注水油田剪切套损机理研究与数值模拟
第 28卷第 3期
2009年 9月
武 汉 工 业 学 院 学 报
Journal of W uhan Polytechnic University
Vol128No13
Sep12009
收稿日期 : 2009204201.
作者简介 :黄小兰 (1980 - ) ,女 ,博士 , E2mail: hxl_huang0226@ sina. com.
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50874082).
文章编号 : 100924881 (2009) 0320094204
DO I: 10. 3969 / j. issn. 100924881. 2009. 03. 023
注水油田剪切套损机理研究与数值模拟
黄小兰 1 , 刘建军 1 , 杨春和 2
(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 : 油田注水开发过程中 ,一旦注入水进入泥页岩夹层或断层带 ,将诱发大面积岩石顺
层滑动 ,造成成片的套管变形或错断。渗流对油藏地应力场的影响在于一方面孔隙压力作为渗
透力作用于岩体 ,另一方面表现为泥页岩的水化作用。基于 Mohr2Coulomb准则和有效应力原
理分析断层交界面岩石滑动机理 ,得到界面滑动时孔隙压力极值的估算方法。建立空间三维计
算模型 ,并在泥岩夹层与砂岩储层中间加设一层接触单元 ,通过数值模拟得到注水压力对交界
面岩层滑动及套管 M ises应力的影响规律 ,为油田开采过程中防止剪切套损提供理论依据及
合理计算方法。
关键词 : 渗流 ;剪切套损 ;注水压力 ;数值模拟
中图分类号 : TE 357. 6 文献标识码 : A
M echan ism analysis and numerical simulation of
casingps shear fa ilure in water injection oilfield
HUAN G X iao2lan1 , L IU J ian2jun1 , YAN G Chun2he2
(1. Institute of Poromechanics, W uhan Polytechnic University, W uhan 430023, China;
2. W uhan Institute of Rock and SoilMechanics, Chinese Academy of Sciences, W uhan 430071, China)
Ab s tra c t: During the oil field waterflooding p rocess, bedding slip will happen if high p ressure injection water
cuts into the mudstone and shale interlayers, and regional casing impairmentwill be induced. The influence of
seepage field on the stress field includes two aspects: on one hand, pore p ressure is assumed as a body force
and app lied to the rock mass; on the other hand, the hydration of mudstone and shale is obvious, which will
decrease rock mechanical p roperties. Based on the Mohr2Coulomb theory and effective stress p rincip le, the
sliding mechanism of interface rock is analyzed, and also the maximum of pore p ressure can be given. The
three dimension model is built, and contact element is used to simulate the interface between mudstone
interlayer and sandstone reservoir. The numerical simulation results show that with the increase of pore
p ressure, the sliding disp lacement and the M ises stress of casing has increased. The numerical simulation
analysis p rovides theoretical basis and effective methods of water injection to reduce casing damage during the
oil p roduction p rocess.
