下二门油田地应力场数值模拟及方法——地应力分布特征与套损的关系研究

我国自20世纪80年代初就开始对油田套管损坏进行了针对性研究,提出过高压注水引起有效应力降低从而诱发套损的理论。相关研究成果表明,注水导致套管损坏现象的产生,主要是高压注水引起油层孔隙压力变化,而孔隙压力的变化又导致含油层岩体发生变化（岩体力学参数变化、岩石发生屈服或破坏,断层或节理发生滑动等）.     

高压注水导致套管损坏定位方法及机理分析

我国自20世纪80年代初就开始对油田套管损坏进行了针对性研究,提出过高压注水引起有效应力降低从而诱发套损的理论。相关研究成果表明．注水导致套管损坏现象的产生,主要是高压注水引起油层孔隙压力变化．而孔隙压力的变化又导致含油层岩体发生变化（岩体力学参数变化、岩石发生屈服或破坏、断层或节理发生滑动等）．岩体的变化将导致储层应力场的二次调整,在岩体强度高的部分容易憋出高压、在断层部位则可能由于断层浸水复活,     

高压注水对油田套管的损坏及防治分析

根据注水开发油田套管的损坏特征 ,分析认为高压注入水窜入泥岩层诱发地应力挤压套管 ,是影响套管变形的主要因素 ;另外 ,当注水压力高于地层破裂压力和上覆岩层压力时 ,会产生单向侧应力剪切破坏套管。为了防止高压注水引起的套管损坏 ,应采取如下预防措施 :注水井适时解堵防膨 ,合理调整注采井网 ,控制压裂垂直裂缝不要延伸至泥岩层 ,提高固井质量及套管强度等。从分析当前套损井治理现状出发 ,提出防治套管损坏总体方针是预防为主 ,防治结合     

吐哈油田套管损坏机理分析及套管保护技术

统计分析了吐哈油田各采油厂套管损坏情况,指出吐哈油田套损主要形式是套管变形,套损点对应岩层主要为泥岩,套损部位主要集中在油层段及其顶部以上30m以内,套损主要原园是高压注水导致泥岩吸水发生蠕变膨胀迫使套管变形,油井变形大干水井的原园与油井生产压差过大有直接关系。通过研究提出了套管损坏的预防方法。即开发前期的预防方法和开发中的预防方法。     

四川页岩气井套管变形特征及受力模式

套管变形是制约四川盆地页岩气高效开发的工程难题。鉴于此,对威远、长宁和昭通区块9口井的37处24臂井径测井数据进行统计学处理,分析了套管变形特征,总结了套管变形类型;结合野外露头、地震和测井数据,分析了页岩岩体结构特征;通过对比套管变形特征及层理页岩岩体裂缝特征,建立了套管与页岩岩体的相互作用模式。研究结果表明:剪切类型的套管变形占60%,呈现剪刀差形态,变形长度(半波长)主要在1.5~2.5 m范围,变形量(波峰)主要在5~15 mm范围;层理页岩被多组裂缝切割为块状岩体,岩体宽度介于1.2~3.1 m;地层与套管相互作用表现为多断块岩体滑动模式。研究结果为进一步定量研究套管受力大小和变形量等提供了依据,也为分析和解决套管变形问题提供了参考。     

注水开发引起泥岩层套管损坏机理研究

油田注水开发以后,由于泥岩层吸水软化,改变了作用在套管上的非对称外挤蠕变载荷分布而导致套管出现径向缩径变形的损坏现象。通过建立套管—水泥环—围岩的三维有限元数学模型,定量分析了注水开发引起泥岩蠕变对套管的影响,给出了注水开发引起泥岩层套管受蠕变载荷作用而损坏的机理。研究表明:蠕变载荷从0上升到最大的稳定值时间与泥岩的蠕变特性有关,一般约需400 d;当弹性系数由10 GPa降低到6 GPa时,套管所受径向载荷由61.95 MPa增大到68.36 MPa;泥岩吸水软化后,随着泥岩弹性模量的降低,套管外壁的附加载荷会明显增大,即泥岩在较高的注水压力下吸水软化,加剧蠕变载荷分布的非均匀性并加大蠕变载荷值,超过套管的抗外挤能力使套管柱发生径向缩径变形而损坏。     

泥岩蠕变导致套管变形损坏机理分析

油田注水开发以后，泥岩吸水蠕变使非均匀地应力作用于水泥环和套管，通过对泥岩吸水蠕变以后，在远场地应力作用下，对水泥环与地层接触的第二界面和水泥环与套管接触的第一界面压力的数值仿真分析，提出了泥岩吸水蠕变诱发地应力在井眼周围产生应力集中，迫使水泥环和套管在最大水平地应力方向产生椭圆形缩径变形，是造成套管变形损坏的直接原因，而且水泥环与套管接触的第一界面的椭圆形外压力分布规律与水平地应力方向、套管变形趋势相反，说明水泥环在套管抵抗非均布外载中起到改变受力边界条件的作用。     

