不同驱替液水化膨胀泥岩层对套管载荷的影响

林铁军 周俊泽 练章华 易勇刚 于浩 王盛坤

1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学 ；2.中国石油新疆油田工程技术研究院

在油气田开发过程中，当钻遇泥岩或含泥质地层时，注入液与岩石中的黏土矿物接触，从而会发生严重的水化作用，这对储层保护及套管的长期服役等都会造成不利影响。

为了研究泥岩水化机理和有效延长套管的服役周期，国内外的众多专家学者在岩石的水化方面已经做了大量研究，并累积了丰富的经验。刘向君、罗平亚［1］综合岩石力学和地层与钻井液间物理化学作用两方面影响，提出了水敏泥岩地层的井壁围岩应力分布模型。路保平等［2］通过实验研究了泥岩泊松比、内摩擦角以及单轴抗压强度等随岩石含水量的变化规律。张保平等［3］通过实验发现泥岩遇水后的膨胀压力具有初始较短时间内增加较快、之后逐渐趋于平缓的规律。R.C.K.Wong［4］基于岩石水化实验，提出了岩石水化膨胀物理性质随时间变化的数学模型。艾池［5］进一步提出了套管当量强度设计方法，并编写了相应的软件。随着研究的不断深入，陈天愚等［6］研究发现套管变形会随着地层倾角、浸水压力、浸水域大小以及泥岩水化程度的增大而增大。谭英杰［7］运用弹塑性理论对泥岩的膨胀机理进行分析解释。张广清、陈勉等［8］通过理论分析和数值计算得到了膨胀地层中套管受载分布规律，并提出了确定套管损坏临界注水时间的数学模型。在人们对宏观领域探索的同时，泥岩水化的微观理论也在不断的发展中，在2007 年，黄宏伟等［9］利用扫描电镜和X 射线衍射仪等对泥岩的微观结构与物质组成进行了分析，并对泥岩软化崩解机理进行了解释。刘厚彬等［10］基于扩散双电层理论和范德华理论，将水化作用对泥页岩强度的影响进行了模拟分析。ZHANG Hui 等［11］研究认为是水化应力的发展导致了软泥岩的破坏。胡琼等［12］通过建立套管-水泥环-泥岩围岩蠕变力学模型，计算和分析了井壁泥岩蠕变载荷分布和变化规律。随着数值模拟技术的发展，使人们对泥岩水化的认识更加深入。李海旭［13］借助于实验和电镜获得岩石参数，并运用COMSOL 软件对水溶液在泥岩基质裂缝中的流动进行了模拟，认为近井地带泥岩中的微裂缝对溶液浸入距离起着主导作用。近年来，徐力群等［14］研究了泥岩水化膨胀应力和岩石力学参数之间的关系，LI Guichen 等［15］采用MS软件建立了蒙脱石双单元结构并对蒙脱石的水化过程进行了仿真研究。龚明等［16］对泥岩吸水膨胀对套管的影响进行了研究并给出了减少套管失效的有效预防措施。随着生产实践的需要，人们对泥岩水化及其对套管受力的研究仍在不断进行中。

新疆油田某区为了提高油田采收率，普遍采用注水方式来进行开发。但在油田注水后，套管的损坏问题逐渐增多。为降低泥岩水化和改善套管服役环境，现场将纯水替换为化学液进行驱替。针对新疆油田某区注水套管失效问题，对该区块岩样进行水化实验及其力学实验，并结合数值模拟，对套管轴向应力分布重点研究，研究结果可为油气田注水开发下套管的长期服役提供一定的理论支撑。

1 泥岩水化膨胀实验研究

取现场取心岩样若干，并将其切割成25.25 mm×50 mm 的标准岩样，另准备纯水及取自现场质量浓度为300 mg/L 的聚丙烯酰胺化学液足量，对该区块岩样的水化特性进行室内实验。

