李丹
中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠,黑龍江 大慶 163001
大慶油田在嫩二段底部(以下簡(jiǎn)稱“嫩二底”)存在一個(gè)厚度約為10m,平面上穩(wěn)定發(fā)育的水平頁(yè)巖軟弱結(jié)構(gòu)面,被稱之為標(biāo)準(zhǔn)層(標(biāo)志層)[1],巖性為油頁(yè)巖或泥頁(yè)巖[2],位于油層上部約70m左右,是非開發(fā)層系[3,4]。在油田長(zhǎng)期注水的影響下,地層發(fā)生不均勻縱向變形,造成嫩二底標(biāo)準(zhǔn)層沿水平弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),形成大面積剪切套管損壞(以下簡(jiǎn)稱“套損”)。該種類型的套損已經(jīng)在大慶油田形成多個(gè)套損集中區(qū),嚴(yán)重影響油田的正常開采。標(biāo)準(zhǔn)層剪切型套損一旦形成,標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面中就會(huì)因套損水井誤注、報(bào)廢井報(bào)廢不徹底、固井二界面破壞[5]等原因形成高壓進(jìn)水域[6](或稱浸水域[7]、侵水域[8])。進(jìn)水后標(biāo)準(zhǔn)層層面的力學(xué)性質(zhì)和受力狀態(tài)被改變,使其在進(jìn)水前后的滑移條件發(fā)生改變,給標(biāo)準(zhǔn)層套損的預(yù)測(cè)帶來(lái)困難。
大慶油田標(biāo)準(zhǔn)層剪切型套損的力源是長(zhǎng)期注采開發(fā)引起的地層變形[9,10],套損是注水開發(fā)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[11]。多年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在油田注水導(dǎo)致地層巖石膨脹變形的研究方面,取得了一些成果。BRUNO[12]發(fā)現(xiàn)油田的泄壓開采產(chǎn)生了嚴(yán)重的地層壓實(shí),從而導(dǎo)致地層表面的沉降;DUSSEAULT等[13]基于莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則和有效應(yīng)力原理,對(duì)斷層界面滑移機(jī)理進(jìn)行了分析,得出了構(gòu)造面滑動(dòng)時(shí)孔隙壓力的估算方法;HAN等[14]認(rèn)為大慶油田砂巖層擴(kuò)張和黏土巖局部滑動(dòng)導(dǎo)致套管失效。套管的主要失效模式有變形和位錯(cuò);YIN等[15]指出油田注水可導(dǎo)致弱構(gòu)造面滑移,使套管發(fā)生剪切損壞變形。
地層滑移是一個(gè)連續(xù)的過程,以往的研究?jī)H關(guān)注弱結(jié)構(gòu)面初次地層滑移的條件和規(guī)律。實(shí)際上,地層初次滑移后,軟弱構(gòu)造面上存在殘余剪應(yīng)力[16],在地層變形過程中,剪切應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)累積釋放再堆積再釋放的過程[17],其本質(zhì)是黏滑變形。黏滑是一種階段性摩擦失穩(wěn)現(xiàn)象,在地質(zhì)構(gòu)造中,常采用黏滑理論研究斷層在長(zhǎng)期地質(zhì)構(gòu)造力作用下的變形規(guī)律[18]。MARONE[19]揭示了黏滑現(xiàn)象的周期性力學(xué)機(jī)制;胡超洋[20]考慮了地表斷裂后滑移弱化的影響,研究了地層壓力下大慶油田泥頁(yè)巖水平弱面的黏滑變形規(guī)律;LI等[21]利用時(shí)變初始損傷的階躍函數(shù)定性描述了脆性巖石蠕變過程中不同時(shí)間聚集微裂紋引起的剪切帶黏滑變形。上述研究在黏滑理論和試驗(yàn)方面探索了巖石黏滑的基本規(guī)律,但對(duì)于大慶油田高壓進(jìn)水的嫩二底標(biāo)準(zhǔn)層,其進(jìn)水后的黏滑變形規(guī)律尚未開展研究,制約了套損防控方案的有效制定。下面,筆者重點(diǎn)研究了標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面進(jìn)水后滑移準(zhǔn)則和黏滑變形規(guī)律:基于黏滑變形理論,根據(jù)地層孔隙壓差的影響,建立了水平斷裂面黏滑力學(xué)模型,得到了地層應(yīng)力和位移的近似解析解;基于斷層黏滑理論和滑移弱化理論,建立了進(jìn)水后標(biāo)準(zhǔn)層水平弱結(jié)構(gòu)面黏滑變形計(jì)算模型,定量表征了弱結(jié)構(gòu)面相對(duì)滑移距離。