高压注水下套管蠕变损坏的机理研究

油田注水开发以后,由于泥岩吸水蠕变,使非均匀地应力作用于水泥环和套管而导致水泥环和套管发生径向缩径变形。通过建立套管—水泥环—泥岩围岩蠕变力学模型,定量计算和分析了井壁泥岩蠕变载荷分布和变化规律,水泥环和套管外壁径向和环向载荷分布规律,揭示了套管外壁环向载荷分布规律是引起套管变形损坏的直接原因;套管外壁径向载荷与地应力分布规律、套管变形趋势相反说明水泥环在套管抵抗非均匀载荷时起到改变受力边界的作用。通过对套管损坏机理的研究,提出预防高压注水泥岩层的套管损坏主要从防止注入水窜入软弱的泥岩夹层和提高油层附近泥岩层段套管强度两方面入手,为后续套管损坏防治工作提供借鉴。     

长宁—威远页岩气示范区套管变形机理及对策

针对四川盆地长宁—威远国家级页岩气示范区开发过程中出现的套管变形问题,分析了套管变形与地质特征和水力压裂施工的相关性,结果表明断层裂缝和层理(以下用裂缝代替断层裂缝和层理)发育是套管变形的内因,水力压裂是套管变形的外因。在此基础上,厘清了套管变形的机理:压裂液沿着某条通道进入天然裂缝,使裂缝内孔隙压力提高,当达到临界值时,激发天然裂缝滑动,进而造成套管变形。流体的通道可能有3条:①水力裂缝通道;②水力压裂过程中沿着井眼轴向形成的轴向裂缝;③反复压裂致使水泥环形成的微环隙。最后,提出了有针对性的预防措施:①在裂缝层理井段安装封隔器;②优化水泥浆性能,避免水泥环产生微环隙;③选择避免套管承受反复高压的压裂工艺。该研究成果可为解决页岩气套管变形问题提供指导。     

高压注采制度下成片套管损坏机理的模拟研究——以大庆萨尔图油田南八区中块为例

以往对大庆萨尔图油田南八区中块套损机理的研究表明,与油田生产相关的注水压力、区块压差和浸水域是影响成片套损发生的主要因素.高压注采能够使块体内部产生流体压差,流体压差对块体产生推动力,当作用于块体的推动力大于抗滑力时,块体将沿着滑动面向压力低值区发生蠕动滑移,当滑移达到一定距离时,就会造成油水井套管的变形或错断.根据高压注采制度下油藏流-固耦合效应,提出了摸拟成片套损的数学模型及检验标准,在发生成片套损的大庆萨尔图油田南八区中块,设计了具有不同浸水域和区块压差的方案,通过对每种方案的模拟表明,只要南八区中块的注水压力和区块压差分别控制在12.4 MPa和0.8 MPa以下,浸水域不超过60 %,区块稳定系数就小于1.0～1.2,就不再发生成片套损.     

流固耦合作用下注水井井壁稳定性研究

注水开发油田在生产过程中，渗流场会对油藏地应力场产生影响，在井壁附近产生应力集中。研究了注水过程中流固耦合作用下套管损坏的力学机理，在传统的Biot 方程的基础上，考虑介质渗透性能随应力的变化，建立了注采过程中流体渗流与固体弹塑性变形的非线性耦合数学模型，采用全耦合的有限元法对所建立的模型进行求解。通过对大庆油田南二区某注水井注水开发过程的数值模拟，分析了注水对储层孔隙压力、井壁围岩应力场和变形场的影响，并对比了不同注采情况下储层孔隙压力和井壁应力随时间的变化关系。研究表明，油藏注水开采过程中，油藏流固耦合作用对地层特别是井壁附近围岩的应力和变形影响很大。研究结果为合理建立油藏注水开发的流固耦合计算模型，合理控制注采压差，预防和减少该地区地层变形、套管损坏等提供了依据。     

高压注水对砂岩层段套管的影响

通过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,得出了高压注水对砂岩层段套管损坏的机理。以大庆榆树林油田砂岩段的套损情况为例,计算了注水压力、套管应力及套管强度之间的关系。     

热采井高温对套管强度的影响

注蒸汽热采技术已广泛应用于提高重质油的采收率。在注蒸汽期间, 井下高温使管柱产生附加热应力, 从而可能使其发生塑性屈服、 变形、 断裂或屈曲。热采井中套管的失效几率非常高, 研究套管柱在较高压力的高温蒸汽以及外围的地应力共同作用下的应力分布规律, 对于评估套管的服役状况, 提高套管设计的安全性, 从而减少套管的失效几率具有重要意义。文章根据套管 －水泥环 －地层体系受力情况建立了平面力学分析模型, 根据位移的连续条件求解了管柱与水泥环间的接触应力, 探讨了注气条件下井筒温度的分布情况, 分析了热采井中管柱所受三轴热应力的分布。算例分析结果表明, 三轴热应力值远大于管柱实际的屈服强度, 从而使管柱发生屈服破坏, 为减小热应力对套管寿命的影响, 应合理选择注气参数并合理设计管柱。     

