二氧化碳多輪次吞吐溫壓效應(yīng)及反復(fù)應(yīng)力損傷理論指導(dǎo)減少套管損傷數(shù)量

關(guān)鍵詞/主題詞：二氧化碳吞吐；油氣資源；非常規(guī)油氣；井筒完整性；工程技術(shù)；室內(nèi)測試；巖石強度

0引言

二氧化碳多輪次吞吐技術(shù)，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(yīng)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(shù)實施的關(guān)鍵［3］。套管損傷不僅影響油氣采出，可能導(dǎo)致井筒不穩(wěn)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(chǎn)至關(guān)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(yīng)力的反復(fù)作用，導(dǎo)致疲勞損傷和腐蝕加劇，最終可能引發(fā)失效［6］。盡管已有研究關(guān)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(tǒng)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(xué)者針對二氧化碳吞吐技術(shù)在不同類型油藏中的應(yīng)用進行了總結(jié)和分析［8］。張虔等提出通過二氧化碳吞吐技術(shù)，提高低滲透復(fù)雜油氣藏的采收率，解決常規(guī)方法效果不佳的問題［9］。王小龍等通過二氧化碳吞吐先導(dǎo)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(jié)合H區(qū)超低滲透儲層特征，采用室內(nèi)試驗與數(shù)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(zhì)變化規(guī)律［11］。石磊針對二氧化碳注入提高采收率中瀝青質(zhì)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(chǎn)能遞減問題，開展二氧化碳吞吐試驗，分析了生產(chǎn)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(qū)替試驗，結(jié)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(yīng)試驗，分析礦物溶蝕對孔隙度和滲透率的影響，優(yōu)化注入?yún)?shù)，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(fā)現(xiàn)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(zhì)模型與局部網(wǎng)格加密，提升了二氧化碳吞吐開發(fā)的模擬精度與效率，成功預(yù)測了生產(chǎn)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(shù)和燜井時間的二氧化碳吞吐試驗，分析了其動態(tài)特征及影響因素對采收率的貢獻［19］。

在二氧化碳吞吐技術(shù)相關(guān)機理及影響因素方面，眾多學(xué)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(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)了吞吐機理并分析了影響因素，為相關(guān)研究提供了理論依據(jù)與方向［20］。陳世杰等通過注氣相態(tài)及長巖心驅(qū)替試驗，研究了二氧化碳復(fù)合驅(qū)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(zhì)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(zhì)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(shù)有效性［23］。

周翔等提出超臨界二氧化碳驅(qū)替開發(fā)思路，研究其提高采收率的機理，并優(yōu)化注氣速率和轉(zhuǎn)注時機等關(guān)鍵參數(shù)［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(guī)水力壓裂，闡明了其技術(shù)優(yōu)勢［25］。袁鐘濤等構(gòu)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(yōu)勢［26］。王子強等通過核磁試驗優(yōu)化參數(shù)，研究吉木薩爾頁巖油在二氧化碳吞吐下的可動性規(guī)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(tài)、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(qū)替過程中的流體動力學(xué)行為、界面特征及其對驅(qū)替效率的影響［29］。

而二氧化碳吞吐技術(shù)的方案優(yōu)化及效果評價方面，曲良超等通過數(shù)值模擬優(yōu)化二氧化碳吞吐注采參數(shù)，提出補充地層能量和控抑底水為提高吞吐效果的關(guān)鍵機制［30］。馮海順等建立了基于吞吐補償系統(tǒng)的二氧化碳復(fù)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(dǎo)流試驗確定滲透率-應(yīng)力敏感性關(guān)系，應(yīng)用數(shù)值模擬確定致密油藏二氧化碳吞吐的最優(yōu)參數(shù)［32］。蔣晨等通過油藏數(shù)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(shù)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(wèi)詩豪等建立了雙孔介質(zhì)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(xué)者圍繞二氧化碳吞吐技術(shù)在低滲透、致密及復(fù)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(wěn)定性、腐蝕損傷演化規(guī)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(dǎo)致生產(chǎn)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(shù)對損傷的影響，填補研究空白，優(yōu)化施工工藝，推動二氧化碳吞吐技術(shù)在復(fù)雜儲層中的高效、安全應(yīng)用至關(guān)重要［38］。

