浅谈套损成因

[摘要]套管损坏机理及预防对策研究涉及到油田开发、油藏工程、材料力学、固体力学、塑性力学、流体力学、地球化学、油层物理学、测井工程学、试井工程学等许多技术学科。这里所介绍的基本术语隶属于上述学科范畴并与套损研究、检测、分析、治理等方面密切关联。

[关键词]套管损坏机理；泥页岩‘浸水域’引发套损；油层部位套损

套损机理：是指油水井套管损坏的成因和力学机制，研究套损作用机理是了解套损发生、发展和演化的技术前提，是进一步指导套管防护工作和套损治理工作的技术依据。不同地区、不同开发阶段、不同技术研究条件下提出的套损机理学说是有差异的，套损机理随着开发过程的深入、地下检测手段的提高套损机理将得到进一步发展和完善。也就是说套损机理不仅不是唯一的和一成不变的，而是不断创新、层出不穷、日臻完善的。

套损原因：是指单井或局部地区套损发生的具体原因，它可以具体到某种因素造成的、也可以是多种因素的综合结果。套损原因分析往往只是对宏观上的可控因素进行分析，还无法达到套损机理研究那样的精细和微观程度，它是套损机理研究的技术基础。

“泥页岩‘浸水域’引发套损”在注水压力较高条件下，注入水可从泥岩的原生微裂缝和节理浸入，也可沿砂泥岩界面处浸入。对页岩而言，注入水通过管外窜槽沿其层理面浸入。当泥页岩含水后，其抗剪强度和摩擦系数大幅度降低，而且由于泥页岩中富含蒙脱石等吸水矿物，会使泥岩发生体积膨胀，此时泥岩往往处于塑性状态，当具备一定倾角时便会发生塑性流动或蠕动，从而对套管产生挤压，导致套管损坏。

“流固--耦合作用引发套损”流固耦合作用是指渗透性岩石中的流体与岩石骨架之间的相互作用。岩石中流场或孔隙压力的改变，必然引起储层力学性质和应力场的改变，而应力场的改变又会使流场特征发生进一步变化。当流体在岩石中流动时，孔隙压力的改变即孔隙压力的增加或减小，将导致岩石骨架应力减小或增加，引起地层的压实或膨胀，进而导致岩石的孔隙性和渗透性改变，使表征岩石孔隙性和渗透性的参数--孔隙度和渗透率等参数增大或降低。石油套管的损坏变形正是地下流体、地应力、岩体性质三个因素综合作用的结果。

“区块间孔隙压力差异引发成片套损”平面上不均衡注水及钻井调整往往造成有的区块处于高孔隙压力状态、有的区块处于低孔隙压力状态，造成区域间平面压力差异。高孔隙压力区有效地应力趋于减小，低孔隙压力区有效地应力趋于减少，从而形成了较大范围的差异应力场。在水平差异主应力的作用下，标准层油页岩将发生较大规模滑动而引发套损。大庆萨中地区共有6个成片套损区，都与区域间地层压力差异过大有关。

“高压注水时砂岩垂向形变导致油层部位套损”基于对高压注水时砂岩的垂向形变特征和拉应力作用下套管强度、性能的理论研究和计算，得出了高压注水时砂岩层套管损坏的作用机理。在砂岩层段，由于高压注水引起砂岩垂向膨胀，使套管承受附加拉应力，而附加应力的增加使得套管抗挤毁强度降低，在平面差异应力作用下使得套管受到剪切损坏。

“注水条件下有效地应力减少导致套损”对于砂岩油层而言，注水、注聚会使孔隙压力增加，而流体孔隙压力越大，作用在岩石骨架上的有效应力越小，岩石抗剪切强度就越低，油层发生局部滑动的可能性就越大，套管损坏的危险性就越大。如果注入水沿裂缝浸入到泥岩或泥岩严重吸水造成憋压，则不仅会使泥岩骨架的有效应力减少，而且会使泥岩内摩擦系数和内聚力大幅减小，使得泥岩层抗剪切强度下降幅度更大，更容易发生剪切滑动导致套损。

“地应力集中导致套管损坏”萨中地区套损层位主要集中在岩石间界面部位或岩石密度变异部位，即油页岩与泥岩层之间界面位置、砂岩与泥岩之间界面位置、厚油层内夹层部位、厚泥岩层页理发育部位等。由于这些部位力学强度都比较弱，因此最容易产生应力集中，发生套损的可能性最大。统计表明，岩性为页岩、泥岩层套损井数大约占了套损层总数的90%，只有10%左右的套损井的套损层位岩性隶属于砂岩，但多半处于砂岩内部物性夹层部位。可见，应力集中主要产生在泥页岩部位或油层物性夹层部位。如果区块内应力集中面积比较小且比较分散则会造成零散套损，如果地应力集中面积比较广泛则会发生成片套损。油页岩标准层页理发育，抗张强度和抗剪强度都比较弱，所以更容易产生应力集中，而且由于其平面分布广泛，所以易发生较大面积应力集中，当应力集中达到一定程度会产生成片套损。

套管发生变形、剪断、张裂的应力极限约为40Mpa以上。而大庆油田砂泥岩地层内形成的水平应力集中不可能直接达到40Mpa。套管之所以最终发生损坏是因为在套管外壁又产生了新的更强的应力集中现象。如果把地层骨架中的应力集中称作一次应力集中，那么套管周围产生的应力集中可称为二次应力集中。二次应力集中是岩石、套管及管外水泥环三者之间的力学性质差异造成的，是地应力经过不断传导、加强最终作用于套管外壁上的必然结果。

“孔隙压力差作用导致套管损坏”通常注水井的井底周围孔隙压力要高于生产井的压力而形成孔隙压力差。对于低渗透油田或注水井周围孔隙堵塞，注入水不能很好的渗透到油井中，致使注水井井底压力高于油井很多，从而产生了从注水井指向油井的很大孔隙压差，这个力作用在岩石骨架上，当在孔隙压力与上覆层压力接近时，这个作用力一旦大于岩石剪切强度时，局部的地层将在孔隙压力差的推动下从注水井或高压块向着低压块或油井方向滑动，处于滑动地层中的那部分套管将被推挤损坏。若岩层发生滑动，其造成套管损坏有三个特征：一是注水井(高压块)先于油井(低压块)发生套管损坏；二是邻井变点位置在同一层上；三是相邻井(低压排的井)同时发生套管损坏。

“层间滑动导致套管损坏”油水井套管损坏以剪切型式为主。国内外有关研究表明，剪切滑动引起套管损坏是由成层岩体的自身力学结构所决定的，变形、破坏往往发生在岩体中强度最薄弱的部位，而且这个部位不一定是载荷最大的地方，而是软弱力学结构面发育的地方。萨中油田每个油层组都是砂泥岩互层结构，油层组内的砂泥界面、页岩页理面、裂缝、微裂缝、薄夹层等都是软弱力学结构面。