注水條件下油井出砂的數值模擬

徐康泰，劉縱宇

（承德石油高等專科學校 教務處，河北 承德 067000）

注水條件下油井出砂的數值模擬

徐康泰，劉縱宇

（承德石油高等專科學校 教務處，河北 承德 067000）

油井出砂是注水開發油田普通存在的問題，有效預測油井出砂規律成為研究重點。運用ABAQUS軟件，建立油井出砂預測模型，模擬完成注水條件下地層從原始狀態到鉆井、充井、射孔、注水開發及油井出砂全過程，分析油井出砂規律。數值模擬結果表明，鉆井對井筒周邊應力場改變明顯；射孔對地層應力狀態影響很大，應力集中主要發生在射孔處，在射孔入口處出現塑性應變區，并向四周圍巖擴散；注水過程中塑性區擴展不斷加大，等效塑性應變區在射孔附近逐漸擴大。

注水；油井出砂；等效塑性應變；數值模擬

0 引 言

注水開發是油田提高油藏地層壓力、增產保產的主要手段之一，我國注水開發油田的產量占總采出量的85%以上[1-3]。然而，由于地質條件的不同，膠結程度差的儲層普遍出現油井出砂現象。油井出砂最終導致地層壓力下降加速，采油井含水率增加，影響油藏最終采收率[4]。目前，油井出砂預測方法主要有以下三種[5-6]：一是經驗法。該方法主要基于經驗，給出油井出砂量與儲層巖石力學參數和地層流體性質等參數的關系，并在此基礎上，結合實驗方法，得到該區塊油井出砂預測公式。但該方法不具有普遍適用性，只能針對特定區塊進行初步計算與預測。二是解析法。該方法通過方程組求解，根據油井井壁受力情況與射孔狀態，得到油井出砂計算公式。該方法具有普遍適用性，且方法簡單，但存在一定的誤差，只能較為粗略地得到分析結果。三是數值模擬法。該方法利用三維有限元或有限差分數值模型，模擬油井實際注水全過程，考慮儲層巖石及油井受力情況，計算油井出砂量。該方法能精確地計算與預測油井出砂情況，但實現難度較大，油田現場人員很難掌握運用。綜合考慮，數值模擬方法具有較好的移植性和適用性。本文采用數值模擬方法，運用專業有限元分析軟件—ABAQUS軟件[7-8]，建立油井出砂預測模型，模擬完成注水條件下油井出砂全過程，分析油井出砂剝蝕過程中的受力情況，得到油井出砂規律。

1 油井出砂預測模型的建立

1.1 Drucker-Prager準則

在注水開發過程中，隨著地層中流體的注入與采出，儲層巖石塑性變形加大，當超過某一極限后，油井井壁巖石顆粒會發生剝落現象，并最終隨流體進入井筒，導致油井出砂。在這一過程中，對巖石塑性變形屈服作準則的確定是難點。本文采用ABAQUS軟件中的Drucker-Prager準則[9-10]對高含水井的地層進行彈塑型分析，其判斷準則如圖1所示。

圖1 Drucker-Prager準則

相對應的Drucker-Prager準則數學表達式為：

1.2 油井出砂預測計算

在注水開發過程中，井筒周圍巖石顆粒受到沖刷與磨蝕作用，使顆粒剝落[9]。本次模擬運用ABAQUS軟件進行分析，油井出砂方法考慮射孔表面的剝蝕作用。油井出砂方法的剝蝕方程為：

其中，Ve為剝蝕速度，vw為孔隙流體的速度，c為載運濃度，n為孔隙度，為油井出砂系數。

原始地層受到擾動，井壁圍巖發生變形，當巖石等效塑性應變值達到一臨界值時，油井發生出砂現象。本文運用ABAQUS軟件對油井出砂全過程進行模擬，油井出砂判斷標準為等效塑性應變。當等效塑性應變值達到給定臨界值時，地層發生出砂，其判斷公式為：

1.3 油井出砂預測模型的建立

運用ABAQUS軟件完成數值模型的建立。由于研究對象的對稱性，取三維數值模型垂直于井筒的平面內截面，以井筒中軸線為中心，取周圍1/4作為研究目標（見圖2）。數值模型由井筒中心線向外，依次主要包含射孔點、井筒、水泥環、地層。射孔點沿井軸方向依次呈螺旋形分布排列，靠近射孔的位置受力變形最明顯，故采用網格加密的方法進行處理。儲層巖石采用三維8節點空隙壓力單元，套管采用三維4節點膜單元。數值模型的具體參數有油層半徑10m、井筒直徑30cm、射孔長度0.8m、射孔直徑1cm、孔密為5孔/m。由于相鄰的射孔儲層參數一致，因而油井出砂情況相似，故只考慮單個射孔的情況，地層厚度取0.2m，其上下相鄰的部分是相同性質的蓋層。

