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循羊
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1 第 25 卷第 1 期北京石油化工学院学报 Vol.25 No 年 3 月 JournalofBeijingInstituteofPetrochemicalTechnology Mar.2017 췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍文章编号 : (2017) 气田水回注井可注量计算方法陈林, 苏静, 彭嘉, 王亚辉, 王矗 ( 中国石油西南油气田公司川中油气矿, 四川遂宁 ) 摘要 : 为避免气田水回注过程中由于注入量太大引发井筒完整性破坏和发生地层窜漏, 开展了气田水回注可注量评价研究通过建立注入流体 - 套管 - 井壁 - 地层耦合的有限元力学分析模型进行注水井井筒受力分析 ; 利用现代试井分析理论中的最优化拟合方法拟合注水过程中井底流压数据并获取注入流体波及半径, 结合注入层段河道砂体展布确定波及面积 ; 根据物质平衡原理计算可注量, 形成气田水高压回注可注量评价方法以 L 地区气田水回注井可注量评价为例进行分析, 该方法考虑的因素客观全面, 可以为气田水回注精细化管理提供定量指标和依据关键词 : 可注量 ; 气田水 ; 安全 ; 回注指标中图分类号 :TE341 文献标志码 :A DOI: /j.issn ACalculation MethodofWaterInjectionVolume forreinjectiongaswel CHEN Lin,SUJing,PENGJia,WANG Yahui,WANG Chu (CentralSichuanOil-GasFieldofPetroChinaSouthwestOilandGas FieldCompany,Suining,Sichuan629000,China) Abstract:Inordertoavoidthedestructionofwelboreintegrityandformationleakagecausedby theoverloadofwaterreinjectioningasfield,theresearcherscarriedoutthequantityevaluationof gasfield waterinjection.theinjectedfluidcasingandboreholeandformationcouplingfinite elementmechanicsanalysismodelwasestablishedtoanalyzethewaterinjectionwelborestress. Theoptimalfitingmethodinthemodernweltestinganalysistheorywasadoptedtopredictthe flowingpressuredatainthe waterbotom holeandacquiretheinjectedfluidspreadingradius, which wascombined withtheinjectedlayerchannelsand body distributiontodeterminethe afectedarea.accordingtothematerialbalanceprinciple,theamountofwaterreinjectioncanbe calculated,whichcontributestoformingtheevaluation methodofhighpressuregasfieldwater injection.inthecaseofevaluatingwaterinjectionvolumeforreinjectiongaswelinthelarea, theproposed method considersfactors comprehensively and objectively,and can provide a quantitativeindexandbasisforthefinemanagementofgasfieldwaterreinjection. Keywords:injectionvolume;gasfieldwater;safety;reinjectionindex 安全环保地回注深部地层是油气田产出水的处理方式之一, 对于低渗储层通常采取高压注入方式增加注入能力地层水注入地层后依靠井筒完整性屏障确保注入水安全的封闭在注入层中 [1], 如果注收稿日期 : 基金项目 : 国家科技重大专项 (2011ZX ); 国家科技重大专项 (2011ZX05047) 作者简介 : 陈林 (1983 ), 男, 博士, 高级工程师, 主要从事油气田开发生产安全环保管理与研究工作, flyfree0001@aliyun.com

10 北京石油化工学院学报 2017 年第 25 卷入压力过高容易引发井筒完整性屏障破坏, 因而确定安全可注量直接关系到回注生产管理和规划气田水回注可注量计算方法还无行业标准, 笔者通过建立注入流体套管井壁地层耦合的有限元模型, 确定最高可注压力 ; 通过注水历史数据拟合获取波及半径, 结合注水层段河道砂体展布综合确定波及面积, 根据物质平衡原理计算气田水回注井可注量 1

