基于超星發現系統的套管損傷現狀計量學分析

鄭永香

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基于超星發現系統的套管損傷現狀計量學分析

鄭永香

(西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500)

套管損傷是影響油田正常生產的主要原因之一。隨著開發年限的增長，油田套管損傷越來越嚴重。科研工作者對套管損傷開展了大量的研究。本文基于套損研究文獻，首先對套損現狀進行了總結；然后基于文獻計量學方法，采用超星發現系統對套損現狀進行計量學分析。通過分析總結，得到了當前套損研究的主要內容和熱點；通過計量學方法得到了套損研究的趨勢、套損研究的作者、機構、期刊來源和基金支持情況。文章對于清晰把握套損研究內容和追蹤套損研究熱點具有指導性意義。

計量學分析；套管損壞；研究現狀；超星發現系統

套管損壞是影響油田產量的主要因素之一。目前國內大多油田都出現了嚴重套損現象。據報道，大慶油田、勝利油田、延長油田、塔里木油田和青海油田等均出現了嚴重的套損現象。套管損壞致使油水井關井，影響井網布置和地層壓力的調節，這增大了油田實現穩產高產目標的難度。套損會嚴重影響油田的正常生產，因此科研機構和油田企業針對套損現象進行了大量研究。

文獻計量學是借助文獻的各種特征的數量，采用數學與統計學方法來描述、評價和預測科學技術的現狀與發展趨勢的圖書情報學分支學科[1]。文獻計量學可以對某一研究領域進行系統性的把握，了解該研究領域的研究熱點和研究方向，了解該領域的研究機構和研究人員，對于后期的文獻查閱和研究開展具有指導意義，同時對于論文投稿方向的確定也具有直接的指導意義。針對于套損研究，目前尚未有學者采用計量學方法來對套損現狀進行統計分析。因此本文分析了套損研究的現狀，并基于超星發現系統，對套管損傷研究的現狀進行了統計分析。

一、套損研究現狀

套損檢測技術用于檢測套損是否發生、確定套損程度的方法。最常用的方法是根據鉛模來判斷套損部位和套管的變形情況，但是鉛模是在某一部位進行打鉛模，不能確定套管的整體變形情況[2]。多臂井徑成像測井儀可用于探測套管的破壞類型和變形程度，克服鉛模的局限性[3]。但是多臂井徑成像技術對于套管的腐蝕和孔洞不敏感，而套管損傷探測儀采用電磁探傷技術，可以清晰地探測到套管的損傷程度[4]。損傷探測技術主要用于探傷，其采用電磁探頭，易受到井下干擾，對于套管變形檢測精度不高。因此，多采用多臂井徑成像技術和電磁探傷成像技術結合，以提高套損檢測的精度[5]。隨著套損檢測技術的成熟，套損實時監測技術對于套損的早期發現和套損的控制和預防提供了極大的幫助。套損實時監測技術主要有光纖傳感器監測技術、基于壓電材料的監測技術、基于鉆桿檢測的套管磨損監測技術、套損磁法監測技術和套損聲發射監測技術[6]。此外還可以通過井下電視得到套損圖像，爨瑩等人對得到的套損圖像，采用灰熵加權關聯分析方法和Zernike矩算子進行圖像處理，得到套損的變形破壞程度。套損的監測對于控制套損發生和防止套損惡化具有重要的意義，套損檢測技術可以有效地確定套損情況，但是套損的實時監測技術仍舊需要進一步發展。

套損機理的研究是套損研究的重點。引起套損的因素錯綜復雜，主要可以分為地質因素、工程因素和腐蝕因素[7-10]。套管損傷根據破壞類型，可以分為剪切破壞、拉伸破壞和擠壓破壞[11]。隨著多場耦合技術的發展，套損研究大多基于流固耦合技術分析地層在注水和多相流條件下的響應，認為油藏開采過程中滲流場的變化會引起地層應力場重新分布的變化，引發引力集中作用于套管-水泥環-地層系統。同時應力場的變化反作用于地層的滲流參數變化[12]。劉性全認為套管與地層的強度參數差異，在受力情況下，巖石進入壓縮狀態，而套管強度高，在相同應變情況下，引發應力轉移向套管，引起套管損壞[13]。于獻彬研究了套管參數對套管擠壓力的影響，研究發現套管強度越大，套管受到的擠壓力越強[14]。

隨著稠油熱采技術和蒸汽吞吐技術的發展，高溫注入的溫度條件對地層的影響不能忽略。黃小蘭等基于溫度-應力耦合方法，研究了溫度場對套管擠壓的破壞規律[15]。為了實現三場耦合，紀佑軍將溫度場與滲流場通過粘溫曲線聯系，滲流場和應力場采用有效應力聯系，建立溫度—滲流—應力三場耦合模型。考慮溫度場對套損的影響，可以很好地解決熱采和蒸汽吞吐過程中的套損分析問題。

