不同驅替液水化膨脹泥巖層對套管載荷的影響

林鐵軍 周俊澤 練章華 易勇剛 于浩 王盛坤

1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室·西南石油大學 ；2.中國石油新疆油田工程技術研究院

在油氣田開發過程中，當鉆遇泥巖或含泥質地層時，注入液與巖石中的黏土礦物接觸，從而會發生嚴重的水化作用，這對儲層保護及套管的長期服役等都會造成不利影響。

為了研究泥巖水化機理和有效延長套管的服役周期，國內外的眾多專家學者在巖石的水化方面已經做了大量研究，并累積了豐富的經驗。劉向君、羅平亞［1］綜合巖石力學和地層與鉆井液間物理化學作用兩方面影響，提出了水敏泥巖地層的井壁圍巖應力分布模型。路保平等［2］通過實驗研究了泥巖泊松比、內摩擦角以及單軸抗壓強度等隨巖石含水量的變化規律。張保平等［3］通過實驗發現泥巖遇水后的膨脹壓力具有初始較短時間內增加較快、之后逐漸趨于平緩的規律。R.C.K.Wong［4］基于巖石水化實驗，提出了巖石水化膨脹物理性質隨時間變化的數學模型。艾池［5］進一步提出了套管當量強度設計方法，并編寫了相應的軟件。隨著研究的不斷深入，陳天愚等［6］研究發現套管變形會隨著地層傾角、浸水壓力、浸水域大小以及泥巖水化程度的增大而增大。譚英杰［7］運用彈塑性理論對泥巖的膨脹機理進行分析解釋。張廣清、陳勉等［8］通過理論分析和數值計算得到了膨脹地層中套管受載分布規律，并提出了確定套管損壞臨界注水時間的數學模型。在人們對宏觀領域探索的同時，泥巖水化的微觀理論也在不斷的發展中，在2007 年，黃宏偉等［9］利用掃描電鏡和X 射線衍射儀等對泥巖的微觀結構與物質組成進行了分析，并對泥巖軟化崩解機理進行了解釋。劉厚彬等［10］基于擴散雙電層理論和范德華理論，將水化作用對泥頁巖強度的影響進行了模擬分析。ZHANG Hui 等［11］研究認為是水化應力的發展導致了軟泥巖的破壞。胡瓊等［12］通過建立套管-水泥環-泥巖圍巖蠕變力學模型，計算和分析了井壁泥巖蠕變載荷分布和變化規律。隨著數值模擬技術的發展，使人們對泥巖水化的認識更加深入。李海旭［13］借助于實驗和電鏡獲得巖石參數，并運用COMSOL 軟件對水溶液在泥巖基質裂縫中的流動進行了模擬，認為近井地帶泥巖中的微裂縫對溶液浸入距離起著主導作用。近年來，徐力群等［14］研究了泥巖水化膨脹應力和巖石力學參數之間的關系，LI Guichen 等［15］采用MS軟件建立了蒙脫石雙單元結構并對蒙脫石的水化過程進行了仿真研究。龔明等［16］對泥巖吸水膨脹對套管的影響進行了研究并給出了減少套管失效的有效預防措施。隨著生產實踐的需要，人們對泥巖水化及其對套管受力的研究仍在不斷進行中。

新疆油田某區為了提高油田采收率，普遍采用注水方式來進行開發。但在油田注水后，套管的損壞問題逐漸增多。為降低泥巖水化和改善套管服役環境，現場將純水替換為化學液進行驅替。針對新疆油田某區注水套管失效問題，對該區塊巖樣進行水化實驗及其力學實驗，并結合數值模擬，對套管軸向應力分布重點研究，研究結果可為油氣田注水開發下套管的長期服役提供一定的理論支撐。

1 泥巖水化膨脹實驗研究

取現場取心巖樣若干，并將其切割成25.25 mm×50 mm 的標準巖樣，另準備純水及取自現場質量濃度為300 mg/L 的聚丙烯酰胺化學液足量，對該區塊巖樣的水化特性進行室內實驗。