1.1 岩石组分测试

从标准岩样中选出4 块岩样进行XRD 全岩组分和黏土矿物含量测试。测得该地层黏土矿物含量超过50%，以高岭石、伊利石为主，并含有一定的伊/蒙混层，岩石的黏土矿物含量见表1。因此，该岩石层具有水化性强、吸水后易膨胀、易分散的特点，是典型的泥岩矿物。

表1 岩石黏土矿物含量Table 1 Mineral content of rock clay

1.2 岩石浸泡实验观察

选取多块切后的岩石余料，并将其分别浸泡在纯净水和化学液中，观察岩石的吸水分散过程。将岩块浸泡在纯水中后，很快在岩石层理处产生了大量气泡，并不断冒出水面，说明了在岩块内部存在着大量孔隙或裂缝空间。随着浸泡时间的延长，液体变得越来越浑浊，且在岩样层理面处出现了裂缝并持续不断增大，25 min 后岩块裂为2 个部分，3 h 后岩块完全溶于水中，如图1a 所示。将岩块浸泡在化学液中后，开始时也有气泡从层理间冒出，但速度十分缓慢，在化学液中浸泡5 h 后，岩块同样沿层理面发生了断裂，如图1b 所示。所以聚丙烯酰胺聚合物的加入使液体浸入到岩石孔隙或裂纹间的速度更慢，可以在一定程度上减缓泥岩的水化作用。

图1 泥岩岩样浸泡纯水与浸泡化学液前后对比Fig.1 Comparison of mudstone samples before and after being immersed in pure water and chemical solution

由此可见，泥岩的层理结构是引起岩石破坏的危险位置，与纯水相比，聚合物化学液能够减缓泥岩的水化进程。

1.3 岩石水化膨胀应变实验

取一块标准岩样，将其放入到盛满化学液的泥岩水化膨胀应变测试仪中，进行水化膨胀测试，并记录岩样的轴向应变，24 h 后更换岩样，依次完成纯水和化学液环境下各4 块岩样的膨胀实验测试。对比实验前后的岩样发现，岩样层理面处的水化程度较其他地方更为严重，说明在实验过程中，有大量液体是沿着岩石层理浸入到了泥岩内部，因此，层理的存在会加剧泥岩的水化，加快岩石的破坏进程。相比较而言，化学液浸泡过的岩样较纯水浸泡过的岩样质地更硬，水化情况也更弱。

根据实验测得的数据作了如图2 所示的岩石轴向膨胀位移随时间变化的曲线图，泥岩在纯水浸泡10 h 后变形基本稳定，而此时岩样的轴向膨胀位移约为0.5～0.6 mm，应变约为1%～1.2%。相对而言，泥岩在化学液中的轴向膨胀位移增加更为平缓，约在10～15 h 后膨胀变形基本稳定，轴向位移为0.2～0.3 mm，应变约为0.4%～0.6%。由此可见，化学液对泥岩的水化膨胀作用弱于纯水。

图2 泥岩水化膨胀轴向位移时间曲线Fig.2 Axial displacement time of mudstone’s hydration swelling

1.4 岩石水化前后力学参数测试

另取8 块标准岩样并将其分成两组，完成干岩样单轴抗压实验和三轴抗压实验，依据取样井深，设定三轴实验的围压为10 MPa，得到的应力应变曲线如图3 所示。从图3 中可以看出，泥岩的单轴抗压强度约为16.2 MPa，三轴抗压强度约50.4 MPa，在图3b 中，各岩样三轴应力应变曲线均呈现为开始时的直线上升和到达峰值后迅速下降的特点，可见泥岩岩样的内部孔隙和内部微裂缝较少［17］。

利用与干岩样三轴压缩实验同样的方法，对纯水和化学液浸泡后的岩样三轴强度进行实验测试。测得浸泡纯水后的岩样三轴抗压强度为2～3.5 MPa，为干岩样强度的1/20～1/15。而经化学液浸泡后的泥岩三轴抗压强度为18～22 MPa，为干岩样强度的1/3～1/2，见图4。纯净水和化学液对岩石强度都有不同程度的降低作用，但化学液浸泡后岩样的抗压强度远大于纯水浸泡后岩样。

