基于非均勻載荷的注采井套管損壞機(jī)理及抗擠套管校核方法

周 波，毛蘊(yùn)才，汪海閣，劉明濤，宋學(xué)義，楊書港

1中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 2 中國石油勘探與生產(chǎn)分公司3 中國石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院

0 引言

國內(nèi)某注水開發(fā)油田，在注水開發(fā)投產(chǎn)初期（投產(chǎn)后2～3年）發(fā)生不同程度的套管損壞問題，嚴(yán)重影響注采井網(wǎng)分層注水及開發(fā)效果。套管損壞是油田井筒完整性管理面臨的主要難題之一，國內(nèi)外學(xué)者大量的研究表明，套管損壞受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、注采工藝等多種因素綜合影響［1-6］，不同油田、區(qū)塊的套損機(jī)理具有差異性。針對注水井套管損壞問題，準(zhǔn)確描述注采過程套管周圍地層孔隙壓力、有效應(yīng)力、地層應(yīng)變狀態(tài)及變化規(guī)律，是揭示套管損壞機(jī)理的基礎(chǔ)，是指導(dǎo)套管設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

本文針對目標(biāo)區(qū)塊注水開發(fā)過程套管損壞問題，模擬分析套管周圍地層應(yīng)力、應(yīng)變特征，結(jié)合泥巖地層水化流變特性試驗(yàn)結(jié)果，建立了注采井泥巖水化地層套管外擠載荷計(jì)算模型，提出了基于非均勻載荷的注采井套管損壞機(jī)理及套管設(shè)計(jì)方法。

1 注采井套管損壞情況及原因分析

目標(biāo)區(qū)塊采用注水開發(fā)模式，在采油井轉(zhuǎn)為注水井后，短期內(nèi)出現(xiàn)了大量套管損壞，注采井套管損壞情況：①套損以變形、縮徑為主，兩者占套損總井?dāng)?shù)的83%；②套損發(fā)生在砂泥巖交界面占54%；發(fā)生在泥巖段占11%；發(fā)生在砂巖段占35%；③穿過斷層的套損點(diǎn)只占總數(shù)的20%，套損點(diǎn)與斷層的相關(guān)性不高。

綜上所述，套損以變形、縮徑為主，且集中發(fā)生在砂泥巖界面，表明注采開發(fā)過程，套管在砂泥巖界面受到異常的外部載荷影響。為揭示砂泥巖界面外部載荷影響，采用有限元方法模擬注水開發(fā)生產(chǎn)過程，分析注水過程套管周圍地層孔隙壓力、有效應(yīng)力和地層應(yīng)變特征。

2 注采開發(fā)地層流固耦合模擬分析

目標(biāo)油田采用反九點(diǎn)井網(wǎng)注水開發(fā)，注采井井身結(jié)構(gòu)：?244 mm×9.17 mm×350 m +?139.7 mm×9.17 mm×1 120 m，套管固井質(zhì)量合格。注水井與采油井的間距200 m，地層包含兩套泥巖、兩套砂巖、上覆巖層和下伏巖層6個(gè)巖性的小層，地層巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層巖石初始力學(xué)參數(shù)

注水開發(fā)過程地層流固耦合有限元分析方法如下［7-8］：①地層單元：采用4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變孔壓單元CPE4P；②材料屬性：套管材料采用理想彈塑性模型，地層材料采用多孔介質(zhì)的Mohr-Coulomb塑性模型；③采用Forchheimer滲流定律描述流體滲流；④有限元的網(wǎng)格劃分在巖石骨架上，流體可以流過網(wǎng)格。

建立注采地層的有限元模型如圖1所示。中間為注水井，注水壓力為30 MPa；左側(cè)為采油井1號，井底壓力為10 MPa；右側(cè)為采油井2號，井底壓力為10 MPa，模擬注水開發(fā)1 000 d。

如圖2所示，注水后注水井周圍砂泥巖地層等效應(yīng)力縱向呈不均勻分布，砂巖地層有效應(yīng)力顯著小于泥巖有效應(yīng)力，有效應(yīng)力差達(dá)16 MPa。注水井附近地層位移分布如圖3所示，砂泥巖地層出現(xiàn)不協(xié)調(diào)變形，其中，不考慮地層沉降等因素，注水井到采油井之間地層產(chǎn)生水平位移達(dá)3 mm。

圖1 注采地層流固耦合有限元模型

圖2 地層有效應(yīng)力分布

圖3 地層水平位移分布

由注采過程中流固耦合分析可知，注采井網(wǎng)中不同區(qū)域砂巖、泥巖、地層有效應(yīng)力分布具有明顯的差異。砂巖層滲透性好，注采過程孔隙壓力升高，有效應(yīng)力降低，泥巖地層滲透性相對較差，有效應(yīng)力降低幅度明顯小于砂巖，在砂巖與泥巖界面存在應(yīng)力差；泥巖地層水化發(fā)生塑性流變導(dǎo)致套管載荷非均勻性增大，同時(shí)砂巖和泥巖地層不協(xié)調(diào)形變導(dǎo)致砂巖泥巖界面產(chǎn)生破裂或滑移。在非均勻應(yīng)力差及不協(xié)調(diào)形變耦合作用下誘發(fā)砂泥巖界面處套管擠壓變形或剪切破壞。