針對上述不足，研究結(jié)合多因素耦合的數(shù)值模擬方法，進一步優(yōu)化ANSYS模型，考慮更多復(fù)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(yīng)力等因素的綜合作用，并基于試驗研究結(jié)果設(shè)計更符合實際工況的巖石力學(xué)試驗，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對現(xiàn)有防治措施進行驗證，并提出更加有效的套管保護技術(shù)，確保套管在二氧化碳多輪次吞吐過程中的長期穩(wěn)定性。

1方法過程

1.1成果研究過程

研究通過巖石力學(xué)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(jù)［39］。二氧化碳注入技術(shù)作為提高采收率的重要手段，已在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)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(xiàn)，成為影響油氣井生產(chǎn)效率和安全性的關(guān)鍵因素，超臨界二氧化碳在高溫高壓環(huán)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(xué)試驗，模擬二氧化碳長期作用下的巖石力學(xué)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(shè)計。試驗設(shè)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(xué)特性的影響。為模擬二氧化碳注入過程中的真實環(huán)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(xiàn)場實際巖樣物性參數(shù)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(jīng)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(xué)性質(zhì)經(jīng)過詳細(xì)測量，以保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(shè)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(huán)境，試驗設(shè)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(huán)境。

為了確保巖樣在試驗過程中能夠保持穩(wěn)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(nèi)。之后，巖樣的孔隙度、滲透率等基本力學(xué)參數(shù)經(jīng)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(yīng)釜將巖樣浸泡在不同條件下，分別設(shè)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(xué)特性變化。在試驗過程中，反應(yīng)釜的溫度和壓力被嚴(yán)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(huán)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(jié)構(gòu)，進而影響巖石的力學(xué)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(fā)生破壞。試驗過程中記錄巖樣的軸向應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，計算巖樣的抗壓強度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)。在試驗過程中，所有數(shù)據(jù)均實時采集，通過應(yīng)變計測量巖樣的軸向應(yīng)變，同時通過載荷傳感器記錄施加的軸向應(yīng)力。在巖樣破壞的過程中，試驗系統(tǒng)還會記錄巖樣破裂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及巖石的破壞模式。

三軸壓縮試驗?zāi)M了儲層中的圍壓條件，在圍壓為30MPa的環(huán)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(huán)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(xué)響應(yīng)，尤其是在圍壓條件下的強度變化。試驗過程中，三軸試驗設(shè)備能夠?qū)崟r監(jiān)測巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并通過電控系統(tǒng)自動記錄試驗數(shù)據(jù)。巖樣在三軸壓縮過程中會經(jīng)歷彈性變形、塑性變形，最終發(fā)生破裂。試驗結(jié)果提供了巖樣在多軸加載下的強度參數(shù)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(guī)律。

2）結(jié)果分析。試驗過程中的數(shù)據(jù)通過傳感器實時采集，并存儲在計算機系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)包括巖樣的軸向應(yīng)力、應(yīng)變、圍壓應(yīng)力、聲發(fā)射信號等。所有數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后，進行進一步分析，得到巖樣的力學(xué)參數(shù)、應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及巖樣破壞的應(yīng)力狀態(tài)。

通過應(yīng)力-應(yīng)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(guān)鍵力學(xué)參數(shù)，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(jié)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(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐摹?/p>

通過擬合數(shù)據(jù)，獲得了巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并進一步分析了巖石在二氧化碳作用下的應(yīng)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(jié)果進一步驗證了二氧化碳對巖石力學(xué)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(jié)果表明，巖樣的強度下降主要發(fā)生在初期，浸泡時間較長的巖樣表現(xiàn)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(xué)性能，還顯著改變其微觀結(jié)構(gòu)。

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(wǎng)絡(luò)形成；浸泡60d時，孔隙結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，微裂縫貫穿巖樣。這些變化與力學(xué)試驗結(jié)果一致，表明二氧化碳長期作用可能通過微觀結(jié)構(gòu)變化影響巖石破壞機制。

研究的試驗結(jié)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(xué)性質(zhì)，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(yīng)力和儲層溫度的雙重作用，其穩(wěn)定性直接影響到油氣井的安全性和生產(chǎn)效率。根據(jù)試驗結(jié)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(jié)構(gòu)、改變巖石微觀結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)等3種方式導(dǎo)致套管損傷。

