流固耦合作用下的油田套损计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种流固耦合作用下的油田套损计算方法，该方法基于流固耦合理论，通过室内试验、数值计算和理论分析相结合的方法开展研究，根据流体力学理论及弹塑性理论，建立了油藏开发过程渗流数学模型及应力场计算数学模型，根据室内试验分析建立了储层岩石的弹塑性本构模型，借助有效应力原理，建立了开发过程流固耦合数学模型，根据流固耦合数学模型及求解思路，在已有商业软件基础上建立了储层流固耦合地应力预测及套损防控的数值模拟方法，以曲堤油田典型区块为例，给出了流固耦合作用下油田套损预测及防控的具体方法，并提出具体措施，对于改善油田套损状况，提高油井使用寿命具有重要的应用价值。
【专利说明】流固耦合作用下的油田套损计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于油田设备【技术领域】，涉及一种流固耦合作用下的油田套损计算方法。【背景技术】
[0002] 我国各油田套管损坏十分严重，国外同样也存在套管破坏的情况，根据近30年来 国内外的文献研究和近10年来的动态跟踪研究，发现套损是国内外长期存在的问题，而且 一直没有得到解决。对于注水采油的油田而言，长期的注水开采改变了油藏初始地质环 境，造成地层压力的不平衡，同时注入水与原油在油藏孔隙中渗流动态过程中，对地层地应 力场和变形场会产生影响，注入水窜入泥岩层后，对泥岩力学特性产生影响；注入水进入断 层，对断层滑移的诱发作用等，都使得油藏地质条件变的更加复杂，油水井套管承受的考验 更加严峻。
[0003] 套管破裂的形态可以分为错断、裂开、腐蚀穿孔等。错断是最严重的一种套管变形 形态，套管在水平方向错断开，断开处附近伴随弯曲，这种形式的变形主要由于套管受强大 的剪应力造成；套管裂开是由于射孔或套管钢材本身缺陷造成，油田浅层水酸性较高时也 会造成套管腐蚀破裂。套管密封性破坏主要表现在套管连接处，由于拉伸造成脱扣及套管 丝扣质量原因导致套外返油、气、水。套管变形的检测技术与方法为掌握井下套管变形的形 态，更好的研究套管变形损坏机理，并且为预防套损和修复套变井提供了可靠的技术资料。
[0004] 油田现场大量应用的套管变形检测方法是铅膜法，利用专用管柱或钢丝绳下接铅 膜，对套损几何形状等进行打印，然后对打印出来的印痕进行描绘、分析，提出套损点的形 状、尺寸、深度位置。铅膜法的优点是迅速、方便和直观，但是铅膜直径大小的选择比较困 难。直径过大，铅膜打印出来不在变形最明显处，印痕不清晰，直径过小，印痕不明显。
[0005] 随着科学技术的进步，国内外专家学者研发和改进了许多工程测井仪器和测井技 术从多方面检测套损状况。工程测井技术大多是通过检测到的物理信号来间接判断管内的 缺陷情况，井径系列是油水井井身状况常规的检测手段，可以提供套管内径变化情况；声波 测井系列中井壁超声成像测井可以提供全面、直观的套损状况，噪声测井则用于检测已形 成的管漏、窜槽；方位系列用于确定套管变形的方位角度；磁测井系列可检查套管变形、错 断、内外壁腐蚀及射孔质量；作为辅助的井温和注产系列可用于评价套管漏失和层间窜槽 情况。
[0006] 鉴于用物理模型实验，很难模拟复杂地层套管受力和变形过程，因此，用计算机数 值模拟技术为主要手段及现代地应力场的研究是今后复杂地层套管损坏机理与预防措施 研究发展方向。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供流固耦合作用下的油田套损计算方法，解决了目前物理模 型实验，很难模拟复杂地层套管受力和变形过程的问题。
[0008] 本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：
[0009] 步骤I:根据流体力学理论及油藏开发涉及的运动状态，采用理论分析方法建立 渗流场数学模型，渗流场数学模型包括单相渗流数学模型、油水两相渗流数学模型和渗流 场边界条件；
[0010] 步骤2 :根据弹塑性力学理论，在对储层岩石岩心数据进行详细分类及分析的基 础上，建立储层开发过程的应力场计算数学模型，以岩心的强度测试数据为基础，采用DP 准则来描述储层岩石的弹塑性本构关系；
[0011] 步骤3 :以有效应力原理为桥梁，根据孔隙介质变形理论，建立储层岩石的孔隙度 与孔隙压力的关系及渗透率与孔压、有效应力的关系，结合室内岩心应力测试结果，建立储 层注水开发过程流固耦合数学模型；
[0012] 步骤4 :建立相应区块的地质模型：采用三维地质建模软件PETREL建立该模拟区 块的地质模型，根据应力场计算的每个单元的节点坐标数据和和流场计算的块中心网格数 据的几何对应关系，将PETREL建立的地质网格模型转化为应力场计算所需的有限元数值 模型。