對于套損研究的方法，根據研究手段的不同，可以分為三類：現場實驗法、數值模擬法和不確定性分析方法。宋杰等采用XMAC測井儀對井下的地層應力、強度參數進行實測以分析套損井周圍的應力特征。研究發現，套損井周圍主應力、破裂壓力升高，泊松比偏大，而剪切模量變小，主應力方位也發生了偏轉[16]。但是由于現場試驗難度較大，數值模擬成為研究套損的基本方法。代立強[12]、劉性全[13]、于獻彬[14]等基于流固耦合理論，采用有限元方法對套管損傷進行模擬。除有限元方法外，其他的數值模擬方法也應用于套損分析。陳天愚等通過摩擦元，研究地層滑移過程中抗滑能力的非線性衰減，研究地層傾角、地層壓力等因素對套損的影響[17, 18]。楊鳳香采用控制容積法研究套損問題，控制容積法較有限單元法具有理論公式簡潔，意義明確的特點；同時比有限差分法的數值穩定。數值模擬方法針對簡單的地層條件可以有效地模擬地層的多場耦合過程，但是地層條件多屬于復雜地層，套損的發生具有時變性、不確定性和模糊性，因此有學者提出在數值模擬無法滿足復雜條件下的套損模擬的情況下，采用唯相方法，對套損進行不確定性分析，可以有效預測和控制套損的發生。周延軍采用粗糙集理論和支持向量機結合的方法，確定影響因素和響應結果之間的關系，對套損進行動態預測[19]。張亮針對儲層的多因素條件，建立層次結構模型，采用層次分析法，定量計算各因素的影響權重，以分析判別套損的發生情況[20]。

多場耦合研究可以較為真實地模擬地層在流體作用下的響應，但是研究初期大多未考慮流體對巖體的力學性質的影響。泥巖吸水蠕變就是一種典型的巖體遇水強度降低的例子。黃小蘭對不同含水條件下的力學參數進行測定，研究發現，隨著含水增加，泥巖的彈性模量和抗壓強度降低，而泥巖的蠕變變形和穩態速率增加[21]。張金成基于實驗數據，回歸分析得到了泥巖蠕變本構關系的參數，將得到的參數用于數值模擬[22]。韓來聚認為基于應力準則的套損評判標準未考慮套管的塑性應變累積，提出套管的應變設計準則，考慮循環荷載下的套管的累積塑性應變[23]。由于地層復雜，砂泥巖互層明顯，以及竄水后水侵入泥巖等因素，類似于泥巖蠕變等巖體非線性變形研究是當下仍舊需要解決的問題，目前尚處于實驗和理論研究階段。

此外對于套管損壞后的修復技術，也有學者進行技術上的研究。王陶針對套管的補漏技術，討論了擠水泥、下封隔器和下脹管補貼等技術[24]。李濤討論了高溫高壓下的膨脹管技術，指出管材、連接螺紋、密封件和膨脹錐是該工藝的主要難點[25]。老井的套損修復技能夠節約換套成本，具有較高的經濟效益。“老油田套損井膨脹管修復恢復產能技術”被評為中國石油勘探開發研究院的2007年度十大科技成果[26]。

綜上所述，套損研究在現場實踐中主要有套損監測和套損修復；理論研究中主要采用多場耦合方法對套損井周圍的應力應變場進行分析確定套管的擠壓力和變形情況。現場研究可操作性強，但是不能從根源上控制套損的發生，主要采用修復辦法。而理論研究尚處于基礎階段，對于復雜的地質條件，套損的基礎理論仍具有局限性。

二、數據的文獻計量學分析

1. 文獻總量統計與研究發展趨勢分析

采用“套損”或“套管損傷”組合在超星發現系統進行檢索，共檢索到相關3 815條結果，共被引10 737次，篇均被引次數為2.814次，其中王仲茂等編著的《油田油水井套管損壞的機理與防治》被引次數最多，為324次。國內套損研究的學術成果最早于1973年發表，為玉門油田管理局采油科學研究所發表的《井下套管補貼技術》，探討了套管損壞的內因和外因。各類文獻包括圖書、期刊、學位論文、會議論文、專利和科技成果，統計結果于表1。

表1 套損各類型學術發展趨勢（來源：超星發現）

圖1給出了自1973年以來各類型套損研究成果年總量的發展趨勢圖，根據成果總量可以得到套損研究的發展趨勢，套管損壞研究的發展趨勢可以分為三個階段。

1973年到2000年期間，套損研究成果年均10.7項，有關套損研究從無到有：1973-1980年年平均成果為0.875項，1981年到1990年年平均成果為7.5項，1991年到2000年年平均成果為21.8項。可以看出，2000年之前的發展趨勢屬于穩定慢速上升階段，隨著油田生產中套損問題增多，套損研究逐漸引起重視。

