不同含水情况下的泥岩蠕变试验及其对油田套损影响研究
饱水-失水循环条件下红层泥岩蠕变特性及本构模型研究
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ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ 工程地质学报 ２０２１
ａｎｄｔｉｍｅｉｓＥ（ｎ，ｔ）．Ａ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｖｉｓｃｏｐｌａｓｔｉｃｂｏｄｙｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｓｈｅａｒｃｒｅｅｐｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌ （ＬＣＪＮ）ｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｄｓｉｐｈｏｎｍｕｄｓｔｏｎｅｏｆｔｈｅＬｏｎｇｃｈｕａｎＲｉｖｅｒａｎｄａｇｅｎｅｒａｌｇｌｏｂａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＬＣＪＮｍｏｄｅｌ，ａｎｄｖｅｒｉｆｙｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｍｕｄｓｔｏｎｅ；Ｓａｔｕｒａｔｅｄｄｅｈｙｄｒａｔｅｄｃｙｃｌｅ；Ｓｈｅａｒｃｒｅｅｐ；ＬＣＪＮｍｏｄｅｌ
１ 剪切蠕变试验
１１ 工程背景
龙川江倒虹吸属滇中引水工程楚雄段工点，位 于楚雄州禄丰县西北，中低山河谷地貌，河道深切， 呈 “Ｖ”型，水 面 高 程 约 １７７５ｉｍ，宽 度 一 般 为 ７～ １０ｉｍ，受季节 性 降 雨 影 响，河 水 位 变 动 幅 度 约 １～ ２ｉｍ，河谷两岸坡度约 ４０°～４５°。沟底河水位季节性
目前关于红层软岩的研究主要集中于两方面， 一方面是通过分析软岩的 宏 －微 －细 观 特 征，进 而 分 析其力学特性（何满潮等，２０００；谢小帅等，２０１９）； 另一方面是通过分析软岩的力学变化规律，建立不 同条件下软岩的本构模型 （吴礼舟等，２０１７）。此 外，部分学者也对软岩破坏的能量耗散机制做过相 关研究（周翠英等，２０１９），但整体还是以研究软岩 的本构模型为主，通过摸清软岩的本构模型运用于 工程实践的指导以及灾害的预测防治。周翠英等 （２０２０）通过 孔 隙 结 构 分 配 函 数 和 广 义 分 形 维 数 等 指标对粉砂质泥岩的孔隙结构多重分形特征进行分 析，研究了红层软岩孔隙结构变化与其力学性能的 相关关系。周 美 玲 （２０１６）对 三 峡 库 区 红 层 软 岩 的 水 －岩作用机理进行研究，总 结 了 不 同 水 －岩 作 用 周 期红层软 岩 的 损 伤 破 坏 机 制。 黄 明 （２０１０）以 泥 质 粉砂岩为研究对象，通过开展单轴压缩蠕变试验，发 现含水率越大岩石蠕变黏度系数越小，蠕变应力阈 值越小，并建立了考虑含水损伤的 ＫＢｕｒｇｅｒｓＭＣ模 型。巨能攀等 （２０１６）通 过 不 同 含 水 率 泥 岩 的 三 轴 压缩蠕变试验，发现随着含水率提升其长期强度逐 渐降低，初始、稳态和极限加速蠕变速率增大，并通 过引入考虑含水率的黏弹性模量替换原有的黏弹性
含水量对细粒沉积岩力学性质及变形特性的影响研究
