油井中磨料射流割缝增产增注机理

第24卷第3期辽宁工程技术大学学报2005年6月Vol.24No.3JournalofLiaoningTechnicalUniversityJun.2005收稿日期：2003-09-01基金项目：国家自然科学基金重大项目资助（50490275）作者简介：李成全（1950-），男，辽宁大连人，高级工程师，主要从事工程力学方面研究，E-mail：[e-mail]。本文编校：赵娜文章编号：1008-0562(2005)03-0375-03油井中磨料射流割缝增产增注机理李成全，章兵，章梦涛，唐巨鹏（辽宁工程技术大学力学与工程科学系,辽宁阜新123000）摘要：对油井打完以后的环形区域渗透率低于环形区域外岩层渗透率，也即低于岩层原始渗透率的原因以及应力的重新分布进行了分析，得出了由于应力的变化对渗透率变化和对油井产量的影响。同时也对油井割缝后的应力重新分布和渗透率的变化进行了研究，得出了磨料射流割缝后增产、增注的机理。关键词：磨料射流割缝；增产增注；应力；渗透率中图分类号：TD263.3文献标识码：AMechanismofgrindingjetuesdforslittoincreaseyieldandinjectioninoilwellLICheng-quan，ZHANGBing，ZHANGMeng-tao，TANGJu-peng(DpeartmentofMechanicsandEngineeringSciences,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)Abstract：Thetechnologyofgrindingjetusedforslittoincreaseyieldandinjectioninoilwellisimportantforthesustainabledevelopmentofoilfield.Inthisarticle,thereasonwhypermeabilityofoilwellislowandthestressdistributionafterthewellisdiggedareanalyzed.Meanwhile,thestressdistributionandthechangeofpermeabilityarealsostudied,fromtheanalysis,themechanismofincreasingyieldandinjectionwithgrindingjetisobtained.Keywords：grindingjetusedforslit；increasingyieldandinjection；stress；permeability0引言目前，油井磨料射流割缝增产增注的机理，引起了很多工程技术人员的关注，这对于油田的可持续发展有着十分重要的意义，它不仅给油田带来了可观的经济效益，而且也带来了极大的社会效益。在油田开发实践中，围绕井筒的一个以井外壁为内边界的环形区域，如果岩层原来是均质的，当油井打完以后，此环形区域渗透率将低于环形区域外岩层渗透率，也即低于岩层原始渗透率，造成渗透率低的原因有：（1）钻井过程中，钻进中泥浆和固井过程中水泥浆渗入岩层和水泥颗粒在岩层孔隙沉淀，以及开采过程中流体携带的岩屑、砂粒泥粒在此环形区内岩层孔隙缝隙中沉淀，而堵塞了岩层孔隙缝隙部分空间，从而使渗透率降低。（2）井钻成后应力重新分布，近井环形区域内应力升高产生的压实效应，孔隙缝隙空间减小，甚至闭合，使得渗透率减小，因而流体流动困难，通过流体减少，产量降低。油、水井割缝增产增注机理研究，就是通过定量化的研究，说明割缝前后应力分布状态的变化，所引起井周环形区域渗透率的变化，对油井产量的影响。从而了解在油、水井中割缝，使之增产增注的机理，以下分三部分予以说明。（1）钻井后、割缝前井筒附近应力及分布状态。（2）井筒周围环形区域不同渗透率对油井产量的影响。（3）割缝后环形区域应力及渗透分布状态。1钻井后井筒附近应力及分布设岩层为均匀各向同性介质，钻井前岩层各点应力、渗透率相等。当在地层钻井直透油层，油井很长，因此，可以将油井周边应力分布视为平面应变问题进行分析。在弹性理论中，平面应变与平面应力的应力分布公式是相同的，因此仅分析井周边辽宁工程技术大学学报第24卷376应力分布。这可以认为在相当于无限大板中钻一圆孔，以此作为计算模型，对井钻成后周边应力状态进行分析[1,2]。由于长期的地质作用和岩石蠕变，水平应力与垂直应力接近，即水平应力相等，由此采用极坐标，根据弹性理论得平衡方程0dd=+−rrrrσσσϑ（1）几何方程rururdd,==εεθ（2）物理方程()()22,11rrrEEθϑθεµεσεµεσµµ+=+=−−（3）边界条件当0rr=时，0=rσ；当∞→r时，θσσ=r（即无限远处应力为原始应力）。