一脉冲冲击波有效作用距离影响因素模拟分析

2016-12-27隋义勇张永民李加强曲永春任桂山

中国石油大学学报（自然科学版） 2016年5期

隋义勇, 张永民, 李加强, 曲永春, 任桂山

(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580;2.西安交通大学电气工程学院,陕西西安 710049;3.大庆油田创业集团萨南实业公司,黑龙江大庆 163414; 4.大庆油田公司测试技术服务分公司,黑龙江大庆 163453;5.大港油田采油工艺研究院,天津 300280)

隋义勇1, 张永民2, 李加强3, 曲永春4, 任桂山5

利用数值模拟方法,分析储能、作业次数、弹性模量、地应力对重复脉冲冲击波有效作用效果的影响。结果表明:低储能时无法致裂储层,以解堵为主,高储能时可以使储层产生微裂缝提高渗透率;随着作业次数的增加,冲击波有效作用距离不断增加至最大值,此后再增加作业次数,有效作用距离基本不变;地应力对有效作用距离影响比较明显,随着地应力的增加,有效作用距离呈对数规律减小;在地应力较小、弹性模量较大时,随着作业次数增加有效作用距离增大,但试验表明作业次数增加会使储层软化,减小弹性模量,降低冲击波作业效果;当地应力较大时,弹性模量和作业次数对有效作用距离基本无影响,因此重复强冲击波对弹性模量大、地应力小的储层解堵、增产、增注效果较好,且存在一个合理的冲击波作业次数。实际应用时应根据储层参数选井，优化冲击波作业参数。

脉冲冲击波; 岩石应力; 有效作用距离; 解堵; 数值模拟

脉冲冲击波技术是利用电脉冲装置中储存的有限能量以冲击波形式作用到储层有限可控区域,在作用区域形成极端的物理环境实现对储层有效作业的一种物理方法。重复脉冲法相比压裂、爆燃等一次性的大型措施,虽然能量小、有效作用距离有限,但具有无污染、工艺简单、成本低的特点,已在国内多个油田应用,并取得了较好的效果[1-7]。该技术的研究目前主要侧重于设备研发[6-10]、机制研究[10-18]和效果评价[1-7,13],仍停留在定性解释的水平,为了分析该技术的的适应性以及定量解释各影响因素对作业效果的影响程度,笔者模拟不同储能、不同等效地应力、不同作业次数、不同地层弹性模量对砂岩层破裂半径、破裂面积及最大声强范围的影响,为该技术的选井选层以及优化作业参数提供理论依据。

1 重复脉冲强冲击波作用机制

一方面,当冲击波的幅值大于储层岩石的抗压强度时，冲击波可击碎岩石,甚至产生破碎区[15-17];冲击波衰减形成的压缩应力波幅值大于储层岩石的抗张和抗剪强度,并持续一定时间,会使岩心内部产生一定量的微裂缝或贯通原有无效孔隙,从而实现孔隙度和渗透率的提高。另一方面，冲击波在含有饱和油、气、水的储层中传播时,在不同介质界面上产生剪切力,剥离附着在储层渗流通道壁上的有机和无机堵塞物,起到解堵作用[19-22]。

2 数值模型的建立

数值模型长、宽均为50 m,在模型正中设置井筒,套管外径139 mm,套管壁厚6.35 mm,套管密度7.8 g/cm3,管体抗拉强度818 kN,弹性模量210 GPa,泊松比0.3;水泥环厚45 mm,密度2.0 g/cm3,弹性模量38 GPa,泊松比0.22;砂岩力学参数概化后进行计算,密度2.5 g/cm3,泊松比0.26,黏聚力35 MPa,抗拉强度10 MPa,内摩擦角40°。由于砂岩的非连续、非均质特性导致无法只用几个确定的强度参数表征整个岩体,因此将上述岩石力学参数作为砂岩强度的期望值,并将强度的随机特征引入数值模型中。引入随机特征后,数值模型中每个单元的强度各不相同。其中黏聚力随机为0～70 MPa,抗拉强度随机为0～20 MPa,内摩擦角随机为10°～57°。

