小集油田套损层岩石强度影响因素分析

【摘要】针对套管受力进行 ansys有限元分析及套损部位岩心开展三轴应力实验，模拟分析套管受力变化情况，指出泥岩蠕变导致套管受力增加进而发生损坏。初步分析了诱导致泥岩发生蠕变的因素，包括含水率及压力等。

【关键词】 套管受力 泥岩强度套损 三轴实验

1 引言

通过近几年对港西，港东，小集几个油田区块套管损坏规律研究发现：泥岩层进水是导致套管变形的主要因素[1]，其本质为套损部位泥岩强度的降低。但泥岩强度的降低是否仅为进水即含水率上升导致。本文通过引入泥岩三轴应力实验来考虑造成泥岩强度降低的其他因素。

通过统计分析港西等几个重点区块油层段套损以力学损坏为主[2]，因此对腐蚀等其他因素不做具体分析，只分析套管受力变化因素。

2.1 小集油田套损层泥岩及套管力学计算

针对套管受力损坏利用ansys软件建立套管挤毁模型进行计算分析，主要参数有地层垂直应力、水平最大主应力，水平最小主应力，固井水泥环弹性模量，套管壁厚、抗挤强度。

小集油田水平最大主应力梯度为0.021M P a/m，水平最小主应力梯度为0.017MPa/m。取3100米深度，则水平最大主应力为65MPa，水平最小主应力为53MPa，加载过程中考虑孔隙压力。根据以上计算模型假设油水井固井质量好，水泥环弹性模量Ecmt=4×104MPa[3]。假设地层泥岩强度未降低时，计算J55，N80，P110套管的安全系数见（表1）。

其次，分析泥岩强度降低0、10%，20%，50%，60%，70%，80%，90%的情况，计算作用在7.72，9.17，10.54mm壁厚P110套管上的等效应力见（表2）。

由表1、表2可知，泥岩强度未降低时J55，N80套管强度低于Von mise应力，P110壁厚为7.72套管，Von mise应力756 Mpa，接近屈服强度758 Mpa。P110壁厚为9.17的套管，地层强度下降20%时，套管上最大Von mise应力为751Mpa，非常接近屈服强度，当地层强度下降超过20%后，套管屈服损坏。钢级为P110，壁厚为10.54的套管，地层强度下降40%时，套管上最大Von mise应力为753Mpa，非常接近屈服强度，当地层强度下降超过40%后，套管屈服损坏。

2.2 泥岩强度降低因素分析

2.2.1？含水率上升导致泥岩强度降低

随着应力压差的逐渐增大，轴向、径向微应变逐步增加，当应力差超过65MP时，接近岩石抗压临界点。超过临界点后岩石强度快速下降见图1。

原始地层存在高低压分布情况，但处于相对平衡状态。油田投入开发后打破原始地层压力平衡造成下情况：

其一、油井由井筒周围压力低于地层压力，水井井筒周围压力则高于地层压力。

其二、油层物连通性不好，注水不能补充地层能量亏空，反而在局部形成高压区块。即油井低能不出液，而水井高压注不进现象[6]。

以上情况在成的压力差通过储层空隙介质中的骨架会将有效压力较快传递到具有较多补充空间的套管处[7]，导致井壁及其周围岩体较早出现应力集中，而泥岩更有利于应力传递，这就解释泥岩在没有发生侵水蠕变的时候，也会发生套损。

3 结论

（1）小集油田泥岩层套管受力变型为泥岩强度降低导致套管受力增大造成。

（2）泥岩在含水率增加、应力差增大情况下强度都会降低。因此小集油田泥岩层套管受力变形不单是泥岩层进水一种因素造成还应包括油田开发造成的地层压力失衡。

（3）在制定预防套管损坏措施时，应从防治泥岩进水及控制局部地层压差两种途径开展。

参考文献

[1] 牛艳花，李春福，关舒伟.港西油田套管损坏的现状及建议[J].西部探矿工程，2007，19（12）： 66- 681

[2] 任丽华，王凤祥，窦守进.大港港西油田套管受力与修复可行性分析[J].特种油气藏，2010，17（5）：113-115

[3] 赵金洲，张桂林 . 钻井工程技术手册 [M]. 北京 ： 中国石化出版社，2007：10-30

[4] 杨彩红，王永岩，李剑光.含水率对岩石蠕变规律影响的试验研究[J].煤炭学报，2007，32（7）：696-697

[5] 许涛，殷桂琴，张公社等.高压注水引起套损的机理研究[J].断块油气田，2007，14（1）：70-71

[6] 房育金，郭伟锋，张云杰，低渗透油田套管损坏机理分析及防治措施[J].特种油气藏，2006，13（4）：78-80

[7] 范秋雁，阳克青，王渭明泥质软岩蠕变机制研究[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29（8）：1556-1560

作者简介

胡石锋，（1986-），2008年毕业于西安石油大学石油工程专业，现从事油水井大修及套损机理及预防方面研究工作，助理工程师。