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摘要：钻井打开地层时，井眼附近的地应力不断被释放，固井时，水泥环将套管与地层紧密地连接成一个整体，地应力在水泥环的阻隔作用下无法直接作用在套管壁上，起到保护套管的作用。注水开发时，泥岩层中水敏性岩石颗粒吸水发生膨胀，进而发生塑性变形，在远场地应力影响下，泥岩层从远处逐渐向井眼发生蠕动，地应力源源不断地传递给套管，一旦套管的蠕变载荷超过了其抗挤强度，将导致套管径向缩径变形。随着注入水的不断侵入，泥岩的蠕变作用不断增强，直到水侵速度逐渐变弱，蠕变作用加速并最终趋于缓和。目前，套管损坏的问题非常普遍，给油田生产带来极大不便。为了有效遏制套损问题的蔓延，对高压注水下套管损坏机理的研究势在必行。
关键词：高压注水下套管蠕变损坏;机理;
一、套管损坏特征
低渗透油出高蔗注水井套管损坏以套管漏失、缩释变形为主，变形严重的发生破裂现兼。86. 2%的套骨损坏井套损出现的时间一般在转注后5年以内，开始注水到发现套损平均时间间隔为3年6个月。套管漏失主要发生在套管上部未圃井井段，缩径变形主要位于射孔部位附近的夹层及射孔井段。据统计，中高渗油田套管变形井占常压注水井总数的3 6%，低渗透油田套管变形井占高压注水井总数的16.2%。由此可见套管变形与注水压力密啊相关。套管变形严重的注水井在大修时均发现有大量的地层砂及岩石碎屑、泥质成分。
二、高压注水下套管蠕变损坏的机理
1.孔隙流体作用下套管损坏机理。通过分析现场资料，套管损伤很大一部分是由于断层复活、滑动所造成的。当断层或裂隙中充满流体时，由于流体隙压力和流体对岩石的化学弱化作用，断层的黏结力和内摩擦角发生变化，黏结力变小，内摩擦角变小。也就是说，裂隙浸水后抗滑性能变弱，此时裂隙就有可能复活，发生滑动。高压注水时，如果油层物性差，连通性不好，就会形成高压区块。区块内压力上升，岩石骨架膨胀，吸水层厚度增大。当水泥环胶结良好时，穿过该油层的套管随之伸长，因而对套管产生较大的附加拉应力。从油田开发地质资料看，地下岩层或多或少有软弱夹层，软弱夹层都具有较强的吸水能力。一旦软弱夹层吸水，套管损坏点就会相对集中在这个部位。如果软弱夹层未泥化，在原始地应力作用下岩层会保持稳定。但在注水开发的油田中，当注入压力达到一定值后，注入水通过裂缝窜到软弱夹层中，使它吸水。注水开发中水窜表现的形式多种多样，时间上也有早晚之分，归纳起来有2种：一是张性裂缝和油层串通断层，这种裂缝注水刚开始反应就很明显;二是微裂缝和闭合裂缝，这种裂缝在较低的注水压力下不吸水，而在较高的压力下裂缝张开吸水，一旦裂缝张开，吸水量就会猛增。因此，研究微裂缝的开启压力界限对防止注入水进入非油层也同样具有重要意义。
2.蠕变的影响。岩石蠕变的一个重要特性是蠕变率随着岩石含水量的升高而增大。岩层中裂缝发育方向及沿地下水流动的方向其含水率高，蠕变率亦高。所以因蠕变引起的套损井分布呈条带状分布，趋向一般与裂缝发育及地下水流动方向一致。特别是吸水性强的软岩段围岩，当油井注水开发而出现水窜时，软岩吸水后蠕变率很快上升，在这些岩层中就会过早地出现大批套损井。水泥环径向载荷与地应力分布相同，而套管径向载荷与地应力分布相反，水泥环径向载荷的最大、最小值分别位于最大、最小地应力方向。由表2可知，水泥环和套管外壁的最大载荷均远小于最大主应力值，水泥环最小载荷略大于最小水平地应力值，套管外壁最小载荷略低于最小主应力值，套管和水泥环的外载非均匀系数均小于地应力非均匀系数。这是由于水泥环的调值，地应力大小及套管的刚度决定了该稳定值大小。地应力增大会促使套管岩石蠕变载荷增大，套管变形程度加剧，随着地应力的增加，一旦套管上的岩石蠕变载荷超过套管强度时，套管发生屈服变形，直到发生套损，降低了套管外壁椭圆载荷的非均匀性，对套管起到了一定的保护作用。水泥环与套管外壁环向载荷同地应力分布均相反，其最大、最小值分别位于最小、最大地应力方向。水泥环的最大环向应力达到其抗剪强度时，将使水泥环在最大地应力方向发生缩径变形，当套管外壁环向应力达到套管的抗剪强度时，套管将在最大地应力方向发生缩径变形，使得套管呈现椭圆形。水泥环上径向载荷与环向载荷分布均促使水泥环在最大地应力方向发生缩径变形，套管外壁上径向载荷分布与套管在最大地应力方向发生缩径变形的事实不一致，而套管外壁环向载荷的分布与套管在最大地应力方向发生缩径变形的事实一致，即说明套管变形损坏的直接原因是套管外壁环向载荷分布不均匀。套管沿最大地应力方向缩径使得其最小地应力方向上有扩径趋势，挤压水泥环，导致套管外壁径向载荷与地应力分布相反。