3 注采井套管抗外擠強(qiáng)度校核方法

3. 1 注采井網(wǎng)套管外擠載荷計(jì)算模型

根據(jù)以上分析可知，套管損壞以抗外擠失效為主。受泥巖水化影響，泥巖發(fā)生塑性流變，套管外載荷大小及非均質(zhì)性發(fā)生復(fù)雜變化。

對于均質(zhì)地層，泥巖水化塑變之前，作用于套管的載荷包括套管外地層壓力、地層注水附加載荷、套管內(nèi)液柱壓力，有效外壓可表示為：

式中：pe—作用于套管的有效外壓，kPa；ρe—為套管外液體當(dāng)量密度，kg/m3；Φ—掏空系數(shù)；ρi—套管內(nèi)液體當(dāng)量密度，kg/m3；Δp—地層注水附加載荷，kPa。

注采過程，泥巖吸水水化發(fā)生塑性流變，作用于套管的載荷包括地層蠕變附加載荷、地層注水附加載荷、套管內(nèi)液柱壓力，有效外壓可表示為：

式中：μ—塑性泥巖泊松比；G—上覆巖層壓力梯度，kPa/m。

實(shí)際地層存在非均勻地應(yīng)力，套管周圍徑向應(yīng)力呈非均勻分布［9-10］。泥巖地層吸水蠕變，套管外載荷非均勻性進(jìn)一步增強(qiáng)，在最大地應(yīng)力方向，外擠載荷增加，在最小地應(yīng)力方向，外擠載荷減小，外擠載荷呈橢圓形分布［11］。作用于套管的非均勻載荷可以近似用余弦函數(shù)表示：

為描述套管外壁上的徑向載荷的非均勻程度，定義外載荷的非均勻系數(shù)為：

式中：p（θ）—作用于套管的非均勻載荷，MPa；p1、p2—最大、最小地應(yīng)力方向套管蠕變載荷，MPa；θ—與最大地應(yīng)力方向得夾角；σH、σh—最大、最小水平地應(yīng)力，MPa；k1、k2—與泥巖性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，可通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定；k—外載荷的非均勻系數(shù)。

3. 2 基于非均勻載荷的套管強(qiáng)度校核方法

（1）利用井徑測井、套損測井資料，解釋分析井壁失穩(wěn)形態(tài)、套管損壞形態(tài)，判斷地層最大和最小地應(yīng)力方向。結(jié)合巖石力學(xué)測定，確定載荷非均勻系數(shù)。

（2）基于彈塑性力學(xué)厚壁筒理論計(jì)算內(nèi)外壓引起的應(yīng)力，得到套管總等效應(yīng)力。

（3）根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則，為保證套管安全，套管總等效應(yīng)力應(yīng)小于套管屈服強(qiáng)度。

（4）根據(jù)套管等效破壞載荷與載荷非均勻系數(shù)的關(guān)系，確定套管等效破壞載荷。采用安全系數(shù)法對套管進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3. 3 目標(biāo)區(qū)塊套管抗外擠強(qiáng)度校核

目標(biāo)區(qū)塊典型失效井套損位置970 m，套管型號P110，外徑139.7 mm，壁厚9.17 mm，注水壓力30 MPa，注入水密度1 050 kg/m3，地層孔隙壓力系數(shù)1.2，根據(jù)巖石力學(xué)測定，目標(biāo)區(qū)塊k1取1.1，k2取0.9。

不考慮載荷的非均勻性，分為泥巖、泥巖水化兩種工況，分別根據(jù)式（1）、式（2）對套管抗外擠強(qiáng)度校核，校核結(jié)果如表2所示。

在實(shí)際注采過程，泥巖地層水化塑變，套管外載荷的非均勻系數(shù)增大。套管等效破壞載荷隨載荷非均勻系數(shù)的增大而降低［12-15］，P110套管等效破壞載荷隨載荷非均勻系數(shù)關(guān)系如圖4所示。

表2 均勻載荷作用下套管抗外擠安全系數(shù)校核

圖4 套管等效破壞載荷與載荷非均勻系數(shù)的關(guān)系圖版

考慮載荷的非均勻性對套管抗外擠強(qiáng)度的影響，按照注采過程泥巖水化塑變工況對套管抗外擠強(qiáng)度校核，校核結(jié)果如圖5所示。

圖5 非均勻載荷套管抗外擠校核結(jié)果

根據(jù)以上分析，考慮泥巖水化地層非均勻載荷的影響，當(dāng)套管載荷非均勻系數(shù)小于0.9時(shí)，套管等效抗外擠安全系數(shù)小于1，已不能滿足抗外擠要求。

4 結(jié)論與認(rèn)識

（1）注水開發(fā)過程，砂泥巖地層受孔滲差異影響，砂巖與泥巖界面產(chǎn)生有效應(yīng)力差，同時(shí)泥巖地層水化塑變導(dǎo)致套管載荷非均勻性增大，砂泥巖交界面產(chǎn)生較大的位移變形。在非均勻應(yīng)力差及不協(xié)調(diào)形變耦合作用下誘發(fā)砂泥巖界面處套管擠壓變形或剪切破壞。

（2）套管載荷非均勻系數(shù)對套管抗外擠能力有顯著的影響，套管等效破壞載荷隨非均勻系數(shù)負(fù)相關(guān)。在實(shí)際注水開發(fā)過程，套管周圍地層的徑向應(yīng)力呈非均勻分布，泥巖地層水化蠕變，套管外載荷非均勻性進(jìn)一步增強(qiáng)。基于均勻載荷的套管抗外擠校核方法，不能有效滿足注采井全生命周期套管完整性要求。

（3）注采井網(wǎng)套管外擠載荷計(jì)算及設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)油田地層特性、注采工藝等考慮地層蠕變載荷、砂泥巖界面有效應(yīng)力差及載荷非均勻性對套管的影響，基于非均勻載荷的套管抗擠強(qiáng)度校核方法，更符合套管實(shí)際載荷工況，對于其他油田注采井或塑性地層套管設(shè)計(jì)與選型具有指導(dǎo)借鑒意義。