二氧化碳多輪次吞吐溫壓效應及反復應力損傷理論指導減少套管損傷數量

關鍵詞/主題詞：二氧化碳吞吐；油氣資源；非常規油氣；井筒完整性；工程技術；室內測試；巖石強度

0引言

二氧化碳多輪次吞吐技術，作為一種提高石油采收率的重要手段，已在全球多個油田得到了廣泛應用［1］。通過周期性的注入和抽取超臨界二氧化碳來增加油氣藏中的壓力，促進原油的流動性，提高油藏的采收率［2］。然而，在二氧化碳吞吐過程中，套管的安全性和可靠性是技術實施的關鍵［3］。套管損傷不僅影響油氣采出，可能導致井筒不穩定、增加修井成本，并帶來安全隱患［4］。因此，研究套管損傷機理及防治措施，對延長套管使用壽命和確保油氣井安全生產至關重要［5］。

在二氧化碳吞吐過程中，套管面臨高溫、高壓和交變應力的反復作用，導致疲勞損傷和腐蝕加劇，最終可能引發失效［6］。盡管已有研究關注腐蝕和溫壓變化，針對多輪次吞吐中套管損傷機理的系統性研究仍不足，因此，如何有效減緩或防止套管損傷，成為亟待解決的問題［7］。

諸多學者針對二氧化碳吞吐技術在不同類型油藏中的應用進行了總結和分析［8］。張虔等提出通過二氧化碳吞吐技術，提高低滲透復雜油氣藏的采收率，解決常規方法效果不佳的問題［9］。王小龍等通過二氧化碳吞吐先導試驗分析影響因素，明確了超低滲致密稠油油藏選井原則以提高采收率［10］。廖松林等結合H區超低滲透儲層特征，采用室內試驗與數值模擬研究了水平井注二氧化碳多周期吞吐機理及原油性質變化規律［11］。石磊針對二氧化碳注入提高采收率中瀝青質沉積問題，采用二氧化碳吞吐與核磁共振試驗，研究了其對致密砂巖油藏儲層的傷害特征［12］。熊建華等針對深層低滲透砂礫巖油藏產能遞減問題，開展二氧化碳吞吐試驗，分析了生產壓力、燜井時間、吞吐周期及巖心滲透率對采收率的影響［13］。賈瑞軒等通過二氧化碳吞吐和驅替試驗，結合核磁共振，研究了注入壓力和吞吐輪次對致密油藏可動用性的影響［14］。

姚紅生等通過超臨界二氧化碳水巖反應試驗，分析礦物溶蝕對孔隙度和滲透率的影響，優化注入參數，并通過礦場試驗驗證了可行性［15］。王英偉等基于新疆瑪湖砂礫巖致密油藏，研究了含水飽和度對二氧化碳吞吐采油效果的影響，發現隨著含水飽和度增加，二氧化碳與原油的作用效果減弱［16］。張偉等通過多重介質模型與局部網格加密，提升了二氧化碳吞吐開發的模擬精度與效率，成功預測了生產效果［17］。曹長霄等研究表明，二氧化碳吞吐在吉木薩爾頁巖油中能有效提高采收率，且無裂縫竄擾時效果更佳［18］。湯翔等通過不同注采參數和燜井時間的二氧化碳吞吐試驗，分析了其動態特征及影響因素對采收率的貢獻［19］。

在二氧化碳吞吐技術相關機理及影響因素方面，眾多學者也開展了研究。陳熙嘉等綜述了致密油藏注二氧化碳吞吐的國內外研究現狀，總結了吞吐機理并分析了影響因素，為相關研究提供了理論依據與方向［20］。陳世杰等通過注氣相態及長巖心驅替試驗，研究了二氧化碳復合驅油防竄提采效果，解決了高凝油藏氣竄問題［21］。劉客等研究了裂縫作用下混相壓力、基質長度和滲透率對二氧化碳吞吐效果的影響，提出了提高基質頁巖油動用程度的吞吐方法［22］。吳俊峰等通過PVT和巖心混相吞吐試驗，研究了二氧化碳混相壓裂提高采收率的機理，并通過礦場試驗驗證了技術有效性［23］。