Key wo rd s: seepage; casingps shear failure; water injection p ressure; numerical simulation
3期 黄小兰 , 刘建军 , 杨春和 : 注水油田剪切套损机理研究与数值模拟
油水井套损是国内外诸多油田长期存在的问
题 ,不仅给油田带来直接经济损失 ,还会影响正常生
产 [ 1 ] 。据统计 ,我国大庆、吉林、胜利等各大油田累
计套损总数已近 30000口。在国外 ,美国、俄罗斯等
各国也存在大量套损井 [ 224 ] 。随着油田生产规模的扩
大和开采程度的深入 ,套损井总数还在迅速增加 ,套
损给油田的正常生产带来的危害将会越来越大。
为了增加储层能量 ,提高油田产量 ,我国现在很
多油田都采用注水 ,甚至高压注水开采措施。油藏的
非均质性、地层倾角、岩层性质、断层活动、地震活
动、地壳运动、地层腐蚀等地质因素都是导致油水井
套管技术状况变差的客观条件 ,这些内在因素一经
高压注水等外部条件的诱发 ,区块间可能产生较大
压差 ,局部地区应力发生巨大变化 ,应力重新分布的
结果会使油水井套管产生应力集中 , 从而导致套
损 [ 526 ] 。
剪切套损就是由于高压注水诱发的地层岩石
沿着层面或者较深的倾斜断层面移动造成的套管成
片剪切变形或者错断。这类套损一旦发生 ,损失惨
重。在大庆油田南六区、南八区等均发生过成片套管
剪切损坏的现象。现场资料表明 ,大庆南八区中区面
积仅约 8. 3平方公里内发生的油水井套损多达 147
口 [ 7 ] 。
本文分析了注水开发油田套管剪切损坏的机
理 ,建立套管在倾斜地层中的概念模型 ,模拟不同注
水压力对套管剪切损坏的影响规律 ,为油田生产中
控制注水压力 ,防止套管剪切损坏提供理论依据。
1 渗流诱发剪切套损机理
由于剪切套损是上下岩层水平方向的相对滑动
所致 ,因此 ,研究套管剪切损坏机理的根本在于分析
岩层的滑动机制。
渗流对油藏地应力的影响表现为 2个方面 ,一
方面孔隙压力作为渗透力作用于岩体 ;同时 ,注入水
对岩体的软化作用也是重要的方面。岩层结构面的
力学性质和受力状态决定着岩层的稳定性。在储层
深部总是存在许多弱面 ,如泥页岩夹层或断层带附
近 ,由于其沉积时的矿物成分不同 ,水化作用明显 ,
而这些弱面也是注入流体容易进入的地方。在注水
过程中 ,注入流体进入岩层交界面或者断层中 ,容易
引起断层或交界面参数弱化 ,尤其是凝聚力 c和内
摩擦角 φ[8 ] ,图 1、图 2分别为吉林油田泥岩剪切力
和内摩擦角随含水率变化曲线 [9 ] 。可以看出泥岩浸
水对其物理力学性质影响十分明显。
图 1 泥岩浸水对粘结力的影响
图 2 泥岩浸水对内摩擦角的影响
根据莫尔 —库仑准则 ,当结构面所受到的剪切
力τ等于内在剪切力τf 时 ,岩层处于临界平衡状态;
当 τ >τf 时 ,发生失稳;当 τ <τf 时 ,则处于稳定状
态。假定岩体所受到的最大和最小应力分别为 σ1 、
σ3 ,则岩体所受到的法向应力和剪切应力分别为
σn =σ1 cos2β +σ3 sin2β;
τn =
σ1 - σ3
2 sin2β
. (1)
式中 :σn 为法向应力;τn 为剪切应力;β为结构面倾
角。
根据莫尔 —库仑准则 ,岩体临界平衡状态可写
为
τn = c +σn tan< . (2)
将式 (1) 代入式 (2) ,可得 :
σ1 cosβ( cosβtan< - sinβ) +
σ3 sinβ( cosβ + sinβtan<) + c = 0 . (3)
当流体进入岩体后 ,考虑孔隙压力作用 ,则有效
应力可写为
σ′1 =σ1 - p, σ′3 =σ3 - p . (4)
利用式 (3) 和式 (4) ,可以得到发生岩层滑动时
的最大孔隙压力为
pmax = [ (σ1 cosβ( cosβtan< - sinβ) ) +
σ3 sinβ( cosβ + sinβtan<) + C ] / tan< .
