大慶油田嫩二段底部標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)水后的黏滑變形計(jì)算模型

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。

1 標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面黏滑變形計(jì)算模型

1.1 標(biāo)準(zhǔn)層水平斷裂面應(yīng)力計(jì)算模型

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)。

1.2 考慮黏滑現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)水后斷面變形計(jì)算模型

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。

2 斷裂面黏滑變形規(guī)律

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。

3 實(shí)例計(jì)算

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。

4 結(jié)論

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。