圖2 有限元模型

此外，數值模型中的地應力為：x,y方向水平主應力分別為25MPa、22MPa，z方向施加垂向的地應力為20Mpa。巖石力學參數見表1。

表1 巖石力學參數

2 數值模擬結果

2.1 加載過程

利用建立的油井出砂預測模型，完成注水條件下地層從原始狀態到鉆井、完井、射孔、注水開發及油井出砂全過程。利用移除井筒網格的方法，模擬鉆井過程；利用分布在井壁周圍的載荷，模擬注水過程；加入剛性套管及水泥環網格，完成完井過程；利用射孔位置網格移除的方法，并采用生死單元技術，模擬瞬時人工射孔過程。施加上覆巖層壓力與孔隙壓力，完成鉆井和完井操作，油井流體未采出狀態下地應力分布如圖3所示。由圖3可知，地層鉆井過程中，井筒周邊應力場改變明顯，遠離井筒地層應力不受影響。

圖3 油井流體未采出狀態下地應力分布

油井射孔后等效塑性應變如圖4所示。由圖4可知，射孔導致地層發生擾動，應力重新分布，對地層應力狀態影響很大；地層巖石受到水平地應力的擠壓，應力集中主要發生在射孔處，在射孔入口處垂向方向出現塑性應變區，并向四周圍巖擴散。進一步分析可知，前期鉆井、射孔對儲層巖體造成較大的擾動，射孔出口端處為等效塑性應變最為明顯的區域，其最大值約為0.18%。該值不足以使油井附近地層砂礫脫落，但能使部分區域進入塑性區，改變后續模擬計算的初始狀態，因而模擬分析實際注水條件下油井出砂問題非常必要。

2.2 油井出砂剝蝕過程

通過改變射孔壁面孔隙壓力，建立壓降，模擬注水采液過程，分析油井出砂規律。根據建立的油井出砂預測模型，按照油田實際生產的需要，在注水穩定后，選取注水開發初期、中后期為研究對象，即分析注水5天后和50天后的油井出砂過程。5天后和50天后油井出砂等效塑性應變分布如圖5所示。由圖5可知，在油井出砂初期，射孔部分壁面孔隙壓力降落，塑性區擴展不斷加大；5天后，等效塑性應變區域在射孔附近逐漸擴大；50天后，等效塑性應變區進一步擴大，且使油井附近地層砂礫脫落。由于出砂原因，等效塑性應變在射孔出口處呈現不規則形態，且此處為油井最大等效塑性應變區，最大值約為0.35%，油井出砂現象明顯。

圖4 油井射孔后等效塑性應變

圖5 5天和50天后油井出砂等效塑性應變分布

3 結 論

（1）運用ABAQUS軟件實現油井出砂數值模擬。該過程綜合考慮油井鉆井、完井、射孔、注水開發等過程，能更為真實地反映出砂結果。

（2）地層鉆井過程中，井筒周邊應力場改變明顯；射孔導致地層發生擾動，應力重新分布；隨著注水過程的進行，應力集中主要發生在射孔處，在射孔入口處垂向方向出現塑性應變區，并向四周圍巖擴散，其最大等效塑性變形值約為0.18%。

（3）在油井出砂初期，射孔部分壁面孔隙壓力降落，塑性區擴展不斷加大；后期等效塑性應變區在射孔附近逐漸擴大，射孔出口處為等效塑性應變最大區域。

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[9]楊軍，趙益忠，許霞，等.考慮開發動態的油井出砂規律研究[J/OL].中文科技期刊數據庫(引文版)工程技術，2015，8(12):219[2016-08-20]. http://lib.cqvip.com/read/detail.aspx?ID=1000000049247.

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[責任編輯：魏連江]

Numerical Simulation of Oil Well Sand Production in Water-Flooding

XU Kangtai, LIU Zongyu
(Office of Academic Affairs, Chengde Petroleum College, Chengde, 067000, China)

Oil well sand production is a common problem in developing oil fields by water-flooding, hence, production of oil well sand production rules becomes a vital study topic. By adopting ABAQUS software, research has been done to make the prediction model for oil well sand production and imitate its layer. Starting from the layer’s original status, the model displays a complete process of drilling, well filling, perforation, developing in water flooding and sand producing to study the rules of sand production. Numerical imitation reveals that drilling has remarkable influence on the change of stress field around well holes; perforation has striking influence on layer stress status with the stress concentrating in perforating spot. What is more, there appears plastic strain zone in the entrance of perforating spot which radiates to the surrounding well rock. Plastic strain zone expands steadily in the process of water flooding and equivalent plastic strain zone expands gradually near the perforating spot.

Water flooding; Oil well sand production; Equivalent plastic strain; Numerical simulation

TE319

A

1671-4326(2016)04-0056-03

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2016.084

2016-09-06

承德市科學技術研究與發展計劃項目（201602B016）

徐康泰（1990—），男，江西景德鎮人，承德石油高等專科學校教務處，助教，碩士；

劉縱宇（1966—），女，河北張家口人，承德石油高等專科學校教務處，高級實驗師.