1.1 巖石組分測試

從標準巖樣中選出4 塊巖樣進行XRD 全巖組分和黏土礦物含量測試。測得該地層黏土礦物含量超過50%，以高嶺石、伊利石為主，并含有一定的伊/蒙混層，巖石的黏土礦物含量見表1。因此，該巖石層具有水化性強、吸水后易膨脹、易分散的特點，是典型的泥巖礦物。

表1 巖石黏土礦物含量Table 1 Mineral content of rock clay

1.2 巖石浸泡實驗觀察

選取多塊切后的巖石余料，并將其分別浸泡在純凈水和化學液中，觀察巖石的吸水分散過程。將巖塊浸泡在純水中后，很快在巖石層理處產生了大量氣泡，并不斷冒出水面，說明了在巖塊內部存在著大量孔隙或裂縫空間。隨著浸泡時間的延長，液體變得越來越渾濁，且在巖樣層理面處出現了裂縫并持續不斷增大，25 min 后巖塊裂為2 個部分，3 h 后巖塊完全溶于水中，如圖1a 所示。將巖塊浸泡在化學液中后，開始時也有氣泡從層理間冒出，但速度十分緩慢，在化學液中浸泡5 h 后，巖塊同樣沿層理面發生了斷裂，如圖1b 所示。所以聚丙烯酰胺聚合物的加入使液體浸入到巖石孔隙或裂紋間的速度更慢，可以在一定程度上減緩泥巖的水化作用。

圖1 泥巖巖樣浸泡純水與浸泡化學液前后對比Fig.1 Comparison of mudstone samples before and after being immersed in pure water and chemical solution

由此可見，泥巖的層理結構是引起巖石破壞的危險位置，與純水相比，聚合物化學液能夠減緩泥巖的水化進程。

1.3 巖石水化膨脹應變實驗

取一塊標準巖樣，將其放入到盛滿化學液的泥巖水化膨脹應變測試儀中，進行水化膨脹測試，并記錄巖樣的軸向應變，24 h 后更換巖樣，依次完成純水和化學液環境下各4 塊巖樣的膨脹實驗測試。對比實驗前后的巖樣發現，巖樣層理面處的水化程度較其他地方更為嚴重，說明在實驗過程中，有大量液體是沿著巖石層理浸入到了泥巖內部，因此，層理的存在會加劇泥巖的水化，加快巖石的破壞進程。相比較而言，化學液浸泡過的巖樣較純水浸泡過的巖樣質地更硬，水化情況也更弱。

根據實驗測得的數據作了如圖2 所示的巖石軸向膨脹位移隨時間變化的曲線圖，泥巖在純水浸泡10 h 后變形基本穩定，而此時巖樣的軸向膨脹位移約為0.5～0.6 mm，應變約為1%～1.2%。相對而言，泥巖在化學液中的軸向膨脹位移增加更為平緩，約在10～15 h 后膨脹變形基本穩定，軸向位移為0.2～0.3 mm，應變約為0.4%～0.6%。由此可見，化學液對泥巖的水化膨脹作用弱于純水。

圖2 泥巖水化膨脹軸向位移時間曲線Fig.2 Axial displacement time of mudstone’s hydration swelling

1.4 巖石水化前后力學參數測試

另取8 塊標準巖樣并將其分成兩組，完成干巖樣單軸抗壓實驗和三軸抗壓實驗，依據取樣井深，設定三軸實驗的圍壓為10 MPa，得到的應力應變曲線如圖3 所示。從圖3 中可以看出，泥巖的單軸抗壓強度約為16.2 MPa，三軸抗壓強度約50.4 MPa，在圖3b 中，各巖樣三軸應力應變曲線均呈現為開始時的直線上升和到達峰值后迅速下降的特點，可見泥巖巖樣的內部孔隙和內部微裂縫較少［17］。

