粉细砂岩油藏防砂井堵塞规律研究及充填参优化

粉细砂岩油藏的纵向层系较多,层间矛盾严重,出砂堵塞影响提液生产效果。在现有斜直井产能模型的基础上,对筛管、环空充填层、挤压充填层和储层的渗透率细化描述,改进了机械防砂表皮系数公式。通过室内实验分析了防砂体系堵塞规律,认为随着驱替注入量和驱替流量提高,防砂体系堵塞加剧,渗透率最大下降40%。储层颗粒进入套管内,堵塞环空砾石与防砂筛管,导致表皮系数急剧上升,产能下降超过80%。扩大挤压充填半径能够将微粒阻挡在远离井眼的位置,有助于保持油井产能。对分层防砂井充填半径进行优化分析,发现在中低渗透扩大充填半径能够改善层间动用效果。对盘二沙三下区块的防砂井充填参数优化,对渗透率较低的S4层扩大充填半径,措施后油井液量保持稳定,日产油提高9.56t。

不同岩性地层水力压裂裂缝扩展规律的模拟实验

利用真三轴模拟压裂实验系统对玄武岩、巨砾岩、泥灰岩岩心进行了水力压裂裂缝起裂及裂缝扩展模拟实验,得到了压后裂缝几何形态和压裂过程中压力随时间的变化规律。研究结果表明,玄武岩中天然裂缝发育程度较低,抗拉强度较高,裂缝起裂会导致明显的压降,压后能够形成比较理想的双翼缝;巨砾岩中天然裂缝较为发育,裂缝起裂不会导致明显的压降,高排量压裂后形成的裂缝为多组复杂裂缝,裂缝扩展摩阻很大,裂缝延伸压力几乎与破裂压力相当;泥灰岩抗拉强度较低,部分发育有天然裂缝,破裂压力较低,裂缝起裂后延伸压力与最小水平地应力相当。

启动压力梯度对低渗透油藏微观渗流及开发动态的影响

基于广义达西定律,考虑启动压力梯度影响,建立了渗透率各向异性低渗透油水两相渗流模型,并基于虚位移原理开发了有限元程序,以大庆油区苏仁诺尔油田苏301断块矩形五点线性注采井网为例,分析了启动压力梯度对低渗透油藏微观渗流和宏观开发动态的影响。结果表明:受启动压力梯度的影响,低渗透油藏内渗流速度变化存在显著的延迟效应,渗流速度呈阶梯状变化;启动压力梯度越小,油井初期产油量越高,但后期含水率上升速度越快,油井后期产油量降低幅度越显著;启动压力梯度越大,油藏采出程度越低,且随着生产时间增长,对采出程度影响越显著。

水力压裂动态造缝的有限元模拟

基于多孔介质流固耦合理论,建立了水力压裂动态造缝有限元模型,对不同裂缝形态的动态造缝进行了有限元模拟。研究结果表明:动态造缝会在井眼周围形成类似于椭圆形分布的致密带。对于楔形缝及椭圆缝来说,随着靠近裂缝尖端造缝宽度的增加,造缝影响区域有所扩大,但总体分布仍类似于椭圆形。在井眼周围5m以内区域,渗透率受动态造缝影响明显,且距井眼越近,渗透率变化越剧烈;在近井致密带内渗流速度明显降低,且造缝长度越小动态造缝对压裂井产能的影响相对越明显。动态造缝形成的致密带是降低压裂井产能的一个重要因素。

稠油油藏蒸汽吞吐井长效防砂技术

为进一步提高稠油蒸汽吞吐井的防砂有效期,从防砂工具、充填材料及充填工艺等方面对长效防砂技术进行了研究。根据充填口重复开关的思路设计了充填工具,并对其密封件的材料进行了优选,研制了长效防砂工具;利用多层覆膜方法研发了耐高温高强度覆膜支撑剂;采用多段塞充填工艺进行施工,形成了稠油油藏蒸汽吞吐井长效防砂技术。长效防砂工具密封件4轮次吞吐试验后,其压缩永久变形率小于55%、抗拉强度8.9MPa、拉断伸长率102%,能满足蒸汽吞吐井防砂要求;耐高温高强度覆膜支撑剂耐温300℃,4轮次吞吐试验后固结强度7.1MPa、渗透率96D,完全满足蒸汽吞吐井防砂生产要求;多段塞充填工艺降低了防砂成本及后期处理难度。稠油油藏蒸汽吞吐井长效防砂技术在胜利油田11口井进行了现场应用,平均防砂有效期长达930d,满足了蒸汽吞吐井对防砂的要求。