區(qū)域間地層平均壓力差是引起地層不均勻沉降、誘發(fā)標(biāo)準(zhǔn)層破壞和滑移的源動(dòng)力[22,23]。油田在開發(fā)時(shí)被人為劃分為多個(gè)區(qū)塊,每個(gè)區(qū)塊制定了不同的注采方案。制定開發(fā)方案時(shí),雖然區(qū)塊內(nèi)不同層系和井網(wǎng)開采壓力會(huì)有一定的差異,但區(qū)塊內(nèi)一般會(huì)保證相似的平均地層壓力。然而,由于相鄰區(qū)塊間有時(shí)會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)的開采壓力不同、某一區(qū)塊增產(chǎn)提壓、鉆井關(guān)?;蛱讚p關(guān)井等措施的影響,部分區(qū)塊間的平均地層壓力差異可達(dá)1MPa以上。大慶油田嫩二底油頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)層位于油藏上部,水平上分布穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)層中存在水平薄弱面,多數(shù)地區(qū)的這個(gè)水平斷裂面已經(jīng)大面積斷裂。
注采開發(fā)引起地層變形規(guī)律研究中,胡超洋[20]推導(dǎo)了區(qū)域間壓差作用下地層變形的解析解,將區(qū)域間地層壓差的作用方式假設(shè)為某一半徑為rb的異常壓力區(qū),其區(qū)域地層平均孔隙壓力高于或低于周圍相鄰區(qū)塊,區(qū)域間壓差為Δpp。在地層孔隙壓力的影響下及區(qū)域間壓差作用下,地層橫向、縱向位移解為:
(1)
其中:
zm1=z+h0
式中:u(r,z)、w(r,z)分別為地層中深度z,距離異常壓力區(qū)中心r點(diǎn)的橫向和縱向位移;cau是橫向位移系數(shù),1;Su、ceu、B、cw1和cw0為橫向位移的徑向位置系數(shù),1;hm為上覆巖層厚度,m;h0為注水受效層厚度,m;μ為地層泊松比,1;E為地層彈性模量,MPa;zm1為相對(duì)高度,m;αε為縱向位移系數(shù),1。
區(qū)域間地層壓差的增加使油層不均勻垂向變形程度加大,進(jìn)而迫使其上覆巖層應(yīng)力逐漸聚集,其中在大慶油田標(biāo)準(zhǔn)層處水平方向的剪切應(yīng)力最先到達(dá)其斷裂極限并形成斷裂。通過地層變形的位移解,依據(jù)圓柱坐標(biāo)系下的幾何方程可得出任意位置的應(yīng)力情況,結(jié)合區(qū)域間壓差作用下地層位移解析解(1),得出上覆巖層垂向正應(yīng)力、剪切應(yīng)力為:
(2)
其中:
式中:σz為標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面垂向應(yīng)力,MPa;τzr為標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面剪切應(yīng)力,MPa;hd為標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面距離油層的高度,m;eu為地層應(yīng)力系數(shù)。