利用與干巖樣三軸壓縮實驗同樣的方法，對純水和化學液浸泡后的巖樣三軸強度進行實驗測試。測得浸泡純水后的巖樣三軸抗壓強度為2～3.5 MPa，為干巖樣強度的1/20～1/15。而經化學液浸泡后的泥巖三軸抗壓強度為18～22 MPa，為干巖樣強度的1/3～1/2，見圖4。純凈水和化學液對巖石強度都有不同程度的降低作用，但化學液浸泡后巖樣的抗壓強度遠大于純水浸泡后巖樣。

圖3 泥巖干巖樣應力應變曲線Fig.3 Stress and strain of dry mudstone sample

圖4 浸泡后的泥巖應力應變曲線Fig.4 Stress and strain of immersed mudstone

2 泥巖地層段套管變形研究

2.1 建立地層套管耦合模型

根據以上泥巖水化后的力學參數，建立了50 m×50 m×40 m 的大尺寸地層模型，受注入驅替液的影響，靠近套管的地層巖石將會產生水化，新疆某區現場?139.7 mm N80 套管受泥巖水化影響尤為嚴重，在地層模型的中心處，建立?139.7 mm×9.17 mm N80 套管，設定與地層夾角α為15°，如圖5 所示。從而建立地層與套管的幾何模型。

以地層中心點為重心，并以z向兩側10 m 距離為高，在5 m 為半徑的圓柱區域內為完全水化區域，泥巖參數根據工況取注水水化參數或注化學液水化參數。在半徑大于15 m 的區域以外認為不產生水化，該區域內的巖石未受到驅替液的影響，巖石力學參數取未水化的參數。半徑在5～15 m 之間的區域，泥巖的水化程度設定為由內向外線性減弱，表現為地層參數逐漸由完全水化參數過渡為未水化參數。根據第1 節實驗獲得的結果，不同工況下泥巖力學參數見表2。將所建立的模型進行網格劃分［18］，考慮到計算量以及計算精度，選用六面體網格對模型進行劃分，并在接近套管的地層進行一定的網格加密，見圖6a。地層模型的四周由于離套管較遠，受到的水化影響較小，位移基本為0，因此在模型四周進行了固定約束，見圖6b。

圖5 泥巖水化膨脹對套管外擠作用有限元模型Fig.5 Finite element model for simulating the action of mudstone’s hydration swelling on casing collapse

表2 泥巖不同工況下的力學參數Table 2 Mechanical parameters of mudstone under different working conditions

圖6 三維模型的網格劃分及約束Fig.6 Grid division and constraint of 3D model

假設模型三向地應力方向與地層走向一致，各個地應力分別為：σv=16 MPa、σH=21 MPa、σh=18 MPa。地層中心區域水化后，泥巖會產生體積膨脹、巖石強度降低、泊松比增加等變化，使得該區域地層巖石的應力、應變也會隨之發生改變。為清晰獲得水化后巖石對套管的作用，又由于模型的對稱性，僅取套管的一側，以45°角為單位在其兩端內外壁上標定a、b、c、d、e 等各5 個點，對應點連線后形成內壁a-a、外壁a-a 等內外各5 條路徑，如圖7 所示。分析泥巖在未注液體、注純水和注化學液水化后，對套管不同路徑處力學性質的影響。

圖7 套管內外壁上路徑示意圖Fig.7 Skematic pathway on internal and external casing walls

2.2 未水化工況下套管載荷分析

在井下，外擠壓力是研究套管可服役周期的一個重要因素，在材料選定的情況下，較大的外擠壓力無疑會對套管的服役造成更大的威脅。受外載荷作用，套管內部應力會發生一定的變化，通過應力分布可以直觀反映出套管失效的的危險部位。就套管外擠壓力和應力，分析未水化，純水水化和化學液水化等3 種不同工況對套管力學性質的影響。

在未水化工況下，泥巖層為均勻地層材料，套管受到來自地層的外擠壓力為17～18.5 MPa，見圖8a。由于套管處在非均勻地應力的作用下，不同相位角的套管應力存在著明顯差異，其中最小應力約為80 MPa，而最大應力約為160 MPa，是最小應力的兩倍，見圖8b，可見即便是在地層泥巖未水化情況下，套管應力受地層三向地應力的影響已十分嚴重。但是在該工況下，由于套管應力遠低于N80 材料的屈服強度551 MPa，因此套管處于良好狀態。