周翔等提出超臨界二氧化碳驅替開發思路，研究其提高采收率的機理，并優化注氣速率和轉注時機等關鍵參數［24］。張義祥等研究了超臨界二氧化碳壓裂特點及其對黏度和相變能量的影響，比較常規水力壓裂，闡明了其技術優勢［25］。袁鐘濤等構建滲流模型，研究二氧化碳、氮氣和水在裂縫中的滲流差異，揭示二氧化碳在擴散、降黏等方面的優勢［26］。王子強等通過核磁試驗優化參數，研究吉木薩爾頁巖油在二氧化碳吞吐下的可動性規律，定量獲得孔隙半徑分布［27］。陳江等通過巖心二氧化碳吞吐與吸附試驗，定量評價了注入壓力、相態、溫度、燜井時間等對吞吐與埋存效果的影響［28］。趙海軍等通過微觀兩相流模型，研究了不同條件下二氧化碳驅替過程中的流體動力學行為、界面特征及其對驅替效率的影響［29］。

而二氧化碳吞吐技術的方案優化及效果評價方面，曲良超等通過數值模擬優化二氧化碳吞吐注采參數，提出補充地層能量和控抑底水為提高吞吐效果的關鍵機制［30］。馮海順等建立了基于吞吐補償系統的二氧化碳復合吞吐物理模擬方法，研究了增溶劑注入量、二氧化碳注入量和注入方式對吞吐效果的影響［31］。宋保建等通過壓裂裂縫變導流試驗確定滲透率-應力敏感性關系，應用數值模擬確定致密油藏二氧化碳吞吐的最優參數［32］。蔣晨等通過油藏數值模擬建立二氧化碳吞吐理論模型，分析了注入壓力、燜井時間和吞吐輪次對波及范圍的影響［33］。姚同玉等通過數值模擬研究了注入時機和壓力對扶余致密油藏二氧化碳吞吐采油效果的影響［34］。衛詩豪等建立了雙孔介質氣藏機理模型，并通過正交試驗分析了滲透率、孔隙度等因素對頁巖氣藏采收率的影響［35］。

盡管諸多學者圍繞二氧化碳吞吐技術在低滲透、致密及復雜油氣藏中的儲層改造和采收率提升方面展開了深入研究，但針對其對井筒和套管穩定性、腐蝕損傷演化規律的研究仍不足［36］。多輪二氧化碳吞吐過程中，套管腐蝕與損傷不僅威脅井筒完整性，還可能導致生產中斷、成本上升和安全隱患［37］。因此，開展套管損傷機理研究，揭示工藝參數對損傷的影響，填補研究空白，優化施工工藝，推動二氧化碳吞吐技術在復雜儲層中的高效、安全應用至關重要［38］。

針對上述不足，研究結合多因素耦合的數值模擬方法，進一步優化ANSYS模型，考慮更多復雜的地層條件和實際工況，尤其是二氧化碳注入過程中的溫度、壓力波動及地應力等因素的綜合作用，并基于試驗研究結果設計更符合實際工況的巖石力學試驗，結合現場數據，對現有防治措施進行驗證，并提出更加有效的套管保護技術，確保套管在二氧化碳多輪次吞吐過程中的長期穩定性。

1方法過程

1.1成果研究過程

研究通過巖石力學試驗探討超臨界二氧化碳對儲層巖石特性和套管損傷機理的影響，為套管損傷防治提供理論依據［39］。二氧化碳注入技術作為提高采收率的重要手段，已在全球范圍內得到了廣泛應用；然而，隨著二氧化碳吞吐輪次的增加，套管的損傷問題逐漸顯現，成為影響油氣井生產效率和安全性的關鍵因素，超臨界二氧化碳在高溫高壓環境下對巖石的侵蝕作用是套管損傷的重要成因之一［40］。因此，研究通過巖石力學試驗，模擬二氧化碳長期作用下的巖石力學行為，進一步揭示二氧化碳在多輪吞吐過程中的影響機理。

1）試驗設計。試驗設計考慮了不同溫度、壓力和浸泡時間條件下超臨界二氧化碳對巖石力學特性的影響。為模擬二氧化碳注入過程中的真實環境，試驗選用了疏松砂巖作為研究對象，砂巖樣本的孔隙度為28%、滲透率為2350mD、抗壓強度為12MPa，與冀東油田現場實際巖樣物性參數相匹配。選取冀東油田疏松砂巖進行試驗，巖樣的直徑為25mm，長度為50mm。在試驗前，巖樣經過表面研磨處理，確保表面平整度和垂直度誤差不超過0.02mm。巖樣的孔隙度和滲透率等基本力學性質經過詳細測量，以保證試驗數據的準確性。試驗主要包括兩種類型：單軸壓縮試驗和三軸壓縮試驗。

