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136.近井筒地质力学建模

导言

Petrel地质力学模块提供了用户界面友好、运算功能强大的三维地应力场模拟和四维耦合分析工具(详见公众号前期推出的文章Petrel四维地质力学耦合模拟)。获得全区应力场后,如何与工程现场紧密结合,充分利用三维地质力学的优势,为布井、钻井、压裂和生产等环节提供建议,这些是许多作业者面临的难题。

斯伦贝谢地质力学软件提供了丰富的扩展功能,包括近井筒地质力学建模、三维泥浆窗口预测、三维出砂分析评价、断层/裂缝稳定性分析、微地震事件预测等。这一系列功能提供了井筒稳定性、泥浆窗口、出砂临界压差等工程上直观易懂的成果,构建了力学数值模拟与现场作业之间桥梁。

作为Petrel地质力学软件系列文章的首篇,本文将重点介绍近井筒地质力学建模工具(Near Wellbore Builder,简称NWB)。更多功能介绍将在后续的系列文章中陆续推出。

NWB功能介绍

一、近井筒地质力学建模

随着油气藏开发的地质构造环境日趋复杂,以及水平井、多分枝井等钻井技术的不断突破,井身结构所面对的地应力条件也越来越严峻。特别是非常规储层的开发,多期构造作用形成了复杂的断层/天然裂缝系统和多变的原场地应力,钻井和压裂等工程扰动又进一步加剧了近井筒应力状态的复杂程度,也对近井筒力学分析提出了更高的要求。这些需求包括:

• 开展三维井壁稳定分析,预测钻井风险

• 分析套管和水泥环完整性,优化完井和压裂设计方案

• 评估完井长效稳定性,降低生产过程的套损风险

为了解决这些需求,首先需要克服的技术难点是模型的多尺度问题。全油田模型网格水平精度一般在10米以上,有些可以达到50米甚至100米。这一方面是由于油田区块的研究范围较大,运算规模限制了网格精度;另一方面是因为地震数据的采集精度一般在10米量级。为了对近井筒展开力学分析,就不可避免地需要模拟钻井、完井、压裂和生产的整个施工过程,以及剖分相应的套管、水泥环和地层单元。这就要求近井模型的精度达到数十英寸乃至数英寸的级别。多尺度问题带来的矛盾决定了一般的全油田模型无法解决上述难题。

基于Petrel勘探开发软件平台,近井筒地质力学建模 (NWB) 在Petrel地质力学工作流程基础上提供了同时覆盖全油田尺度及近井尺度的井筒完整性评价工作流程。在全油田尺度上,通过建立三维地质力学模型并开展四维地质力学分析,通过多轮的数值模拟来预测油藏在运行阶段压缩和沉降、对断层和裂缝的影响以及导致的套损风险。在四维地质力学分析模拟的基础上,NWB能够对近井筒开展地质力学建模并开展井筒完整性数值模拟分析。它将从四维地质力学模型截取近井的地质力学模型,该近井模型的应力边界将和全油田模型相协调。该近井模型的单元网格将被加密,以精细描述套管、水泥环的材料性质。近井的四维数值分析将根据生产和注入而引起的压力变化,分析评估生产运行过程中井的稳定性及完整性 。根据分析结果将分析评估可能的套管和水泥环的损坏,并对如何降低相关的风险,提高生产注入井的完整性提供指导。

二、精细刻画井身结构

NWB实现了近井筒网格剖分的高度自动化,使整个建模流程简明易用。根据用户输入的单元数、模型尺寸等少量参数,软件能够沿井轨迹自动剖分柱坐标系的网格,即网格沿着井筒的轴向、环向和切向划分。对于套管完井,NWB软件会根据完井方案自动读取套管内径、外径、深度等信息,对套管和水泥环分别进行合适的剖分,满足近井筒地应力分布、水泥环破坏和套管变形分析的精度要求。