在大慶油田標(biāo)準(zhǔn)層滑移問題中,標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面各點(diǎn)所受剪切應(yīng)力不同,存在一個(gè)層面上剪切應(yīng)力最大的位置,這個(gè)位置的剪切應(yīng)力首先達(dá)到破壞極限。當(dāng)層面上某一點(diǎn)超過能承受的最大靜摩擦力,這一位置滑移后剪切應(yīng)力立刻釋放并產(chǎn)生滑移。發(fā)生滑動(dòng)后,這一點(diǎn)的剪切應(yīng)力迅速降為最大動(dòng)摩擦力,同時(shí),該位置立刻產(chǎn)生斷裂滑移并帶動(dòng)鄰近位置滑動(dòng)。臨界位置在滑移點(diǎn)帶動(dòng)下,也要釋放超過最大動(dòng)摩擦力部分的剪切應(yīng)力,形成滑移。滑移量變化值與摩擦力減小值線性相關(guān),得出有摩擦條件下的地層滑移量為:
(3)
式中:ud(r)為標(biāo)準(zhǔn)層層間滑移量,m;ud0(r)為無(wú)摩擦條件下標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面上的相對(duì)滑移量,m;τd(r)為標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面上的殘余剪切應(yīng)力分布函數(shù);τd0(r)為假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)層未滑移時(shí)的界面剪切應(yīng)力分布函數(shù)。
未滑移時(shí),標(biāo)準(zhǔn)層界面剪切應(yīng)力分布函數(shù)根據(jù)式(2)計(jì)算,無(wú)摩擦條件下標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面上的對(duì)滑移量可根據(jù)層面斷裂前的剪切應(yīng)力與標(biāo)準(zhǔn)層剪切模量近似計(jì)算。最先斷裂點(diǎn)剪切應(yīng)力釋放程度最大,根據(jù)滑動(dòng)弱化理論并考慮滑動(dòng)弱化距離的影響,臨界位置應(yīng)力未完全釋放,層面上的殘余剪切應(yīng)力為:
(4)
式中:τy為標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面最大靜摩擦力,MPa;τf為標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面最大動(dòng)摩擦力,MPa;Dc為滑動(dòng)弱化距離,m。
斷裂面上的剪切應(yīng)力由τd0降低為τd,形成的滑移量為ud。其剪切應(yīng)力釋放后一部分轉(zhuǎn)換為斷裂面的滑移,其余部分被周圍分?jǐn)?。鄰近位置殘余剪切?yīng)力增加延續(xù)原剪切應(yīng)力分布趨勢(shì),鄰近位置殘余剪切應(yīng)力增加量為:
(5)
式中:Δτd(r)為標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面上的殘余剪切應(yīng)力增加量,MPa;u(t)為標(biāo)準(zhǔn)層滑移量,m;G為標(biāo)準(zhǔn)層剪切模量,MPa。
依據(jù)Amontons定理,地層滑動(dòng)過程中的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)可表示為:
(6)
式中:μff、μfy分別為標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面動(dòng)、靜摩擦系數(shù),1;σn為標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面上的垂向正應(yīng)力,MPa。
標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)水后,標(biāo)準(zhǔn)層中侵入的水分擔(dān)了部分上覆巖層壓力,標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面上的正應(yīng)力不再只有原上覆地層壓力,其變化為:
σn=σz|z=h0+hs-pw
(7)
式中:σz為垂向應(yīng)力,MPa;hs為油層與標(biāo)準(zhǔn)層間泥巖厚度,m;pw為標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面進(jìn)水壓力,MPa。