圖1 套損研究成果的發展趨勢圖（來源：超星發現）

2000年以后套損研究得到了快速發展，2001年到2010年十年間，年平均成果數為169.3項，年平均成果數為上一階段15.8倍。期間，2001到2005年五年間成果數快速上升，2005年到2010年成果數保持穩定，維持在年均200項左右。

2010年后套管損壞研究成果又一次上升，由于2016年尚不能確定全年成果數，故統計2011年到2015年期間的數據。五年間年平均成果數為295.4項，較上一階段增長74.5%，其中2014年達到最高值334項，2015年成果數有所回落，為174項。

圖2為套損研究各類型成果的發展趨勢圖，從圖中可以看出各類型成果的發展趨勢與總體類似，期刊論文發展迅速，套損的研究成果以期刊文章為主，其他類型數量差距不大。經統計，檢索到期刊文獻2419篇，學位論文515篇，專利成果357項，會議論文285篇，科技成果76項，出版圖書19部。期刊論文在經歷峰值后逐漸回落，并將穩定在一個較高值。其他類型的研究成果從2000年后基本上保持穩定，且處于較高水平。但是專利成果從2010年以來保持快速增長，說明套損的研究成果已經更多的應用與現場實踐，成果轉化速度加快。

由分析可得，套損研究自2000年以來得到了快速發展，且在近5年內達到最高水平。由于套損研究對于生產具有重要的指導意義，因此套損研究的熱度仍將持續，將維持在較高的穩定水平，今后五年有關套損年均研究成果應維持在200項以上。

圖2 套損研究文獻統計量（來源：超星發現）

2. 作者與研究內容分析

（1）套損研究作者數據分析

以研究作者為對象，統計作者研究套損所取得的成果量。表2為研究成果大于15項的作者。分析得到，套損研究最多的作者是劉建軍，成果量為35項。成果數大于20的有5位，大于15的有6位。12位作者的平均成果數為20.5項，整體處于較高水平。

圖3為作者機構的分布情況，可以看出套損研究主要集中于高校，中國石油大學、西南石油大學（原西南石油學院）、東北石油大學（原大慶石油學院）和長江大學占據了前五名中的四個名額，企業中，大慶油田對套損研究的成果最多。此外，高校和科研院所中西安石油學院、中科院和武漢工業學院對套損也開展了一定的研究工作。由此可知，對于套損的研究，由于套損的行業性特點，研究主要集中于石油類院校和石油企業，企業依托于高校合作展開套損研究是套損研究的主要合作方式。

表2 套損研究作者統計表（來源：超星發現）

圖3 作者單位統計分布（來源：超星發現）

（2）作者研究方向分析

分析成果量前六位作者的研究方向，可以了解套損的研究現狀和主要方向。圖4給出了前六位作者的研究方向。劉建軍的研究關鍵詞為：注水井、滲流、流固耦合、石油工程和數值模擬；王鳳祥為：大港油田、油水井、修復、預防措施和預防對策；任麗華為：大港油田、地應力、油水井、修復、預防對策；楊春和為：石油工程、滲流、數值模擬、流固耦合和注水井；劉合為：大慶油田、維修、模型、修井和應力波；林莉莉為：大港油田、預防、預防對策、油水井和修復。

從研究內容來看，預防（預防措施）詞頻為5次，油水井（注水井）詞頻為4次，維修（修復）出現詞頻為4次。可見，套損研究主要針對油水井，研究的目的多指向于實際生產，以達到預防套損井的產生，并且對套損井進行修復。

從作者的研究方向來看，劉建軍和楊春和屬于高校及科研院所研究人員，其研究內容主要指向于理論研究，可以看出，當前套損研究的主要方法是通過滲流和應力場耦合的流固耦合分析，通過數值模擬對套損機理進行分析。而王鳳祥、任麗華、劉合與林莉莉等屬于企業研究人員，分別為大港油田和大慶油田，其研究成果多指向于現場實際，重點關注套損的預防措施和修復方法。因此，套損研究可以分為理論研究方向和現場實際方向。理論研究多注重于分析套損發生的機理、開發方式引起的地層力學響應等，主要是采用理論推導建立模型，通過數值模擬推演套管損壞的過程。而現場研究方向則主要針對套損發生的具體原因，提出相應的防控措施，降低套損發生率。分析發現，現場多通過定性方式對套損防控方法進行探討，并不能完全控制套損發生。而理論研究目前尚不能完全應用于復雜的地層條件，更多的是基于理論研究，對套損進行理論指導工作。將理論研究與復雜的地質條件相結合，是套損研究的難點之一。