3.套损影响因素套管损坏的产生原因。（1）地质因素：主要包括构造应力、层间滑动、蠕变、地层塑性流变、注水后引起地应力发生变化和断层活动等。（2）注水、出砂因素：油田注水可将可溶性地层溶解为空洞，地层出砂也可以形成空洞，导致上部地层塌陷。（3）钻井操作因素：主要包括井眼质量、套管层次与壁厚组合、管材选取和管体质量;下套管时损坏套管、作业磨损、重复酸化、高压作业、试油掏空过大和射孔等。（4）腐蚀因素：主要有高矿化度的地层水、硫酸氢根、硫酸还原菌、硫化氢和电化学等腐蚀。
三、治理
1.对治理套管损坏井的认识。在加强套管修复技术研究的同时，不能忽视先进套管检测技术的引进应用。套管损坏严重的区块，如不及时治理，会影响整个油田开发方案的执行，使油田产量减少。目前修复的油水井，由于通径缩小，不能采用常规井下工具（封隔器）进行分层注水或分层采油，须研究配套的小直径井下工具。对套管错断的注水井，目前没有进行有效的修复，即使修复，由于套管强度下降，很多隐患在注水过程中也会随时表现出来。条件允许时，可采取调整注采井网，打更新井或利用原井侧钻等。通过研究应用大修技术，虽然可以使部分油水井的损坏套管得以修复，但治理套管损坏井的总方针应当是预防为主，防治结合。
2.预防措施。定期对高压注水井采取洗井、防膨及解堵等措施，防止各種因素造成地层污染，避免注水压力超高。同时加强注入水配伍方案研究，对已污染地层，可用低伤害酸预处理后再投注。在注水、压井时，井底压力都不得高于地层最小水平主应力值，以防止压开隔层。当注水量与防止套管损坏的合理注水压力相矛盾时，应以后者来确定，注水量则通过调整注采井网，增加注水井数来满足。设计压裂方案时，一定要认真研究压裂层和盖层的岩性及其力学参数，设计出合理的排量，防止裂缝延伸至盖层。同时压裂选层应选择较厚油层，设计裂缝高度时尽量不要延伸至泥岩软弱隔层，防止压开。最好在压裂后测裂缝高度进行验证，为以后制定合理的施工参数提供依据。
结束语：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。
参考文献
1周维垣主编.高等岩石力学[M].北京：清华大学出版社，2019.32—34
2仵彦卿，张倬元.岩体水力学导论[M].成都：西南交通大学出版社。2018.41～44
3刑景棠.流固耦合力学综述[J].力学进展，2020，14（1）：19—38
关键词：高压注水下套管蠕变损坏;机理;
一、套管损坏特征
低渗透油出高蔗注水井套管损坏以套管漏失、缩释变形为主，变形严重的发生破裂现兼。86. 2%的套骨损坏井套损出现的时间一般在转注后5年以内，开始注水到发现套损平均时间间隔为3年6个月。套管漏失主要发生在套管上部未圃井井段，缩径变形主要位于射孔部位附近的夹层及射孔井段。据统计，中高渗油田套管变形井占常压注水井总数的3 6%，低渗透油田套管变形井占高压注水井总数的16.2%。由此可见套管变形与注水压力密啊相关。套管变形严重的注水井在大修时均发现有大量的地层砂及岩石碎屑、泥质成分。
二、高压注水下套管蠕变损坏的机理
1.孔隙流体作用下套管损坏机理。通过分析现场资料，套管损伤很大一部分是由于断层复活、滑动所造成的。当断层或裂隙中充满流体时，由于流体隙压力和流体对岩石的化学弱化作用，断层的黏结力和内摩擦角发生变化，黏结力变小，内摩擦角变小。也就是说，裂隙浸水后抗滑性能变弱，此时裂隙就有可能复活，发生滑动。高压注水时，如果油层物性差，连通性不好，就会形成高压区块。区块内压力上升，岩石骨架膨胀，吸水层厚度增大。当水泥环胶结良好时，穿过该油层的套管随之伸长，因而对套管产生较大的附加拉应力。从油田开发地质资料看，地下岩层或多或少有软弱夹层，软弱夹层都具有较强的吸水能力。一旦软弱夹层吸水，套管损坏点就会相对集中在这个部位。如果软弱夹层未泥化，在原始地应力作用下岩层会保持稳定。但在注水开发的油田中，当注入压力达到一定值后，注入水通过裂缝窜到软弱夹层中，使它吸水。注水开发中水窜表现的形式多种多样，时间上也有早晚之分，归纳起来有2种：一是张性裂缝和油层串通断层，这种裂缝注水刚开始反应就很明显;二是微裂缝和闭合裂缝，这种裂缝在较低的注水压力下不吸水，而在较高的压力下裂缝张开吸水，一旦裂缝张开，吸水量就会猛增。因此，研究微裂缝的开启压力界限对防止注入水进入非油层也同样具有重要意义。
