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胜坨油田套管损坏的地质因素分析 贾若( 地质工程) 指导教师：徐守余( 教授) 捅矍 胜坨油田是一个含油层系多、含油井段长的断块油田，油田自 1 9 6 4 年投入开发，1 9 7 2 年出现第一口套损井，截止到2 0 0 5 年8 月， 套损井合计1 3 1 6 口。分析胜坨油田套管损坏主要类型及井别；套管 易损坏地层岩性、埋深及厚度：各区块油水井套管使用寿命；不同开 发阶段套管损坏。应用地质、测井等相关资料，从岩性、断层两个方 面研究胜坨油田套管损坏与地质因素的相互关系，研究岩性与套管损 坏关系包括：统计分析套管容易发生损坏地层的泥岩含量、厚度及埋 深；泥岩遇水蠕交；储集层孔隙结构变化；泥岩夹层及夹层形成的软 化结构面。研究断层与套管损坏关系包括：套管损坏井在平面的分布 规律；断层级别与套管损坏关系；地层倾角与套管损坏关系。结合地 质资料，根据a n s y s 软件对三维套管进行大变形、非线性弹塑性应 力、应变强度仿真模拟计算。研究塑性( 泥岩) 地层套管损坏的过程， 定量模拟计算塑性( 泥岩) 地层套管应力场与位移场变化量，探讨塑 性( 泥岩) 地层套管损坏变形机理。通过对胜坨油田套管损坏统计分 析以及定量模拟计算，认识胜坨油田的泥岩遇水蠕变、泥岩夹层及软 化结构面、地层倾角增加形成的非对称性载荷是导致胜坨油田套管损 坏的主要因素。结合胜坨油田油藏性质和特点，有针对提出该地区套 管损坏防治合理建议与方案。 关键词：胜坨油田、套损、泥岩蠕变、夹层、断层滑移、有限元 i i g e o l o g i c a lf a c t o r sa n a l y s i so f c a s i n gd a m a g e i ns h e n g t u oo i l f i e l d j i ar u o ( g e o l o g i c e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx u s h o u - y u a b s t r a c t s h e n g t u oo i l f i e l di sac o m p l e xf a u l tz o n ew h i c hi sc o n s i s to fm a n y o i l - y i e l d i n gs t r a t u m o i l f i e l dp u ti n t od e v e l o p e di n1 9 6 4a n dt h ef i r s t d a m a g e dc a s i n gw e l la p p e a r e di n1 9 7 2 b ya u g u s to f2 0 0 5 ，t h et o t a l d a m a g e dc a s i n gw e l l sa r e1 31 6 s t a t i s t i c a la n a l y s i ss h e n g t u oo i l f i e l d c a s i n gd a m a g em a i nt y p ea n dw e l lt y p e ，c a s i n ge a s i l yd a m a g el a y e r l i t h o l o g y , d e p t ho fb u r i a l ，d e p t ho fs t r a t u m e a c hb l o c kw e l lc a s i n g s e r v i c el i f ea n dd i f f e r e n td e v e l o p m e n tp h a s ec a s i n gf a i l u r e e m p l o y r e l e v a n tg e o l o g ym a t e r i a l s ，f r o mt w or e s p e c t so fl i t h o l o g i cc h a r a c t e ra n d f a u l tt os t u d yt h ec a s i n gd a m a g e t h e l i t h o l o g i c a la s p e c ti n c l u