图3 泥岩干岩样应力应变曲线Fig.3 Stress and strain of dry mudstone sample

图4 浸泡后的泥岩应力应变曲线Fig.4 Stress and strain of immersed mudstone

2 泥岩地层段套管变形研究

2.1 建立地层套管耦合模型

根据以上泥岩水化后的力学参数，建立了50 m×50 m×40 m 的大尺寸地层模型，受注入驱替液的影响，靠近套管的地层岩石将会产生水化，新疆某区现场Ø139.7 mm N80 套管受泥岩水化影响尤为严重，在地层模型的中心处，建立Ø139.7 mm×9.17 mm N80 套管，设定与地层夹角α为15°，如图5 所示。从而建立地层与套管的几何模型。

以地层中心点为重心，并以z向两侧10 m 距离为高，在5 m 为半径的圆柱区域内为完全水化区域，泥岩参数根据工况取注水水化参数或注化学液水化参数。在半径大于15 m 的区域以外认为不产生水化，该区域内的岩石未受到驱替液的影响，岩石力学参数取未水化的参数。半径在5～15 m 之间的区域，泥岩的水化程度设定为由内向外线性减弱，表现为地层参数逐渐由完全水化参数过渡为未水化参数。根据第1 节实验获得的结果，不同工况下泥岩力学参数见表2。将所建立的模型进行网格划分［18］，考虑到计算量以及计算精度，选用六面体网格对模型进行划分，并在接近套管的地层进行一定的网格加密，见图6a。地层模型的四周由于离套管较远，受到的水化影响较小，位移基本为0，因此在模型四周进行了固定约束，见图6b。

图5 泥岩水化膨胀对套管外挤作用有限元模型Fig.5 Finite element model for simulating the action of mudstone’s hydration swelling on casing collapse

表2 泥岩不同工况下的力学参数Table 2 Mechanical parameters of mudstone under different working conditions

图6 三维模型的网格划分及约束Fig.6 Grid division and constraint of 3D model

假设模型三向地应力方向与地层走向一致，各个地应力分别为：σv=16 MPa、σH=21 MPa、σh=18 MPa。地层中心区域水化后，泥岩会产生体积膨胀、岩石强度降低、泊松比增加等变化，使得该区域地层岩石的应力、应变也会随之发生改变。为清晰获得水化后岩石对套管的作用，又由于模型的对称性，仅取套管的一侧，以45°角为单位在其两端内外壁上标定a、b、c、d、e 等各5 个点，对应点连线后形成内壁a-a、外壁a-a 等内外各5 条路径，如图7 所示。分析泥岩在未注液体、注纯水和注化学液水化后，对套管不同路径处力学性质的影响。

图7 套管内外壁上路径示意图Fig.7 Skematic pathway on internal and external casing walls

2.2 未水化工况下套管载荷分析

在井下，外挤压力是研究套管可服役周期的一个重要因素，在材料选定的情况下，较大的外挤压力无疑会对套管的服役造成更大的威胁。受外载荷作用，套管内部应力会发生一定的变化，通过应力分布可以直观反映出套管失效的的危险部位。就套管外挤压力和应力，分析未水化，纯水水化和化学液水化等3 种不同工况对套管力学性质的影响。

在未水化工况下，泥岩层为均匀地层材料，套管受到来自地层的外挤压力为17～18.5 MPa，见图8a。由于套管处在非均匀地应力的作用下，不同相位角的套管应力存在着明显差异，其中最小应力约为80 MPa，而最大应力约为160 MPa，是最小应力的两倍，见图8b，可见即便是在地层泥岩未水化情况下，套管应力受地层三向地应力的影响已十分严重。但是在该工况下，由于套管应力远低于N80 材料的屈服强度551 MPa，因此套管处于良好状态。