試驗設置三種工況。未浸泡作為對照組，為工況一；在溫度90℃、壓力10MPa下浸泡5d和15d，為工況二；在相同溫度和壓力下浸泡30d和60d，為工況三。每組工況中，選取2個巖樣分別進行單軸和三軸壓縮試驗，分別測試巖樣的抗壓強度、彈性模量和破壞模式，共12個巖樣。為了更接近實際儲層環境，試驗設置了溫度為90℃、壓力為10MPa的條件，模擬二氧化碳注入過程中的高溫高壓環境。

為了確保巖樣在試驗過程中能夠保持穩定，試驗首先對巖樣進行表面研磨，使其平整度和垂直度誤差控制在0.02mm以內。之后，巖樣的孔隙度、滲透率等基本力學參數經過測量，確保試驗所用巖樣符合研究要求。所有巖樣在試驗前均浸泡在超臨界二氧化碳中，以模擬二氧化碳在儲層中的長期作用。試驗通過高溫高壓反應釜將巖樣浸泡在不同條件下，分別設置5d、15d、30d、60d的浸泡時間，以研究二氧化碳對巖石的侵蝕作用和力學特性變化。在試驗過程中，反應釜的溫度和壓力被嚴格控制，以確保巖樣在高溫高壓條件下與超臨界二氧化碳的相互作用符合實際油氣田中的二氧化碳注入環境。巖樣浸泡過程中，二氧化碳會滲透進巖石孔隙，改變其微觀結構，進而影響巖石的力學特性。

單軸壓縮試驗用于測定巖樣的抗壓強度，并觀察巖石在二氧化碳長期作用下的破壞模式。試驗中，通過施加逐漸增大的軸向載荷，直到巖樣發生破壞。試驗過程中記錄巖樣的軸向應力和應變數據，計算巖樣的抗壓強度、彈性模量等力學參數。在試驗過程中，所有數據均實時采集，通過應變計測量巖樣的軸向應變，同時通過載荷傳感器記錄施加的軸向應力。在巖樣破壞的過程中，試驗系統還會記錄巖樣破裂的應力-應變曲線，以及巖石的破壞模式。

三軸壓縮試驗模擬了儲層中的圍壓條件，在圍壓為30MPa的環境下進行。在三軸壓縮試驗中，巖樣不僅承受軸向載荷，還承受一定的圍壓，以更接近實際儲層的壓力環境。該試驗通過多軸加載，研究巖樣在二氧化碳作用下的力學響應，尤其是在圍壓條件下的強度變化。試驗過程中，三軸試驗設備能夠實時監測巖樣的應力-應變關系，并通過電控系統自動記錄試驗數據。巖樣在三軸壓縮過程中會經歷彈性變形、塑性變形，最終發生破裂。試驗結果提供了巖樣在多軸加載下的強度參數和破壞模式，進一步揭示了二氧化碳作用下巖石強度的變化規律。

2）結果分析。試驗過程中的數據通過傳感器實時采集，并存儲在計算機系統中。數據包括巖樣的軸向應力、應變、圍壓應力、聲發射信號等。所有數據經過預處理后，進行進一步分析，得到巖樣的力學參數、應力-應變曲線以及巖樣破壞的應力狀態。

通過應力-應變曲線的分析，獲得了巖石的抗壓強度、彈性模量、破壞模式等關鍵力學參數，并進一步揭示了二氧化碳在高溫高壓條件下對巖石的長期作用，如圖1所示。

從圖1（a）中可以看出，浸泡5d巖樣的單軸強度降至10.8MPa，下降幅度為13.6%；浸泡15d巖樣的單軸強度降至10.2MPa，下降幅度為18.5%；浸泡30d巖樣的單軸強度降至9MPa，下降幅度為28%；浸泡60d巖樣的單軸強度降至8.2MPa，下降幅度為34.4%。單軸試驗結果表明，二氧化碳作用時間越長，巖樣的強度下降越顯著，且破壞模式由軸向劈裂逐漸轉變為剪切破壞。

