淺談套損成因

[摘要]套管損壞機理及預防對策研究涉及到油田開發(fā)、油藏工程、材料力學、固體力學、塑性力學、流體力學、地球化學、油層物理學、測井工程學、試井工程學等許多技術學科。這里所介紹的基本術語隸屬于上述學科范疇并與套損研究、檢測、分析、治理等方面密切關聯(lián)。

[關鍵詞]套管損壞機理；泥頁巖‘浸水域’引發(fā)套損；油層部位套損

套損機理：是指油水井套管損壞的成因和力學機制，研究套損作用機理是了解套損發(fā)生、發(fā)展和演化的技術前提，是進一步指導套管防護工作和套損治理工作的技術依據(jù)。不同地區(qū)、不同開發(fā)階段、不同技術研究條件下提出的套損機理學說是有差異的，套損機理隨著開發(fā)過程的深入、地下檢測手段的提高套損機理將得到進一步發(fā)展和完善。也就是說套損機理不僅不是唯一的和一成不變的，而是不斷創(chuàng)新、層出不窮、日臻完善的。

套損原因：是指單井或局部地區(qū)套損發(fā)生的具體原因，它可以具體到某種因素造成的、也可以是多種因素的綜合結果。套損原因分析往往只是對宏觀上的可控因素進行分析，還無法達到套損機理研究那樣的精細和微觀程度，它是套損機理研究的技術基礎。

“泥頁巖‘浸水域’引發(fā)套損”在注水壓力較高條件下，注入水可從泥巖的原生微裂縫和節(jié)理浸入，也可沿砂泥巖界面處浸入。對頁巖而言，注入水通過管外竄槽沿其層理面浸入。當泥頁巖含水后，其抗剪強度和摩擦系數(shù)大幅度降低，而且由于泥頁巖中富含蒙脫石等吸水礦物，會使泥巖發(fā)生體積膨脹，此時泥巖往往處于塑性狀態(tài)，當具備一定傾角時便會發(fā)生塑性流動或蠕動，從而對套管產(chǎn)生擠壓，導致套管損壞。

“流固--耦合作用引發(fā)套損”流固耦合作用是指滲透性巖石中的流體與巖石骨架之間的相互作用。巖石中流場或孔隙壓力的改變，必然引起儲層力學性質(zhì)和應力場的改變，而應力場的改變又會使流場特征發(fā)生進一步變化。當流體在巖石中流動時，孔隙壓力的改變即孔隙壓力的增加或減小，將導致巖石骨架應力減小或增加，引起地層的壓實或膨脹，進而導致巖石的孔隙性和滲透性改變，使表征巖石孔隙性和滲透性的參數(shù)--孔隙度和滲透率等參數(shù)增大或降低。石油套管的損壞變形正是地下流體、地應力、巖體性質(zhì)三個因素綜合作用的結果。

“區(qū)塊間孔隙壓力差異引發(fā)成片套損”平面上不均衡注水及鉆井調(diào)整往往造成有的區(qū)塊處于高孔隙壓力狀態(tài)、有的區(qū)塊處于低孔隙壓力狀態(tài)，造成區(qū)域間平面壓力差異。高孔隙壓力區(qū)有效地應力趨于減小，低孔隙壓力區(qū)有效地應力趨于減少，從而形成了較大范圍的差異應力場。在水平差異主應力的作用下，標準層油頁巖將發(fā)生較大規(guī)?；瑒佣l(fā)套損。大慶薩中地區(qū)共有6個成片套損區(qū)，都與區(qū)域間地層壓力差異過大有關。

“高壓注水時砂巖垂向形變導致油層部位套損”基于對高壓注水時砂巖的垂向形變特征和拉應力作用下套管強度、性能的理論研究和計算，得出了高壓注水時砂巖層套管損壞的作用機理。在砂巖層段，由于高壓注水引起砂巖垂向膨脹，使套管承受附加拉應力，而附加應力的增加使得套管抗擠毀強度降低，在平面差異應力作用下使得套管受到剪切損壞。