d e s ：f i n do u t t h ed i s t r i b u t i o no fm u ds t o n ei nt h r e e - d i m e n s i o n ，c o n t e n t ，t h i c k n e s sa n d b u r y i n gd e p t h ，m u d s t o n em e e tw a t e rc r e e p i n g ，t h ep o r es t r u c t u r a lc h a n g e o fr e s e r v o i r ，m o l l i f i c a t i o ns u r f a c eo fm u d s t o n ea n di n t e r l a y e r t h ef a u l t a s p e c ti n c l u d e s ：t h ed i s t r i b u t i o nr u l eo f c a s i n gd a m a g ei np l a i n ，t h ec a s i n g d a m a g er u l eo fd i f f e r e mf a u l tl e v e l ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf a u l ta n d a n g l eo fb e d d i n g c o m b i n ew i t ht h eg e o l o g i c a lm a t e r i a l ，t oc a l c u l a t et h e t h r e c - d i m e n t i o n , n o n l i n e a re l a s t o p l a s t i c i t ys t r e s sa n ds t r a i ns i m u l a t i o no f c a s i n gi np l a s t i cs 订a t u m ( m u ds t o n es t r a t u m ) a c c o r d i n gt oa n s y s i i l s o f t w a r e ，q u a n t i t a t i v es i m u l a t et h e s t r e s sf i e l da n dd i s p l a c e m e n tf i e l d c h a n g eo ft h ep l a s t i c ( m u ds t o n e ) s t r a t u ma n di n q u i r et h em e c h a n i s mo f c a s i n gd a m a g ei np l a s t i c ( m u ds t o n e ) s t r a t u m t h r o u g hs t a t i s t i c a la n a l y s i s a sw e l la sq u a n t i t a t i v es i m u l a t i o n , k n o w nm u d s t o n em e e tw a t e rc r e e p i n g ， m o l l i f i c a t i o ns u r f a c eo fm u d s t o n ea n di n t e r l a y e r , f a u l ta n da n g l eo f b e d d i n gi n c r e a s ef o r m a t i v ea s y m m e t r yl o a da r es h e n g t u oo i l f i e l dc a s i n g d a m a g em a j o r f a c t o r s c o m b i n ew i t ht h er e s e r v o i rc h a r a c t e ro fs h e n g t u o o i l f i e l d , w ep u tf o r w a r ds o m ea d v i s e sa n do f f e rs o m eo f f e r e n c ef o rt h e c a