2.3 注纯水工况下套管载荷分析

泥岩地层注水水化后，受膨胀挤压和三向地应力作用，在套管轴向方向上，位于交界面附近的套管外挤压力发生了突增，到水化中心区域外挤压力达到最大，最大处约为38.5 MPa，比未水化工况的套管外载增加了一倍多，如图9a 所示。这是由于泥岩层中心水化严重，地层中心套管受到的来自地层和泥岩水化膨胀双重挤压力，因此套管中心部位外挤压力更大。可见在注入纯水后，泥岩的水化膨胀会大幅度增加套管的外挤压力，对井下套管的长期服役造成了严重的不利影响。

图8 未水化时套管不同相位角外挤压力和应力分布图Fig.8 Distribution of external pressure and stress at different phase angles of the casing before hydration

图9 注水工况下套管不同相位角外挤压力和应力分布图Fig.9 Distribution of external pressure and stress at different phase angles of the casing in the working condition of water injection

另外，泥岩水化对套管的应力影响也十分显著，此时整个应力曲线大致呈马鞍形，具体体现在水化中心区域套管应力较低，而在交界面处的套管应力达到最大，最大应力约为320 MPa，如图9b 所示，较未水化工况的套管应力增大了一倍。但由于外挤压力以及套管应力在沿轴向上的分布差异增加，套管受力发生了突变，所以在交界面处套管出现了严重的应力集中，尽管此时仍未超过套管551 MPa 的屈服强度极值，但已大大增加了套管的损坏风险。这是新疆油田某区Ø139.7 mm 套管出现大规模失效的一个重要原因。

2.4 注聚合物化学液工况下套管载荷分析

当泥岩地层注入化学液后，位于水化区域地层的套管应力和外挤压力同样发生突增，如图10 所示。其中最大外挤压力约为26 MPa，最大应力约为240 MPa，两者的位置基本在水化的中心区域处，相比未水化工况，套管外挤压力增大了45%，最大应力增大了50%。但由于聚丙烯酰胺化学剂的加入，对驱替液在泥岩中的水化起到了一定的抑制作用，与注水水化工况相比，注化学液的套管外挤压力是注纯水套管外挤压力的68%，套管应力是注纯水套管应力的50%。因此，与注纯水相比，注聚合物化学液可以有效减弱泥岩的水化膨胀作用，从而减小套管的外部受力，能够较纯水驱替更有利于提高套管的服役周期和油田的开发效益。

图10 注化学液工况下套管不同相位角外挤压力和应力分布Fig.10 Distribution of external pressure and stress at different phase angles of the casing in the working condition of chemical solution injection

根据以上计算和分析，井下注入驱替液后，受水化膨胀作用，井下泥岩对套管的外挤作用和套管应力都会产生严重影响。但就注纯水和注聚合物类化学液而言，注纯水会引起泥岩快速水化，而注入聚合物类化学驱替液可以减缓泥岩的水化进程，进而减小套管受到的外挤载荷和对套管应力的影响，有利于提高套管的长期服役。

3 结论

(1)泥岩易吸水，并且水化后会发生严重的膨胀变形，但与注纯水相比，注聚合物后的泥岩膨胀形变更小，岩石强度降低幅度也更小。

(2)泥岩中注入液体会严重破坏岩石强度。本文的实验中，注聚合物类化学液后的泥岩强度降低为原干泥岩强度的1/3～1/2，而注纯水后泥岩强度降低为原干泥岩强度的1/20～1/15。因此驱替液中聚合物的加入可以降低对泥岩强度的破坏作用。

(3)泥岩水化膨胀会增加井下套管的外挤载荷和套管的应力，但与注纯水相比，注入聚合物化学液对套管作用载荷和套管应力的影响较小，因此，地层中注入聚合物类化学驱替液可以比注纯水能更好地保护套管，对延长套管使用寿命更有利。