三、简洁的属性参数设置

NWB提供了两种属性建模方式,以满足用户不同的分析需求:(1)从全油田模型提取物理力学属性参数;(2)由测井曲线和一维地质力学模型获取参数。

第一种方法适用于已完成全油田三维地质力学建模和四维耦合模拟的情况。该方法能够保证近井筒模型与全油田模型高度协调一致,包括:

• 岩石的物理力学参数协调

• 边界条件协调

• 断层/裂缝模型协调

岩石的物理力学参数由三维模型提取,既刻画了地层的非均质性,也避免了属性建模的重复工作;边界条件由四维耦合模拟的位移场抽取出来,施加到近井筒模型的边界,保证两套模型的变形协调一致;断层和裂缝的产状可以通过全区断层/裂缝模型或FMI解释的统计数据施加到近井筒模型中。

第二种方法适用于用户没有建立全油田地质力学模型的情况。此时用户可以用测井解释和一维地质力学模型中的密度、杨氏模量、泊松比和单轴抗压强度等参数曲线,建立Layer-cake模型,进行快速的近井建模分析。

此外,针对套管和水泥环的变形破坏,必须使用弹塑性本构关系进行力学分析。NWB软件内置了多种屈服破坏准则,例如:适用于水泥环的Mohr-Coulomb屈服准则,适用于套管等金属材料的Von-Mises屈服准则,适用于不同地层岩石的Mohr-Coulomb、Drucker-Prager、Critical State、Chalk Model等屈服准则,便于用户直接调用。

四、自动运算和导入成果

建模完成后,NWB会在后台自动调用地质力学求解器进行运算。目前支持多核并行运算或者导出到其他计算机运算,预计在正式发布版中将实现调用云端处理器运算。完成后直接在Petrel中导入成果,全部流程都在Petrel一体化软件界面完成。

NWB提供了简洁美观的二维剖面成果展示工具,可以沿井筒任意深度作横截面,展示井周360°的应力状态和井壁破坏情况。

三维成果的处理和展示,全部在Petrel的Model栏和3D窗口完成。对于裸眼井,地质力学分析能够展示井周三维应力分布、井壁破坏图像、破裂压力和坍塌压力分布情况。

对于套管井,NWB能够分析随着生产/注入过程地层孔隙压力的变化,地层、水泥环和套管发生变形破坏的情况。

案例研究

一、深海甲烷水合物开采四维地质力学耦合模拟及井筒完整性研究

深海甲烷水合物的开采具有地层强度低、压力衰竭快、水合物分解后容易出砂等地质力学特征,容易在近井筒产生巨大的剪切作用力,导致套管、尾管或防砂装置发生错动变形乃至破坏,产生砂堵风险。

针对这些技术难题,斯伦贝谢开展了深海可燃冰四维地质力学耦合模拟及井筒完整性研究(Qiu, et al. 2014. IPTC-17792)。具体内容本文不再赘述。下图展示了生产前和生产后的地层及套管受力变形情况,其中彩色云图表示水平主应力大小,变形后的网格反映了放大后的变形效果。

二、其他应用

斯伦贝谢也已经将NWB应用到南美的页岩气套损评价、巴西深海裂缝性碳酸盐钻井优化及国内高温高压裂缝性致密砂岩的出砂分析等。

结束语

综上所述,近井筒地质力学建模工具(NWB)具有快速、用户友好的界面,支持套管井及裸眼井,支持复杂地质力学特征,支持同时覆盖全油田尺度及近井尺度的工作流程,并且已经无缝集成在Petrel平台中。

全油田尺度的模拟将揭示井筒套管损坏发生机制及和地质、地质力学及油田运营之间的内在关系,并对套损高风险区进行预测。近井尺度分析评估:(1)钻井过程中的井筒完整性;(2)生产运行过程中井筒的变形、屈服及可能导致的完整性破坏。在综合全区四维地质力学模拟分析及四维井筒完整性数值模拟的基础上,NWB能够帮助用户从主动预防(井位优选及注入优化)到被动预防(套管及水泥环的优化)两方面提出可行的套损防治方案。

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