2 10 北京石油化工学院学报 2017 年第 25 卷入压力过高容易引发井筒完整性屏障破坏, 因而确定安全可注量直接关系到回注生产管理和规划气田水回注可注量计算方法还无行业标准, 笔者通过建立注入流体套管井壁地层耦合的有限元模型, 确定最高可注压力 ; 通过注水历史数据拟合获取波及半径, 结合注水层段河道砂体展布综合确定波及面积, 根据物质平衡原理计算气田水回注井可注量 1 可注压力分析 1.1 井筒受力分析在注水过程中, 井壁的受力有地层在井眼产生的应力集中, 井眼内压引起的井壁应力和注入水渗入地层引起的井壁应力 3 种类型 [2-4], 分别表示为 : σ θ = 2 1+r2 w ö è r ø σx +σy ç σx +σy ç r4 w ö 4 cos2θ è r ø σ θ = per2 e -p ir 2 w + ( p e -p i )r 2 wr 2 e r 2 e -r 2 w r 2 (r 2 e -r 2 w) σ θ =(pi -ps)1- Cr ö ç - 1-2ν è Cb ø 1-ν (1) (2) (3) 式中 :σ θ 为周向应力,MPa;σ x 为最大水平主应力, MPa;σ y 为最小水平主应力,MPa;θ 为任意径向与 σ x 方向夹角,( );r w 为井眼半径,m;r 为距井眼距离,m;pe 为原始地层压力,MPa;pi 为井筒内压, MPa;r e 为注水波及外边界半径,m;ps 为孔隙流体压力,MPa;C r 为岩石骨架压缩系数,MPa -1 ;C b 为岩石体积压缩系数,MPa -1 ;ν 为泊松比 1.2 有限元建模分析可注压力根据地层岩石力学和地应力参数完井结构和井筒材料力学参数, 通过有限元建模软件建立注入流体套管井壁地层多物理场耦合的有限元模型, 优化模型网格 [5-6], 如图 1 所示在不同方向加载应力场, 可模拟不同注入压力下井筒及近井地带的应力分布, 如果受力超过各环节的最小破坏力 [7-9], 那么对应的注入压力就是该井的最大可注图 1 注水井受力有限元建模 Fig.1 Stressfiniteelementmodelingofwaterinjectionwel 压力 2 可注量计算 2.1 注水启动压力梯度分析低渗储层注水是不稳定渗流过程, 存在启动压力梯度, 任意时刻注水层在径向上分为波及区和未波及区, 波及区的外边界是该时刻的波及边界根据平面径向流问题 [10-12], 建立考虑启动压力条件下的井底流压方程为 : pwf =pe + r { w } 1 Qμ πKh e R(t)-1 -ln rw R(t) - 1 +G[R(t)-r w ] (4) 式中 :pwf 为井底流压,MPa;k 为渗透率,10-3 μm 2 ; μ 为流体黏度,mPa s;q 为注水量,m 3 /d;h 为储层厚度,m;R(t) 为 t 时刻对应的注水波及半径,m;t 为时间,d;G 为启动压力梯度,MPa/m 注水速度稳定时, 某一时刻井底压力只受启动压力梯度的影响根据现代试井分析理论中的最优化拟合方法对井底流压数据进行拟合, 求出储层启动压力梯度 2.2 注水波及半径分析随着注入时间增加, 井底流压不断升高, 建立随 [13-15] 时间变化的地层压力分布方程, 计算注水井中不同半径处的地层压力分布, 井底压力达到最大安全可注量对应的波及半径即为安全极限波及半径地层压力分布方程为 : 1 p(r,t)=pe + Qμ πKh e r R ( t) { } -1 -ln r R(t) - 1 +G[R(t)-r] (5) 式中,p(r,t) 为距井眼距离 r 处在注入时间 t 时刻的压力,MPa 注水控制面积分析根据注水层砂体地震预测, 可得到与射孔段对应的砂体注水波及范围如果井眼到砂体的边界小于波及半径, 则以砂体为界, 如果砂体边界大于波及半径, 则以波及半径为界, 如图 2 所示结合测井解释, 可得出注水层的孔隙度和储层厚度 2.4 安全可注量计算根据物质平衡原理, 安全可注量即为在安全可注压力下地层流体的压缩体积加上岩石孔隙的膨胀体积, 即 N p = ( P max -P i )(C w +C b )AhφB w B w (6)

第 1 期陈林等. 气田水回注井可注量计算方法 11 图 2 注水井波及面积 Fig.2 Waterinjectionsweeparea 图 3 套管水泥环和地层应力分布 Fig.

8mm, 壁厚为 12.65mm, 钢级主要为 TP80S, 射孔直径为 10mm, 孔眼深度为 1m, 水泥环外径为 215.90mm, 水泥环壁厚为 19.05mm 3.

94 L 地区区域性大断裂或基底断裂有 : 巴中 - 龙泉山断裂带营山断裂华蓥山断裂和平昌断裂原地应力最大主应力为 NW-SE 向的水平挤压, 应力值为 28~32MPa 不等 ; 最小主应力为 NE-SW 向的水平挤压, 应力值为 6~8.5MPa, 垂向地应力施加上覆岩层压力为 50MPa 建立有限单元 42329 个, 自由度总数 243076 3.