進(jìn)水后的巖石表面礦物被侵入水潤(rùn)濕。水有激勵(lì)顆粒斷層發(fā)生不穩(wěn)定黏滑的作用,巖石層面潤(rùn)濕后動(dòng)、靜摩擦系數(shù)將會(huì)下降[24]。弱面進(jìn)水后,標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面動(dòng)、靜摩擦系數(shù)分別為:
μff=ημff0
μfy=ημfy0
(8)
式中:μff0、μfy0分別為標(biāo)準(zhǔn)層非濕潤(rùn)斷裂面動(dòng)、靜摩擦系數(shù),1;η為標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面進(jìn)水后的摩擦力下降系數(shù),1。
斷裂面上的其中一點(diǎn)超過其最大靜摩擦力后,層面便開始滑移。斷裂面滑移位置處的剪切應(yīng)力逐漸釋放,釋放的剪切應(yīng)力由相鄰位置承擔(dān),這將導(dǎo)致相鄰位置處的應(yīng)力也大于最大靜摩擦力,使滑移范圍逐漸增大。斷裂面上剪切應(yīng)力釋放的過程也是地層形成滑移的過程。地層的滑移導(dǎo)致地層靜止?fàn)顟B(tài)被打破,只有在層面上各位置剪切應(yīng)力均小于最大動(dòng)摩擦力時(shí),地層滑移才會(huì)停下來(lái)。地層停止滑移時(shí),滑移范圍的兩個(gè)端點(diǎn)處于形成滑移的臨界點(diǎn)上,此處正層面剪切應(yīng)力值為最大動(dòng)摩擦力。根據(jù)這一條件,可得出兩端臨界滑移位置存在的關(guān)系為:
(9)
式中:rra與rrb分別為標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面的2個(gè)臨界滑移位置,m;τd(rra)與τd(rrb)分別為標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面的2個(gè)臨界滑移位置處的剪切應(yīng)力,MPa。
在實(shí)際計(jì)算中,需要通過τd(r)計(jì)算結(jié)果迭代求解rra與rrb。根據(jù)兩端臨界滑移位置可計(jì)算出地層滑動(dòng)弱化距離:
Dc=|rra-rrb|
(10)
當(dāng)層面上的最高剪切應(yīng)力剛超過層面可積累的最大靜摩擦力后,地層立刻發(fā)生斷裂滑移,結(jié)合式(3)、(4)、(5)、(9)和(10)即可求解出標(biāo)準(zhǔn)層層面上各點(diǎn)的滑移量ud(r)以及滑移后的層面剪切應(yīng)力τd(r)。斷裂面上剪切應(yīng)力的積累時(shí)間很長(zhǎng),層面上的一個(gè)剪切應(yīng)力釋放滑移過程的時(shí)間卻很短。斷裂面上剪切應(yīng)力釋放滑移過程是一個(gè)迭代過程,需要假設(shè)一個(gè)很小的Δr,讓rra與rrb以Δr為步長(zhǎng)從0開始逐漸增加,按照式(10)、(4)、(5)、(3)的順序反復(fù)計(jì)算,直至rra或rrb滿足式(9)后,達(dá)到條件的方向暫停一次步長(zhǎng)增加。重復(fù)上述迭代過程,直至rra和rrb都滿足式(9)后計(jì)算停止,得出地層滑移量和層面殘余剪切應(yīng)力分布。
斷裂面完成第1次滑移后,隨著區(qū)域間壓差的逐漸增加,標(biāo)準(zhǔn)層層面剪切應(yīng)力繼續(xù)累積,直至層面上某一點(diǎn)剪切應(yīng)力達(dá)到層面靜摩擦力后,地層將再次滑動(dòng),如此反復(fù),呈現(xiàn)為間歇式滑移形式。域間壓差的逐漸增加過程中,地層的斷裂面剪切應(yīng)力不斷聚集、釋放、再聚集和釋放;斷裂面出現(xiàn)滑移、停止、再滑移、再停止。上述現(xiàn)象在本質(zhì)上就是黏滑變形現(xiàn)象。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)層滑移的特征,需要根據(jù)每次地層滑移前后滑移量、摩擦力計(jì)算下次滑移的區(qū)域間壓差和剪切應(yīng)力及滑移量分布。標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面隨區(qū)域間壓差增加形成的第1次滑移后,層面殘余剪切應(yīng)力分布是迭代計(jì)算得出的,難以用公式表示,隨后的黏滑變形周期分為2個(gè)階段:應(yīng)力積累階段和地層滑移階段。應(yīng)力積累階段可通過上次滑移階段的參與剪切應(yīng)力分布結(jié)合式(2)和式(6)計(jì)算斷裂面達(dá)到滑移臨界條件時(shí)的區(qū)域間壓差變化量,進(jìn)而得出下一次滑移發(fā)生時(shí)的斷裂面殘余剪切應(yīng)力分布情況;地層滑移階段和第1次滑移相似,通過迭代算法計(jì)算剪切應(yīng)力釋放后的層面殘余應(yīng)力與地層滑移量。