（1）隨著二氧化碳注入次數(shù)增加，巖石強度下降，破壞模式由軸向劈裂轉(zhuǎn)為剪切破壞，孔隙度增大、微裂縫擴展，導(dǎo)致套管承壓能力下降，易發(fā)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(fā)展，滲透性增強，微裂縫擴展，可能導(dǎo)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(dǎo)致應(yīng)力集中，微裂縫與宏觀破壞引起非均勻應(yīng)力分布，增加套管破壞風(fēng)險。

研究通過系統(tǒng)的巖石力學(xué)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(xué)特性的影響，并揭示了其對套管損傷的機理。試驗結(jié)果表明，超臨界二氧化碳的注入導(dǎo)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(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐摹?/p>

1.2成果應(yīng)用過程

在二氧化碳多輪次吞吐技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用過程中，套管損傷問題是影響油氣井生產(chǎn)效率和安全性的關(guān)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(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，進而影響巖石的力學(xué)性能導(dǎo)致套管損傷。因此，為應(yīng)對套管損傷問題，研究結(jié)合室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，提出優(yōu)化措施，將試驗成果轉(zhuǎn)化為技術(shù)應(yīng)用，提升二氧化碳吞吐過程中的安全性和效益。

1）現(xiàn)場數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗結(jié)果對比。二氧化碳多輪次吞吐過程中，巖石力學(xué)性質(zhì)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(xué)性能變化對保障井筒安全具有重要意義，通過將室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果相結(jié)合，對冀東油田高淺北區(qū)塊的儲層巖樣進行了詳細(xì)的分析。

在冀東油田現(xiàn)場試驗中，采用超臨界二氧化碳連續(xù)注入方式，通過監(jiān)測儲層巖石的變形和套管應(yīng)力狀態(tài)，獲取了巖層變形量、套管應(yīng)力變化、井筒穩(wěn)定性等數(shù)據(jù)。與室內(nèi)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場巖樣抗壓強度從12MPa下降至8.2MPa，下降34%，與室內(nèi)試驗結(jié)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(xiàn)場優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

室內(nèi)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(dǎo)致破壞模式從單一的剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟信c軸向劈裂的混合模式。這一規(guī)律在冀東油田現(xiàn)場試驗中得到了驗證，通過優(yōu)化注入速率和周期，顯著減少了套管損傷風(fēng)險。該研究為二氧化碳吞吐技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)用提供了可靠的數(shù)據(jù)支持和優(yōu)化策略。

2）數(shù)值模擬與現(xiàn)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(jié)合室內(nèi)試驗的數(shù)據(jù)，利用數(shù)值模擬技術(shù)建立了冀東油田的三維地質(zhì)模型，并對套管的受力與損傷機理進行了深入分析。

數(shù)值模擬不僅能夠提供精準(zhǔn)的參數(shù)預(yù)測，還能在不同工況下預(yù)測套管的應(yīng)力變化、腐蝕速率和破壞模式，為現(xiàn)場操作提供決策支持。

使用ANSYS有限元軟件構(gòu)建數(shù)值模型，考慮溫度、壓力、應(yīng)力及巖層特性等因素，輸入?yún)?shù)包括注入壓力、儲層溫度、壓力和巖石強度，輸出套管應(yīng)力分布、腐蝕速率、裂縫擴展等關(guān)鍵參數(shù)，確保模型反映現(xiàn)場實際情況。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)一致，驗證了模型準(zhǔn)確性。模擬揭示二氧化碳吞吐過程中套管應(yīng)力、腐蝕速率及裂縫擴展風(fēng)險隨注入輪次增加而加劇。現(xiàn)場根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整注氣參數(shù)，有效減緩了腐蝕和裂縫擴展。

3）現(xiàn)場技術(shù)優(yōu)化。結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果、數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場數(shù)據(jù)反饋，研究提出了一系列優(yōu)化措施，以減少二氧化碳多輪次吞吐過程中套管損傷的風(fēng)險，提高作業(yè)的安全性與經(jīng)濟性；優(yōu)化措施主要涉及二氧化碳注入流程的調(diào)整、套管材料的優(yōu)化以及注采操作的改進等方面。

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

（2）通過優(yōu)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(yīng)。

（3）通過優(yōu)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(shù)據(jù)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(fēng)險。

