文敏，朱磊，王平雙，劉書杰，曹硯鋒，范志利　(中海油研究總院,北京 100028)

中東地區(qū)碳酸鹽巖地層水平井完井方式優(yōu)化

文敏，朱磊，王平雙，劉書杰，曹硯鋒，范志利(中海油研究總院,北京 100028)

[摘要]國內外部分碳酸鹽巖油氣藏在后期開采和增產(chǎn)措施作業(yè)過程中，陸續(xù)出現(xiàn)井壁坍塌的狀況，嚴重影響產(chǎn)能和作業(yè)進度。以中東地區(qū)碳酸鹽巖地層為例，研究了儲層的各項物性參數(shù)，將理論研究與室內試驗相結合，優(yōu)選出了針對碳酸鹽巖層的單軸抗壓強度計算模型。首次運用ANSYS有限元分析軟件，對不同生產(chǎn)壓差及不同酸化程度的裸眼井壁穩(wěn)定性進行了模擬，研究表明水平井在開采過程中裸眼井壁失穩(wěn)的可能性較大；實施酸化作業(yè)后，井眼擴大率明顯增大，發(fā)生崩落甚至垮塌的可能性進一步增大，推薦裸眼下入打孔管支撐井壁的完井方式。

[關鍵詞]碳酸鹽巖；單軸抗壓強度；井壁穩(wěn)定性；酸化；生產(chǎn)壓差

碳酸鹽巖是指主要由沉積的碳酸鹽礦物組成的沉積巖。據(jù)統(tǒng)計，碳酸鹽巖占全國總面積的40%，分布廣泛，是目前國內富含油氣資源的主要地層。世界上與碳酸鹽巖有關的油氣藏儲量約占世界總儲量的50%，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%[1]。中東地區(qū)白堊系碳酸鹽巖儲層Mishrif層，巖性變化小，南部為大套顆?；?guī)r儲層，向北變?yōu)榇筇椎哪噘|顆?；?guī)r儲層，厚度在80m左右，儲層分布相對穩(wěn)定。目前水平井裸眼完井方式開發(fā)在后期開采和增產(chǎn)措施作業(yè)過程中，陸續(xù)出現(xiàn)井壁坍塌的狀況，造成油氣井產(chǎn)能下降或停產(chǎn)，嚴重影響產(chǎn)量。

筆者應用ANSYS有限元分析軟件，從地質應力、生產(chǎn)制度和增產(chǎn)措施等方面，研究分析開采和增產(chǎn)過程中儲層段井壁穩(wěn)定性，進而確定中東地區(qū)碳酸鹽巖地層采用裸眼下入打孔管的完井方式，為類似儲層的開發(fā)提供重要理論依據(jù)。

1碳酸鹽巖地層強度

儲層巖石力學及強度特性是井壁穩(wěn)定分析的重要依據(jù)[2]。結合室內試驗和相應的測井數(shù)據(jù)，建立或選擇合適的巖石彈性和強度參數(shù)測井模型可真實反映地層特性[3]。

通過大量調研，對比多個常用碳酸鹽巖單軸強度的計算模型，如Militzer模型、Golubev模型、Rzhewski模型等[4～7]。考慮試驗測得灰?guī)r巖心在0MPa圍壓條件下實測縱波波速4055.14m/s，相應的縱波時差為75.183μs/ft。分別代入碳酸鹽巖單軸強度計算模型，僅有Golubev模型計算抗壓強度(53.73MPa)與巖心實測單軸抗壓強度(52.00MPa)接近。因此選用該模型作為碳酸鹽巖層的單軸抗壓強度計算模型可靠。

以室內巖石力學試驗獲取的動靜態(tài)轉換關系及優(yōu)選出的強度模型為基礎，結合測井數(shù)據(jù)計算該層單軸抗壓強度波動不大，主要集中在40～80MPa，地層初始強度較高。