為了方便計(jì)算不同條件下的層間滑移量,運(yùn)用Visual Basic 6.0 編制了標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面黏滑變形計(jì)算程序,能夠計(jì)算得出各中間變量值,得出滑移面應(yīng)力方程,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面的相對(duì)滑移量和每次滑移的層面殘余應(yīng)力。參考大慶油田南一區(qū)西部區(qū)塊地層的平均參數(shù),開展了標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面黏滑變形規(guī)律研究。地層的幾何條件和力學(xué)參數(shù)如表1所示。
表1 力學(xué)模型中所用地層的條件和力學(xué)參數(shù)
區(qū)域間壓差作用下,位于油層上部的水平斷裂面應(yīng)力增加,通過計(jì)算得出了區(qū)域間壓差影響下斷裂面垂向正應(yīng)力和剪切應(yīng)力表達(dá)式:
區(qū)域間壓差作用下的垂向正應(yīng)力與上覆巖層產(chǎn)生的垂向正應(yīng)力疊加再減去進(jìn)水壓力后即為斷裂面處垂向正應(yīng)力的總和。根據(jù)式(6)和式(8),垂向正應(yīng)力與對(duì)應(yīng)摩擦系數(shù)相乘即為斷裂面位置能承受的最大動(dòng)、靜摩擦力。筆者以界面上不同位置能夠承受的最大靜摩擦力為例,分析斷裂面進(jìn)水前和不同進(jìn)水壓力對(duì)其的影響,結(jié)果如圖1所示。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面進(jìn)水對(duì)最大靜摩擦力的影響Fig. 1 Influence of water inflow to fracture surface of datum bed on maximum static friction force
斷裂面能夠承受的最大靜摩擦力即為斷裂面發(fā)生滑動(dòng)前能承受的最大剪切應(yīng)力。最大靜摩擦力越低,斷裂面越容易發(fā)生滑移;而最大動(dòng)摩擦力越低,斷裂面滑移后界面上釋放的剪切應(yīng)力越多,斷裂面滑移程度也越大。斷裂面進(jìn)水前,斷裂面能夠承受的最大靜摩擦力在2MPa左右。斷裂面一旦進(jìn)水,在潤(rùn)濕作用的影響下,即便進(jìn)水壓力較小,也能較大幅度降低最大靜摩擦力,使斷裂面更容易發(fā)生滑移。隨著進(jìn)水壓力的增加,最大靜摩擦力整體逐漸降低,進(jìn)一步降低了斷裂面滑移的發(fā)生條件。同樣的,界面能夠承受的最大動(dòng)摩擦力的計(jì)算公式與靜摩擦力的計(jì)算公式相似,其變化規(guī)律與靜摩擦力相同。因此,斷裂面進(jìn)水壓力的增加能夠降低斷裂面滑移界限,增加斷裂面滑移程度。
運(yùn)用編寫的標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面黏滑變形計(jì)算程序,計(jì)算了斷裂面進(jìn)水壓力3MPa時(shí)地層第1次滑移前后斷裂面上剪切應(yīng)力,結(jié)果如圖2所示。
圖2 地層第1次滑移前后標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面上剪切應(yīng)力分布Fig. 2 Distribution of shear stress on fracture surface of datum bed before and after the first slip
