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[转载]岩石力学在石油工程中的应用

已有 5206 次阅读 2010-5-23 15:55 |个人分类:未分类|系统分类:教学心得|文章来源:转载

近年来, 随着石油勘探开发工作的不断深入岩石力学在石油开发领域的应用受到了许多有识之士的高度重视, 它在解决油气藏开发中复杂技术问题的同时, 也促进了与油气开发相关的岩石力学的飞速发展。目前岩石力学不仅在降低钻采事故、进行油藏工程研究、制定合理可行的开发方案、提高经济油气采收率、防止储层破坏和延长油气经济开采年限等领域得到了广泛应用, 而且已形成了固定的发展和研究方向。

一、岩石力学应用领域及主要问题

国内外与油气开发相关的岩石力学理论与应用在近十几年, 尤其是在90 年代以来得到了较大的发展。目前与油气开发相关的岩石力学理论, 主要应用在完井工程、油气开发和油气藏工程等领域。

1. 钻井工程

主要应用岩石力学理论解决裸眼完井情况下的井眼稳定、射孔密度、方向布置、炮孔的稳定以及完井过程中的出砂和防砂问题、地层-水泥环-套管的耦合力学问题、管柱(钻柱、套管柱、完井管柱)在各种井眼(直井、定向井、水平井)中的力学性能,包括管柱稳定性、动态特性、整体受力及机械强度、岩石破碎机理等等。

2. 开采工程

(1) 注采井网布置

研究地应力的分布规律和最大() 主应力的方向, 据此进行注水井和采油井的井网布置。

(2) 压裂优化设计

通过研究压裂层和隔层的岩石物理力学性质和地应力的大小和方向, 进行模拟计算, 预测设计缝长、宽、高和裂缝延伸方向以及油气产量, 从而设计压裂施工参数。但是传统的水力压裂模型, 大多数假设岩石是弹性连续介质, 忽略了岩石变形和流体流动的耦合作用。近年来, 人们开始研究孔隙压力和流体对岩石断裂、起裂和扩张的影响, 逐步建立了岩石起裂、扩展和闭合全过程的流固耦合模型, 并应用到现场设计施工中。

(3) 储层变形和孔隙坍塌预测

油气开采过程是一个流固耦合的综合过程, 根据开采过程中的储层变形的流固耦合理论, 可以预测储层变形程度和骨架的破坏过程, 预测出砂和孔隙坍塌时机, 以及防止地层损坏的最小保持压力, 以制定相应的对策。

(4) 提高采收率与防止储层损坏

注水或聚合物驱替不但可为油气流动提供了驱动力, 而且通过增加孔隙流体压力可扩张孔隙空间, 还有可能改变储层孔隙的油气水分布状态, 同时注水还降低了储层温度。因而可应用“应力- 温度- 渗流”三场综合作用下的流固耦合(渗流和变形) 理论, 设计出注水开采过程的最佳注采参数, 以达到既提高了采收率, 又维持了一定的保持压力, 防止储层损坏的目的。同样在稠油热采中由于储层流体的性质和温度也同样发生了变化, 也可以通过考虑“应力- 温度-渗流”三场综合作用下的渗流和变形, 设计出增产和防止储层损坏的施工参数。

(5) 延长油气井开采寿命

随着大量流体(油、气、水) 的采出, 储层孔隙压力降低,使岩石的有效应力增大, 上覆岩层荷载大部分由岩石骨架承担, 从而引起储层的压实和地面沉降同时在垂直和水平方向产生位移, 使井眼附近岩石产生比较大的拉伸和挤压应力, 严重时会造成油气井跨塌或挤毁套管, 使整个油井报废。研究与应用岩石力学变形理论, 制定合理的开采方案, 制定可行的开采参数和工艺, 调整储层应力状态, 可以达到保护储层, 延长油气井开采寿命的目的。岩石力学在石油开采的应用还包括开采中的井眼稳定、出砂分析、稠油冷热采等, 随着开采工作的进一步复杂化, 其应用领域将更加广阔。

3. 油藏工程

(1) 流固耦合油藏数值模拟

岩石力学及流固耦合理论的引入, 导致了地质材料力学油藏数值模拟理论和方法的出现。流固耦合油藏数值模拟综合考虑了储层在应力、渗流和温度场作用下的渗流和孔隙变形的相互影响和制约的问题, 将孔隙压缩、变形和渗流作为动态参数来考虑。具体内容包括流固耦合储层渗流、弹塑性变形和岩石物性参数动态模型以及数值模拟求解方法。流固耦合油藏数值模拟理论方法,不但可以方便地预测模拟油气开采过程中油气水的渗流过程和开采动态及开发生产指标最重要的是显著地提高了预测的精度。

(2) 压缩特性在可采储量计算和油藏数值模拟中的应用

理论和实验均证明, 储层岩石的压缩特性随应力状态和孔隙流体不同而变化, 因此油气开发过程中储层岩石的压缩系数和弹性系数是动态变化的。另外实测压缩特性应在模拟油层开采的单轴应变状态下, 而不是在静水压力下进行否则将引起极大的误差。岩石的压缩特性在计算可采储量和进行油藏数值模拟中起着十分重要的作用。计算可采储量和进行油藏数值模拟时,一定要用当时条件下的动态特性参数。国外实践表明, 分别采用动、静态参数计算的可采储量的误差高达40%

二、油气开发工程中岩石力学研究的主要问题

解决油气藏开发中存在的复杂问题的客观要求, 促进了与油气藏开发相关的岩石力学的研究与发展, 目前国内外油气开发中岩石力学的研究主要集中在以下几方面:

1 实际环境下的岩石力学性质及在开采过程中的变化规律

2 石油开采中的流固耦合问题及孔隙结构的变形和跨塌

3应力场、渗流场和温度场作用下的流固耦合分析

4油气藏开采引起的地层错动、蠕变和地面沉降研究;

5地应力测试技术

6地应力场的演变及天然裂缝的形成与扩展的分布规律

7实际地层环境下的岩石物性和声学的响应特性

8岩石物理力学性质的井下地球物理解释

9井眼稳定、储层出砂、优化射孔、稠油冷热采等井下工程研究

10水力压裂力学研究

11流固耦合油气藏数值模拟理论和方法研究。

在以上众多的研究方向上, 油气开发过程中的岩石力学性质求取及变化规律、油气储层流固耦合理论、水力压裂理论、地应力测试技术和流固耦合油气藏数值模拟理论以及这些理论方法在油气开发中的应用等课题均为当前国内外研究的热门项目。



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