(5)
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武 汉 工 业 学 院 学 报 2009年
由于 c、<值随含水率变化 , 所以最大孔隙压力
pmax 与断层倾角和含水有关。在油田开发过程中 ,通
过地应力和渗流场数值模拟 , 可以得到压力场和应
力场分布 ,再依据预估的最大孔隙压力值调整开发
方案 ,减少套损的发生。
2 渗流诱发剪切套损数值模拟
层理发育的页岩层浸水后 ,由于进水阻力小 ,很
快形成浸水域 ,在区块压力差或地层倾角产生的地
势压差等作用下 ,岩层成片滑动 ,剪切套管 [10 ] 。
2. 1 计算模型
为分析地层倾角、注水压力对剪切套损影响 ,选
取空间三维计算模型如图 3所示 ,模型尺寸为 100 m
×100 m ×80 m,深度在地下 800 m。模型分 3层 ,地
层倾角为 2°,倾斜地层中间为泥岩夹层 ,厚度 10 m,
上层为砂岩储层。模型中心是一口注水井 ,井中心坐
标为坐标原点。套管为 J55型 ,直径 139. 7 mm,厚度
7. 72 mm, 屈服强度为 379. 3 MPa。水泥环厚度为
40 mm。
图 3 剪切套损计算模型
套管弹性模量 E = 2. 1 ×105 MPa,泊松比 υ =
0. 30,密度 ρ = 7 800 kg/m3 ; 水泥环弹性模量 E =
3. 0 ×104 MPa, 泊松比 υ = 0. 26, 密度 ρ = 2 800
kg/m3 ;各岩层力学参数如表 3所示。
表 各岩层力学参数
参数 E υ
ρ/
kg·m - 3
C /
MPa
φ/° n /
%
p/
md
砂岩层 2. 1 ×1010 0. 28 2 300 24. 1 20 28 50
夹层 8. 0 ×108 0. 24 2 300 8. 1 15 2 2
底层 2. 0 ×1010 0. 22 2 300 23. 5 20 2 2
模型底面 3个方向的位移约束 ,四周水平位移
约束 ,在砂岩层底部井被射开 5 m的高度 ,作为注水
边界。地层初始孔隙压力为 8 MPa。
为了模拟出注入水后 , 泥岩夹层与油砂岩层界
面的相对滑动情况 , 在泥岩夹层顶面与油砂岩层交
界面设置一层接触单元 , 接触单元只有长度而无厚
度 ,受到法向正应力和切向剪应力作用 [11212 ] 。
2. 2 注水压力对剪切套损影响
为分析注水压力对剪切套损的影响 , 给定泥岩
浸水域半径为 15 m, 保持其他参数不变 , 分析不同
注水压差下 ,地层变形和套管受力情况。
图 4为交界面上下岩层的相对位移方向。由图 4
可以看出 ,上下岩层的水平位移出现明显的不连续 ,
上层岩石位移向下 ,下层岩石位移向上 ,地层发生剪
切滑动。
图 4 界面相对滑动方向示意图
图 5、图 6分别是不同注水压力下 ,界面处上、下
岩层的水平位移变化对比曲线。
图 5 不同注水压力下泥岩层界面水平位移变化
图 6 不同注水压力下砂岩层界面水平位移变化
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3期 黄小兰 , 刘建军 , 杨春和 : 注水油田剪切套损机理研究与数值模拟
不同注水压力对上下岩层界面的滑移影响较
大 ,当注水压力为 14 MPa时 ,泥岩层界面处的滑动
位移达到了 23 mm。
图 7是泥岩层在不同软化程度时 , 计算得到的
套管壁 M ises等效应力结果。
图 7 不同注水压力下套管壁 M ises应力对比
从不同注水压力情况下 ,套管壁处的应力计算
结果得到 ,当注水压力为 12 MPa时套管的 M ises应
力达到 478. 8 MPa; 注水压力为 14 MPa时套管壁
M ises应力达到 574. 1 MPa, 所以在当前地质条件
下 ,当注水压力达到 12 MPa时套管壁上的的 M ises
应力就达到了套管的屈服强度。
3 结论
本文在分析注水油田渗流诱发注水油田地层滑
移引起套管剪切损坏机理的基础上 ,针对不同注水压
力条件 ,通过数值模拟得到了注水油田注水压力导致
地层滑移使套管剪切损坏的规律。
3. 1 注水开发油田 ,一旦注入水进入地层软弱带
和断层附近 ,由于水化作用 ,容易引起交界面处地层
滑移 ,发生成片套损。
3. 2 注水压力是诱发剪切套损的重要原因。相同条
件下 ,套管 M ises应力随着注水压力的增加而增加。
3. 3 通过数值模拟试验 ,可以很好的得到剪切套
损随不同影响因素的变化规律 ,给油田生产提供了
预防套损的理论依据和方法。
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