含水量对细粒沉积岩力学性质及变形特性的影响研究邹晨阳;陈芳;叶霞【期刊名称】《水力发电》【年(卷),期】2018(044)001【摘要】针对江西某泥岩高边坡存在滑坡隐患的问题,通过单轴压缩试验和回归分析,探讨了含水量对3种泥岩样本的力学性质和变形特性的影响规律,建立了泥岩抗压强度和弹性模量与含水量之间的相关关系.结果表明,随含水量的增加,泥岩单轴抗压强度和弹性模量迅速降低,降低速率受3种泥岩自身物质组成、结构和构造及固结程度等因素的影响;泥岩中的亲水性粘土矿物遇水软化,SiO2中的硅氧双键水化断裂生成亲水性硅羟基,岩体裂隙表面有效应力因孔隙水压力增高而降低;含水量与泥岩的单轴抗压强度和弹性模量分别服从指数关系和线性关系.【总页数】5页(P35-38,42)【作者】邹晨阳;陈芳;叶霞【作者单位】江西省水利科学研究院,江西南昌330029;江西省水工安全技术研究中心,江西南昌330029;江西省水利科学研究院,江西南昌330029;江西省水工安全技术研究中心,江西南昌330029;江西省水利科学研究院,江西南昌330029【正文语种】中文【中图分类】TU458【相关文献】1.固结排水及常含水量条件下非饱和红土强度及变形特性影响 [J], 刘星志;周龙;涂晗;刘小文2.沧东凹陷始新统孔店组二段深水细粒沉积岩中的软沉积物变形构造 [J], 鄢继华;焦玉玺;陈世悦;邓远;蒲秀刚3.湘黔地区层状沉积岩型钼镍多金属共生矿中硫的碱性高压浸出特性对钼浸出率的影响研究 [J], 周明芳4.含水量对珠三角软土时效变形特性影响试验分析与模型研究 [J], 童华炜;方晓填;刘柱辉;袁杰5.西沙海槽东部海底浅表层土工程地质特性及水合物细粒土力学性质试验 [J], 刘文涛;石要红;张旭辉;曾宁烽;杨江平;何海军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
泥岩浸水膨胀对套管损坏影响分析
管 和 远 场地 层 的约 束 ，会 产 生对 套 管 的挤 压 力 ，危 害 套 管 的 安全 使 用 。泥 岩地 层所 含 的粘 土 矿 物 浸 水 后 自由膨 胀 的体 积倍 数 可 达 ８５ ．，最小 为 ２５ ．，一 般 情况为 ５Ｊ 。在 这些 膨胀 变 形 受到 约束 时产 生 的 巨大 约束 力 ， 用 到套 管上 足 以使套 管破 坏 ， 们称 这种 作 我
石 ２ 第 ２ ０１ ２年 ６卷 第 ３期
油
仪
器
ＰＥＴＲ ０ ＬＥＵＭ Ｉ ＳＴＲＵ Ｍ ＥＮ Ｉ Ｎ Ｓ
・
方 法研 究 ・
泥岩浸水膨胀对套管损坏影响分析
陈 晓
（ 大庆油 田测试技术服务分 公司 黑龙江 大庆 ）
摘
要 ：泥岩 浸水 膨胀产 生 局部地 应 力异 常是 导致 油 水井套 管损坏 的主要原 因之一 ，通过理 论和 数值 模拟 ，研 究 了泥岩
司口 ． ［
图 ２ 泥岩部 分浸水膨胀模型
（０ ３ 等实 验 数据 估 算 的体积 膨 胀率 ｅ ＝０３ ２０ ） ｏ ．。根 据 大 庆油 田的资料 ，泥 岩含水 量超 过 ５ ％时 ，弹性 模 量 Ｅ 将 由 １ ＭＰ 下 降到 １。 ａ数量 级 ，泊松 比ｖ值 ０ ａ ０ ＭＰ 由小于 ０１ ． ５～ ０２ 升到 ０ ．０上 ． ０３ ２～ ．。套 管材料 的弹
的 泥岩 地层 ， 吸人相 邻 砂岩 层 的水 时发 生体 积膨 胀 在
变形 。泥 岩 膨胀矿 物 与成 分有 关 ，含 有高 岭石 类 、伊 利 石 类 、绿 依 石 类 和 蒙 脱石 类 等粘 土 矿 物 的泥 岩地
层 ，在 浸 水 时产 生 体 积 膨 胀 变 形 ，这 种 变 形 受 到 套
油田套损井机理分析与预防措施研究
油田套损井机理分析与预防措施研究随着油井使用时间的变长，套损问题对油田产能的影响变得更为突出。
本文对套管损坏机理進行深入的分析，并提出了相应的预防措施。
标签：套管损坏机理;预防措施;工艺技术某油田区块油井套管损坏问题比较严重，直接影响到正常的原油开采，很多油井由于套管损坏而被迫停井，油井和集输管线的维护工作量变多。
特别是储量大、开采效率高的区块出现套管损坏，会给油田企业稳产带来不利影响，需要对套管损坏的机理进行分析，并采取有效预防措施。
1套管损坏机理分析1.1套管材料和固井质量如果套管加工制造过程中存在微缝或者螺纹不符等质量问题，就会使套管的抗剪和抗拉强度变弱，采用该套管的油井经过长时间的原油生产之后，会逐渐出现套管损坏问题。