通過擬合數據，獲得了巖樣的應力-應變關系，并進一步分析了巖石在二氧化碳作用下的應力變化。從圖1（b）中可以看出，未浸泡時，三軸強度為138MPa，浸泡5d巖樣的三軸強度降至130MPa，下降幅度為5.8%；浸泡15d巖樣的三軸強度降至118MPa，下降幅度為14.5%；浸泡30d巖樣的三軸強度降至116MPa，下降幅度為15.9%；浸泡60d巖樣的三軸強度降至106MPa，下降幅度為23.2%。三軸壓縮試驗結果進一步驗證了二氧化碳對巖石力學特性的影響；在圍壓為30MPa的條件下，巖樣的峰值強度隨著浸泡時間的增加而逐漸減小。三軸試驗結果表明，巖樣的強度下降主要發生在初期，浸泡時間較長的巖樣表現出顯著的強度降低。

3）損傷機理啟示。試驗表明，超臨界二氧化碳對巖石不僅影響力學性能，還顯著改變其微觀結構。

SEM觀察顯示，浸泡5d時巖石孔隙輕微增大，微裂縫較少；浸泡15d，孔隙粗糙，微裂縫增多；浸泡30d時，孔隙度增大，微裂縫網絡形成；浸泡60d時，孔隙結構嚴重破壞，微裂縫貫穿巖樣。這些變化與力學試驗結果一致，表明二氧化碳長期作用可能通過微觀結構變化影響巖石破壞機制。

研究的試驗結果表明，二氧化碳在儲層巖石中的長期作用會顯著影響巖石的力學性質，尤其是強度和破壞模式的變化。套管作為井筒的重要組成部分，受到地應力和儲層溫度的雙重作用，其穩定性直接影響到油氣井的安全性和生產效率。根據試驗結果，二氧化碳在多輪次吞吐過程中可能通過影響巖石的宏觀結構、改變巖石微觀結構以及產生應力集中效應等3種方式導致套管損傷。

（1）隨著二氧化碳注入次數增加，巖石強度下降，破壞模式由軸向劈裂轉為剪切破壞，孔隙度增大、微裂縫擴展，導致套管承壓能力下降，易發生變形或破裂。

（2）二氧化碳滲透巖石過程中，長時間作用下，巖石孔隙和裂縫發展，滲透性增強，微裂縫擴展，可能導致儲層滲透性增加和套管破裂。

（3）在多輪二氧化碳吞吐過程中，地層變形與破壞導致應力集中，微裂縫與宏觀破壞引起非均勻應力分布，增加套管破壞風險。

研究通過系統的巖石力學試驗，探討了超臨界二氧化碳在長期作用下對儲層巖石力學特性的影響，并揭示了其對套管損傷的機理。試驗結果表明，超臨界二氧化碳的注入導致巖樣的強度逐漸下降，且隨著浸泡時間的延長，巖樣的破壞模式由軸向劈裂轉變為剪切破壞。

1.2成果應用過程

在二氧化碳多輪次吞吐技術的現場應用過程中，套管損傷問題是影響油氣井生產效率和安全性的關鍵因素之一。二氧化碳的注入不僅改變了油氣藏的壓力和溫度條件，且與儲層巖石發生復雜的物理和化學反應，進而影響巖石的力學性能導致套管損傷。因此，為應對套管損傷問題，研究結合室內試驗、數值模擬和現場數據，提出優化措施，將試驗成果轉化為技術應用，提升二氧化碳吞吐過程中的安全性和效益。

1）現場數據與室內試驗結果對比。二氧化碳多輪次吞吐過程中，巖石力學性質的變化直接影響套管的受力狀況。因此，研究巖石在二氧化碳注入過程中的力學性能變化對保障井筒安全具有重要意義，通過將室內試驗數據與現場監測結果相結合，對冀東油田高淺北區塊的儲層巖樣進行了詳細的分析。

在冀東油田現場試驗中，采用超臨界二氧化碳連續注入方式，通過監測儲層巖石的變形和套管應力狀態，獲取了巖層變形量、套管應力變化、井筒穩定性等數據。與室內數據對比發現，現場巖樣抗壓強度從12MPa下降至8.2MPa，下降34%，與室內試驗結果高度一致。驗證了二氧化碳注入對巖石強度和套管損傷的影響，為現場優化提供數據支持。

室內試驗進一步揭示，超臨界二氧化碳的滲透作用顯著降低巖石的抗壓強度，并導致破壞模式從單一的剪切破壞轉變為剪切與軸向劈裂的混合模式。這一規律在冀東油田現場試驗中得到了驗證，通過優化注入速率和周期，顯著減少了套管損傷風險。該研究為二氧化碳吞吐技術在復雜地質條件下的應用提供了可靠的數據支持和優化策略。