2.蠕变的影响。岩石蠕变的一个重要特性是蠕变率随着岩石含水量的升高而增大。岩层中裂缝发育方向及沿地下水流动的方向其含水率高，蠕变率亦高。所以因蠕变引起的套损井分布呈条带状分布，趋向一般与裂缝发育及地下水流动方向一致。特别是吸水性强的软岩段围岩，当油井注水开发而出现水窜时，软岩吸水后蠕变率很快上升，在这些岩层中就会过早地出现大批套损井。水泥环径向载荷与地应力分布相同，而套管径向载荷与地应力分布相反，水泥环径向载荷的最大、最小值分别位于最大、最小地应力方向。由表2可知，水泥环和套管外壁的最大载荷均远小于最大主应力值，水泥环最小载荷略大于最小水平地应力值，套管外壁最小载荷略低于最小主应力值，套管和水泥环的外载非均匀系数均小于地应力非均匀系数。这是由于水泥环的调值，地应力大小及套管的刚度决定了该稳定值大小。地应力增大会促使套管岩石蠕变载荷增大，套管变形程度加剧，随着地应力的增加，一旦套管上的岩石蠕变载荷超过套管强度时，套管发生屈服变形，直到发生套损，降低了套管外壁椭圆载荷的非均匀性，对套管起到了一定的保护作用。水泥环与套管外壁环向载荷同地应力分布均相反，其最大、最小值分别位于最小、最大地应力方向。水泥环的最大环向应力达到其抗剪强度时，将使水泥环在最大地应力方向发生缩径变形，当套管外壁环向应力达到套管的抗剪强度时，套管将在最大地应力方向发生缩径变形，使得套管呈现椭圆形。水泥环上径向载荷与环向载荷分布均促使水泥环在最大地应力方向发生缩径变形，套管外壁上径向载荷分布与套管在最大地应力方向发生缩径变形的事实不一致，而套管外壁环向载荷的分布与套管在最大地应力方向发生缩径变形的事实一致，即说明套管变形损坏的直接原因是套管外壁环向载荷分布不均匀。套管沿最大地应力方向缩径使得其最小地应力方向上有扩径趋势，挤压水泥环，导致套管外壁径向载荷与地应力分布相反。
3.套损影响因素套管损坏的产生原因。（1）地质因素：主要包括构造应力、层间滑动、蠕变、地层塑性流变、注水后引起地应力发生变化和断层活动等。（2）注水、出砂因素：油田注水可将可溶性地层溶解为空洞，地层出砂也可以形成空洞，导致上部地层塌陷。（3）钻井操作因素：主要包括井眼质量、套管层次与壁厚组合、管材选取和管体质量;下套管时损坏套管、作业磨损、重复酸化、高压作业、试油掏空过大和射孔等。（4）腐蚀因素：主要有高矿化度的地层水、硫酸氢根、硫酸还原菌、硫化氢和电化学等腐蚀。
三、治理
1.对治理套管损坏井的认识。在加强套管修复技术研究的同时，不能忽视先进套管检测技术的引进应用。套管损坏严重的区块，如不及时治理，会影响整个油田开发方案的执行，使油田产量减少。目前修复的油水井，由于通径缩小，不能采用常规井下工具（封隔器）进行分层注水或分层采油，须研究配套的小直径井下工具。对套管错断的注水井，目前没有进行有效的修复，即使修复，由于套管强度下降，很多隐患在注水过程中也会随时表现出来。条件允许时，可采取调整注采井网，打更新井或利用原井侧钻等。通过研究应用大修技术，虽然可以使部分油水井的损坏套管得以修复，但治理套管损坏井的总方针应当是预防为主，防治结合。
2.预防措施。定期对高压注水井采取洗井、防膨及解堵等措施，防止各種因素造成地层污染，避免注水压力超高。同时加强注入水配伍方案研究，对已污染地层，可用低伤害酸预处理后再投注。在注水、压井时，井底压力都不得高于地层最小水平主应力值，以防止压开隔层。当注水量与防止套管损坏的合理注水压力相矛盾时，应以后者来确定，注水量则通过调整注采井网，增加注水井数来满足。设计压裂方案时，一定要认真研究压裂层和盖层的岩性及其力学参数，设计出合理的排量，防止裂缝延伸至盖层。同时压裂选层应选择较厚油层，设计裂缝高度时尽量不要延伸至泥岩软弱隔层，防止压开。最好在压裂后测裂缝高度进行验证，为以后制定合理的施工参数提供依据。
结束语：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。
参考文献
1周维垣主编.高等岩石力学[M].北京：清华大学出版社，2019.32—34
2仵彦卿，张倬元.岩体水力学导论[M].成都：西南交通大学出版社。2018.41～44
3刑景棠.流固耦合力学综述[J].力学进展，2020，14（1）：19—38