固井作业过程中没有进行有效的质量控制，导致井眼不规则或井斜问题，采取的水泥浆达不到设计标准，水泥和井壁间没有产生很好地胶结，注水泥之后套管拉伸负载不合理等，都会对套管使用寿命产生影响。
1.2射孔对套管造成的损伤射孔作业引起套管损坏的原因主要有：1）使套管外的水泥环产生破裂，严重情况下使套管产生破裂，尤其是采用无枪身射孔会对套管产生很大的损伤。
2）射孔作业过程中存在着较大的深度误差，特别对加密油井中的薄互层进行射孔时错把隔层泥央、页岩射穿，使得泥页岩受到注水增产措施的影响，使地层应力产生改变而使套管损坏。
3）没有选取合理的射孔密度，会对套管强度产生影响。
1.3出砂对套管产生的损伤在地下储层形成大量的出砂，上部岩层会由于失去支撑而形成垂直方面的变形，如果上部地层压力大于油气储层孔隙压力和结构应力，会把部分地层应力传递到套管，超过套管具备的极限强度时会出现变形和错断问题。
1.4地质因素对套管产生的损伤随着国内很多油田都进入到开采中后期，出现套损的油井数量会不断变多，由于地层水及注入水流通速度的提升，使得地层胶结物质产生水化，使得断层及破碎带变得更为活跃，如果地下储层地质情况不稳定，会使套管受损产生破坏。
油井含水对储层岩石强度及出砂影响研究
油井含水对储层岩石强度及出砂影响研究【摘要】储层含水量增加，岩石的强度减小，出砂风险增大。
油藏出砂将降低油井产量，损害井下装置和地面设施。
针对弱胶结储层，开展储层岩石不同含水饱和度时的单轴强度实验，揭示了出水对储层出砂影响的机理。
结果表明：含水饱和度与岩石单轴强度呈指数递减规律。
含水饱和度越高，岩样的单轴抗压强度越低。
含水率对岩石强度及出砂影响程度，取决于砂岩内蒙脱石、伊蒙混层等易水化黏土矿物的含量和含水率大小。
【关键词】含水率？岩石强度？出砂？临界生产压差讨论含水饱和度对岩石强度的影响，尤其在弱胶结的地层。
含水饱和度对岩石力学特性的影响一直是比较热门的研究课题，含水饱和度对多数类型岩石的强度都存在着降低效应。
一般来说，岩石对水含量的敏感性越强，含水率越高它的强度越低。
对比了砂岩岩样干燥和饱和水条件下的单轴抗压强度，结果证实富含黏土的绿砂岩饱和水后单轴抗压强度下降了78%，而硅质砂岩仅下降了8%，这说明岩石强度对含水饱和度的敏感性主要取决于岩石的矿物组成。
含水率增大，亲水性砂岩颗粒间的毛管压力降低；含水饱和度增加，岩体和地层水之间的化学作用越剧烈；相对渗透率效应导致流体拖曳力增大，砂岩颗粒从破坏岩体脱落运移而出砂；出砂主要发生在弱胶结地层，了解含水率对强度的影响规律是出砂临界压差的预测预测的一个重要方面。
国外部分学者就含水率对岩石强度及出砂影响进行了研究，而国内研究相对较少。
针对弱胶结地层，开展含水率对地层强度及出砂的可能性影响规律研究，为该油田确定合理的防砂方式和生产压差提供必要的理论依据。
1 强度降低机理研究1.1 表面能减少岩石内含水饱和度增加将使表面能降低，同时颗粒间黏聚力也将减小，因此岩石单轴抗压强度降低。
石英是砂岩油藏最常见的矿物，若砂岩内富含石英，从而使Si02含量聚集，当地层出现水突破或水浸，有可能发生石英的水解反应，石英水解作用使硅氧键被能量小的氢键替代，因此表面能和内聚力减小。
盐岩蠕变特征对井筒形变量的影响规律
盐岩蠕变特征对井筒形变量的影响规律
闫炎;蔡萌;马文海;张晓川;韩礼红;刘永红
【期刊名称】《西安石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(39)3
【摘要】针对盐岩地层普遍出现的套损现象,借助三轴岩石力学实验对取自川东北油气田某地层段盐岩的蠕变特性进行了实验研究。
基于实验结果,构建了可描述盐岩的衰减蠕变阶段和稳态蠕变阶段特征的非定常盐岩蠕变模型,基于该盐岩蠕变模型计算深部盐岩地层蠕变过程中井筒径向位移的变化,计算结果显示井筒内压能有效地降低盐岩内壁的蠕变位移,而地层水平主应力和上覆地层压力可增大地层的偏差应力,从而增加盐岩内壁的蠕变位移。