2）數值模擬與現場測試的對接。為了進一步驗證二氧化碳注入過程中套管受力的變化，結合室內試驗的數據，利用數值模擬技術建立了冀東油田的三維地質模型，并對套管的受力與損傷機理進行了深入分析。

數值模擬不僅能夠提供精準的參數預測，還能在不同工況下預測套管的應力變化、腐蝕速率和破壞模式，為現場操作提供決策支持。

使用ANSYS有限元軟件構建數值模型，考慮溫度、壓力、應力及巖層特性等因素，輸入參數包括注入壓力、儲層溫度、壓力和巖石強度，輸出套管應力分布、腐蝕速率、裂縫擴展等關鍵參數，確保模型反映現場實際情況。數值模擬結果與現場監測數據一致，驗證了模型準確性。模擬揭示二氧化碳吞吐過程中套管應力、腐蝕速率及裂縫擴展風險隨注入輪次增加而加劇。現場根據模擬結果調整注氣參數，有效減緩了腐蝕和裂縫擴展。

3）現場技術優化。結合室內試驗結果、數值模擬分析及現場數據反饋，研究提出了一系列優化措施，以減少二氧化碳多輪次吞吐過程中套管損傷的風險，提高作業的安全性與經濟性；優化措施主要涉及二氧化碳注入流程的調整、套管材料的優化以及注采操作的改進等方面。

（1）優化二氧化碳注入流速和壓力，減少應力交變，降低套管應力峰值約20%，顯著抑制疲勞損傷。優化后的條件提高了井筒穩定性，降低了套管損傷風險。

（2）通過優化合金材料、添加防腐涂層及使用先進防腐劑，套管腐蝕速率降低約30%，有效延長了套管使用壽命，減緩了二氧化碳腐蝕效應。

（3）通過優化二氧化碳注入流程和壓力曲線，減少了巖層破壞頻次和程度，試驗數據顯示，套管損傷程度降低約25%，有效減緩了巖層破壞對套管的影響，降低了損傷風險。

冀東油田為驗證優化效果，引入實時數據監控系統，以傳感器監測套管應力、腐蝕、溫度與壓力等關鍵參數，并與數值模擬結果比對。該閉環反饋機制可快速識別潛在安全風險、預測設備故障，及時調整操作方案，提升生產效率與安全性。

優化后的二氧化碳吞吐作業顯著延長套管壽命。現場數據顯示，腐蝕速率下降28%，套管裂縫未擴，應力波動幅度減20%，較未優化井段，套管壽命延長30%，變形和破裂減少。如冀東油田某井經五輪二氧化碳吞吐后，套管腐蝕與應力波動改善顯著，有效提升井筒穩定性、生產安全性及氣藏產氣量。

二氧化碳多輪次吞吐技術已在油田取得成效，但在套管損傷、注入優化及長期可靠性方面仍面臨挑戰。

結合試驗、數值模擬與現場數據，本文提出優化措施，顯著降低套管損傷風險，提升作業安全性與效益。總體而言，二氧化碳多輪次吞吐技術的優化與發展，將為油氣田開發帶來更多的經濟效益和環境效益，為全球能源的可持續發展做出貢獻；隨著跨學科合作的深入，二氧化碳多輪次吞吐技術將不斷突破現有瓶頸，成為未來油氣田開發中的重要技術支撐。

2結果現象討論

2.1套管變形減少討論

數值模擬通過構建地質模型，分析套管在不同工況下的力學響應和腐蝕行為，為優化施工工藝、降低套管損傷風險、延長油氣井使用壽命提供理論支持。在研究中，通過對大量現場監測數據與室內試驗數據的深入剖析，系統地對套管變形的主要影響因素展開了探討；其中，出砂程度、吞吐輪次、射孔孔密、固井質量、生產時間等5種因素均被納入研究范疇。

經相關性分析，各因素與套管變形的相關性高達98.8%；此外，室內試驗數據和現場監測數據呈現出高度的吻合性，這充分證實了在數值模型模擬過程中采用室內試驗數據具有良好的可靠性，為后續相關研究與實踐提供了有力依據。

為了準確模擬二氧化碳多輪次吞吐過程中套管的損傷機理，研究選取了冀東油田高淺北區塊G121-1井作為研究對象。通過結合該區域的儲層特性以及實際工程條件，建立了三維的地層—套管—水泥環模型，如圖2所示。