单次脉冲载荷采用三角波载荷代替,载荷幅值为100 MPa,持续时间0.3 ms,频率为0.017 Hz,如图1所示。

图1 脉冲载荷

脉冲施加过程中,脉冲波向井筒四周扩散,对周围的岩体产生一定的挤压作用,导致非均质的砂岩体出现剪切或拉伸破坏。数值模拟计算中,采用Mohr-Coulomb准则及最大拉应力准则分析电脉冲装置的储能、作业次数、弹性模量和地应力对有效作用距离的影响程度。

3 模拟结果分析

3.1 储能及作业次数对有效作用距离的影响

模拟分析30 MPa等效地应力和5 GPa弹性模量的储层中,4.5 kJ储能条件下不同作业次数下的作业效果。由于4.5 kJ储能较小,随着时间的增加,速度波逐渐向外传播,但幅值逐渐减小,砂岩层并没有出现破裂,即使作业300次,砂岩层依然处于弹性状态。储能提高到30 kJ,不同作业次数下井筒附近的砂岩层均出现了网状裂缝,且破裂范围随着作业次数的增加略有增加,如图2所示。

不同储能条件下作业次数对作用距离影响如图3所示。储能4.5 kJ作业时,应力波引起的应力状态不足以使岩石受到破坏,但弹性波在岩层中不同密度的介质中传播时,由于介质间的波阻抗差异将在介质界面上产生剪切力,这种剪切力不足以破坏岩石,但对岩石孔隙、裂隙、孔喉中的杂质和异物有清洁作用,能够促进液相渗流,对储层起到解堵的作用,模拟条件下100次作业时达到最大解堵半径。

30 kJ储能作业时,在径向上距井筒不同距离处,冲击波的性质、形状和对储层作用性质不同。随着与井筒距离增加,其在与储层岩石的作用中强度不断衰减。冲击波透过套管进入储层后,在近井地带,冲击波的峰值超过储层的抗压强度后使储层岩石产生塑性变形,消耗大部分能量,产生破碎区。在与储层岩石剧烈作用后,冲击波衰减为不再具有陡峭峰值的压缩应力波,波速也接近岩石中的声速,在压缩应力波作用下,储层岩石处于非弹性状态,可导致储层岩石破坏或残余变形岩石发生破裂,因而在作业次数较低时,随着作业次数的增加,有效作用半径不断增大,模拟条件下当作业次数达到15次时作用半径达到最大,作业效果以增产增注为主。随着传播距离的增加,冲击波进一步衰减,所以即使作业次数继续增加,有效作用半径增大趋势亦逐渐变缓。

图2 30 kJ储能不同作业次数下破裂状态

两种储能条件下,作业次数与有效作用半径的关系为

R4.5=5×10-8n3-0.000 1n2+0.028 3n+5.982 6,

R30=-5×10-5n4-0.003 7n3-0.109 4n2+1.526 8n+8.597 9.

式中,R4.5为4.5 kJ储能时有效作用半径,m;R30为30 kJ储能时有效作用半径,m;n为作业次数。

3.2 地应力对有效作用距离的影响

地应力不仅反映储层的深度,也是影响致裂效果的敏感因素。为了分析不同储能不同深度储层中(即不同地应力)的作用效果,取不同等效地应力进行模拟分析,作业次数均取50次,其他参数不变。作业50次后,有效作用距离随着地应力的变化如图4所示。随着地应力增加有效作用距离快速下降,当地应力较大时,作业次数对有效作用距离影响很小。

有效作用半径与作业次数和地应力之间的关系为

R=45.522 8e0.005 7n-0.187 3lnp-45.608.

式中,R为有效作用半径,m;p为地应力,MPa。

图4 地应力与有效作用距离关系

3.3 弹性模量对有效作用距离的影响

考虑到声强场是一个弹性场,只跟弹性模量、泊松比、密度有关,跟地应力无关。实际计算时不考虑地应力进行最大声强场分析。1、30、50次作业下,弹性模量分别为2.3和23 GPa下,以最大声强场超过1 kW/m2的区域为有效作用区域,不同弹性模量下岩石破裂半径及破裂面积与地应力的关系如图5所示。由图5可得,随着作业次数的增加,有效作用范围逐渐增大,但增大趋势逐渐变缓;随着弹性模量的增加,有效作用范围迅速增大;相比作业次数,弹性模量的增加对有效作用范围的影响更为明显。弹性模量越大,储层刚性越大,因而相同地应力下、相同作业次数下的破裂半径及破裂面积越大。作业次数较少时,弹性模量对破裂范围的影响较大;作业次数增加后,冲击波对储层的岩石力学参数产生影响,如表1所示。