s i n gd a m a g ep t o t e c t i o na n dp r e v e n t i o n k e yw o r d s ：s h e n g t u oo i l f i e l d 、c a s i n gd a m a g e 、m u d s t o n ec r e e p 、 i n t e r l a y e r 、f a u l ts l i d i n g 、f e m i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：吖年5 月莎日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 酊年 阱矿 5 月 j 具 万日 列。日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题依据及研究目的 随着我国油田开发的不断深入。套管损坏日益成为油田面对的严 峻问题，一方面套管损坏会造成注采系统不完善、产量递减加快和导 致油水井报废等严重后果；另一方面每年在维修套管损坏井的投资也 是巨大的。据不完全统计，目前全国各油田套损井累计超过2 万多口， 平均单井修复费用约3 7 4 万，每年因套管损坏而造成的直接经济损 失就达几十亿元。因此研究套管损坏的地质影响因素，揭示油并套管 损坏规律，采取更有效预防措施，减少每年修复套损井的巨大投入， 延长油水井工作年限，产生更大油田经济效益，是目前油田油水井套 管损坏研究及防护亟须解决的问题“ 2 1 。 1 2 国内外研究现状 大庆油田、吉林油田、中原油田、胜利油田是我国套管损坏比较 严重的地区，大庆油田出现第一次套管损坏高峰期是在1 9 8 6 年，油田 年套管损坏井数超过5 0 0 口，1 9 9 9 年大庆第二次套管损坏高峰，年套 管损坏井数达到7 0 0 口，截止到2 0 0 2 年1 2 月，累计套损井约8 9 7 0 多 口。1 。吉林油田从1 9 7 3 年注水开发以来，截止到2 0 0 3 年，有2 3 8 0 多 口油水井出现了套管损坏，套管损坏率达2 2 。大庆和吉林油田套管 损坏大多数发生在泥岩层，大庆油田在泥岩段的套损井占总数的6 0 ， 泥岩遇水膨胀、滑移、蠕变是引起该地区套管损坏的主要原因，如大 庆油田嫩二段底部，由于泥、页岩大量浸水并形成浸水域，遇水泥、 页岩在地层压力下发生横向滑移及垂向压缩导致该地区地层压力失去 平衡，最终形成成片套损区 艾池针对大庆油田和吉林油田的套管损坏井进行了系统的分析， 并得出了以下结论：一是泥岩层遇水膨胀、蠕变往往造成单井套管损 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 坏，高压注水导致泥岩浸水域增大可能诱发成片套管井损坏；二是区 块压差或地层倾角产生的地势压差，诱发岩层滑动剪切套管造成套管 缩径变形甚至错断：三是由于地层非均质性以及孔隙压力不均匀，形 成分布不均匀的高压区和低压区，导致岩体垂向升降易造成套管拉伸 和压缩交形；四是注水使地层局部憋压，造成局部地层压力失去平衡 从而导致套管轴向弯曲变形。 中原油田截止到2 0 0 1 年底累计套损井为3 0 1 8 “1 口；胜利油田截止 到2 0 0 3 年4 月共有套损井5 4 0 0 。3 多口。中原油田套管损坏主要集中在 盐膏层发育段。江汉油田、华北荆丘油田的套管损井也大多集中在盐 膏层发育段。胜利油田套管损坏井主要集中在原油比较富集的区块， 尤其是大型的整装构造，如孤岛、孤东、胜坨、埕东等地区。 胜利、中原、大庆与吉林针对本地区套管损坏的基本情况，经过 多年的研究，已经在套管损坏原因和套损机理上取得了比较深入的认 识，孟祥玉深入分析了胜利油田油藏特征与套管损坏的关系，归纳出 了容易导致套管损坏的5 种基本油藏类型：常规稠油疏松砂岩油藏、 中高渗透多层砂岩油藏、高致密低渗透砂岩油藏、稠油热采油藏、特 殊岩性油藏，同时归纳总结了胜利油田套管损坏分布规律”“： ( 1 ) 区域分布：主要集中在原油比较富集的区块，尤其是一些比较 大型整装构造，如孤岛、孤东、胜坨、埕东等地区。 ( 2 ) 纵向损坏规律：套管损坏层位大多数集中于油层部位，如馆陶 组、沙河街组，馆陶组套管损坏地层深度大约为1 2 0 0 1 4 0 0 m ，沙河 街组套管损坏地层的深度则因地区不同而有较大差异。 ( 3 ) 损坏的主要原因：地质因素、不合理注水开发以及其它工程因 素综合作用的结果。 中原油田针对本地区套管损坏情况进行分析，得出盐膏层蠕变和 滑移产生异常高的非对称性载荷是导致套管损坏的主要原因，中原油 田的井深一般在3 0 0 0 4 0 0 0 m ，盐层厚度大且较发育，最厚盐层达3 0 0 m 以上，尤其是在油田开发后期，盐膏层蠕变产生非对称性载荷对套管 外挤力随着储层压实增加而逐渐加大，一旦超过套管屈服强度，套管 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 就会发生弯曲变形、缩径，甚至发生错断“4 。中原油田通过盐膏层段 套管受力分析的实验，得出以下结论： ( 1 ) 套管所受载荷与盐层倾角有关 刘谦谓、刘长松等根据粘弹性组合模型，模拟与分析计算东濮凹 陷北部的濮城、文留，卫城等油田的下第三系沙河街组四套盐膏层， 认为套管所处盐膏地层倾角、盐层厚度、深度越大，套管受到的剪切 应力越大( 表1 - 1 ) “。 表1 - 1 濮城油田盐层倾角套管外挤力的关系 盐层盐层地层 钢级 计算结果 深度厚度倾角 i m i np m a xm 政 ( m )( m )( 度) ( m p a )( m p a )( m p a ) 2 0 0 04 02p 1 1 01 91 2 4 7 7 2 2 8 2 0 0 04 06p 1 1 0 2 0 41 3 4 2 i - j 7 3 9 3 2 0 0 04 01 2 p 1 1 02 1 41 4 9 87 6 7 0 2 0 0 04 0 6 j 5 5 1 8 11 2 1 83 9 8 6 2 5 0 08 06 j 5 5 2 8 21 3 8 7 ：5 9 8 8 ( 2 ) 盐层厚度对套管损坏的影响 在地层倾角、套管钢级、外径、壁厚相同的条件下，随着盐膏层 厚度增大，套管所受的非对称性载荷有所增加，且套管变形量也相应 增大( 表卜2 ) “4 1 。 表卜2 濮城油田岩层厚度对套管损坏影响统计表 岩层厚度( m )统计井数( 口)损坏井数( 口)套损率( ) o 一2 0l o11 0 2 0 - 4 02 162 8 6 4 0 6 0 2 683 0 8 6 0 8 0 3 51 23 4 3 8 0 - l o o4 92 04 0 8 l o o 一1 2 02 8 1 4 5 0 0 1 2 0 64 6 6 7 ( 3 ) 盐膏层溶解、蠕动、滑移对套管的影响 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 盐膏层溶解造成井眼扩大并形成溶洞，盐层的流动、滑移、坍塌 使套管受非对称性载荷增加，加速套管的损坏。华北荆丘油田晋4 5 断块在井深2 7 5 0 3 0 0 0 m 井段有盐膏层或膏质泥岩层，自1 9 8 4 年开 发以来，到1 9 9 4 年1 0 月为止，共发现套损井7 1 口，其中变形井5 9 口，报废井1 2 口，综合分析认为盐层的流动、滑移是导致套管损坏 的主要原因“”。 在国外，由于油气开采引起的压力衰竭并发生套管损坏的现象较 多，沉积压实造成套管损坏在世界范围内普遍存在，包括挪威、俄罗 斯、委内瑞拉、北海、墨西哥湾、加利福尼亚、南美以及亚洲等。 随着油田地层孔隙流体不断开采，原来附加在孔隙流体上的压力 就会转移给套管，当施加给套管压力超过套管屈服强度时，套管就会 发生弯曲变形甚至发生错断( 图卜1 ) 。美国的加州b e l r i d g e 油田，在 过去2 0 年时间里，沉积压实造成大约6 m 垂向沉陷，同时造成1 0 0 0 多口套损井“”。 图卜1 储层压实导致套管损坏 储层压实能诱发断层复活，这种诱发断层复活过程往往是渐变 的，不会导致深部地震，但如果过渡开采地下流体造成储层压力迅速 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 下降使断层突发错断，就会引发油田地震，威灵顿油田在1 9 5 0 年就 发生六次2 4 级油田地震，断层造成的最大水平位移超过2 2 5 m m ， 数百口油井在断层附近发生剪切损坏“”。 美国墨西哥湾、塞达克科( c e d e r c r e e k a n t i c l i n e ) 油田、北海、 苏伊士湾、中东等地区在盐岩段都出现大量套管损坏，据统计在塞达 克科油田有4 的油水井套管损坏发生在盐岩层段，盐岩蠕变、坍塌 和塑性流动产生的非对称性载荷是套管发生缩径、弯曲甚至错断的主 要原因( 图1 - 2 ) “”。 