1·x5-0.0011·x2·x3-0.0000029·x2·x4+0.00019·x2·x5
-0.00000028·x3·x4-0.000039·x3·x5-0.000000034·x4·x5
其中，x1为储层弹性模量/Gpa，x2为储层厚度/m，x3为储层倾角/度，x4为套管强度/Mpa，x5为套管外压力/Mpa。
S5：依据步骤S4.3获得的套管的临界应变与真实应变的预测方程，在一定的井况下可以预测套管的临界应变值及套管发生的真实应变，若εzs＞εlj，则套管失稳变形，若εzs≤εlj，则套管稳定，不发生失稳破坏。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种油水井套管损坏预测方法，其特征在于，其步骤为：
S1：根据井筒中地层的物性参数、地层的结构参数、套管参数及注水参数，建立套管损坏影响因素体系；所述套管损坏影响因素体系包括：地层弹性模量、泊松比、地层渗透率、地层厚度、地层倾角、套管材料、套管尺寸、注水压力、注水时间；
S2：根据井筒测试数据，利用数值模拟软件，建立套损层段包含所述影响因素体系实测数据的数值计算模型；
S3：针对研究区块选取测试井，对测试井进行测试，测试套管外压力、应变及变形随时间的变化，根据前述数值计算模型对测试井建立模型，将测试数据与数值模拟数值进行对比，验证数值模型的准确性，并以测试井作为标准井对所述套管损坏影响因素体系进行敏感性分析，进而确定套管损坏的关键控制因素；
S4：根据正交实验设计方法，对确定的套管损坏关键控制因素进行实验，形成控制因素与套管损坏过程中真实应变的离散关系数据序列，采用数据统计分析方法，提取套管损坏与控制因素相关性的二次多项式回归方程，形成套管真实应变与临界应变的预测函数；
S5：根据套管损坏与控制因素的数学函数方程，预测套管的损坏状态。
2.根据权利要求1所述的一种油水井套管损坏预测方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包括：
S2.1：根据所选油井区块提取套损井的油井数据，设定所述数值计算模型的初始条件及边界条件；
S2.2：在所述数值计算模型中预设岩体材料，套管变形类型设置岩体材料为扩展的D-P泥岩蠕变模型，套管错段类型设置岩体材料为节理材料与M-C模型的结合模型。
3.根据权利要求1所述的一种油水井套管损坏预测方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包括：
S3.1：根据监测井油井参数，建立地层—水泥环—套管数值模型，取现场测试井套管外压力为载荷条件，将计算的套管真实应变与监测的真实应变数据进行对比，验证数学模型的正确性；
S3.2：分别取所述套管损坏影响因素体系实测数据的50％、75％、100％、125％和150％，建立套管损坏影响因素的五种参数序列值；
S3.3：将五种参数序列值导入到标准模型中，并计算相应的套管真实应变及临界应变值；
S3.4：对五种参数序列值对套管损坏的影响程度进行敏感性分析，将敏感性因子不为0的影响因素作为套管损坏关键控制因素。
4.根据权利要求1所述的一种油水井套管损坏预测方法，其特征在于，所述的步骤S4具体包括：
S4.1：对确定的套管损坏控制因素进行五种参数系列值数值实验，其中五种参数序列值为实测控制因素的50％、75％、100％、125％和150％；
S4.2：根据所述的正交实验设计方法，得到N组套管损坏控制因素组合，将N种控制因素组合导入到标准模型中，分别计算套管损坏过程中的真实应变与临界应变；
S4.3：以S4.2中计算得到的N组控制因素组合对应的套管真实应变与临界应变作为预测响应值，并利用数据统计方法做方差分析，提取所述的二次多项式回归方程，形成套管损坏与关键控制因素的数学函数方程。
5.根据权利要求1所述的一种油水井套管损坏预测方法，其特征在于，所述的步骤S5包括：依据步骤S4.3获得的套管的临界应变与真实应变的预测方程，在一定的井况下可以预测套管的临界应变值及套管发生的真实应变，若εzs＞εlj，则套管失稳变形，若εzs≤εlj，则套管稳定，发生失稳破坏，其中εlj为套管临界应变值，εzs为套管真实应变值。
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