随着作业次数增加,弹性模型变小,使弹性模量对破裂范围的影响减小。一方面作业次数增加会增大破裂面积,另一方面作业次数增加会减小弹性模量及破裂面积,应优化合理的作业次数取得最佳破裂效果。油水井实际生产时,弹性模量并非一成不变,而是随着含水饱和度、围压、孔隙压力等参数变化,所以从弹性模量的对致裂效果影响角度考虑,上述参数应成为冲击波作业选井的必要条件。

图5 弹性模量与有效作用距离关系

表1 冲击波对储层力学参数影响

4 结论

(1)冲击波作用下的致裂范围与储能、地应力条件、作业次数及岩石弹性模量密切相关，影响程度由大到小依次为储能、作业次数、地应力、弹性模量。

(2)储能越大,重复脉冲有效作用距离越大,作业效果越好;地应力越大,致裂范围越小;作业次数越多,致裂范围越大;砂岩层弹性模量越大,致裂范围越大。

(3)作业次数增加对作业效果有正反两方面影响。一方面会提高作业效果,但是另一方面会使储层软化降低作业效果,对于冲击波作业存在一个合理的作业次数。

(4)随着地应力减小和弹性模量增加,有效作用距离增大,因而重复脉冲技术对地应力小和弹性模量大的储层作用效果好。含水饱和度、围压、孔隙压力等参数会影响弹性模量,因而冲击波作业选井时也应考虑上述参数。

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(编辑李志芬)

Numerical simulation study on parameters impacting effective influence distance of pulse shock waves for well stimulation

SUI Yiyong1, ZHANG Yongmin2, LI Jiaqiang3, QU Yongchun4, REN Guishan5

(1.SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.SchoolofElectricEngineeringinXianJiaotongUniversity,Xian710049,China;3.SananIndustrialCompany,DaqingTrlumphGroup,Daqing163414,China;4.LoggingandTestingTechnologyServiceCompany,DaqingOilfield,Daqing163453,China;5.ResearchInstituteofOilProductionTechnology,DagangOilfield,Tianjin300280,China)

Numerical simulation was conducted to analyze the influence of energy storage, operation frequency, elastic modulus, and stress in rocks on effective repeated pulse shock waves for well stimulation. The simulation results show that, in the case with low energy storage, only plug removal can be achieved with no reservoir fracturing, while in the case with high energy storage, micro fractures can be generated that can induce reservoir fracturing and increase the formation permeability. With the increase of the number of operations, the effective influence distance of the shock wave can be increased continuously to a maximum value. After that, it remains constant. The rock stress has a great effect on the performance of the shock wave. With the increase of the rock stress, the effective distance of the shock wave decreases logarithmically, and when the rock stress is low and the elastic modulus is high, the effective distance increases as the number of operations increases. When the rock stress is high, the operation frequency and elastic modulus have little effect on the effective distance. The repeated strong shock wave can enhance plugging removal and increase production or injection of wells for the reservoir with large elastic modulus and low rock stress. In practical applications, the operation frequency can be optimized based on specific reservoir conditions.

pulse shock wave; rock stress; effective influence distance; plug removal; numerical simulation

2016-04-14

国家自然科学基金项目(51574271);中央高校基本科研业务费专项(15CX02007A)

隋义勇 (1975-),男,讲师,博士,研究方向为采油工程理论与技术。E-mail:suiyy@126.com。

1673-5005(2016)05-0118-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.05.014

TE 319

隋义勇,张永民,李加强,等.脉冲冲击波有效作用距离影响因素模拟分析[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2016,40(5):118-122.

SUI Yiyong, ZHANG Yongmin, LI Jiaqiang, et al. Numerical simulation study on parameters impacting effective influence distance of pulse shock waves for well stimulation[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2016,40(5):118-122.