为避免盐岩蠕变造成套管变形,在水泥中添加空心陶瓷颗粒可有效降低水泥的弹性模量,使得水泥环能充分吸收地层径向蠕变给井筒系统增加的应变能,进而降低对套管的挤压作用,减小套变风险,形成油气井工程上一种新型套管止变技术方法。
【总页数】8页(P42-49)
【作者】闫炎;蔡萌;马文海;张晓川;韩礼红;刘永红
【作者单位】中国石油集团工程材料研究院有限公司;中国石油集团大庆油田分公司采油工程研究院;中国石油大学(华东)机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TE931.2
【相关文献】
1.2005年度国家科技进步奖二等奖——深层盐膏岩蠕变规律及其在石油工程中的应用
2.相对湿度对盐膏岩蠕变规律影响的机理研究
3.不同应力状态下多杂质盐岩分数阶蠕变模型参数演化规律研究
4.盐岩蠕变对水泥环气密封完整性影响规律研究
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红层泥岩填料蠕变特性及分数阶五元件非线性蠕变模型研究
红层泥岩填料蠕变特性及分数阶五元件非线性蠕变模型研究余云燕;杜乾中;罗崇亮;丁小刚;李永鹏
【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(55)4
【摘要】为揭示红层泥岩填料的蠕变力学特性,对甘肃红层泥岩填料开展分级加载三轴CU蠕变试验,分析不同含水率和偏应力水平下红层泥岩填料的轴向蠕变、蠕变速率、应力-应变等时曲线等蠕变特性。
基于红层泥岩填料蠕变曲线特征分析,引入分数阶微积分,构建适用于甘肃红层泥岩填料的分数阶五元件非线性蠕变模型,并对模型参数进行辨识和分析。
研究结果表明:甘肃红层泥岩填料存在明显的蠕变特性,呈非线性衰减蠕变,随含水率与偏应力水平增大,蠕变变形明显增大;应力-应变等时曲线呈现出非线性特征,存在明显拐点,甘肃红层泥岩填料的长期强度为瞬时强度的0.6~0.8;所构建的模型可以准确地描述甘肃红层泥岩填料的蠕变特性,对试验结果的拟合效果明显比Burgers和Merchant模型拟合效果好。
【总页数】11页(P1654-1664)
【作者】余云燕;杜乾中;罗崇亮;丁小刚;李永鹏
【作者单位】兰州交通大学土木工程学院;甘南藏族自治州交通运输局
【正文语种】中文
【中图分类】TU446
【相关文献】
1.含分数阶导数元件非线性蠕变模型的二次开发
2.锦屏深部大理岩蠕变特性及分数阶蠕变模型
3.饱水-失水循环条件下红层泥岩蠕变特性及本构模型研究
4.黏土蠕变非线性特性及其分数阶导数蠕变模型
5.红层泥岩剪切蠕变特性及非定常本构模型研究
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塔河油田油井套损现状及主要影响因素
很难 ，但在外力和其他物理化学作用下 ， 其天然结
构 破坏 ，泥 岩就 会发 生 吸水 ，使得 其力 学特 性 产生 较 大变 化 ，主要 反 映在 弹性模 量 、内聚力 和强度 的 急 剧 下降 等 。塔 河 油 田在 整个 ３０ ０～４ ０ｍ井 段 ７ ４０
均 分 布 着 泥 岩 ， 监 测 显 示 Ｄ ８井 在 ４３ １ Ｋ ７ ． ５～ 错 断、破裂 、渗漏 以及套管腐蚀穿孔等 ，其中主要 ４３６２ｍ 井 段 出 现 了 套 管 变 形 ， Ｄ ４井 在 ８ ． Ｋ 以套管缩径变形及套管漏失为主 ，分别 占套损井总 ３０ ０ ８ ． ２ Ｉ 段 也 出现 了 套 管 破 损 ，另 外 ， ７～３１０ｉ井 Ｔ 数 的 ４ ．％、３ ． ４９ ７９ ％。 塔河 油 田套 损 总体 趋 势 为套 损 井 抽 产 年 限短 ， 套 损 点深 度偏 大 ，套损 点 固井 质量偏 差 ，深 层套 损
