嫩二段标志层套管损坏区进水域影响因素分析

艾 池，刘亚珍，李玉伟，高长龙

(东北石油大学，黑龙江 大庆 163318)



嫩二段标志层套管损坏区进水域影响因素分析

艾 池，刘亚珍，李玉伟，高长龙

(东北石油大学，黑龙江 大庆 163318)

分析了标志层进水域形成的力学机理，并根据水力压裂理论和Von-Mises屈服准则，确定了进水域形成的判定准则；基于建立的判定准则，采用有限元法模拟计算分析了注水压力、孔隙度、抗拉强度等因素对进水域面积的影响。计算结果表明：注水压力及孔隙度的增加会使标志层进水域面积增加，注水压力的作用效果更为明显；岩石抗拉强度和内聚力的增加，会使标志层进水域面积减小，但作用较小。了解嫩二段标志层进水域的影响因素及其作用对制订有效的套管损坏防控措施具有重要意义。

套管损坏；标志层；进水域；注水压力；Von-Mises屈服准则；嫩二段

0 引 言

嫩二段标志层套管损坏一直以来都是困扰大庆油田生产的主要问题之一。标准层套管损坏多为剪切错断，以往研究表明地层滑移为标准层套管损坏的直接原因[1-3]，而标志层套管剪切损坏集中发生在含水区。刘合等[3-6]对嫩二段标志层地质特征进行了研究，标志层岩石属于质地坚硬泥岩，且不浸水、不软化、不膨胀，化石沿层理分布形成区域性力学薄弱面，注入水进入标志层，富含化石层的岩石层理优先发生破坏，并迅速扩散，形成成片套管损坏现象。丛玉森针对嫩二段标志层进水与套管损坏之间的关系开展了研究，认为注入水通过裂缝进入标志层形成进水域(注入水进入标志层，并迅速扩散，标志层形成的大面积含水区即为进水域)，而不是与岩石的亲水矿物结合形成进水域[7]。目前关于标志层进水域的研究还主要集中在理论认识阶段，而对于进水域的形成及影响因素还鲜有报道。此次研究从力学角度分析了标志层进水域的形成机理，并采用有限元数值模拟方法，计算和分析不同影响因素对标志层进水域的作用，以期对嫩二段标志层套管损坏问题获得更为深入的认识，为嫩二段标志层套管损坏的预防提供指导意见。

1 标志层进水域形成机理

岩石力学实验表明，标志层岩石平行层理方向的抗拉伸强度和抗剪切强度不仅小于标志层之上和之下泥岩层的，还小于标志层岩石垂直层理方向的，因此，标志层沿层理方向更易发生张拉和剪切破坏[8]。

对于注水开发的油田，固井质量差或套管错断等情况形成注入水进入通道，当井筒内液体压力及井壁围岩应力满足条件时，标志层沿层理优先发生剪切或拉伸破坏，形成水平缝，从而沿层理形成进水域，进水域内层间摩擦力减小，地层剪切滑移导致套管损坏。

2 标志层进水域形成的判定准则

由于井壁围岩发生破坏的方式有拉伸破坏和剪切破坏，因此，分别根据水力压裂原理和Von-Mises屈服准则，确定标志层进水域形成的判定准则。

(1) 标志层地层发生拉伸破坏形成进水域的判定准则。标志层岩石层理发育，沿层理面胶结薄弱，且标志层位于较浅地层，极易形成水平裂缝。根据水力压裂原理[9]，得到拉伸破坏形成进水域的判定准则：

(1)

采用有限元软件模拟计算出井壁围岩垂向应力，满足式(1)的地层发生拉伸破坏，即为进水域。

(2) 标志层地层发生剪切破坏形成进水域的判定准则。当井壁围岩的周向应力与垂向应力之间的差值达到一定值时，井壁围岩将会发生剪切破坏，形成水平缝。根据Von-Mises屈服准则[10]，可得到判定准则：

(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2>2C2

(2)

式中：σ1、σ2、σ3分别为第1、2、3主应力，MPa；C为岩石内聚力，MPa。

通过模拟计算得到井壁围岩Von-Mises应力，满足式(2)的地层发生剪切破坏，即为进水域。

(3) 单井进水域面积的判定准则。井壁围岩不同位置地层应力状态不同，地层发生破坏的形式不确定，根据进水域面积最大化原则，在计算进水域面积时，取地层拉伸破坏形成的进水域面积和地层发生剪切破坏形成的进水域面积的并集：

S={S1∪S2}

(3)

式中：S为进水域总面积，m2；S1为地层拉伸破坏形成进水域面积，根据式(1)计算求取，m2；S2为地层剪切破坏形成进水域面积，根据式(2)计算求取，m2。

3 标志层错断井套管有限元模型

建立了如图1所示的嫩二段注水井套管错断有限元模型，对标志层套管错断注水井的进水域分布规律进行模拟分析。

图1 嫩二段地层套管错断井有限元模型

选取位于大庆油田萨中开发区标志层套管损坏集中区的一口井作为研究对象，该井标志层深度为610～618 m，套管错断处位于615 m；为保证地层边界足够大，有限元模型边长为100 m，模型厚度为50 m，标志层厚度为8 m。由于嫩二段标志层岩石垂直和平行层理方向的参数存在较大的差异，建立了横观各向同性流固耦合模型；根据实际地层情况，有限元模型自上而下分为泥岩、页岩及泥岩。模型参数见表1。