长封固段固井套管热应力分析

对于长封固段固井所用套管,由于井眼温度场的作用,使得固井温度平衡后产生一定的热应力。根据固井过程中及固井结束后井眼温度场变化,利用热弹性力学理论,推导了描述固井前后套管柱热应力的公式,并以此为基础建立了考虑热应力作用的套管柱安全系数计算新方法。研究发现:在热应力作用下套管柱抗拉、抗外挤安全系数有所降低,更易使套管产生破坏;使用常规套管安全系数计算方法设计长封固段套管柱有可能导致套管柱产生强度破坏。

多因素影响的脱砂压裂产能流固耦合模拟

综合考虑流固耦合作用、动态造缝效应、变裂缝导流能力等因素,建立了新的疏松砂岩油藏脱砂压裂产能模型,进行了多因素影响的脱砂压裂产能优化。研究表明:在流固耦合作用下,近井眼及近裂缝壁面储层物性参数变化显著,远离井眼及人工裂缝后,储层物性参数变化幅度明显减小;动态造缝效应主要对近井眼中心10 m以内储层参数产生显著影响;定导流能力与变导流能力影响下的储层参数差异主要体现在裂缝周边;在多因素综合影响下,脱砂压裂增产倍数明显低于常规渗流模型计算结果,且缝长越短,各因素综合影响越显著。

泥页岩井壁坍塌周期分析

应用力学/化学耦合理论对泥页岩井壁延迟坍塌机理进行了分析。以多孔介质渗流力学为基础,建立了近井壁地层孔隙压力的计算模型,计算了不同时期的临界坍塌压力,分析了钻井液物性参数对井壁稳定性的影响,得到了近井壁地层孔隙压力及强度参数在时空域内的分布,以及一定钻井液密度下泥页岩井壁坍塌破坏的时间。算例分析表明,在同一膜效率下,随着钻井液水活度增加,坍塌周期缩短;在同一钻井液水活度下,提高膜效率可以延长坍塌周期;钻井液水活度越小,膜效率的影响越显著。现场选择钻井液时,同时考虑水活度和膜效率并根据井壁坍塌压力改变钻井液密度,效果才会更好。

天然气水合物藏开采物性变化的流固耦合研究

将水合物分解效应融合到渗流场与岩土变形场的耦合作用中,建立了天然气水合物藏气、水两相非等温流固耦合数学模型,并开发了有限元程序。对墨西哥湾某水合物藏进行了实例研究,分析了储层应力状态、物性参数分布及动态变化规律。结果表明,水合物分解效应、流固耦合作用以及井眼效应是影响储层应力状态和物性参数的3个主要因素,其作用机理不同,影响程度和范围各异。其中,水合物分解效应是主要控制因素,会导致分解区储层有效孔隙度和渗透率显著升高,弹性模量和内聚力等力学性能大幅度降低;流固耦合作用对分解效应引起的物性及力学参数的变化趋势具有明显的抑制作用,同样不可忽视。

基于实测数据及数值模拟断层对地应力的影响

以松辽盆地北部某油区为背景,采用差应变及波速各向异性法对4口井两主力油层进行地应力测量,结果表明:对于同一区块相距仅2000m左右的4口井,其地应力状态存在较大的差异,尤其是地应力方向更是如此,影响因素分析进一步表明,地应力状态的差异是由于断层影响所致。为此,基于有限元软件ANSYS进行二次开发,利用三维有限元数值模拟方法,结合优化反演技术,对研究区地应力场进行反演,研究表明:由于断层影响以及复合断层的叠加扰动,研究区地应力状态表现出复杂的非均匀分布特征,断层附近应力方向发生转向,其中断层端部应力方向偏转超过40°,因此,离散"实测点"不能反映断块区地应力场全貌,三维数值模拟是定量分析地应力场的有效方法。