通過計(jì)算可以得出,在此條件下,當(dāng)區(qū)域間壓差達(dá)到0.87MPa時(shí),地層剪切應(yīng)力超過斷裂面能夠承受的最大靜摩擦力。剪切應(yīng)力超過斷裂面能夠承受的最大靜摩擦力的位置為r=871.2m 處。此時(shí),黏滑變形的第1次滑移開始,斷裂面上的剪切應(yīng)力釋放,轉(zhuǎn)換成斷裂面滑移量。剪切應(yīng)力釋放形成滑移過程中,斷裂面剪切應(yīng)力減少的部分由斷裂面其他位置分擔(dān),引起周圍剪切應(yīng)力增加。直至斷裂面上全部位置殘余剪切應(yīng)力小于最大動(dòng)摩擦力后,斷裂面停止滑移。此后,隨著區(qū)域間壓力差的增大,斷裂面位置殘余剪切應(yīng)力也會(huì)繼續(xù)積累,直至下次滑移位置,形成黏滑變形現(xiàn)象。
通過計(jì)算,繪制出區(qū)域間壓差作用下泥巖水平斷裂面剪切應(yīng)力與層間滑移量,如圖3所示。從標(biāo)準(zhǔn)層層面最先斷裂位置處看,層間剪切應(yīng)力隨著區(qū)域間壓差線性增大,當(dāng)達(dá)到層間剪切應(yīng)力后立即下降,在斷裂面上形成相滑移。第1次滑移后,斷裂面上有剪切應(yīng)力殘留。隨著區(qū)域間壓力差值繼續(xù)增大,斷裂面上的剪切應(yīng)力繼續(xù)積累,當(dāng)?shù)竭_(dá)0.98MPa時(shí),再次達(dá)到斷裂面剪切應(yīng)力大于最大靜摩擦力的條件,并形成第2次滑移?;七^程和應(yīng)力積累過程如此反復(fù),斷裂面呈現(xiàn)為間歇式運(yùn)動(dòng),形成黏滑。由于每次滑移后的斷裂面殘余剪切應(yīng)力不同,黏滑的周期也略有變化。斷裂面第1次滑移后,地層滑移所需的區(qū)域間壓力差增量大幅減小。地層變得不穩(wěn)定的同時(shí),每次形成滑移的區(qū)域間壓差增量也發(fā)生變化。從殘余剪切應(yīng)力分布看,每次滑移后的殘余剪切應(yīng)力分布都不同,難以掌握其規(guī)律性。每次達(dá)到滑移條件的位置也不同,滑移后的剪切應(yīng)力釋放程度也有變化。也就是說(shuō),地層在長(zhǎng)期黏滑變形過程中,斷裂面開始滑移的條件是不確定的值。
圖3 不同區(qū)域間壓差條件標(biāo)準(zhǔn)層剪切應(yīng)力分布Fig. 3 Shear stress distribution of datum bed under pressure difference condition between different regions
圖4為r在0~3000m范圍地層滑移量與區(qū)域間壓差對(duì)應(yīng)關(guān)系。
圖4 不同區(qū)域間壓差條件標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面滑移量Fig.4 Slip amount of fracture surface of datum bed under pressure difference condition between different regions
計(jì)算結(jié)果表明,斷裂面第1次滑移的滑移量較大,但范圍較小。地層形成第1次滑移后,斷裂面范圍在每次滑移過程中逐漸增大。滑移量的最大值位置比較穩(wěn)定,集中在870m附近。也就是說(shuō),隨著地層的不斷滑移,地層滑移范圍會(huì)隨著區(qū)域間壓差的增大逐步擴(kuò)展,首次形成滑移的位置其滑移程度最大。
由于斷裂面的滑移是黏滑變形,地層在形成第1次滑移后,再次滑移的區(qū)域間壓力差變化值降低,地層滑移范圍也逐漸擴(kuò)展。地層黏滑過程中,首先在一個(gè)連續(xù)的區(qū)域發(fā)生滑移,隨后滑移范圍逐漸擴(kuò)展,滑移的程度也逐漸增加。因此,在制定地層滑移誘發(fā)的剪切套損方案時(shí),應(yīng)對(duì)已形成剪切套損的區(qū)域?qū)嵤└訃?yán)格的安全區(qū)域間壓差范圍。已形成套損的區(qū)域,一旦區(qū)域間壓差值未被有效控制,套損區(qū)極容易再次擴(kuò)張,已套損區(qū)套損程度加劇。地層黏滑變形后的層面殘余剪切應(yīng)力分布復(fù)雜,再次形成滑移的條件不是固定值。因此在參考已有經(jīng)驗(yàn)制定預(yù)防套損的安全區(qū)域間壓差時(shí),應(yīng)考慮到老套損區(qū)形成滑移的條件不固定的因素,保守選擇區(qū)塊間的安全區(qū)域間壓差。