的 油 井 采 用 １。 ｘ９／ Ｘ７ 井 身 结 构 四开 完 ３／
般 套 管 柱 的 设 计 都 是 以管 外 液 柱 的静 压 力 为依
据 ，而未 考虑井 壁 周 围岩石 压力 的影 响 ，因此 ，周
井 ，７ 套管悬挂于 ９ 套管尾端 ，下深 ５ ０ ～ ５ Ａ ０ ５
２０ 年起 套 损 井数 量 呈 大 幅上 升 趋 势 。套损 形 式 主要 包括 套 管 弯 曲 、缩径 、错 断 、破 裂 、渗 漏 ０７ 以及 套 管 腐蚀 穿孔 等 ，其 中主要 以套 管缩 径 变形 及 套 管漏 失 为主 ，分别 占套损 井总数 的 ４ ． ４９ ％、 ３．％，油 井套 管损 坏 主要 由地 质及 工程 两方 面原 因所致 。通 过应 用下插 管封 隔器 、套 管补 贴 、 ７９
石油工程技术 井下作业 套损原因
套损原因造成油、水井套管损坏的因素是多方面的，基本上可概括为地质因素和工程因素两大类。
1地质因素地层的非均质性、地层倾角、岩石性质、断层活动、地震活动、地壳运动、地表腐蚀等情况是导致油水井套管技术状况变差的客观条件，这些内在因素一经引发，产生的应力变化是巨大的、不可抗拒的，将使油、水井套管受到严重损害，甚至导致成片套损，这将严重地干扰开发方案的实施，威胁油田的产能。
1.1地层的非均质性陆相沉积的砂岩、泥质粉砂岩油田，由于沉积环境不同，油藏渗透性在层与层、层内平面之间都有较大的差别。
注水开发过程中，微裂缝开启、延伸，导致泥岩层进水，使泥岩吸水蠕变，产生非均匀的外载。
当非均匀外载超过套管的抗挤毁强度时，套管就会产生变形。
套管周围围岩蠕变外载的分布形式一般为椭圆，其分布规律可以近似的用余弦函数来表示：σn =S1+S2cos2θ式中σn—套管所受的径向外载力，Mpa；θ—与最大水平地应力方向夹角，（°）；S 1，S2—与试验条件和岩石性质有关的常数，Mpa。
套管承受这种外载能力比承受均匀外载能力低，所以一旦注入水进入泥岩层段，椭圆形外载就会挤压套管，使套管发生椭圆变形。
1.2地层（油层）倾角陆相沉积的油田，储油构造一般为背斜和向斜。
由于背斜构造是在地层侧压应力挤压为主的褶皱作用下形成的，由于受岩体重力的水平分力影响，在相同条件下，地层倾角较大的构造轴部和陡翼部比倾角较小构造的相同部位更容易出现套损。
1.3岩石性质在沉积构造的油、气藏中，油层的岩性多为砂岩、泥岩、泥质粉砂岩。
注水开发时，当油层中的泥岩及油层以上的页岩被注入水浸蚀后，其抗剪强度和摩擦系数大幅度降低，身在其中的套管受到岩石膨胀力的挤压，当挤压力超过套管的抗挤毁强度时，套管就会损坏。
同时当具有一定倾角的泥岩遇水呈塑性时，可将上覆岩层压力转移至套管，使套管受挤压而损坏。
1.4断层活动沉积相构造的油田中，各地区地壳沉降速度不尽相同，在地层沉降速度高的地区，油层本身所处的构造位置会促使断层活动加剧，从而对套管造成严重损害。
油田注水开发过程中储层岩石表面性质变化因素研究
油田注水开发过程中储层岩石表面性质变化因素研究摘要：油田是采取早期内部切割注水方式开采的，由于注人水中含有微量的生物元素、细菌和溶解氧，储层中原油难于逃脱介质的氧化，而使原油烃类中环烷酸、碳基、胶质和沥青质含量发生变化。
因此研究油田不同含水期岩石表面性质变化，对于探讨油和水在岩石中分布状况、含量，揭示油藏在注水开发过程中变化特征，指导油田不同阶段开发，提高油田采收率有着十分重要的意义。
关键词：注水开发；速度；密度一、储层油水饱和度的变化——流体替换在注水驱油过程中，注入水沿前进方向将孔隙中相互连通的油冲洗出来，使得储层岩石中的含油饱和度降低，含水饱和度增高，且随着前缘推进距离增大饱和度的变化更趋明显。
当几倍于孔隙体积的水流过孔隙后，可使油层的含油饱和度降低到剩余油饱和度。
以大庆油田为例，强水洗油层的含油饱和度可下降30%以上，中水洗可下降20%～30%，弱水洗可下降10%左右。