冀東油田為驗證優(yōu)化效果，引入實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，以傳感器監(jiān)測套管應(yīng)力、腐蝕、溫度與壓力等關(guān)鍵參數(shù)，并與數(shù)值模擬結(jié)果比對。該閉環(huán)反饋機制可快速識別潛在安全風(fēng)險、預(yù)測設(shè)備故障，及時調(diào)整操作方案，提升生產(chǎn)效率與安全性。

優(yōu)化后的二氧化碳吞吐作業(yè)顯著延長套管壽命。現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示，腐蝕速率下降28%，套管裂縫未擴，應(yīng)力波動幅度減20%，較未優(yōu)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(jīng)五輪二氧化碳吞吐后，套管腐蝕與應(yīng)力波動改善顯著，有效提升井筒穩(wěn)定性、生產(chǎn)安全性及氣藏產(chǎn)氣量。

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

結(jié)合試驗、數(shù)值模擬與現(xiàn)場數(shù)據(jù)，本文提出優(yōu)化措施，顯著降低套管損傷風(fēng)險，提升作業(yè)安全性與效益。總體而言，二氧化碳多輪次吞吐技術(shù)的優(yōu)化與發(fā)展，將為油氣田開發(fā)帶來更多的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，為全球能源的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻；隨著跨學(xué)科合作的深入，二氧化碳多輪次吞吐技術(shù)將不斷突破現(xiàn)有瓶頸，成為未來油氣田開發(fā)中的重要技術(shù)支撐。

2結(jié)果現(xiàn)象討論

2.1套管變形減少討論

數(shù)值模擬通過構(gòu)建地質(zhì)模型，分析套管在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)和腐蝕行為，為優(yōu)化施工工藝、降低套管損傷風(fēng)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(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的深入剖析，系統(tǒng)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(zhì)量、生產(chǎn)時間等5種因素均被納入研究范疇。

經(jīng)相關(guān)性分析，各因素與套管變形的相關(guān)性高達98.8%；此外，室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出高度的吻合性，這充分證實了在數(shù)值模型模擬過程中采用室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)具有良好的可靠性，為后續(xù)相關(guān)研究與實踐提供了有力依據(jù)。

為了準(zhǔn)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(qū)塊G121-1井作為研究對象。通過結(jié)合該區(qū)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(huán)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(xué)屬性、套管的結(jié)構(gòu)特征、水泥環(huán)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(shè)置為80m×10m×10m，涵蓋了從地下2000m深度至地表的完整井筒結(jié)構(gòu)。在建立該模型時，套管的內(nèi)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(huán)的外徑設(shè)置為215.9mm，且假設(shè)水泥環(huán)材料為彈性體；儲層巖石的彈性模量和泊松比依據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行了設(shè)置，確保了數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)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(zhì)量、生產(chǎn)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(xiàn)象，特別在高滲透性或裂縫儲層中，嚴(yán)重影響井筒和套管穩(wěn)定。砂粒脫落和流動不僅加劇堵塞，還導(dǎo)致套管受力不均，形成局部應(yīng)力集中，進而引發(fā)磨損、變形或破裂。射孔區(qū)域砂粒流動可能擴展射孔洞口，進一步加劇套管損傷。數(shù)值模擬與試驗表明，出砂程度與套管應(yīng)力密切相關(guān)，如圖3所示。

