艾 池，劉亞珍，李玉偉，高長龍

(東北石油大學，黑龍江 大慶 163318)

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嫩二段標志層套管損壞區(qū)進水域影響因素分析

艾 池，劉亞珍，李玉偉，高長龍

(東北石油大學，黑龍江 大慶 163318)

分析了標志層進水域形成的力學機理，并根據(jù)水力壓裂理論和Von-Mises屈服準則，確定了進水域形成的判定準則；基于建立的判定準則，采用有限元法模擬計算分析了注水壓力、孔隙度、抗拉強度等因素對進水域面積的影響。計算結果表明：注水壓力及孔隙度的增加會使標志層進水域面積增加，注水壓力的作用效果更為明顯；巖石抗拉強度和內聚力的增加，會使標志層進水域面積減小，但作用較小。了解嫩二段標志層進水域的影響因素及其作用對制訂有效的套管損壞防控措施具有重要意義。

套管損壞；標志層；進水域；注水壓力；Von-Mises屈服準則；嫩二段

0 引 言

嫩二段標志層套管損壞一直以來都是困擾大慶油田生產(chǎn)的主要問題之一。標準層套管損壞多為剪切錯斷，以往研究表明地層滑移為標準層套管損壞的直接原因[1-3]，而標志層套管剪切損壞集中發(fā)生在含水區(qū)。劉合等[3-6]對嫩二段標志層地質特征進行了研究，標志層巖石屬于質地堅硬泥巖，且不浸水、不軟化、不膨脹，化石沿層理分布形成區(qū)域性力學薄弱面，注入水進入標志層，富含化石層的巖石層理優(yōu)先發(fā)生破壞，并迅速擴散，形成成片套管損壞現(xiàn)象。叢玉森針對嫩二段標志層進水與套管損壞之間的關系開展了研究，認為注入水通過裂縫進入標志層形成進水域(注入水進入標志層，并迅速擴散，標志層形成的大面積含水區(qū)即為進水域)，而不是與巖石的親水礦物結合形成進水域[7]。目前關于標志層進水域的研究還主要集中在理論認識階段，而對于進水域的形成及影響因素還鮮有報道。此次研究從力學角度分析了標志層進水域的形成機理，并采用有限元數(shù)值模擬方法，計算和分析不同影響因素對標志層進水域的作用，以期對嫩二段標志層套管損壞問題獲得更為深入的認識，為嫩二段標志層套管損壞的預防提供指導意見。

1 標志層進水域形成機理

巖石力學實驗表明，標志層巖石平行層理方向的抗拉伸強度和抗剪切強度不僅小于標志層之上和之下泥巖層的，還小于標志層巖石垂直層理方向的，因此，標志層沿層理方向更易發(fā)生張拉和剪切破壞[8]。

對于注水開發(fā)的油田，固井質量差或套管錯斷等情況形成注入水進入通道，當井筒內液體壓力及井壁圍巖應力滿足條件時，標志層沿層理優(yōu)先發(fā)生剪切或拉伸破壞，形成水平縫，從而沿層理形成進水域，進水域內層間摩擦力減小，地層剪切滑移導致套管損壞。

2 標志層進水域形成的判定準則

由于井壁圍巖發(fā)生破壞的方式有拉伸破壞和剪切破壞，因此，分別根據(jù)水力壓裂原理和Von-Mises屈服準則，確定標志層進水域形成的判定準則。

(1) 標志層地層發(fā)生拉伸破壞形成進水域的判定準則。標志層巖石層理發(fā)育，沿層理面膠結薄弱，且標志層位于較淺地層，極易形成水平裂縫。根據(jù)水力壓裂原理[9]，得到拉伸破壞形成進水域的判定準則：

(1)

采用有限元軟件模擬計算出井壁圍巖垂向應力，滿足式(1)的地層發(fā)生拉伸破壞，即為進水域。

(2) 標志層地層發(fā)生剪切破壞形成進水域的判定準則。當井壁圍巖的周向應力與垂向應力之間的差值達到一定值時，井壁圍巖將會發(fā)生剪切破壞，形成水平縫。根據(jù)Von-Mises屈服準則[10]，可得到判定準則：

(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2>2C2

(2)

式中：σ1、σ2、σ3分別為第1、2、3主應力，MPa；C為巖石內聚力，MPa。

通過模擬計算得到井壁圍巖Von-Mises應力，滿足式(2)的地層發(fā)生剪切破壞，即為進水域。

(3) 單井進水域面積的判定準則。井壁圍巖不同位置地層應力狀態(tài)不同，地層發(fā)生破壞的形式不確定，根據(jù)進水域面積最大化原則，在計算進水域面積時，取地層拉伸破壞形成的進水域面積和地層發(fā)生剪切破壞形成的進水域面積的并集：

S={S1∪S2}

(3)

式中：S為進水域總面積，m2；S1為地層拉伸破壞形成進水域面積，根據(jù)式(1)計算求取，m2；S2為地層剪切破壞形成進水域面積，根據(jù)式(2)計算求取，m2。

3 標志層錯斷井套管有限元模型

建立了如圖1所示的嫩二段注水井套管錯斷有限元模型，對標志層套管錯斷注水井的進水域分布規(guī)律進行模擬分析。

圖1 嫩二段地層套管錯斷井有限元模型

選取位于大慶油田薩中開發(fā)區(qū)標志層套管損壞集中區(qū)的一口井作為研究對象，該井標志層深度為610～618 m，套管錯斷處位于615 m；為保證地層邊界足夠大，有限元模型邊長為100 m，模型厚度為50 m，標志層厚度為8 m。由于嫩二段標志層巖石垂直和平行層理方向的參數(shù)存在較大的差異，建立了橫觀各向同性流固耦合模型；根據(jù)實際地層情況，有限元模型自上而下分為泥巖、頁巖及泥巖。模型參數(shù)見表1。