断层对地应力场影响的有限元研究

断层应力场研究是油气田开发等工程领域的难题之一。应用有限元方法研究了断层对地应力场的影响规律,考虑的因素包括断层两侧围岩的力学性质(弹性模量、泊松比等)、断层介质的力学性质、断层的几何形态及边界条件。研究表明,这些因素对断层附近的地应力场分布有不同程度的影响,其改变均能使地应力大小和方向发生变化,研究结果为油田断层发育区地应力的研究提供了参考依据。

断层扰动下地应力场三维有限元约束优化反演

在分析复杂断层构造扰动下的区块G的多点实测地应力分布特点的基础上,通过建立符合研究区地质特点的数值模型,采用基于有限元法及数学约束优化理论的有限元约束优化反演法对研究区的三维地应力场进行了模拟,得到了与实测值吻合良好的结果。通过对反演得到的地应力分布特征进行分析,探讨了复杂断层对区域地应力状态的影响。研究结果表明:断层附近的地应力分布主要受其邻近断层的扰动影响,且受扰乱程度与断层的几何尺寸以及离断层的距离等因素相关;由于断层的扰动作用,断层附近地应力分布十分复杂,尤其是断层端部尖灭区的地应力分布更是如此,因此,有限"点"的实测应力值不能全面反映断层发育区地应力场的全貌,三维数值模拟是区域地应力场定量分析与评价的不可缺少的手法。

多孔介质中天然气水合物降压分解有限元模拟

基于多孔介质中水合物分解动力学、传热及气、水两相流理论,同时考虑水合物分解引起的渗透率及有效孔隙度变化,建立水合物、气、水三相的天然气水合物降压分解模型,并进行有限元程序开发及验证。利用此模型模拟水合物分解过程中压力、温度、水合物饱和度、有效孔隙度及气、水相渗流速度等物理量的空间分布及随时间的变化特征,分解前缘位置及累积产气量随时间的变化规律。结果表明:水合物分解使有效孔隙度和渗透率大幅度提高;水合物分解为吸热过程,分解前缘处温度降低明显;环境温度提高则水合物分解速率和产气速率提高,但压力增加,产气速率下降;温度和出口端压力是影响水合物降压分解的两个重要因素。

压裂防砂技术在胜利油田低渗敏感稠油油藏的应用

为进一步提高低渗敏感稠油油藏开发效果,胜利油田引进了压裂防砂技术。利用有限元模拟方法定量分析了压裂防砂技术增产及防砂的内在机理,明确了该技术对低渗敏感稠油油藏具有较强适应性;开展了压裂防砂施工工艺优化,确定最优造缝长度为70 m,优选0.425-0.850 mm陶粒作为支撑剂,合成聚合物压裂液作为施工用液,前置液用量比为35%-45%。2013年压裂防砂技术在胜利油田草13区块现场试验15井次,油井投产初期平均单井日产油5.4 t,与挤压充填防砂井日产油相比,单井增产1.8倍,能够很好地满足现场要求。压裂防砂技术对于低渗敏感稠油油藏具有较强的针对性和适应性,可为该类油藏高效开发提供新的技术支持。

多场耦合作用下泥页岩地层强度分析

研究多场耦合作用下井眼围岩的强度变化问题。在石油钻井环境中,钻井液中存在多种化学成分,钻井液时刻与井壁发生作用,导致井眼周围岩石力学参数为时间的函数。在实验基础上得到岩石强度参数与含水量的关系,基于渗流力学理论,建立孔隙压力与岩石黏聚力及内摩擦角的关系,为研究化学作用对强度参数的影响提供前提,进而进行多孔介质多场耦合作用下的应力分析,建立化学作用对岩石强度参数影响的关系模型。所得结论可深化对泥页岩井壁稳定性的认识,具有一定的工程实用价值。