已有的岩石物理实验结果表明，流体饱和度对岩石速度、密度的影响不仅与流体类型有关，而且与岩石本身孔隙率的大小以及岩石所受压力的大小有关。
考虑到大多数砂岩储层在水驱之前原始含油饱和度一般在65%～90%间，而水驱后含油饱和度降低到20%～30%。
为此，针对孔隙率大于15%的几个中高孔隙砂岩样品，且假定压力一定时，利用Biot-Gassmann方程和密度体积平均方程，分别计算了不同油水饱和度情形下，含油饱和度降低30%，40%，70%时，砂岩速度、密度以及阻抗的相对变化量。
通过对计算结果的分析发现，砂岩速度的变化不仅与含油饱和度变化量的大小有关，而且与砂岩内原始含油饱和度的高低有关。
对于相同的含油饱和度变化量，砂岩内原始含油饱和度越低，速度的相对变化率越大。
当砂岩内原始含油饱和度一定时，则含油饱和度绝对变化量越大，相应的速度变化率也越大。
二、储层孔隙压力的变化在油田投入开发之前，原始地层压力在同一水动力系统构造上的分布符合连通器的原理。
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弹性模量/GPa
10 5 0 0 5 含水量/%
60 50 40 30 20 10 0 0 20 40 时间/h 60 w = 5.01% w = 4.35% w = 3.85% 80 100
第 11 组 第 15 组
10
图1
泥岩弹性模量随含水量变化关系
Fig.1 Elastic modulus changes with different water contents
Abstract：Strength and creep experiments of mudstone from Daqing Oil Field under different saturated conditions are performed through the XTR01 servo-controlled compression machine. The creep characteristics and the change of mechanical parameters with the increment of water content are analyzed. The results indicate that the rock strength and elastic modulus decrease with the increment of water content，while the creep strain and steady state creep strain rate increase. Through the experiments，the nonlinear creeping constitutive equation of mudstone considering the change of water content is established as compared with the creep characteristic curves. In water injection reservoir， based on the relationship between the water cut in the mudstone and the mechanical property of the mudstone，the mechanism of casing failure is analyzed，and the casing-cement sheath-mudstone creeping model is built in order to simulate the creep pressure of mudstone with different water contents. The