2碳酸鹽巖地層井壁穩(wěn)定性分析

中東地區(qū)碳酸鹽巖儲層在后期開采和增產(chǎn)措施作業(yè)過程中，部分井出現(xiàn)了井壁坍塌的狀況，分析主要原因為生產(chǎn)壓差變化以及酸處理對于巖石強度和井壁穩(wěn)定性的影響。

2.1碳酸鹽巖井壁穩(wěn)定性判定準則

圖1　井壁崩落寬度示意圖

圖2　碳酸鹽巖井壁穩(wěn)定性分析物理模型示意圖

Zoback等[8]通過對數(shù)千口油井的研究表明，穩(wěn)定的井眼并不是指沒有破壞的井眼，而是允許存在一個極限崩落寬度(≤90°)(圖1)，在該區(qū)域內，隨著井壁持續(xù)崩落，崩落區(qū)域逐漸加深，但崩落寬度不變，井壁依然保持穩(wěn)定狀態(tài)。不同初始崩落寬度條件下的井壁崩落隨時間的變化規(guī)律如下：當初始崩落寬度較小時(<60°)，持續(xù)崩落時深度不斷加深，但寬度基本不變，井壁仍有一定的拱形支撐，井眼可以保持穩(wěn)定狀態(tài)；然而當初始崩落寬度較大時(>120°)，后續(xù)的崩落會導致井壁失去拱形支撐，最終導致井壁失穩(wěn)。筆者以井眼崩落寬度90°為準則，對Mishrif碳酸鹽巖層裸眼井壁穩(wěn)定性進行分析。

2.2物理模型

針對酸化前與酸化后不同情況，建立2種不同彈塑性有限元分析模型[9,10]，其中水平井的分析模型如圖2所示。酸化后物理模型地層依次劃分為嚴重腐蝕區(qū)、輕微腐蝕區(qū)和原狀地層。模型選取邊長為12m的正方形，井眼位于模型中央，井眼半徑為0.105m，嚴重腐蝕區(qū)半徑為2m，輕微腐蝕區(qū)半徑為4m，考慮到井眼的對稱性，采用四分之一模型。根據(jù)巖體力學的觀點，距巖體硐室半徑6.5倍以外的地方幾乎不會發(fā)生應力重新分布的現(xiàn)象，所以上述模型基本上可以消除邊界效應對計算結果的影響。

2.3網(wǎng)格劃分及計算參數(shù)

模型采用4節(jié)點平面單元對幾何模型進行劃分，共獲得3381個節(jié)點和3200個單元。采用理想彈塑性本構方程，利用Drucker-Prager準則判斷巖石是否發(fā)生塑性屈服。計算參數(shù)見表1。

表1　計算參數(shù)

2.4分析結果

2.4.1生產(chǎn)制度對于井壁穩(wěn)定的影響

分析不同生產(chǎn)壓差下水平井儲層段井壁穩(wěn)定性。水平井開采生產(chǎn)壓差分別為0、1、3、5、8、10、12、15MPa下的井壁等效塑性應變云圖見圖3(井眼軸線沿最小地應力方向)。

圖3　不同生產(chǎn)壓差下的井壁等效塑性應變云圖

由圖3可得，在不同的生產(chǎn)壓差下，水平井地層均沿著最大平地應力方向發(fā)生屈服，屈服區(qū)域關于井眼對稱。不同生產(chǎn)壓差下的井眼擴大率及崩落寬度如表2所示。隨著生產(chǎn)壓差增大，井眼塑性屈服區(qū)范圍不斷擴大，生產(chǎn)壓差由0MPa增加到15MPa，相應的井眼最大塑性屈服區(qū)半徑由112.88mm增加到132.19mm，井壁失穩(wěn)的風險顯著提高。

根據(jù)計算結果繪制了井眼極限擴大率、崩落寬度與生產(chǎn)壓差的關系曲線(圖4)，以崩落寬度90°為上限，可見任意生產(chǎn)壓差下，井眼崩落寬度均大于90°，水平井裸眼完井條件下井壁穩(wěn)定性較差，極易發(fā)生崩落。