2.3 注純水工況下套管載荷分析

泥巖地層注水水化后，受膨脹擠壓和三向地應力作用，在套管軸向方向上，位于交界面附近的套管外擠壓力發生了突增，到水化中心區域外擠壓力達到最大，最大處約為38.5 MPa，比未水化工況的套管外載增加了一倍多，如圖9a 所示。這是由于泥巖層中心水化嚴重，地層中心套管受到的來自地層和泥巖水化膨脹雙重擠壓力，因此套管中心部位外擠壓力更大。可見在注入純水后，泥巖的水化膨脹會大幅度增加套管的外擠壓力，對井下套管的長期服役造成了嚴重的不利影響。

圖8 未水化時套管不同相位角外擠壓力和應力分布圖Fig.8 Distribution of external pressure and stress at different phase angles of the casing before hydration

圖9 注水工況下套管不同相位角外擠壓力和應力分布圖Fig.9 Distribution of external pressure and stress at different phase angles of the casing in the working condition of water injection

另外，泥巖水化對套管的應力影響也十分顯著，此時整個應力曲線大致呈馬鞍形，具體體現在水化中心區域套管應力較低，而在交界面處的套管應力達到最大，最大應力約為320 MPa，如圖9b 所示，較未水化工況的套管應力增大了一倍。但由于外擠壓力以及套管應力在沿軸向上的分布差異增加，套管受力發生了突變，所以在交界面處套管出現了嚴重的應力集中，盡管此時仍未超過套管551 MPa 的屈服強度極值，但已大大增加了套管的損壞風險。這是新疆油田某區?139.7 mm 套管出現大規模失效的一個重要原因。

2.4 注聚合物化學液工況下套管載荷分析

當泥巖地層注入化學液后，位于水化區域地層的套管應力和外擠壓力同樣發生突增，如圖10 所示。其中最大外擠壓力約為26 MPa，最大應力約為240 MPa，兩者的位置基本在水化的中心區域處，相比未水化工況，套管外擠壓力增大了45%，最大應力增大了50%。但由于聚丙烯酰胺化學劑的加入，對驅替液在泥巖中的水化起到了一定的抑制作用，與注水水化工況相比，注化學液的套管外擠壓力是注純水套管外擠壓力的68%，套管應力是注純水套管應力的50%。因此，與注純水相比，注聚合物化學液可以有效減弱泥巖的水化膨脹作用，從而減小套管的外部受力，能夠較純水驅替更有利于提高套管的服役周期和油田的開發效益。

圖10 注化學液工況下套管不同相位角外擠壓力和應力分布Fig.10 Distribution of external pressure and stress at different phase angles of the casing in the working condition of chemical solution injection

根據以上計算和分析，井下注入驅替液后，受水化膨脹作用，井下泥巖對套管的外擠作用和套管應力都會產生嚴重影響。但就注純水和注聚合物類化學液而言，注純水會引起泥巖快速水化，而注入聚合物類化學驅替液可以減緩泥巖的水化進程，進而減小套管受到的外擠載荷和對套管應力的影響，有利于提高套管的長期服役。

3 結論

(1)泥巖易吸水，并且水化后會發生嚴重的膨脹變形，但與注純水相比，注聚合物后的泥巖膨脹形變更小，巖石強度降低幅度也更小。

(2)泥巖中注入液體會嚴重破壞巖石強度。本文的實驗中，注聚合物類化學液后的泥巖強度降低為原干泥巖強度的1/3～1/2，而注純水后泥巖強度降低為原干泥巖強度的1/20～1/15。因此驅替液中聚合物的加入可以降低對泥巖強度的破壞作用。

(3)泥巖水化膨脹會增加井下套管的外擠載荷和套管的應力，但與注純水相比，注入聚合物化學液對套管作用載荷和套管應力的影響較小，因此，地層中注入聚合物類化學驅替液可以比注純水能更好地保護套管，對延長套管使用壽命更有利。