simulation results show that under heterogeneous stress，the increasing water content accelerates the incremental rate of the creep pressure of mudstone，so the time of reaching yield state reduces significantly，which means service time of case becomes much shorter. During the process of water injection production，high injection pressure cut in mudstone should be prevented to reduce casing damage.
，
(1. Institute of Porous Media Mechanics，Wuhan Polytechnic University，Wuhan，Hubei 430023，China； 2. Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China)
表1 泥岩试样基本数据表
由于泥岩遇水膨胀、蠕变，地层滑动导致油田 开发过程中大量的油水井发生损坏的现象在国内外 各大油田均有发生
[1～4]
。据统计，大庆油田萨、杏
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
地区套管损坏发生在泥岩危险段内的占 42.2%，萨 南地区套管损坏在泥岩危险段的达 56.9%，都是在 注水开发后出现的套损，可以说泥岩危险段对于注 水开发中套管的损坏起了主要作用[5]。 研究表明，特别是在高压注水开发油田，实际 注水压力大大超过地层破裂压力，造成地层在注水 过程中处于压开状态，而停注卸压后，地层闭合。 由于不平稳注水使地层经常性张合，导致套管周围 的水泥环松动、破裂，注入水沿高压破裂的水泥环 窜至泥岩层，使注入水与损坏段外泥岩充分接触， 破坏了原始的含水状态；泥岩吸水软化，其岩石本 身的力学性质和应力状态发生改变，成岩胶结力逐 渐消失，变为塑性，蠕变速度增大；在非均匀地应 力作用下，向井眼周围产生位移和变形，使得地应 力通过岩石蠕变作用于水泥环和套管，造成套管变 形损坏 。所以关于泥岩进水后蠕变的研究对油水 井套管损坏的防范有着重大的意义，对于注水开发 的油田来说，显得尤为重要。 目前，国内外对岩土工程中泥页岩等软岩的强 度和蠕变特性研究比较多，但是针对油田中地下深 部泥岩，特别是生产过程中高压注入水侵入泥岩后 蠕变特性影响的研究较少。本文针对大庆油田泥 岩，进行泡水后的常规力学试验和蠕变试验，分析 含水量对泥岩强度、蠕变特性的影响，建立泥岩蠕 变本构方程，并通过数值模拟分析泥岩含水量变化 对套管产生的非均匀蠕变挤压应力的影响，为油田 注水开发中，控制注水压力，防止高压水浸入泥岩 引起套损提供了理论指导。
1 引
言
电工程岩石试验规程》(SL264–2001)泡水 1，3， 5 d，再分别进行抗压强度试验与蠕变试验。进行泡 水的试样先称重，烘干冷却后再称重，然后放入水 中浸泡相应的时间，擦干后称得吸水后的质量，并 计算出不同泡水时间的含水率。将试样放入抽真空 的容器中浸泡规定的时间得到其饱和含水率[7]。 表1 为泥岩泡水试验的基本资料 ( 泥岩强度和蠕变试验 所用的试验机为中国科学院武汉岩土力学研究所自 行研制的 XTR01 型微机控制高温高压流变仪)。
