油藏套损机理研究及应用

摘 要：随着油藏不断深入开发，目的工区油藏套损井日益加剧，严重影响油藏正常生产，本文旨在对套损机理进行研究分析，结合油藏套损井，剖析影响油藏套损的主要因素，结合油藏实际进行对注水压力进行调整并加强固井质量后，油藏套损井加剧的势态得到遏制。

关键词：套损 注水压力 固井质量 蠕变 地层滑移 孔隙压力

随着油藏不断深入开发，油藏套损井逐渐增加，严重影响了油藏的正常的生产。本文主要通过对油藏套损井原因和机理进行分析，结合油藏实际，为解决油藏套损提供理论依据，奠定基础。

套损可能主要由三种载荷造成：

一是水井周围的泥岩在高压注水的情况下进水软化，加速蠕变挤压套管；

二是在孔隙压力下降的情况下，骨架收缩变形，高压注水使水井周围的泥岩从砂岩中吸水软化，地层层间产生剪切滑移，使套管产生错切变形。再加上岩石含水增加，强度下降，加剧了地层的剪切滑移和蠕变；

三是地层孔隙压力下降，部分垂直地应力转移到套管上，使套管受到附加的轴向压缩和径向挤压。

一、泥岩吸水软化加大了作用在套管上的蠕变载荷

蠕变指材料在恒定载荷下变形随时间不断增长的力学过程。岩石蠕变一般可分为三个阶段：瞬态蠕变阶段（应变速率随时间逐渐减小并趋于一个稳定值）；稳态蠕变阶段（应变速率保持为一个常量，该速率取决于岩石的特性、环境温度、和应力水平）；破坏蠕变阶段（蠕变速率不断增加，很快导致岩石的宏观破坏）。

不同岩石达到破坏蠕变阶段的时间不同，对坚硬的岩石，如石灰岩和砂岩，稳态蠕变阶段可保持相当长的时间。而对一些较软的岩石，如泥岩、页岩，特别是岩盐，稳态蠕变阶段很短，很快进入破坏蠕变阶段，产生塑性流动。

固井后，套管外承受均匀的泥浆压力，在非均匀的地应力作用下，泥岩蠕变将对套管产生一个随时间增长的非均匀外挤力，该外挤力在经过较长的时间后趋于一个稳定值，外载达到稳定值的时间与泥岩的粘性系数有关。该稳定值的非均匀性要大于地应力的非均匀性。而套管承受非均匀外载的能力比承受均匀外载时要小。岩石在稳态蠕变的范围内，由蠕变引起的附加应力场与初始地应力相比，增加的数值不大，即使经过长时间的蠕变，在正常的情况下并不会引起油井套管的损坏。岩石蠕变的一个重要特性是蠕变率随着岩石含水量的升高而增大。岩层中裂缝发育方向及沿地下水流动的方向其含水率高，蠕变率亦高，从稳定蠕变很快地跃入加速蠕变阶段，造成强烈的挤压而引起套管的破坏。当油井注水开发而出现水窜时，泥岩吸水后蠕变率很快上升，在这些岩层中就可能出现大批套损井。

无论套管围岩是否进水，本油藏的泥岩蠕变现象总是存在的，只是泥岩进水会在一定程度上加快蠕变速度，即达到稳定载荷的时间稍短一些。

作用在套管上的蠕变外载的不均匀程度比地应力的不均匀程度要严重，而且地层进水后的泥岩蠕变会比原始状态的泥岩蠕变载荷的不均匀性要强。

实际上，在上述两种工况中，蠕变是按两个工况的先后顺序发生蠕变的。即无论是油井还是水井，固井结束后，围岩就开始蠕变，并经过15个月的时间达到稳定载荷，只不过此时的载荷一般难以挤毁套管（本油藏套管柱设计抗挤强度一般为38MPa）。对于水井来说，当井周围的泥岩在水化的过程中，继续伴随着蠕变，作用在套管上的载荷的不均匀程度在增加，数值也在不断加大。因此在水井周围的泥岩蠕变的整个过程中，径向进水不均匀时作用在套管上的外挤载荷最大且为非均匀载荷，此时套管上由于蠕变引起的最大等效应力为304MPa，比无水蠕变时高60MPa。

二、由于注采不平衡造成岩石骨架变形在层间进水易于滑移的条件下造成较大的地层变形

地层滑移指泥岩层本身产生滑移，或泥岩与油层砂岩的交界面相互滑移。地层产生滑移有两个前提，一是地层有一定的倾角，二是泥岩层进水。泥岩层进水一般也有两种方式，一是注水压力较高，注入水沿水泥环缝隙上窜，并使某一泥岩软弱层超过地层破裂压力产生压裂使水井周围的泥岩进水，二是高的注水压力使注入水沿垂向向相邻的泥岩层渗透，使水井周围的泥岩进水软化。油藏实际注水压力一般远远小于油藏地层破裂压力，因此地层进水一般是第二种方式。

油压油藏开发初期注水井点相对较少，地层压力持续下降，油藏地层亏空严重，油藏骨架收缩变形，各井点间压力变化不均匀，同时水井近井地带地层压力较高，更增加了地层压力变化的不均匀，由于地层存在一定倾角，这将引起的油层高压区向低压区的位移，而泥岩层没有变化引起油层与泥岩层的层间错切位移。这是地层滑移的主动力之一。

在一定压力条件下，油层的注入水在与泥岩的交界面会向泥岩渗透，受吸水扩散吸水影响，渗透深度是有限的，与压力大小有关。因此在注水压力提高的情况下，会加加剧油层中注入水向泥岩的渗透，一定厚度上的泥岩吸水软化，由地层倾角产生的层间剪切应力释放，这就是地层滑移的主动力之二。

三、地层孔隙压力下降，部分垂直地应力转移到套管上，使套管受到附加的轴向压缩和径向挤压。孔隙压力下降引起的地层压实的影响相对较小

通过套损井理论研究发现，套管损坏是三种载荷共同作用的结果，其中地层滑移是最重要的因素，其次是蠕变载荷，孔隙压力下降引起的地层压实的影响相对较小。当然还有一些其它因素如各种作业，套管本身质量、固井质量等存在问题等，但主要是上述三个因素。地层中存在的粘土矿物如伊利石、蒙脱石、伊蒙混层比较亲水，会对套管的挤毁有一定的作用，但不是主要因素。

通过对目的油藏105口套损井统计发现，泥岩段发生发生套损占80%，砂岩段20%；水泥返高位置以上的占12%，水泥返高以下占88%；固井质量中等的占套损井的33.3%，固井质量较差的占64.7%；射孔井段的占45%，射孔井段以上的占55%。通过对所有套损井进行分析研究，可以用本文套损理论研究成果解释套损原因的占80%，不能完全解释的占20%。

从本研究的结果可以发现，造成套管损坏的重要因素是套管周围的泥岩段在吸水软化的情况下加大了作用在套管上的蠕变载荷，同时为地层滑移提供了动力。注水压力的提高及固井质量较差是导致泥岩段吸水软化的主要因素，因此合理的注水压力确定及合格的固井质量是防止油藏套损的主要手段，通过近两年来注水压力调整及加强固井质量以来，油藏套损形势得到有效减缓。

参考文献

《青海油田采油一厂尕斯库勒N1～N21油藏“套管损坏机理及对策研究》张 宏，陈其高，刘世平等.

作者简介：王星，男，汉族，陕西大荔人，助理工程师，主要从事油田开发工作。