從圖2中可以看出，模型涵蓋了儲層的巖石力學屬性、套管的結構特征、水泥環的強度以及二氧化碳的作用條件。為確保模擬的高精度，采用了ANSYS有限元分析軟件進行建模，并將模型尺寸設置為80m×10m×10m，涵蓋了從地下2000m深度至地表的完整井筒結構。在建立該模型時，套管的內徑和外徑分別為124.26mm和139.7mm，壁厚為7.22mm，采用的鋼級為J55，其彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強度范圍為379MPa到552MPa。水泥環的外徑設置為215.9mm，且假設水泥環材料為彈性體；儲層巖石的彈性模量和泊松比依據試驗數據進行了設置，確保了數值模擬能夠準確反映實際工況。通過理論模型模擬分析，得到了影響套管變形的主要因素有出砂程度、吞吐輪次、射孔孔密、固井質量、生產時間5種因素。

1）出砂程度對套管變形的影響。二氧化碳多輪次吞吐中的出砂現象，特別在高滲透性或裂縫儲層中，嚴重影響井筒和套管穩定。砂粒脫落和流動不僅加劇堵塞，還導致套管受力不均，形成局部應力集中，進而引發磨損、變形或破裂。射孔區域砂粒流動可能擴展射孔洞口，進一步加劇套管損傷。數值模擬與試驗表明，出砂程度與套管應力密切相關，如圖3所示。

從圖3中可以看出，當出砂程度為0時，套管的應力為198MPa，顯著低于套管的屈服強度，這表明套管能夠承受這種應力而不發生塑性變形；然而，隨著出砂程度的增加，套管應力逐漸增大；當出砂程度達到50%時，套管應力增至514MPa，接近套管的屈服強度，容易引發局部塑性變形；當出砂程度達到100%時，套管的應力超過了屈服強度，達到了855MPa，這時套管可能會發生破裂或失效。因此，出砂程度越大，套管的應力越大，破壞的風險也隨之增加。

2）吞吐輪次對套管變形的影響。在二氧化碳多輪次吞吐過程中，交變應力和腐蝕作用加速套管損傷。隨著吞吐輪次增加，腐蝕作用積累，特別在射孔段，腐蝕速率加快，導致材料強度下降并加劇應力集中，推動套管變形和破裂。同時，反復注采產生的壓力波動和溫度變化加劇了疲勞損傷，尤其在高溫高壓條件下，熱應力和機械應力交替作用加速疲勞裂縫擴展。結果表明，吞吐輪次增加顯著提升套管損傷和變形，如圖4所示。

從圖4中可以看出，在非射孔段，四輪二氧化碳吞吐過程中，腐蝕比例為10%，假設每一輪吞吐的腐蝕速率為2.5%；當腐蝕量累計達到50%時，套管的應力達到387MPa，超過了J55套管的屈服強度，這使得套管發生變形的風險大大增加；而在射孔段，由于腐蝕速率的加速，套管的應力在每一輪二氧化碳注入后都會迅速增加；當腐蝕量達到50%時，套管的應力達到了708MPa，顯著超過了套管的屈服強度，導致套管的變形與破裂。特別是在腐蝕作用加劇的射孔段，由于孔洞的局部削弱，套管承受的機械負荷更加集中，變形和破裂的概率也隨之增大。

3）射孔孔密對套管變形的影響。射孔孔密是影響油氣井套管受力和變形的重要因素之一。在油氣井的開采過程中，射孔作業通過在套管壁上形成孔洞，使井筒與儲層之間的流體流動得以實現。然而，射孔操作本身也可能對套管造成潛在的破壞。孔洞的形成會使得套管表面出現應力集中，這些局部應力增大可能引發套管的局部變形甚至破裂。因此，射孔孔密的選擇對于套管的完整性和長期穩定性有著至關重要的影響，如圖5所示。

從圖5中可以看出，射孔孔密增加顯著提升套管應力，進而加劇套管的變形。模擬結果顯示，在吞吐前，未射孔時，套管應力為305MPa；當射孔孔密為6孔/m時，套管應力為508MPa；而當孔密增加至12孔/m時，套管應力增大至542MPa；當射孔孔密為18孔/m時，套管應力達到625MPa，已經超過了套管的屈服強度，這使得套管的變形風險顯著上升。當射孔孔密超過12孔/m時，套管應力的增長速率加快，表明過高的孔密會加劇套管的變形風險。在吞吐后，未射孔時，套管應力為476MPa；射孔孔密為6孔/m時，套管應力為561MPa；而當孔密增加至12孔/m時，套管應力增大至597MPa；射孔孔密為18孔/m時，套管應力達到688MPa。對比數據可知，吞吐后射孔比吞吐前射孔對套管應力影響程度更大，高內外壓差下，孔洞易引發局部破壞，導致套管泄漏或失效，嚴重影響安全性。