“注水條件下有效地應力減少導致套損”對于砂巖油層而言，注水、注聚會使孔隙壓力增加，而流體孔隙壓力越大，作用在巖石骨架上的有效應力越小，巖石抗剪切強度就越低，油層發(fā)生局部滑動的可能性就越大，套管損壞的危險性就越大。如果注入水沿裂縫浸入到泥巖或泥巖嚴重吸水造成憋壓，則不僅會使泥巖骨架的有效應力減少，而且會使泥巖內(nèi)摩擦系數(shù)和內(nèi)聚力大幅減小，使得泥巖層抗剪切強度下降幅度更大，更容易發(fā)生剪切滑動導致套損。

“地應力集中導致套管損壞”薩中地區(qū)套損層位主要集中在巖石間界面部位或巖石密度變異部位，即油頁巖與泥巖層之間界面位置、砂巖與泥巖之間界面位置、厚油層內(nèi)夾層部位、厚泥巖層頁理發(fā)育部位等。由于這些部位力學強度都比較弱，因此最容易產(chǎn)生應力集中，發(fā)生套損的可能性最大。統(tǒng)計表明，巖性為頁巖、泥巖層套損井數(shù)大約占了套損層總數(shù)的90%，只有10%左右的套損井的套損層位巖性隸屬于砂巖，但多半處于砂巖內(nèi)部物性夾層部位?？梢姡瑧兄饕a(chǎn)生在泥頁巖部位或油層物性夾層部位。如果區(qū)塊內(nèi)應力集中面積比較小且比較分散則會造成零散套損，如果地應力集中面積比較廣泛則會發(fā)生成片套損。油頁巖標準層頁理發(fā)育，抗張強度和抗剪強度都比較弱，所以更容易產(chǎn)生應力集中，而且由于其平面分布廣泛，所以易發(fā)生較大面積應力集中，當應力集中達到一定程度會產(chǎn)生成片套損。

套管發(fā)生變形、剪斷、張裂的應力極限約為40Mpa以上。而大慶油田砂泥巖地層內(nèi)形成的水平應力集中不可能直接達到40Mpa。套管之所以最終發(fā)生損壞是因為在套管外壁又產(chǎn)生了新的更強的應力集中現(xiàn)象。如果把地層骨架中的應力集中稱作一次應力集中，那么套管周圍產(chǎn)生的應力集中可稱為二次應力集中。二次應力集中是巖石、套管及管外水泥環(huán)三者之間的力學性質(zhì)差異造成的，是地應力經(jīng)過不斷傳導、加強最終作用于套管外壁上的必然結果。

“孔隙壓力差作用導致套管損壞”通常注水井的井底周圍孔隙壓力要高于生產(chǎn)井的壓力而形成孔隙壓力差。對于低滲透油田或注水井周圍孔隙堵塞，注入水不能很好的滲透到油井中，致使注水井井底壓力高于油井很多，從而產(chǎn)生了從注水井指向油井的很大孔隙壓差，這個力作用在巖石骨架上，當在孔隙壓力與上覆層壓力接近時，這個作用力一旦大于巖石剪切強度時，局部的地層將在孔隙壓力差的推動下從注水井或高壓塊向著低壓塊或油井方向滑動，處于滑動地層中的那部分套管將被推擠損壞。若巖層發(fā)生滑動，其造成套管損壞有三個特征：一是注水井(高壓塊)先于油井(低壓塊)發(fā)生套管損壞；二是鄰井變點位置在同一層上；三是相鄰井(低壓排的井)同時發(fā)生套管損壞。

“層間滑動導致套管損壞”油水井套管損壞以剪切型式為主。國內(nèi)外有關研究表明，剪切滑動引起套管損壞是由成層巖體的自身力學結構所決定的，變形、破壞往往發(fā)生在巖體中強度最薄弱的部位，而且這個部位不一定是載荷最大的地方，而是軟弱力學結構面發(fā)育的地方。薩中油田每個油層組都是砂泥巖互層結構，油層組內(nèi)的砂泥界面、頁巖頁理面、裂縫、微裂縫、薄夾層等都是軟弱力學結構面。