圖4 作者研究方向分布（來源：超星發現）

3. 套管損壞研究基金分析

表3 基金來源統計

圖5 基金來源統計

由于地層的復雜性，套損機理與套損防治研究比較復雜，研究難度大，且研究成果具有實際的經濟效益。因此套損研究獲得了各項基金的支持。由表3可知，基金支持的套損研究共取得了168項成果，其中國家自然科學基金支持項目產生61項成果，占基金支持成果的36%；科技部國家科技計劃項目產生59項成果，占基金支持成果的35%；國家教育部基金支持項目產生15項成果，占比為9%；省市基金項目共計產生33項成果，占比為20%。可以看到，套損研究得到了國家和各省市基金的大力支持，產出了較多的成果。套損研究具有現實性、緊迫性和經濟性。

4. 期刊來源分析

分析期刊來源可以確定該研究領域的主要期刊，并且可以為研究人員的文獻查閱和投稿提供一定的參考。對搜索條件下得到的結果期刊來源進行排序，來源前20位的期刊統計表如表4所示。

從表中可以看出，發表套損研究最多的期刊是《內蒙古石油化工》，發表套損研究最多的核心期刊是《石油鉆采工藝》。根據中國知網期刊評價信息的數據，《內蒙古石油化工》2016年復合影響因子為0.090，綜合影響因子為0.041；《石油鉆采工藝》2016年復合影響因子為1.023，綜合影響因子為0.765，套損研究的主要期刊的影響因子總體偏低。另一方面，前20種期刊中，只有7種為核心期刊，占比35%，前20種期刊文章總數為1195篇，核心期刊文章為411篇，占比為34.3%，核心期刊文章數量偏低。分析原因，影響因子較低的期刊主要刊登現場實用技術和經驗，說明套管研究以現場成果較多，經文獻閱讀可發現，套損研究成果主要集中于現場的定性總結和理論指導。鑒于地層和生產條件的復雜性，目前尚沒有精確的套損機理理論。今后的研究方向應該為：在結合現場實際的基礎上，更多的關注套損機理研究。

表4 期刊來源統計表

三、結論

本文基于套損研究文獻，首先對套損現狀進行了總結；然后基于文獻計量學方法，采用超星發現系統對套損現狀進行計量學分析。得到以下主要結論：

第一，套損研究在現場應用方面主要集中于套損監測和修復，現場預防套損的定性方法不能夠從根本上解決套損問題；套損理論研究主要采用數值模擬方法和不確定性方法，數值模擬方法主要基于多場耦合理論計算套管周圍的擠壓應力判斷套管損壞。

第二，近年來套損研究成果量呈指數上升，近兩年趨于穩定，根據數量變化趨勢，可分為三個階段。套損研究將維持在較高的穩定水平，預計今后五年有關套損年均研究成果應維持在200項以上。

第三，研究作者可分為科研院校和油田企業。院校作者多注重于套損理論研究，而企業作者更關注于能夠指導現場生產的先進方法。

第四，套損研究得到了國家和各省市基金的大力支持，產出了較多的成果。套損研究具有現實性、緊迫性和經濟性。

第五，套損研究的期刊來源中，數量前20的期刊總體影響因子較低，核心期刊占比僅為35%。套損成果現場技術占比較大。今后的研究方向為：在結合現場實際的基礎上，更多的關注套損機理研究。

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Bibliometrics Analysis of Casing Damage based on Chaoxing Discovery System

ZHENG Yong-xiang

（Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China）

Casing damage is one of the main factors affecting the production in oil field. Casing damage is more and more serious with development. A lot of researches on casing damage were carried out. Based on the literature on casing damage, this paper summarizes the current situation of casing damage. Then, based on the bibliometrics method, the current situation of casing damage is quantitatively analyzed by the Chaoxing discovery system. Through analysis and summary, the main contents and hot spots of the current research on casing damage are obtained. The trend of the casing damage, the authors studying the casing damage, the organizations, the journals, and the support fund have been obtained through the metrological method. This paper is instructive for clearly grasping the research content of casing damage and tracking the hot spots of casing damage.

Bibliometrics analysis; casing damage; research status; Chaoxing Discovery System

2018—09—30

科技部2017 年度十三五國家重大科技專項——“頁巖氣復雜介質多場耦合滲流模型研究”，項目編號：2017ZX05037001。

鄭永香（1991— ），河北邢臺人，西南石油大學地球科學與技術學院，在讀博士研究生。

TE931.2

A

1008—6129（2018）06—0048—08