国内外主要套损成因机理研究理论

第二章 国内外主要套损成 因机理研究理论
2.8 “层间滑动导致套管损坏”微观机理
事实证明，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。发生层间 滑动导致套损的理论关系如下：
所不同，增加量大的层位便会产生应力集中现象。
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2.6 “地应力集中导致套管损坏”机理
研究表明，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。
套损原因分析方法
（之国内外主要套损成因机理研究理论）
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2.6 “地应力集中导致套管损坏”机理
物体内某一点的应力比相邻部分的应力大得很多的现象，称为应力 集中。应力集中常常出现在受力物体的尺寸形状或力学性质有突然改变 的地方，物体在应力集中处最容易破坏。地应力是存在于岩体中的附加 内力，它是由于地热、重力、构造运动、流体孔隙压力等多种因素影响 而形成的。对于构造运动、地热作用相对稳定的沉积岩体而言，影响地 应力的主要因素是重力和流体孔隙压力（地层压力）。与任何物体中的 应力一样，地应力也会产生集中现象。研究表明 ,地应力集中与套管损 坏之间有着必然关系,具体说来就是:最易发生套损的地区是应力集中区， 每口套损井可看作是一个应力集中点，每个套损层位可视为应力集中层 位。应力集中是套损发生、发展的最直接原因。
（4）
由（1）~（4）式可得
p0 S n
S1 S 2 S1 S 2 cos2 S1 S 2 sin 2 2
（5 ）
只要注水使地层压力达到或大于（5）式给出的 p0 值，就会发生套损。很多研究都证实了 这一结论。控制注水压力，使地层压力不超过临界值，是当前减少套损发生的一个非常实际 、有效的方法。
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2.6 “地应力集中导致套管损坏”机理
钻降恢复注水过程是一个地应力增加的过程,此时如果恢 复速度过快，就会造成应力集中区,因而在这个时期容易发 生成片套损。注水井的差层都是高压层，作业施工时突然 放压，使井筒压力急降，从而促使水平应力往井筒集中损 坏套管。无论是油井还是水井，高渗透层由于渗流阻力小， 生产过程中，地层压力很容易泄压，这种层位应力集中较 少，因而高渗透层套损现象极为少见；低渗透或薄差油层 在注水开发过程中很容易憋压且很难泄压，因而容易产生 应力集中。
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2.6 “地应力集中导致套管损坏”机理
北京勘探开发研究院的研究结果表明，二次应力集中强 度与岩石剪切模量与套管剪切模量之比μ/μ1成正比，套管 外壁上的应力集中一般可达到地层中应力的4倍以上，如果 地层中应力集中达到了 12Mpa，那么作用在套管上的应力至 少可达到48Mpa 。这里忽视了水泥环的影响，事实上，水泥 环的剪切模量通常要低于地层的剪切模量，这可能进一步增 大套管壁上的应力集中。
（3）
:作用在相对滑动面上的剪切应力，Mpa； n : 作用在滑动面上的有效法向应力， （式中： :最 Mpa； :层间摩擦系数；S n : 法向应力，Mpa； S1 , S 2 : 原地应力的最大最小主应力,Mpa； 小主应力与滑动面的夹角）。
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2.7 “孔隙压力差作用导致套管损坏”机理
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。
பைடு நூலகம்
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2.6 “地应力集中导致套管损坏”机理
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。
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2.8 “层间滑动导致套管损坏”微观机理
发生层间滑动导致套损的理论关系如下：
n S n p i
（1）

n
1 S1 S 2 sin 2 2
（2）
1 S1 S 2 1 S1 S 2 cos 2 pi 2 2
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2.6 “地应力集中导致套管损坏”机理
就同一个油田开发区块而言，地应力在平面上的分布本来是比较均 衡的，但随着油田注水开发程度的不断加大，地层压力失衡现象日益突 出，使得地应力重新分配，进而产生了更多应力集中区。应力集中往往 产生在构造结合点、断层两端尖灭处、断层沿走向和倾向的曲折处、两 条或多条断层的交叉部位、地层岩性强度比较弱的部位、岩性体尖灭部 位、存在裂缝部位等等。对于高压异常层或憋压地层，亲水矿物的存在 使得地层岩性强度已经变得很弱，并且由于周围围岩的封堵作用，所以 很容易产生应力集中，当应力集中达到一定程度便会发生结构性破坏。 注水井附近的应力增加要先于采油井，这势必会造成注水井比采油井提 前发生套损。由于地层岩性不同，使得地应力在不同地层的增加量有
2.8 “层间滑动导致套管损坏”微观机理
如果（1）式成立，地层将发生相对滑动。在原始状态下， 一般要小于 n 。油田高压注水 时， pi 逐渐升高，当其达到某一临界时， ， n 层面间开始出现滑动。把这一压力称为临界 地层压力 p0 。 在临界条件下，可以计算出：
2 sin 2 1 1 2 cos 2 1