3 第 1 期陈林等. 气田水回注井可注量计算方法 11 图 2 注水井波及面积 Fig.2 Waterinjectionsweeparea 图 3 套管水泥环和地层应力分布 Fig.3 Casing,cementandformationstressdistribution 式中 :C w 为地层水压缩系数,MPa -1 ; ϕ 为孔隙度 ; N p 为极限注水量,m 3 ;B w 为地层水体积系数, MPa -1 ;A 为注水波及面积,m 2 ;P max 为安全可注压力,MPa 3 实例计算四川盆地 L 气田沙二段河道砂体回注井 U1 套管外径为 177.8mm, 壁厚为 12.65mm, 钢级主要为 TP80S, 射孔直径为 10mm, 孔眼深度为 1m, 水泥环外径为 mm, 水泥环壁厚为 19.05mm 3.1 有限元建模根据岩石力学实验结果, 得到套管水泥环和地层参数如表 1 所示材料名称表 1 材料参数 Table1 Materialparameter 弹性模量 /GPa 泊松比密度 /(kg m -3 ) 抗拉强度 /MPa 地层泥岩套管水泥环 L 地区区域性大断裂或基底断裂有 : 巴中 - 龙泉山断裂带营山断裂华蓥山断裂和平昌断裂原地应力最大主应力为 NW-SE 向的水平挤压, 应力值为 28~32MPa 不等 ; 最小主应力为 NE-SW 向的水平挤压, 应力值为 6~8.5MPa, 垂向地应力施加上覆岩层压力为 50MPa 建立有限单元个, 自由度总数安全可注压力分析套管水泥环地层及射孔段应力分布分别如图 3 图 4 所示从图 3 图 4 中可以看出, 在射孔处, 套管水泥环和地层都存在明显的局部应力集中现象套管应力分析随着井底压力的增大, 套管内壁有效应力逐渐图 4 射孔段应力分布 Fig.4 Perforatingintervalstressdistribution 增大, 射孔处受力最薄弱, 在井底压力为 56 MPa 时, 有效应力超过套管 550MPa 屈服强度值, 如图 5 所示图 5 套管内壁有效应力 Fig.5 Casinginwalefectivestress 水泥环应力分析射孔位置水泥环第一主应力明显高于未射孔位置, 射孔造成此处应力集中, 当井底压力超过 48 MPa 时, 水泥环体应力超过 2.94MPa 抗拉强度, 如图 6 所示地层应力分析射孔段地层主应力大于非射孔段, 当井底压力为 50MPa 时, 地层第一主应力达 5.55MPa, 超过岩心抗拉强度 5.4MPa, 结果如图 7 所示通过以上分析可知, 当井底压力达到 48 MPa 时, 水泥环外壁将发生破裂在注水压力达到 56 MPa 时, 套管内壁将产生屈服破坏因此, 安全注入井底压力应低于 48MPa

4 12 北京石油化工学院学报 2017 年第 25 卷根据河道砂体地震预测和井位, 得到与射孔段对应的每套砂体中的注入水波及范围如 U1 井注水安全极限波及半径为 1186m, 对应的砂体控制面积为 3.98km 2 对于该地区沙二层段,C b 为 MPa -1,C w 为 MPa -1, 利用式 (6) 计算出各井安全可注量, 结果如表 2 所示图 6 水泥环外壁第一主应力 Fig.6 Cementsheathofthefirstprincipalstress Table2 井号表 2 L 气田水回注井安全可注量计算结果 CalculationresultsofLgasfieldproduced water safetyreinjectionwelslimitinginjectionvolume 安全可注泵压 /MPa 波及面积 /m 2 孔隙度 /% 储层厚度 /m 安全可注量 /10 4 m 3 U 结论图 7 地层第一主应力 Fig.7 Formationofthefirstprincipalstress 3.3 安全可注量计算根据试井分析理论中的最优化拟合原理对 U1 井井底压力进行拟合, 结果如图 8 所示结果表明, 注水层段河道砂岩储层启动压力梯度为 ~ MPa/m 根据式(5) 计算注水井中不同半径处的压力分布, 结果如图 9 所示井底最大安全可注量 48 MPa 对应的波及半径即为极限波及半径图 8 U1 井井底压力拟合 Fig.8 BotompressurefitingofU1 图 9 U1 井地层压力分布 Fig.9 FormationpressuredistributionofU1 (1) 基于注水过程中的井壁受力分析, 建立了包括注水井油套管水泥环地层以及注入流体的多物理场流固耦合有限元模型, 形成了基于有限元建模分析的气田水高压回注安全可注压力计算方法 (2) 基于启动压力梯度的低渗储层不稳定渗流方程确定注水波及半径, 利用地震解释资料预测注水层的河道砂体展布, 根据注水物质平衡原理, 计算出气田水理论可注量, 为回注井生产管理和规划部署提供依据参考文献 [1] 杨志, 康露, 侯攀, 等. 川东地区气田水回注系统风险评价方法 [J]. 西南石油大学学报 ( 自然科学版 ),2016,38 (1): [2] 李玉飞, 付永强, 唐庚, 等. 地应力类型影响定向井井壁稳定的规律 [J]. 天然气工业,2012,32(3): [3] HjelmasT A,BakkeS,Hilde T,etal.Produced waterreinjection:experiencesfromperformancemeasurementsonulainthenorthsea[j].plasmaphysics & controledfusion,1996,40(2): [4] 易浩, 李双贵, 王方, 等. 地应力建模技术在井壁稳定性研究中的应用 [J]. 石油天然气学报,2012,34(9): [5] 胡永全, 赵金洲, 曾庆坤, 等. 计算射孔井水力压裂破裂压力的有限元方法 [J]. 天然气工业,2003,23(2): [6] 张允, 袁向春, 张海莹. 裂缝性油藏多尺度有限元数值模拟方法研究 [J]. 西南石油大学学报 ( 自然科学版 ), 2011,33(6): [7] 聂臻, 夏柏如, 邹灵战, 等. 气体钻井井壁稳定性模型的建立 [J]. 天然气工业,2011,31(6):71-76.