泥岩浸水对应力应变扰动的数值模拟

以大庆油区杏树岗南部开发区为例,对注采过程中泥岩浸水软化引起的应力应变局部扰动进行了数值模拟研究,探讨了泥岩浸水对应力应变的扰动,以及对地层压力与应力应变关系的影响。结果表明,泥岩浸水对不同层位应力的扰动情况各不相同,造成了层间应力状态的差异。层间应力状态的差异、泥岩层浸水后自身力学性质的弱化、注采引起的层内及层间孔隙流体压差、泥岩层与砂岩层之间渗透率和岩性的差异以及高压注水引起的有效应力降低等因素综合作用,导致萨尔图油层组的萨Ⅰ—萨Ⅱ泥岩夹层附近剪切应变高度集中,进而引起泥岩夹层套管的剪切变形与错断。萨Ⅰ—萨Ⅱ泥岩夹层的剪切应变增量随泥岩含水率的增大而增大,且其随地层压力增大而增大的速率在泥岩浸水后明显增大。因此,在泥岩浸水后,应适当降低泥岩夹层毗邻储层的注水压力和地层压力,从而缓解泥岩夹层的剪切套损。     

套管剪切破坏原因分析及防治技术

套管损坏会导致压力完整性破坏、生产油管磨损．甚至无法下入修井工具。岩层沿层面或倾角较大的断层面滑移将导致套管剪切损坏．注采过程中压力．温度的变化或注采过程中固体颗粒运移都可使岩石体积发生变化，体积变化产生的应力集中可引起岩层滑移：套管变形的主要机理为上履岩层中松软岩性层面处易发生局部水平剪切：减轻套管损坏就是缩小剪切滑移量合理选择井位、井斜角、管下划眼、特殊完井工艺，油藏管理和其他手段可减少套管剪切破坏发生频率或速度。     

非均匀载荷下套管强度的计算

在建立了泥岩蠕变非均匀外载模型基础上,提出了一种对泥岩蠕变引起的椭圆形非均匀外载下套管应力和强度的计算方法。在非均匀载荷下,套管所能承受的最大载荷迅速降低。当内压为0.1MPa时,套管的临界载荷平均约为均载情况下的11%.大庆榆树林油田泥岩段的套损分析表明高压注入水沿垂直裂缝进入泥岩层,引起泥岩层吸水蠕变,使得所用J-55套管难以承受较大的非均匀挤压力,导致套管损环。建议在易发生泥岩蠕变井段,应采用P-110型套管以确保井筒安全。     

套管缩径井高压分注技术

针对注水井套管变形和套管补贴后内径缩小、现有小直径分注管柱耐压低、无法进行高压分层注水的问题,设计了胶筒膨胀比达1.3的K344-95注水封隔器和配套工具,组成小直径高压分注管柱,K344-95注水封隔器在内径100~124 mm的套管内均可使用,耐压差高达35 MPa以上,最高耐温150℃。该技术在套管变形、补贴井中应用48井次,工艺成功率100%,具有适应井径范围大、耐压高、管柱下井和起出顺利、可洗井等特点,解决了套管变形、缩径井高压分层注水问题,可进一步推广应用。     

多层砂岩油田水驱开发的合理注水压力

基于系统、信息与管制的观点,认为对于水驱多层砂岩油田系统来说,注水是系统主要控制因素,并且具有不可间断的连续性（周期注水是以注水量的平衡保证连续注入的效果）。由于注水压力的高低、注水量的多少所引起的地层中孔隙水压的大小与套管安危是密切相关的,于是人们注意并致力于合理注水压力的研究,寻求对油田系统的最佳控制。然而,由于人对水驱多层砂岩油田合理注水压力要领的理解与定义上的差别,实践表明其控制效果差别也很大。重新定义了油田合理注水压力,强调保证油田生产设备（套管）的安全是确定合理注水压力的重前提。同时根据对大庆油田驱开发过程中注水压力、原始地层压力与套管损坏速度关系研究。认为油田合理注水压力应保持在原始地层压力水平,低于原始地层压力不利于获得最大产液量,高于原始地层压力容易导致套管损坏,从长远观点看更不于利于系统获得最大产液量。     

振动注水对套管、水泥环及地层影响的计算研究

为了评价振动注水对套管、水泥环及地层的影响,基于所给出的套管及水泥环在地层状态的简化力学模型和弹性力学理论,给出了套管、水泥环、地层的轴对称应力分布公式。根据套管内壁面、套管与水泥环接触壁面、水泥环与地层接触壁面存在的应力关系,推导出弹性体相接触时的应力数学模型,并对该数学模型进行求解。依据材料力学理论和振动注水的注入压力随时间变化的简化曲线进行了工况分析,选取适当参数计算出不同内压作用下套管、水泥环、地层岩石中最大应力,得出了在交变注水压力作用下套管、水泥环、地层岩石中的最大应力随注水压力变化的关系曲线。最后得出结论――振动注水所产生的脉动压力不会对套管、水泥环及地层造成损坏。