[0013] 步骤5 :将步骤4建立的地质模型导入eclipse,在eclipse软件中设置好流场边 界及初始条件，根据步骤1中的流场单相流、两相流模型、边界类型及初始条件在eclipse 中选择对应的流场模拟计算模型；结合每口井的生产情况，输入井的生产数据，在eclipse 中设置好模型的边界及初始条件，计算模拟区域的孔隙压力；将步骤4转化出的有限元模 型导入abaqus，将eclipse计算出的孔压导入abaqus作为初始应力条件，基于步骤2的应 力场数学模型在abaqus中选择对应的应力计算模块，根据步骤3的渗透率随有效应力关系 设计abaqus子程序来实现耦合计算过程中的有效应力及孔压对渗透率的影响计算，最终 计算出储层的地应力及套管单元的受力，轴向载荷等大小，根据套管管材的强度判断套管 的损坏情况，结合油田现场的油井生产制度给出典型生产工况下的套损预防措施。
[0014] 本发明的有益效果是提供了流固耦合作用下的油田套损预测数学模型并通过仿 真表现出来，能准确进行油田套损的防治。
[0015] 说明书附图
[0016] 图1是本发明实施例提供的控制体的质量守恒示意图；
[0017] 图2是本发明实施例提供的深度坐标D示意图；
[0018] 图3是本发明实施例提供的增量法示意图。
【具体实施方式】
[0019] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0020] 下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
[0021] 本发明按照以下步骤进行：
[0022] 步骤一：根据流体力学理论及油藏开发涉及的运动状态，采用理论分析方法建立 渗流场数学模型，渗流场数学模型包括单相渗流数学模型、油水两相渗流数学模型和渗流 场边界条件；
[0023] 单相渗流数学模型：
[0024] 通过研究直角坐标系中的一个小控制体，得到变形介质单相流体渗流的数学方 程。假定围绕多孔介质区域的点P(X，y，z)有一个尺寸为δX、δy、δZ(其边分别为平行于 坐标轴x、y、z)的控制体。令$表示密度为P的流体质量通量，即单位时间通过单位面积 的质量。如图1所示控制体的质量守恒，设《/在x、y、z方向的分量为Jx，Jy，Jz。在短时间段 St内，通过该控制体的两个垂直于X方向的表面，流入超出流出的量可以用它们的差值表 示：
[0025] [Jx|x-(5x/2),y,z-Jx|x+(5x/2), y,Jδyδzδt
[0026] 近似地在P点周围按Taylor级数展开，并忽略二阶和高阶项，得：
[0027] - (d/, /dx')dx0y&0t
[0028] 对另外两个方向重复上述过程，然后相加，可得到该控制体表面流入超出流出的 数量为：
【权利要求】
1. 一种流固耦合作用下的油田套损计算方法，其特征在于，该流固耦合作用下的油田 套损计算方法包括以下步骤进行： 步骤以：根据流体力学理论及油藏开发涉及的运动状态，采用理论分析方法建立渗流 场数学模型，渗流场数学模型包括单相渗流数学模型、油水两相渗流数学模型和渗流场边 界条件； 步骤二：根据弹塑性力学理论，在对储层岩石岩心数据进行详细分类及分析的基础上， 建立储层开发过程的应力场计算数学模型，以岩心的强度测试数据为基础，采用DP准则来 描述储层岩石的弹塑性本构关系； 步骤三：以有效应力原理为桥梁，根据孔隙介质变形理论，建立储层岩石的孔隙度与孔 隙压力的关系及渗透率与孔压、有效应力的关系，结合室内岩心应力测试结果，建立储层注 水开发过程流固耦合数学模型； 步骤四：建立相应区块的地质模型： 采用三维地质建模软件PETREL建立该模拟区块的地质模型，根据应力场计算的每个 单元的节点坐标数据和和流场计算的块中心网格数据的几何对应关系，将PETREL建立的 地质网格模型转化为应力场计算所需的有限元数值模型； 步骤五：将步骤四建立的地质模型导入eclipse，在eclipse软件中设置好流场边界及 初始条件，根据步骤一中的流场单相流、两相流模型、边界类型及初始条件在eclipse中选 择对应的流场模拟计算模型；结合每口井的生产情况，输入井的生产数据，在eclipse中设 置好模型的边界及初始条件，计算模拟区域的孔隙压力；将步骤四转化出的有限元模型导 入abaqus，将eclipse计算出的孔压导入abaqus作为初始应力条件，基于步骤二的应力场 数学模型在abaqus中选择对应的应力计算模块，根据步骤三的渗透率随有效应力关系设 计abaqus子程序来实现耦合计算过程中的有效应力及孔压对渗透率的影响计算，最终计 算出储层的地应力及套管单元的受力，轴向载荷大小，根据套管管材的强度判断套管的损 坏情况。
【文档编号】G06F17/50GK104318032SQ201410610214
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月1日 优先权日:2014年11月1日
【发明者】刘建军, 纪佑军, 宋睿, 裴桂红 申请人:西南石油大学