5 第 1 期陈林等. 气田水回注井可注量计算方法 13 [8] 冯永存, 邓金根, 李晓蓉, 等. 井壁稳定性评价准则分析 [J]. 断块油气田,2012,19(2): [9] 秦启荣, 邓辉. 裂缝对石油井壁力学稳定性影响 [J]. 西南石油大学学报 ( 自然科学版 ),2007,29(4): [10] 祝春生, 程林松, 张淑娟. 低渗透油藏不稳定渗流的近似解法 [J]. 西南石油大学学报 ( 自然科学版 ),2008, 30(4):6-9. [11] 冯国庆, 刘启国, 石广志, 等. 考虑启动压力梯度的低渗透气藏不稳定渗流模型 [J]. 石油勘探与开发, 2008,35(4): [12] 张宏博, 王矗, 张鑫, 等. 低渗透油藏水平井产能计算新模型 [J]. 北京石油化工学院学报,2016,24(3): [13] 修乃岭, 熊伟, 等. 低渗透油藏不稳定渗流注水见效时间与井距的关系 [J]. 石油地质与工程,2008,22(1): [14] WangYan,CuiHayQing,YangYuanjian.Pressure distributiononthewalofinnercylinderreciprocating axialytotheunstead Y Flowofviscoelasticfluidin eccentricannulus[j].journalofhydrodynamics.b, 2006,18(5): [15] OuyangLiang Biao,Bil Huang W S,etal.Case StudiesforImproving Completion Design Through Comprehensive WeḻPerformance Modeling [C]. SPE,104078, 췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍 ( 上接第 4 页 ) [3] 王路得, 王腾辉, 郭云霄, 等. 八面体纳米钼酸钡的制备函数关系但通常物质的标准摩尔生成焓随着粒径的减小而增大, 这是纳米氧化镁所特有的性质, 对于这一现象, 文献均没有给出合理的解释, 有关这一方面的问题还需要进一步研究参考文献 [1] 刘国良, 朱一民, 房鑫, 等. 不同粒度纳米氧化镁的制备及其红外吸收特性 [J]. 东北大学学报 ( 自然科学版 ), 2010,31(8): [2] 高晟, 温艳珍, 薛永强, 等. 粒度对纳米氧化镁吸附苯的热力学性质影响 [J]. 离子交换与吸附,2013,29(2): 及标准摩尔生成焓的测定 [J]. 化学学报,2011,21 (69): [4] 胡荣祖, 梁燕军, 杨正权 K 时氯化钾在水中的溶解热 [J]. 化学工程,1987(4): [5] 迪安 JA. 兰氏手册 [M]. 魏俊发, 译. 第 2 版. 北京 : 科学出版社,2003. [6] 天津大学物理化学教研室. 物理化学 : 上册 [M]. 第 5 版. 北京 : 高等教育出版社,2009. [7] 范高超, 黄在银, 陈洁, 等. 尺寸效应对氧化锌微 / 纳体系热力学性质的影响 [J]. 化学学报,2012,70(7): [8] 高晟, 温艳珍, 薛永强, 等. 粒度对纳米氧化镁吸附苯的热力学性质影响 [J]. 离子交换与吸附,2013,29(2):