许幸幸 于献彬

(1.临沂大学土木工程与建筑学院，山东 临沂 276000； 2.临沂市建筑结构鉴定与加固重点实验室，山东 临沂 276000)

1 概述

由于地应力场的影响因素众多而且变化复杂，为攻克这一难题，就石油工程领域国内外学者进行了大量的研究工作。Shlumberger测井公司借助测井资料来对地层力学问题进行了解释。从此开始了对石油工程领域中有关地应力问题的研究。20世纪80年代美国能源部通过改变应力的压裂试验，得到了地应力场会因为相邻井裂缝的作用而发生变化，通过现场测试和室内试验，一些科学家也得到了类似的结论[1，2]。Sneddon和Elliott从理论上推导出了在无限大的弹性体中，裂缝周围的应力场计算公式[3]；Eibel和Mack研究了前次裂缝周围孔隙压力随时间演化的影响并证明了长期生产能逐渐改变地应力场，使得应力能发生90度的反转[4]。20世纪80年代以来，由于油气田发展的需要，国内许多石油部门都相继开展了地应力的测量及研究工作。2000年，董平川对油井进行了开采过程中的流固耦合模拟[5]；2001年，刘建军利用流—固耦合计算程序对裂缝性低渗透油田开发过程中孔隙度、渗透率的变化情况[6]。2008年，周包依据势的叠加原理，确定了重复压裂裂缝周围孔隙压力大致分布[7]。2009年，修乃岭根据现有的理论，推导出低渗透油藏注水过程激动边界的扩展规律[8]。2018年，范白涛建立了弹塑性地层中压裂裂缝扩展的数值计算模型,探索塑性变形对裂缝扩展特性的影响[9]。上述研究工作大都是基于中高渗透油藏并且没有考虑地应场的动态演化规律，基于此有必要对低渗透油藏井壁围岩流固耦合作用下应力场动态演化规律进行研究。

基于流固耦合理论，以ABAQUS大型有限元分析软件为计算平台，通过编写用户子程序来实现应力场和渗流场的完全耦合。模拟了开发过程中某油田井壁围岩孔隙压力及Z向位移随注采压差不断变化的动态演化规律。

2 建立数值模型

基于流固耦合理论，借助ABAQUS有限元分析软件，模拟开发过程中的某油田井壁围岩应力场随着注采比不断变化的动态演化规律。

2.1 数值模型的建立

为了比较注水井和采油井井壁围岩孔隙压力和应力场的变化规律，数值模型采用一注一采即上部为一口注水井，下部为一口采油井，计算模型如图1所示；模型选取地下1 500 m处的砂岩储层，注水井和采油井的半径均为0.15 m,注水井和采油井的井距为70.7 m；井壁围岩体为弹塑性介质，服从Drucker-Prager准则。模型中力学参数如表1所示。

2.2 数值模型的前处理设置

1)网格划分。围岩体的应力分布由于受到井眼的影响，在井眼附近容易产生应力集中，故井眼附近对网格应该细化，远处适当增大网格以满足数值模拟计算速度和精度的要求；为了提高计算速度，根据对称性原则，取1/4模型进行数值模拟；单元数8 000个，节点数为9 471个，采用六面体孔压单元，网格划分如图1所示。

表1 模拟区域的力学参数

2)边界条件及初始条件的设置。受非均匀地应力的作用:X方向地应力取25 MPa，Y方向地应力取23 MPa，Z方向受上覆盖岩层压力，大小为30 MPa；Z向底部约束x,y,z向位移；假设初始孔隙压力为6 MPa，如图2所示。

3)分析步的设置。第一步为地应力场的平衡；第二步为注水井和采油井进行注水和生产的数值模拟，模拟时间取为10年，假设模拟过程中注水和采油持续进行。

4)分析工况的设置。固定其他注采参数，给注水井和采油井分别施加井底流压边界，保持采油井井底压力不变，改变注水井井底压力。研究工况如表2所示。

表2 研究工况 MPa

2.3 数值模拟及结果分析

2.3.1 孔隙压力及Z向位移随注采压差的变化规律

为了分析孔隙压力及Z向位移随注采压差的变化规律，给出井壁围岩孔隙压力及Z向位移在不同工况的云图，如图3～图8所示。

由图3～图8可知，当采油井井底压力保持不变时，随着注采压差由5 MPa增加到35 MPa，井壁围岩孔隙压力由10 MPa增加到40 MPa；Z向正位移由0.053 6 mm增加到4.82 mm。

2.3.2 不同位置孔隙压力随时间的变化规律

为了研究井壁围岩不同位置孔隙压力随时间的变化规律，分别给出注采压差为5 MPa,15 MPa及25 MPa点N(1 206),N(153)及N(2 261)孔隙压力随时间的变化曲线，如图9,图10所示。

图9，图10表明，井壁围岩的每一个位置，孔隙压力均随着时间的增大呈现先升高后趋向不变。同时，在文中所取的计算工况下，对比图9，图10可以看出，随着注采压差的增大，孔隙压力呈现增大的趋势。

2.3.3 井壁围岩不同位置Z向位移随时间的变化规律

为了研究井壁围岩不同位置Z向位移随时间的变化规律，分别给出注采压差为5 MPa，15 MPa及25 MPa点N(1 206)，N(153)及N(2 261)Z向位移随时间的变化曲线，如图11，图12所示。

图11，图12表明，井壁围岩的每一个位置，Z向正位移均随着时间的增大呈现先升高后趋向不变。同时，在文中所取的计算工况下，对比图11，图12可以看出，注采压差越大，Z向正位移越大。

3 结语

首先完成了ABAQUS用户子程序的编写，然后将编写的用户子程序导入到ABAQUS有限元计算软件中，对一注一采的井壁围岩应力场在注采压差不断变化下的演化规律进行了研究，从模拟结果可以看出：当采油井井底压力保持不变时，对整个研究区域来说，随着注采压差的增大区块岩体的孔隙压力逐渐增大，沿Z向的正位移逐渐增大；当采油井井底压力保持不变时，在同一注采压差下，孔隙压力及Z向正位移均随着时间的增加呈现先增大后趋于不变。

研究结果对为达到最优开采目的提供了理论依据，也为后期开发调整及套损预测提供可靠的理论依据。