從圖3中可以看出，當(dāng)出砂程度為0時，套管的應(yīng)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(yīng)力而不發(fā)生塑性變形；然而，隨著出砂程度的增加，套管應(yīng)力逐漸增大；當(dāng)出砂程度達到50%時，套管應(yīng)力增至514MPa，接近套管的屈服強度，容易引發(fā)局部塑性變形；當(dāng)出砂程度達到100%時，套管的應(yīng)力超過了屈服強度，達到了855MPa，這時套管可能會發(fā)生破裂或失效。因此，出砂程度越大，套管的應(yīng)力越大，破壞的風(fēng)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(yīng)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(dǎo)致材料強度下降并加劇應(yīng)力集中，推動套管變形和破裂。同時，反復(fù)注采產(chǎn)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(yīng)力和機械應(yīng)力交替作用加速疲勞裂縫擴展。結(jié)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(shè)每一輪吞吐的腐蝕速率為2.5%；當(dāng)腐蝕量累計達到50%時，套管的應(yīng)力達到387MPa，超過了J55套管的屈服強度，這使得套管發(fā)生變形的風(fēng)險大大增加；而在射孔段，由于腐蝕速率的加速，套管的應(yīng)力在每一輪二氧化碳注入后都會迅速增加；當(dāng)腐蝕量達到50%時，套管的應(yīng)力達到了708MPa，顯著超過了套管的屈服強度，導(dǎo)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(fù)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(yè)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(xiàn)。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(xiàn)應(yīng)力集中，這些局部應(yīng)力增大可能引發(fā)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(wěn)定性有著至關(guān)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(yīng)力，進而加劇套管的變形。模擬結(jié)果顯示，在吞吐前，未射孔時，套管應(yīng)力為305MPa；當(dāng)射孔孔密為6孔/m時，套管應(yīng)力為508MPa；而當(dāng)孔密增加至12孔/m時，套管應(yīng)力增大至542MPa；當(dāng)射孔孔密為18孔/m時，套管應(yīng)力達到625MPa，已經(jīng)超過了套管的屈服強度，這使得套管的變形風(fēng)險顯著上升。當(dāng)射孔孔密超過12孔/m時，套管應(yīng)力的增長速率加快，表明過高的孔密會加劇套管的變形風(fēng)險。在吞吐后，未射孔時，套管應(yīng)力為476MPa；射孔孔密為6孔/m時，套管應(yīng)力為561MPa；而當(dāng)孔密增加至12孔/m時，套管應(yīng)力增大至597MPa；射孔孔密為18孔/m時，套管應(yīng)力達到688MPa。對比數(shù)據(jù)可知，吞吐后射孔比吞吐前射孔對套管應(yīng)力影響程度更大，高內(nèi)外壓差下，孔洞易引發(fā)局部破壞，導(dǎo)致套管泄漏或失效，嚴(yán)重影響安全性。

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

數(shù)值模擬顯示，固井缺陷顯著削弱水泥環(huán)對套管的支撐力，導(dǎo)致套管應(yīng)力分布不均，局部應(yīng)力集中。數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)水泥環(huán)缺陷位于最小水平主應(yīng)力方向時，套管應(yīng)力可達415MPa；而當(dāng)缺陷位于最大水平主應(yīng)力方向時，套管應(yīng)力則增至492MPa，超過J55型套管的屈服強度。固井質(zhì)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(huán)的缺陷導(dǎo)致的支撐力喪失，會導(dǎo)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(qū)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(huán)無法提供穩(wěn)定的支撐，套管容易在缺陷區(qū)域發(fā)生局部屈服或塑性變形。其次，固井缺陷可能導(dǎo)致套管與地層之間的壓力傳遞不均，增加了局部區(qū)域的應(yīng)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(huán)劣化，尤其在高壓、腐蝕環(huán)境下，水泥環(huán)的抗壓強度和抗腐蝕能力下降，導(dǎo)致其支撐能力減弱，進而增加套管變形和破裂的風(fēng)險。溫度波動和壓降效應(yīng)進一步加劇水泥環(huán)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，使得套管在承受應(yīng)力時更易發(fā)生局部變形或失效。

5）生產(chǎn)時間對套管變形的影響。生產(chǎn)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(shù)值模擬與試驗研究表明，除非腐蝕達到一定程度，生產(chǎn)時間的延長不會顯著使套管應(yīng)力超過屈服強度。

因此，腐蝕的累積是套管變形的主要驅(qū)動因素，而生產(chǎn)時間對套管變形的影響相對較弱，即使生產(chǎn)時間達到10年，模擬結(jié)果顯示套管的應(yīng)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(yīng)隨時間積累可能對套管產(chǎn)生一定影響，但在沒有其他影響因素的情況下，生產(chǎn)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(fù)注采條件下更易變形或破裂。因此，防腐措施在高腐蝕環(huán)境下對延長套管壽命至關(guān)重要。

系統(tǒng)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(jù)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(zhì)量、生產(chǎn)時間，其中生產(chǎn)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(shù)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(tǒng)性防治措施，并通過理論分析和實際應(yīng)用數(shù)據(jù)驗證了其有效性。與常規(guī)的套管損傷治理方法相比，在預(yù)防和控制損傷方面取得了顯著進展。

1）出砂現(xiàn)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(jié)構(gòu)的脆弱性導(dǎo)致砂粒脫落和運移，進而引發(fā)套管磨損與變形。