4）固井質量對套管變形的影響。固井質量直接影響套管的支撐力和穩定性，尤其在高壓和腐蝕環境下。水泥環的完整性是關鍵，缺陷會導致套管受力不均，增加變形和破裂的風險。在二氧化碳多輪次吞吐過程中，水泥環可能因腐蝕作用出現缺陷，降低局部支撐力，從而加劇套管變形的風險。

數值模擬顯示，固井缺陷顯著削弱水泥環對套管的支撐力，導致套管應力分布不均，局部應力集中。數值模擬結果表明，當水泥環缺陷位于最小水平主應力方向時，套管應力可達415MPa；而當缺陷位于最大水平主應力方向時，套管應力則增至492MPa，超過J55型套管的屈服強度。固井質量缺陷對套管變形的影響可以從兩個方面進行分析。首先，水泥環的缺陷導致的支撐力喪失，會導致套管與地層之間的連接不再均勻和緊密，進而加劇套管在局部區域的變形。特別是在二氧化碳注入過程中，隨著注入壓力的波動，水泥環無法提供穩定的支撐，套管容易在缺陷區域發生局部屈服或塑性變形。其次，固井缺陷可能導致套管與地層之間的壓力傳遞不均，增加了局部區域的應力集中。

在二氧化碳注采過程中，二氧化碳的腐蝕作用加劇水泥環劣化，尤其在高壓、腐蝕環境下，水泥環的抗壓強度和抗腐蝕能力下降，導致其支撐能力減弱，進而增加套管變形和破裂的風險。溫度波動和壓降效應進一步加劇水泥環結構的不穩定，使得套管在承受應力時更易發生局部變形或失效。

5）生產時間對套管變形的影響。生產時間的延長對套管變形的直接影響較小，主要是由于腐蝕作用的積累和材料疲勞的加劇。數值模擬與試驗研究表明，除非腐蝕達到一定程度，生產時間的延長不會顯著使套管應力超過屈服強度。

因此，腐蝕的累積是套管變形的主要驅動因素，而生產時間對套管變形的影響相對較弱，即使生產時間達到10年，模擬結果顯示套管的應力水平仍未超過其屈服強度，變形程度較小。這表明，盡管二氧化碳注入過程中的腐蝕效應隨時間積累可能對套管產生一定影響，但在沒有其他影響因素的情況下，生產時間對套管變形的直接影響并不顯著。盡管腐蝕對套管變形的影響較為緩慢，但長期的二氧化碳吞吐操作加速了腐蝕劣化，使套管在高壓、反復注采條件下更易變形或破裂。因此，防腐措施在高腐蝕環境下對延長套管壽命至關重要。

系統地對套管變形的5種主要影響因素展開了探討，使得套管變形減少66.67%。依據層次分析法，套管損傷主控因素排序為：出砂程度、吞吐輪次、射孔孔密、固井質量、生產時間，其中生產時間對套管損傷影響不明顯。

2.2套管損傷治理提高討論

基于上述物理實驗及數值模擬理論研究，針對二氧化碳多輪次吞吐工況下的套管損傷問題，提出了系統性防治措施，并通過理論分析和實際應用數據驗證了其有效性。與常規的套管損傷治理方法相比，在預防和控制損傷方面取得了顯著進展。

1）出砂現象對套管變形的影響及防治措施。二氧化碳多輪次吞吐過程中，注采壓力的頻繁變化和井壁結構的脆弱性導致砂粒脫落和運移，進而引發套管磨損與變形。

為此，提出了優化注采參數、科學設計二氧化碳注入量與采出速率的策略，以平緩調控注采過程，降低儲層擾動。通過在固井時采用高強度水泥漿和化學加固劑，配合防砂篩管或擋砂設備，改善井筒環境，同時選用耐磨合金材料或涂覆耐磨層的套管，以應對砂粒沖刷磨損。結合實時監測技術，精準捕捉出砂與應力變化，制定符合現場實際的動態防治方案，有效減少約20%套管出砂現象。