此外,進(jìn)水壓力是影響地層形成滑移的關(guān)鍵。斷裂面中的進(jìn)水壓力能大幅降低地層開始滑移的條件,降低斷裂面殘余剪切應(yīng)力,進(jìn)而增加斷裂面上剪切應(yīng)力的釋放程度,即形成更大的地層滑移量和滑移范圍。斷裂面中的水主要來(lái)自套損注水井的注入水,這部分注水井未及時(shí)發(fā)現(xiàn)套損,大量的水以較高的壓力被誤注到斷裂面中。還有一部分報(bào)廢不徹底的套損井,高滲層的流體沿著井筒流入到斷裂面中。套損區(qū)應(yīng)該嚴(yán)格關(guān)注斷裂面進(jìn)水問題,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并關(guān)停套損的注水井,提高報(bào)廢井密封程度,避免流體進(jìn)入斷裂面。同時(shí)也要利用廢棄井等釋放斷裂面進(jìn)水壓力,有效提高地層滑移的臨界條件。
利用該模型計(jì)算了2008年6月至2013年6月大慶油田X區(qū)塊標(biāo)準(zhǔn)層段套管集中損壞深度范圍及初期的平均地層壓力。2008年6月至2009年6月期間,A區(qū)為低壓區(qū),平均地層壓力10.01MPa。B區(qū)和C區(qū)均為高壓區(qū),平均地層壓力分別為12.66、12.26MPa。A區(qū)與B、C區(qū)的區(qū)間孔隙壓力差為2.45MPa,區(qū)間橫向距離為1700m,在油田生產(chǎn)中,一般認(rèn)為套管損壞是由于套管直徑減小50mm引起的。在此基礎(chǔ)上,考慮黏滑和剪切弱化現(xiàn)象,初步計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)層段套損范圍為773m,與實(shí)際觀測(cè)到的790m套損區(qū)相符合(見圖5)。
圖5 大慶油田X區(qū)塊標(biāo)準(zhǔn)層套管損壞集中區(qū)示意圖Fig.5 Schematic diagram of casing damage concentration area of datum bed in block X of Daqing Oilfield
在初始套損區(qū),部分注水井發(fā)生破斷,但未發(fā)現(xiàn)并得到有效控制。因此,長(zhǎng)期以來(lái),大量注入水被誤注入,標(biāo)準(zhǔn)層段形成了較高的注水壓力,標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)水后,標(biāo)準(zhǔn)層斷面滑動(dòng)量和滑動(dòng)范圍進(jìn)一步增大,斷面滑動(dòng)臨界壓差減小。
計(jì)算了X區(qū)塊初始剪切損傷后4年的地層壓力和套管損傷。X區(qū)塊套管損傷區(qū)形成后,地層孔隙壓力控制不好,區(qū)間孔隙壓差當(dāng)時(shí)為1.58MPa。與初始套管損傷區(qū)相比,后續(xù)套損區(qū)不斷擴(kuò)大,說(shuō)明由于入水后標(biāo)準(zhǔn)層滑移減弱作用,地層滑移增加。該區(qū)塊在套損形成后,雖然人為控制了區(qū)域間壓差,在4年內(nèi)區(qū)域間壓差降低0.87MPa,但標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)水了沒有得到有效控制,地層滑移量繼續(xù)增加。通過3口該區(qū)塊修井、鉆新井時(shí)測(cè)試發(fā)現(xiàn),套損集中區(qū)已經(jīng)高壓進(jìn)水,平均進(jìn)水壓力為3.2 MPa。模型采用不考慮黏滑和剪切弱化現(xiàn)象的地層滑移計(jì)算方法,計(jì)算了套管損傷后期套管損傷范圍為1831m,套管損傷區(qū)實(shí)際統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度1780m,與之相符。