為此，提出了優(yōu)化注采參數(shù)、科學(xué)設(shè)計二氧化碳注入量與采出速率的策略，以平緩調(diào)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(xué)加固劑，配合防砂篩管或擋砂設(shè)備，改善井筒環(huán)境，同時選用耐磨合金材料或涂覆耐磨層的套管，以應(yīng)對砂粒沖刷磨損。結(jié)合實時監(jiān)測技術(shù)，精準(zhǔn)捕捉出砂與應(yīng)力變化，制定符合現(xiàn)場實際的動態(tài)防治方案，有效減少約20%套管出砂現(xiàn)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(yīng)力循環(huán)和高溫高壓腐蝕加速套管的疲勞損傷。

為此，優(yōu)化注采周期的設(shè)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(fù)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(jiān)測技術(shù)捕捉受力與溫度變化，為輪次優(yōu)化提供依據(jù)。此外，使用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)和自愈合涂層的套管結(jié)構(gòu)，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(yè)對套管變形的影響常被忽視，尤其是射孔孔密設(shè)計不當(dāng)時，孔密過高會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，特別是在高滲透性和易出砂的儲層中，可能引發(fā)套管變形或破裂，不合理的孔密設(shè)計還會加劇砂粒流動。

為此，提出根據(jù)儲層特性調(diào)整射孔孔密設(shè)計的策略。在高滲透儲層中減少孔密以防應(yīng)力集中，在低滲透層適當(dāng)增加孔密以提升流動性。同時，通過分段射孔技術(shù)均勻分布應(yīng)力，優(yōu)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(fā)應(yīng)力集中及孔壁坍塌。結(jié)合高強度耐腐蝕材料的使用及實時監(jiān)測技術(shù)，現(xiàn)場射孔作業(yè)套管變形率降低約13%，裂縫擴展速度降低約25%。

4）固井質(zhì)量對套管變形的影響及防治措施。固井質(zhì)量決定套管穩(wěn)定性，水泥環(huán)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(huán)劣化，增加套管變形風(fēng)險。

為此，提出根據(jù)井下溫度、壓力和腐蝕風(fēng)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(huán)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(shù)定期檢查水泥環(huán)完整性，并及時修復(fù)缺陷，同時通過涂覆防腐涂層，延緩腐蝕進程。由現(xiàn)場數(shù)據(jù)反饋，該措施套管損傷程度降低約30%且水泥環(huán)的穩(wěn)定性提高約15%。

5）生產(chǎn)時間對套管變形的影響及防治措施。生產(chǎn)時間通過腐蝕效應(yīng)和應(yīng)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(huán)境下，加速套管損壞。

為此，提出優(yōu)化材料、定期檢查并使用防腐涂層，確保套管穩(wěn)定性。通過定期檢查和監(jiān)測井下設(shè)備精準(zhǔn)定位腐蝕問題，結(jié)合耐腐蝕材料的應(yīng)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(yōu)化注入溫度和量，減少溫差波動對套管的應(yīng)力影響，并規(guī)劃生產(chǎn)策略，延緩套管劣化速度約8%。

系統(tǒng)地對套管變形的5種影響因素對應(yīng)的防治措施展開了探討，綜合現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)，研究區(qū)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(fù)雜工況下的井筒完整性管理提供了重要指導(dǎo)。

3結(jié)論建議

（1）為減少套管損傷數(shù)量問題，開展二氧化碳多輪次吞吐室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬研究，建立了二氧化碳多輪次吞吐溫壓效應(yīng)及反復(fù)應(yīng)力損傷套管理論，開展了12組室內(nèi)單軸和三軸試驗，建立了基于ANSYS的套管-水泥環(huán)-地層耦合的三維地質(zhì)模型，通過該模型理論分析得出了巖石及套管應(yīng)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(qū)塊二氧化碳多輪次吞吐施工現(xiàn)場，建議提高防砂精度，建立防砂技術(shù)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(yè)時應(yīng)盡可能保證水泥環(huán)無缺失，或減小水泥環(huán)缺失尺寸。通過采取針對性防治措施，研究區(qū)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(xiàn)場復(fù)雜條件。未來應(yīng)強化現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與模型優(yōu)化，提升數(shù)值模型適應(yīng)性，提高預(yù)測精度，為油田高效開發(fā)提供更精準(zhǔn)支持。