相關應力的加載：標志層孔隙壓力為6.8 MPa；

表1 數(shù)值模擬采用的巖石參數(shù)

最大、最小水平主應力及上覆巖層應力分別為16.92、14.63、13.88 MPa，其中x方向為最大主應力方向，y方向為最小主應力方向。模型采用的相關巖石力學參數(shù)見表2。

表2 模擬采用的巖石力學參數(shù)

4 標志層進水域影響因素分析

4.1 注水壓力對進水域面積的影響

當注水壓力滿足條件時，地層才開始破裂形成進水域。模擬計算中其他參數(shù)保持不變，注水壓力從8.0 MPa逐漸增大至12.0 MPa，壓力變化間距為0.2 MPa，得到進水域面積的變化曲線(圖2)。

圖2 注水壓力對進水域面積的影響

由圖2可知：當注水壓力約為10.6 MPa時，開始形成進水域；當注水壓力小于11.0 MPa時，進水域面積緩慢增加；當注水壓力大于11.0 MPa后，進水域面積迅速增加，面積變化曲線近似呈指數(shù)函數(shù)關系。根據(jù)標志層進水域的形成機理，注水壓力是決定標志層進水域能否形成的決定性因素，故只有將注水壓力控制在合理范圍才能防止進水域的形成。

4.2 孔隙度對進水域面積的影響

當巖石孔隙度較小時以拉伸破壞為主，孔隙度增大至一定值時出現(xiàn)拉伸和剪切共同作用的破壞方式[11]。模擬計算孔隙度對進水域面積的影響，其他參數(shù)保持不變，設定注水壓力為11.6 MPa，孔隙度從0.00逐漸增大至0.30，變化間距為0.02，得到進水域面積的變化曲線(圖3)。

由圖3可知：隨著孔隙度的增大，進水域面積逐漸增大，但增加幅度不大；當孔隙度增大至0.20時，進水域面積基本不再發(fā)生變化。模擬結果驗證了巖石孔隙度大的區(qū)域，相同注水壓力下進水域面積相對較大，即孔隙度大的區(qū)域進水域擴展的延伸壓力相對較小。因此，對于孔隙度大的區(qū)域，防止進水域形成的臨界注水壓力應相對較小。通過模擬計算，孔隙度為0.20時，防止進水域形成的臨界注水壓力約為10.3 MPa。

圖3 孔隙度對進水域面積的影響

4.3 抗拉強度對進水域面積的影響

拉伸強度決定地層拉伸破壞時的破裂壓力，巖石抗拉強度越大，地層發(fā)生拉伸破壞的破裂壓力越大。設定注水壓力為11.6 MPa，抗拉強度從1.0 MPa增大至6.0 MPa，變化間距取0.2 MPa，得到進水域面積的變化曲線(圖4)。

圖4 抗拉強度對進水域面積的影響

由圖4可知：隨著巖石抗拉強度增大，形成的進水域面積減小?？估鞆姸仍龃螅貙影l(fā)生拉伸破壞形成的進水域面積減小，即地層拉伸破壞致使進水域面積擴展的延伸壓力相對較大。因此，對于抗拉伸強度較大的區(qū)域，注水壓力可以相對大一些。通過模擬計算，抗拉伸強度為5.64 MPa時，防止進水域形成的臨界注水壓力為11.20 MPa。

4.4 內聚力對進水域面積的影響

內聚力決定巖石剪切破壞時的破裂壓力，內聚力越大，巖石的破裂壓力就越大。注水壓力設定為11.6 MPa，內聚力從5.0 MPa增大至10.0 MPa，變化間距為0.2 MPa，得到進水域面積變化曲線(圖5)。

圖5 內聚力對進水域面積的影響

由圖5可知：隨著巖石內聚力的增加，進水域面積減小。巖石內聚力增大，地層發(fā)生剪切破壞形成的進水域面積減小，即地層發(fā)生剪切破壞致使進水域面積擴展的延伸壓力相對較大。因此，對于巖石內聚力較大的區(qū)域，注水壓力可以相對大一些。通過模擬計算，內聚力為10.0 MPa時，防止進水域形成的臨界注水壓力為10.9 MPa。

5 結 論

(1) 嫩二段標志層巖石平行層理的抗拉伸強度和抗剪切強度較小，易沿平行層理方向形成進水域。根據(jù)水力壓裂原理及Von-Mises屈服準則，確定了標志層進水域形成的判定準則。

(2) 根據(jù)標志層巖石的力學特征，建立了標志層錯斷注水井橫觀各向同性有限元模型，并采用數(shù)

值模擬的方法，開展標志層進水域分布規(guī)律的分析。

(3) 隨著注水壓力和孔隙度的增大，進水域面積增大，注水壓力作用效果較大；隨著抗拉強度和內聚力的增加，進水域面積有所減??；注水壓力對進水域面積的大小起決定性作用。因此，可通過確定合理的注水壓力來防止進水域的形成。

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編輯 孟凡勤

20150717；改回日期：20150915

國家自然科學基金“基于混沌理論煤層氣井壓裂孔裂隙分形演化與滲流特征研究”(51274067)

艾池(1957-)，男，教授，博士生導師，1982年畢業(yè)于大慶石油學院石油鉆井工程專業(yè)，2003年畢業(yè)于該校油氣田開發(fā)工程專業(yè)，獲博士學位，現(xiàn)主要從事油氣井工藝理論、油氣井工程力學與儲層增產(chǎn)措施等方面的教學和科研工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.030

TE347

A

1006-6535(2015)06-0129-04