圖4　水平井井眼極限擴大率、崩落寬度與生產(chǎn)壓差的關系

生產(chǎn)壓差/MPa井眼最大塑性屈服區(qū)半徑/mm極限井眼擴大率/%崩落寬度/(°)0112.887.50126.01114.198.75144.03115.5010.00180.05119.1312.25180.08122.2317.25180.010124.8819.50180.012128.2722.75180.015132.1926.50180.0

2.4.2增產(chǎn)措施對于井壁穩(wěn)定的影響

表3　不同酸化程度模擬參數(shù)

生產(chǎn)壓差分別為5MPa情況下，分析不同酸化程度下水平井儲層段井壁穩(wěn)定性[11]，模擬參數(shù)見表3。不同酸化程度下井壁等效塑性應變云圖如圖5所示。隨著酸化程度的增大，地層塑性屈服區(qū)范圍不斷擴大，井眼崩落寬度均大于90°，3種條件下的井壁最大塑性屈服半徑及極限井眼擴大率見表4。隨著酸化程度增大，井眼塑性屈服區(qū)范圍不斷擴大，嚴重腐蝕區(qū)強度降低30%，井眼最大塑性屈服區(qū)半徑達到137.88mm，井壁失穩(wěn)的風險顯著提高；隨著酸化程度的增加，井壁巖石強度降低明顯，井眼發(fā)生垮塌的機率進一步升高。

圖5　不同酸化程度下水平井井井壁等效塑性應變云圖

嚴重腐蝕區(qū)強度降低幅度/%輕微腐蝕區(qū)強度降低幅度/%井眼最大塑性屈服區(qū)半徑/mm極限井眼擴大率/%50121.3616.132010131.9826.303020137.8831.94

3碳酸鹽巖地層完井方式優(yōu)化

Mishrif儲層主要為灰?guī)r，水平井開發(fā)單一層位，儲層含極少量泥巖夾層，從儲量動用和控制程度角度，目前采用水平井裸眼完井方式。完井工藝與施工作業(yè)簡單，保護儲層效果好，最大程度地溝通與儲層的接觸面積，實現(xiàn)產(chǎn)能最大化，且易于后期修井。

灰?guī)r儲層巖石強度較高，原始地層井壁穩(wěn)定性較好，但隨著開采過程中壓差變化、后期酸化作業(yè)的影響，巖石強度降低明顯，井壁極易發(fā)生崩落，可能造成井眼垮塌。后續(xù)水平井開發(fā)推薦采用裸眼下入打孔管支撐井壁的完井方式。

中東地區(qū)Mishrif碳酸鹽巖儲層9口水平井采用裸眼下入打孔管支撐井壁的完井方式，且投產(chǎn)后成功實施酸化增產(chǎn)工藝，累計日增油達到3372m3，生產(chǎn)狀況良好。

4結論和建議

1)針對中東地區(qū)碳酸鹽巖儲層，將理論研究與室內試驗相結合，優(yōu)選出了碳酸鹽巖層的單軸抗壓強度計算模型。

2)首次運用ANSYS有限元分析軟件，從地質應力、開采制度和增產(chǎn)措施等方面，對水平井儲層段井壁穩(wěn)定性進行了模擬研究。

3)對中東地區(qū)碳酸鹽巖儲層進行模擬，水平井在開采過程中裸眼井壁失穩(wěn)的可能性較大；實施酸化作業(yè)后，井眼擴大率明顯增大，發(fā)生崩落甚至垮塌的可能性進一步增大，推薦采用裸眼下入打孔管支撐井壁的完井方式。

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[編輯]帥群

[引著格式]文敏，朱磊，王平雙，等.中東地區(qū)碳酸鹽巖地層水平井完井方式優(yōu)化[J].長江大學學報(自科版) ,2015,12(11):52～56.

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)11-0052-05

[中圖分類號]TE257

[作者簡介]文敏(1982-)，女，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事鉆完井設計工作，wenmin@cnooc.com.cn。

[基金項目]國家科技重大專項(2011ZX05030-05)。

[收稿日期]2015-01-04