此外,通過對(duì)比套損數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),套損區(qū)內(nèi)非套損井,一般在之后的1~2年內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)層套損或在標(biāo)準(zhǔn)層上部形成了其他形式的套損,套損區(qū)內(nèi)除了斷層附近井存在標(biāo)準(zhǔn)層未套損現(xiàn)象,其余位置在后期排除中都發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)層套損??梢?,對(duì)比2008年6月至2009年6月和2009年6月至2013年6月這2個(gè)時(shí)間段的標(biāo)準(zhǔn)層剪切套損情況,初期2.45MPa的區(qū)域間壓差形成長(zhǎng)度為790m的套損區(qū),而標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)水3.2MPa后,僅1.58MPa的區(qū)域間壓差形成了長(zhǎng)度為1780m的套損區(qū),說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)水釋放了層面上的剪切應(yīng)力,使地層滑移條件降低,滑移程度加劇,使套損區(qū)的范圍擴(kuò)大。標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)水壓力能夠增加區(qū)域間地層孔隙壓力差產(chǎn)生的層間滑移量,但實(shí)際上,標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)水域和進(jìn)水壓力層指標(biāo)還受多種因素影響,如斷層位置、注水壓力、地層孔隙度、標(biāo)準(zhǔn)層弱面的內(nèi)聚力和抗拉伸強(qiáng)度等參數(shù)。在實(shí)際套損防控時(shí),應(yīng)防止出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)水域,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)水通道,防止已形成的進(jìn)水域擴(kuò)大,對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)層已經(jīng)高壓進(jìn)水的區(qū)域應(yīng)該對(duì)其泄壓,并嚴(yán)格控制區(qū)域間地層壓力的平衡。
1)在區(qū)域間地層壓差的作用下,標(biāo)準(zhǔn)層上的剪切應(yīng)力逐漸累積。當(dāng)剪切應(yīng)力超過表面所能承受的最大靜摩擦力時(shí),標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面的剪切應(yīng)力部分釋放,形成滑移。斷裂面表面滑移后的剪切應(yīng)力小于該裂紋表面的最大動(dòng)摩擦力。隨著區(qū)域間壓差的增大,剪切應(yīng)力再次累積,再次形成滑移。因此,標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面會(huì)出現(xiàn)反復(fù)的黏滑變形現(xiàn)象。
2)在標(biāo)準(zhǔn)層積水的影響下,進(jìn)水后標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面表面的最大靜摩擦力大大降低,剪切應(yīng)力釋放條件降低,聚集能力下降,使標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面更容易發(fā)生滑移且滑移量也同樣增加。
3)標(biāo)準(zhǔn)層斷裂面內(nèi)高壓進(jìn)水,釋放了層面上的剪切應(yīng)力,降低了地層滑移條件,加劇了地層滑移程度,并使剪切套損區(qū)的范圍擴(kuò)大。在油田剪切套損防控時(shí),應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)水通道,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層泄壓,控制區(qū)域間地層壓力的平衡。