碳酸盐岩油藏生产过程中的动态应力场变化规律——以塔河地区TP326CH井为例

张俊江，应海林

中石化西北石油分公司工程技术研究院，新疆 乌鲁木齐

1.引言

天然裂缝发育的碳酸盐岩油气藏，虽采用酸压方式进行增产，但只能在开采初期短时间内得到较高产量，随着时间的推移，油井产量迅速降低，后期增产措施必须考虑生产过程中的地应力场变化。刘洪林等[1]分析了泌水盆地南部地区现代构造应力场对煤储层物性的控制机理，发现随着主应力差增大，地层渗透率呈指数形式急剧增高。李春林等[2]研究了应力场与油气运聚的关系，发现油气从地应力场的高值区向低值区运移聚集。因此，明确碳酸盐岩油藏生产过程中的动态应力场变化规律，有利于二次酸压等增产措施的制定。

笔者使用孔隙弹性力学理论，求解的应力场为变化量[3]，当坐标系建立在原始主应力空间时，可以将原始地应力边界换成固定约束边界，该时可使用有限的地层模型来模拟无限大地层。

2.仿真建模

选用Comsol软件可方便处理任意角度裂缝及裂缝相交的问题。根据统计学特征，建立天然裂缝随机分布的地层模型，表1为模拟井的天然裂缝统计特征。选取塔河地区的TP326CH井，其地层基础参数见表2。

Table 1.The statistical characteristics of natural fractures (replacing wells)表1.模拟井的天然裂缝统计特征(换井)

Table 2.The data list for modeling表2.TP326CH井建模所需数据

选定最大水平主应力方向为Y轴，则天然裂缝走向为15～45˚，采用均匀分布得到天然裂缝的走向和中心点坐标。设天然裂缝长度满足正态分布，其均值为10 m，平方差为0.7 m。地质模型长度为500 m，天然裂缝密度为1条/m，因此，天然裂缝条数设置为500条。

由于在二级裂缝形成过程中受到第一级裂缝应力阴影的干扰[4][5]，二级裂缝的长度和空间形状均发生改变，因此设置第二级裂缝长度和倾角小于第一级。图1是TP326CH井的生产情况，其生产制度可大概归纳为5个阶段，分别为：2015-11-3～2015-12-19，静水压力为50 MPa；2015-12-19～2016-1-20，静水压力为70 MPa；2016-01-20～2016-9-2，静水压力为60 MPa；2016-9-2～2016-12-1，静水压力为50 MPa；2016-12-1～2017-2-14，静水压力为60 MPa。

Figure 1.The production in Well TP326CH图1.TP326CH井生产情况

3.动态应力场的变化规律

在生产过程中，随着地层流体的排出，孔隙压力发生变化，因而有效地应力也发生变化。考虑应力阴影效应，第二级裂缝长度设为60 m，倾角60˚。

3.1.孔隙压力的变化规律

根据李大奇，杨枝等人[6][7][8]的试验，碳酸盐岩的渗透率变化主要为裂缝的渗透率变化，且高围压下(大于40 MPa)碳酸盐岩的渗透率变化很小，因此模型中不考虑生产过程中的基质渗透率变化。为了避免酸压裂缝尖端出现奇异值[9]，对裂缝尖端区域进行网格加密。

由图2可知，酸压裂缝根部的孔隙压力最先降低，随时间推移，酸压裂缝周围的孔隙压力明显降低。与酸压裂缝连接的天然裂缝周围的孔隙压力也明显降低，未与酸压裂缝连接的天然裂缝对于孔隙压力的分布几乎没有影响。孔隙压力分布有2个很明显的分界面，分别为包裹两级酸压裂缝的扇形区域和区域外围的40 m区域。

随着时间推移，两级酸压裂缝之间渐渐连通，有利于产液剖面的平衡，降低地层水锥进的风险，提高采收率。同时，孔隙压力降低区域向外扩展，压力边界也由初始的两个驼峰形状变为扇形。

Figure 2.The pore pressure distribution after 1d production图2.生产1 d后的孔隙压力分布

3.2.垂直裂缝方向正应力变化规律

X轴方向正应力，即垂直裂缝方向正应力。由图3可知，垂直裂缝方向正应力的扩展规律与孔隙压力相同，其最大值区域始终分布在酸压裂缝周围。随着时间推移，酸压裂缝根部的垂直裂缝方向正应力渐渐减小，最大值区域向酸压裂缝前端集中，最终酸压裂缝周围没有明显的极值区域。

在生产初期，整个酸压裂缝面受到的闭合压力明显大于初始地应力。在整个生产过程中，裂缝前端处的流量最大，孔隙压力也最小，导致裂缝前端的闭合应力始终最大，也最先发生裂缝闭合。随着生产进行，远离酸压裂缝区域的垂直裂缝方向正应力减小，油气储量会有所增加，是实施二次增产措施的有利区域。

3.3.沿裂缝方向正应力的变化规律

Y轴方向正应力，即沿裂缝方向的正应力。由图4可知，沿裂缝方向正应力有2个较为明显的分界面，分别为水平井筒附近和包裹两级酸压裂缝的扇形区域。在生产初期，水平井筒和酸压裂缝周围的沿裂缝方向正应力最先开始增大；随生产进行，区域慢慢扩大，但纵向上始终在酸压裂缝尖端附近，纵向上远离酸压裂缝的区域，油气储量会有所增加，也是实施二次增产措施的有利区域。

Figure 4.The normal stress distribution in vertical fracturing direction after production for 60 d图4.生产60 d后的沿裂缝方向正应力分布

4.模型验证

在模拟的时间范围内，压力波传播始终在所建模型内部，应力场发生变化的区域也没有超出所建模型范围，因此可对地层孔隙度变化量进行面积分，求得水平井的产量，与实际产量进行对比，如果二者较为接近，则说明所建模型合理、准确。为排除生产初期的一些不确定性因素的影响，取模拟的第10 d至第60 d的产量与实际产量进行对比，得到对比结果如图5所示。对比结果表明，模拟的日产量与实际日产量较为接近，说明所建模型与实际情况较为符合。

Figure 5.The production simulation results图5.生产模拟结果

5.结论

1)人工裂缝前端的闭合应力始终最大，也最先发生裂缝闭合。

2)随着生产进行，远离酸压裂缝区域的垂直裂缝方向正应力减小，油气储量会有所增加，是实施二次增产措施的有利区域。

3)纵向上远离酸压裂缝的区域，油气储量也会有所增加，同样也是实施二次增产措施的有利区域。