复杂断块构造的地应力场研究——以海拉尔盆地贝尔凹陷希3断块为例

根据贝尔凹陷希3断块的井孔崩落资料以及差应变和波速各向异性法得到的地应力测量数据,采用有限元约束优化反演法,对希3断块的三维地应力场进行了模拟,探讨了断层对地应力场的影响以及断块构造的地应力分布特征.研究结果表明:断层附近的地应力分布主要受邻近断层的影响,且与扰乱程度、断层的几何尺寸和距离断层的远近等因素相关.不同类型断层的纵向延伸加剧了纵向上地应力场分布的复杂性.这一现象在单断式断块油气藏有所体现,在双断式、三断式以及断阶式断块油气藏中表现得尤为突出;断层对应力方向的扰动作用在弹性模量高的硬地层中更为剧烈.离散"点"的实测值不能全面反映断块构造应力场全貌,三维数值模拟是断块油气藏地应力场定量分析的有效手段.

考虑尖端塑性的垂直裂缝延伸计算

基于断裂力学、弹塑性力学,对水力压裂裂缝延伸过程中的尖端塑性区进行了研究,给出了裂缝尖端塑性区的定量表达式,推导了缝尖塑性区影响下的缝高扩展方程,建立了考虑缝尖塑性屈服的裂缝三维延伸数学模型,模拟分析了缝尖塑性屈服对水力裂缝扩展的影响。研究表明,在缝尖塑性屈服影响下,缝长延伸略有增加,缝高延伸得到比较明显的遏制;缝尖塑性屈服导致裂缝扩展所需作业压力增加,作业压力增加的同时会导致缝宽方向扩展的增加,越靠近裂缝端部,缝尖塑性屈服对作业压力及缝宽扩展的影响越明显。

主方向差应变地应力测量方法

常规差应变法测量地应力的实验难度较大。针对这一难题,在常规差应变分析法的基础上,首次将岩石波速各向异性特征与地应力方向相关原理引入到差应变分析实验中,提出了一套简易可行的室内地应力测量新方法——主方向差应变分析法。该方法利用岩心波速各向异性特性确定水平主应力的方向,按照该方向来制备差应变实验岩样并进行实验。将该方法的测量结果与目前广泛使用的精度较高的水压致裂法的测量结果进行比较,二者吻合较好。实践证明:主方向差应变分析法测量精度较高,并较之常规差应变分析法降低了实验难度及工作量。

靖边气田煤层地应力及井壁稳定研究

煤层地应力测量难度很大,煤层垮塌失稳力学机理的研究还无法深入。针对这一现状,利用含煤层系中硬岩层的地应力实测结果,以组合弹簧模型为基础,反求出构造作用引起岩层水平方向的应变量,以此来确定后续地应力有限元模拟的边界条件,将硬岩层的地应力实测、理论模型计算以及有限元数值模拟三者有机结合起来,反演得到煤层地应力状态,从而建立起一套含煤岩系等软岩层地应力研究新方法。利用该方法对靖边气田某区块LP-1井煤层井壁稳定进行了研究,结果表明:沿最小水平地应力方向钻井井壁稳定性最好,沿最大水平地应力方向钻井井壁稳定性最差,而沿最大和最小水平地应力角角平分线方向钻井井壁稳定性介于前两者之间。

钻井作业中泥页岩地层井壁稳定受温度影响的规律研究

钻井过程中钻井液和地层的温度差会引起近井地带地层温度的改变,这种非等温特性必然会对井壁的稳定性产生影响。详细研究了温度对泥页岩近井地带孔隙压力分布的影响,建立了温度场和地层孔隙压力耦合的多孔弹性模型,给出了温度和孔隙压力的计算公式;应用差分方法求解了温度场-地层孔隙压力耦合模型,分析了近井地带的温度剖面和温度变化引起的近井地带孔隙压力的分布规律,得出了冷却钻井液可以使井壁趋向稳定的结论。