相关应力的加载：标志层孔隙压力为6.8 MPa；

表1 数值模拟采用的岩石参数

最大、最小水平主应力及上覆岩层应力分别为16.92、14.63、13.88 MPa，其中x方向为最大主应力方向，y方向为最小主应力方向。模型采用的相关岩石力学参数见表2。

表2 模拟采用的岩石力学参数

4 标志层进水域影响因素分析

4.1 注水压力对进水域面积的影响

当注水压力满足条件时，地层才开始破裂形成进水域。模拟计算中其他参数保持不变，注水压力从8.0 MPa逐渐增大至12.0 MPa，压力变化间距为0.2 MPa，得到进水域面积的变化曲线(图2)。

图2 注水压力对进水域面积的影响

由图2可知：当注水压力约为10.6 MPa时，开始形成进水域；当注水压力小于11.0 MPa时，进水域面积缓慢增加；当注水压力大于11.0 MPa后，进水域面积迅速增加，面积变化曲线近似呈指数函数关系。根据标志层进水域的形成机理，注水压力是决定标志层进水域能否形成的决定性因素，故只有将注水压力控制在合理范围才能防止进水域的形成。

4.2 孔隙度对进水域面积的影响

当岩石孔隙度较小时以拉伸破坏为主，孔隙度增大至一定值时出现拉伸和剪切共同作用的破坏方式[11]。模拟计算孔隙度对进水域面积的影响，其他参数保持不变，设定注水压力为11.6 MPa，孔隙度从0.00逐渐增大至0.30，变化间距为0.02，得到进水域面积的变化曲线(图3)。

由图3可知：随着孔隙度的增大，进水域面积逐渐增大，但增加幅度不大；当孔隙度增大至0.20时，进水域面积基本不再发生变化。模拟结果验证了岩石孔隙度大的区域，相同注水压力下进水域面积相对较大，即孔隙度大的区域进水域扩展的延伸压力相对较小。因此，对于孔隙度大的区域，防止进水域形成的临界注水压力应相对较小。通过模拟计算，孔隙度为0.20时，防止进水域形成的临界注水压力约为10.3 MPa。

图3 孔隙度对进水域面积的影响

4.3 抗拉强度对进水域面积的影响

拉伸强度决定地层拉伸破坏时的破裂压力，岩石抗拉强度越大，地层发生拉伸破坏的破裂压力越大。设定注水压力为11.6 MPa，抗拉强度从1.0 MPa增大至6.0 MPa，变化间距取0.2 MPa，得到进水域面积的变化曲线(图4)。

图4 抗拉强度对进水域面积的影响

由图4可知：随着岩石抗拉强度增大，形成的进水域面积减小。抗拉伸强度增大，地层发生拉伸破坏形成的进水域面积减小，即地层拉伸破坏致使进水域面积扩展的延伸压力相对较大。因此，对于抗拉伸强度较大的区域，注水压力可以相对大一些。通过模拟计算，抗拉伸强度为5.64 MPa时，防止进水域形成的临界注水压力为11.20 MPa。

4.4 内聚力对进水域面积的影响

内聚力决定岩石剪切破坏时的破裂压力，内聚力越大，岩石的破裂压力就越大。注水压力设定为11.6 MPa，内聚力从5.0 MPa增大至10.0 MPa，变化间距为0.2 MPa，得到进水域面积变化曲线(图5)。

图5 内聚力对进水域面积的影响

由图5可知：随着岩石内聚力的增加，进水域面积减小。岩石内聚力增大，地层发生剪切破坏形成的进水域面积减小，即地层发生剪切破坏致使进水域面积扩展的延伸压力相对较大。因此，对于岩石内聚力较大的区域，注水压力可以相对大一些。通过模拟计算，内聚力为10.0 MPa时，防止进水域形成的临界注水压力为10.9 MPa。

5 结 论

(1) 嫩二段标志层岩石平行层理的抗拉伸强度和抗剪切强度较小，易沿平行层理方向形成进水域。根据水力压裂原理及Von-Mises屈服准则，确定了标志层进水域形成的判定准则。

(2) 根据标志层岩石的力学特征，建立了标志层错断注水井横观各向同性有限元模型，并采用数

值模拟的方法，开展标志层进水域分布规律的分析。

(3) 随着注水压力和孔隙度的增大，进水域面积增大，注水压力作用效果较大；随着抗拉强度和内聚力的增加，进水域面积有所减小；注水压力对进水域面积的大小起决定性作用。因此，可通过确定合理的注水压力来防止进水域的形成。

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编辑 孟凡勤

20150717；改回日期：20150915

国家自然科学基金“基于混沌理论煤层气井压裂孔裂隙分形演化与渗流特征研究”(51274067)

艾池(1957-)，男，教授，博士生导师，1982年毕业于大庆石油学院石油钻井工程专业，2003年毕业于该校油气田开发工程专业，获博士学位，现主要从事油气井工艺理论、油气井工程力学与储层增产措施等方面的教学和科研工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.030

TE347

A

1006-6535(2015)06-0129-04