2）吞吐輪次對套管變形的影響及防治措施。二氧化碳吞吐過程中，頻繁的應力循環和高溫高壓腐蝕加速套管的疲勞損傷。

為此，優化注采周期的設計，吞吐輪次不得超過16輪，以延緩套管疲勞積累。同時，選用抗疲勞、耐高溫高壓的鎳基合金或復合材料套管，提高套管1～2個鋼級以增強套管的疲勞抵抗力。在套管表面涂覆耐腐蝕涂層，并采用實時監測技術捕捉受力與溫度變化，為輪次優化提供依據。此外，使用多層復合結構和自愈合涂層的套管結構，進一步提升了套管抗疲勞性能，測得井口壓力波動下降約15%。

3）射孔孔密對套管變形的影響及防治措施。射孔作業對套管變形的影響常被忽視，尤其是射孔孔密設計不當時，孔密過高會導致局部應力集中，特別是在高滲透性和易出砂的儲層中，可能引發套管變形或破裂，不合理的孔密設計還會加劇砂粒流動。

為此，提出根據儲層特性調整射孔孔密設計的策略。在高滲透儲層中減少孔密以防應力集中，在低滲透層適當增加孔密以提升流動性。同時，通過分段射孔技術均勻分布應力，優化孔徑和射孔角度，使孔密不超過12孔/m，避免過大孔徑引發應力集中及孔壁坍塌。結合高強度耐腐蝕材料的使用及實時監測技術，現場射孔作業套管變形率降低約13%，裂縫擴展速度降低約25%。

4）固井質量對套管變形的影響及防治措施。固井質量決定套管穩定性，水泥環的完整性直接影響套管受力。在二氧化碳吞吐中，腐蝕加速水泥環劣化，增加套管變形風險。

為此，提出根據井下溫度、壓力和腐蝕風險選擇合適的水泥漿配方，采用高強度、耐腐蝕的水泥材料，提升水泥環密實度和抗壓能力。施工過程中加強工藝管理，確保水泥漿均勻分布，避免空洞和漏漿問題。固井后，利用聲波或超聲波檢測技術定期檢查水泥環完整性，并及時修復缺陷，同時通過涂覆防腐涂層，延緩腐蝕進程。由現場數據反饋，該措施套管損傷程度降低約30%且水泥環的穩定性提高約15%。

5）生產時間對套管變形的影響及防治措施。生產時間通過腐蝕效應和應力積累影響套管變形。長期的二氧化碳注入加劇腐蝕，尤其在高溫高壓環境下，加速套管損壞。

為此，提出優化材料、定期檢查并使用防腐涂層，確保套管穩定性。通過定期檢查和監測井下設備精準定位腐蝕問題，結合耐腐蝕材料的應用，如鎳基合金套管和耐酸涂層，可有效延緩腐蝕過程。此外，通過優化注入溫度和量，減少溫差波動對套管的應力影響，并規劃生產策略，延緩套管劣化速度約8%。

系統地對套管變形的5種影響因素對應的防治措施展開了探討，綜合現場應用數據，研究區塊套管損傷程度降低約30%，裂縫擴展速度降低25%，井口壓力波動下降15%，使得二氧化碳多輪次吞吐井的套管損傷治理提高66.67%，證明防治措施的可靠性，為復雜工況下的井筒完整性管理提供了重要指導。

3結論建議

（1）為減少套管損傷數量問題，開展二氧化碳多輪次吞吐室內試驗與數值模擬研究，建立了二氧化碳多輪次吞吐溫壓效應及反復應力損傷套管理論，開展了12組室內單軸和三軸試驗，建立了基于ANSYS的套管-水泥環-地層耦合的三維地質模型，通過該模型理論分析得出了巖石及套管應力損傷的主因素。

（2）二氧化碳在高溫高壓條件下對巖石強度的影響是套管損傷的主要因素。針對冀東油田高淺北區塊二氧化碳多輪次吞吐施工現場，建議提高防砂精度，建立防砂技術選用模板。建議吞吐輪次不超過16輪、射孔孔密不超過12孔/m，套管強度提高1～2個鋼級，固井作業時應盡可能保證水泥環無缺失，或減小水泥環缺失尺寸。通過采取針對性防治措施，研究區塊套管損傷程度降低約30%，裂縫擴展速度減少25%，井口壓力波動下降15%。

（3）研究揭示了二氧化碳多輪次吞吐過程中套管損傷機理及防治措施，但偏重理想化模型，未充分考慮現場復雜條件。未來應強化現場數據采集與模型優化，提升數值模型適應性，提高預測精度，為油田高效開發提供更精準支持。