求解方程（1）～（3）并通过边介条件消去积分常数得井周边径向主应力rσ及切向应力ϑσ有22000022(1),(1)rrrpprrϑσσ=−=+(4)由上可知，最大切向应力在井壁附近为02p，即为远处应力的2倍，当03rr=，011.1p=ϑσ时，其分布见图1[3]。2渗透率对油井产量的影响大量试验证明，在峰值强度前，垂直压力保持为常量，围压在渗透率之间关系呈负指数变化规律)exp(21σBBk−=（5）式中，B1、B2均不为负的实验回归常数，σ为围压，显然井周边环形区与远场渗流系数之比有()[]21221exp/σσ−−=Bkk（6）式中k1、1σ为井四周环形区域的的渗透系数和应力，k2、2σ为岩体其他部分渗透系数和应力。若以B2=0.15，按埋深1000m计，岩石密度25kg/m3垂直应力为MPa25m1000m/kN253=×=σ，此处渗透率k1与远场渗透率2k之比，井壁处最大主应力为2P0则()023.0]251215.0exp[/21=×−−=kk即为原始渗透系数或远场渗透系数的1/50。当05.1rr=时，02020044.1))5.1(1(prrp=+=θσ19.0]25)144.1(15.0exp[/21=×−−=kk此处渗透率为远场的1/5。当02rr=时025.1p=ϑσ，39.0/21=kk为远场渗透率的2/5。当03rr=时，渗透率为远场渗透率的66%。当深度增加，井壁处应力超过屈服强度，产生塑性变形，如考虑油层埋深为2400m，为粗砂岩，其抗压强度为60MPa，内摩擦角φ=26º则可利用摩尔-库仑判据，经过公式变换得塑性区切向应力为8.102)605.22(15.210=+×+=ppϑσMPa式中，600=pMPa5.2sin1sin1=−+=ϕϕq塑性区与远场渗透率之比)15.0(2=B[]0016.0)608.102(exp/221=−−=Bkk即塑性区渗透率仅为远场原始渗透率的0.16%。现以该井所采油的圆形区半径为200m，该井半径r0=0.2m，井周应力为弹塑性应力状态，在R=1.5,r0=0.3m内，渗透率取值k1/k2=0.19经计算无压实环形区域和压实环形区域井产量比有221001lnlnln21PPQhRRRRhrrQ⎛⎞=+=⎜⎟⎝⎠如能完全将环形区域的高应力消除，可以提高产量20倍，由此可以看出埋深大增产系数也大。图1岩层钻孔应力分布示意图Fig.1schematicdiagramofstressdistributionO123σθra2PPr/r05σrλ=1第3期李成全等：油井中磨料射流割缝增产增注机理3773割缝后应力及渗透率分布油井割缝后，井周应力将重新分布，无法求得解析解，只能进行数值分析。取油层埋深为1000m，砂岩弹性模量为1000MPa，泊松比为0.3，岩层原始水平应力为12MPa，仍采用极坐标，视为无限大平板，模拟开采进行加载，先开挖圆孔，再割两条缝，其最后计算结果如图2。由图2可以看出，远场应力仍为12MPa，只有在缝的顶部夹长的带状地区应力高于岩层原始应力即远场应力。在缝两侧部分地区出现拉应力，岩层将产生裂缝，渗透率将大幅度增加，井周应力均小于原始应力，即渗透率将大于远场渗透率。又取油层埋深为1500m进行计算，其最后的计算结果如表1。表1不同阶段应力对照Tab.1stressesondisparatephases方向开采前钻井后割缝后x方向应力/MPa36.567.39.87y方向应力/MPa40.856.23.56应力影响范围/mm3003000由表1可以看出，割缝后井周的应力将大幅度下降，仅为钻井后井周应力的5%~15%，且影响范围达3m之多。由以上的讨论可以得出：虽然是局部地区渗透率大于其他地区的渗透率，但油井的产量仍能得到很大的提高[4~6]。参考文献：[1]薛胜雄.高压水射流技术与应用[M].北京:机械工业出版社,1998.[2]王瑞和.油气井工程高压水射流技术研究[M].北京:石油大学出版社,1998.[3]杨兵,王福旺,边亮,等.水力割缝技术在油田开发中的应用[J].油气井测试,2002,11(4):63-66.[4]张永利,邰英楼,王来贵,等.水力喷砂割缝增产增注技术试验研究[J].石油钻采工艺,1997,19(6):100-101.[5]张永利,张彦和,吴恩成.水射流切割理论研究进展[J].辽宁工程技术大学学报,1999,18(5):503-506.[6]李忠华,章兵,邰英楼.水力喷砂割缝增产增注机理及有关参数的研究[J].辽宁工程技术大学学报,2001,20(4):156-158.图2模拟计算云图Fig.2mapsofsimulationtrsults(a)割缝后油井周边应力分布(b)割缝后井壁围岩的渗透率