2.1 含水量对泥岩力学性质的影响 大庆油田套损段泥岩层深度一般都在 500 m 以 上，有的达到 2 000 多米。泥岩在自然状态下的含 水量通常小于 2%，弹性模量可达 10～20 GPa，单 轴抗压强度可以达到 30 MPa 以上。 为了研究含水量对泥岩基本力学特性的影响， 在 3 组泥岩中，分别选取不同含水量的泥岩试样进 行单轴抗压强度试验。 图 1， 2 给出了 3 组泥岩试样 进行抗压强度试验后得到的泥岩弹性模量和单轴抗 压强度随含水量的变化关系曲线。
翔 1，陈剑文 2，段
翔1
(1. 武汉工业学院 多孔介质力学研究所，湖北 武汉 430023；2. 中国科学院 武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)
摘要：以大庆泥岩为研究对象，进行不同含水条件下的强度试验和蠕变试验，分析含水量变化对泥岩强度、弹性 模量等基本力学参数以及蠕变特性的影响。试验结果表明：含水量的增加，大大降低了泥岩的弹性模量和单轴抗 压强度，并使泥岩的蠕变变形和稳态蠕变率显著增加。通过试验得到考虑含水量变化的泥岩蠕变本构方程，并与 试验曲线进行对比。以大庆油田南二区某井套损段泥岩层为例，建立数学模型，根据得到的蠕变本构方程，对不 同含水条件下井壁泥岩的蠕变挤压应力进行数值模拟，通过对比分析，说明在非均匀挤压应力作用下，泥岩含水 量的增加会大大加快蠕变应力的增长速度，使围岩对套管产生的蠕变挤压应力达到极值所需的时间迅速减小，大 大缩短套管使用寿命。油田开采过程中，应防止高压注入水进入泥岩，以预防和减少由于泥岩进水发生蠕变导致 套管损坏。 关键词：石油工程；泥岩蠕变；含水量；数值模拟；挤压应力；套损 中图分类号：TE 357.6 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)增 2–3477–06
50 40 30 20 10 0 0 2 4 含水量/% 蠕变应变/10 6 8 第 G891 组 第 11 组 第 15 组
单轴抗压强度/MPa
图3 Fig.3
不同含水量的泥岩蠕变曲线(第 15 组)
Creep strain under different water contents and same deviatoric stress(No.15)
2 不同含水情况下的泥岩力学试验
泥岩试样取自大庆油田南二区油水井套损段， 其中 G891 组埋深 1 200 m，15 组埋深 987 m，11 组埋深 1 121 m。试样尺寸为25 mm×50 mm，每组
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增2
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黄小兰，等. 不同含水情况下的泥岩蠕变试验及其对油田套损影响研究
70 第 G891 组 蠕变应变/10
EXPERIMENTAL STUDY ON MUDSTONES CREEP BEHAVIOR UNDER DIFFERENT WATER CONTENTS AND ITS EFFECT ON CASING DAMAGE
HUANG Xiaolan1 2，YANG Chunhe2，LIU Jianjun1，HE Xiang1，CHEN Jianwen2，DUAN Xiang1
收稿日期：2007–07–02；修回日期：2007–07–25 基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412704)；湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队项目(T200603) 作者简介：黄小兰(1980–)，女，博士，2003 年毕业于武汉工业学院土木工程专业，主要从事岩土工程方面的研究工作。E-mail：hxl_huang0226@s
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岩石力学与工程学报