图1 - 2 盐岩溶解、蠕变、坍塌造成套管损坏 西德蔡希斯坦( z e c h s t e i n ) 盐盆地的研究报告表明，埋藏在1 0 0 0 m 以下，厚度达3 0 0 m 以上的盐层就会发生塑性流动；埋藏在2 1 0 0 m 以 下的盐岩蠕变很显著；埋藏在2 7 5 0 m 以下的盐层容易发生连续性流 动；当温度在2 0 5 0 c 以上时，盐岩的稳定塑性流( s t e a d ys t a t ef l o w ) 具有高应变率；在7 6 0 0 m 以下的盐岩，处于完全易变( e n t i r e l ym o b i l e ) 的状态“。 1 3 主要研究内容、方法及思路 结合胜坨油田套管损坏的资料，对一区、二区、三区套管损坏特 中国石油大学( 华东) 硕士论文第一章绪论 征、类型、成因及平均使用寿命进行了统计分析研究，在统计分析过 程中结合地质、测井相关资料以及岩石力学相关理论，主要从岩性、 断层两个方面去研究胜坨油田套管损坏的机理。 岩性与套管损坏的关系主要查明套管容易发生损坏层位泥质含 量、厚度、埋深，研究泥岩中粘土矿物遇水膨胀、滑移及蠕变与套管 损坏的关系，储集层孔隙结构变化、泥岩夹层及夹层形成软化结构面 加剧套管损害；研究断层与套管损坏关系主要研究胜坨油田套管容易 发生损坏层位，套损井在平面断层附近分布规律，断层级别以及地层 倾角与套管损坏关系。 研究塑性地层套管损坏的过程中，根据a n s y s 软件对三维套管 对称及非对称性载荷进行大变形、非线性弹塑性应力、应变强度仿真 模拟计算，定量模拟塑性( 泥岩) 地层套管应力场与位移场变化，结 合地质资料，深入探讨塑性地层套管损坏变形机理。 胜坨油田沙一、沙二段油藏，其特点是油藏层系多、含油井段长、 层间差异大、非均质严重，目前已进入特高含水开发期；二是东营组 出砂油藏，其特点是储层胶结松散，极易出砂；三是低渗透小断块油 藏，其特点是渗透率低、天然能量不足，油藏埋藏深度大，通过对胜 坨油田套管损坏统计分析以及塑性( 泥岩) 岩层对称、非对称性载荷 定量模拟计算的基础上，结合胜坨油田油藏性质和特点：有针对提出 该地区套管损坏防治的合理建议与方案，科学的指导预防套管损坏。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章胜坨油田地质概况 第二章胜坨油田地质概况 2 1 区域地质概况 胜坨油田位于济阳坳陷东营凹陷北部陈南一胜北区带内，是一个 受近e w 走向的陈南铲式正断层一胜北断层控制所形成的逆牵引背 斜构造油田。油田北接陈家庄凸起，西及西南为利津生油洼陷，南接 东营中央隆起带，东南为民丰洼陷，东邻青坨子凸起，勘探面积 2 3 0 k i n ，是一个油源丰富、油气封闭条件好的含油气区( 图2 - 1 ) 。 图2 - 1 胜坨油田区域位置与构造简图 1 9 6 1 年，胜坨油田开始勘探，至2 0 0 2 年底累积探明含油面积 8 1 k m 2 ，石油地质储量4 8 4 0 7 x1 0 4 t ，天然气储量8 8 9 0 0 1 0 4 r n 3 。 构造特征：胜坨油田是由东西两个高点组成、被断层复杂化了的 背斜构造油气藏，油田内部断层发育，共有断层5 8 条，均为正断层， 主要断层为1 2 条，将油田分为1 1 个断块，各断块自成独立的油水系 统。 储层特征：主要油层自上而下分为明化镇组浅气层、馆陶组油层、 东营组油层、沙一段油气层、沙二段油层、沙三段油层等6 套含油气 层系，主力含油层系为东营组、沙一、沙二段。含油气井段为9 7 0 2 9 6 0 m ，共分为2 6 个砂层组，9 3 个小层。储集层为一套砂、泥岩问 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章胜坨油田地质概况 互的湖泊、河流一三角洲相沉积，岩性从粉砂岩到含砾砂岩，岩石成 分以石英、长石为主，胶结物含量少、碳酸盐含量普遍低于1 。泥 质含量一般为4 l o 。 油藏类型、油水界面：除沙三段外，各含油层系均为正常压力系 统。压力系数为1 o 1 0 2 ，原始油气比为1 7 7 0 m ，主力含油层 系沙二段为低饱和油藏，地饱压差大，东营组、沙一段、沙二上、沙 二下其饱和压力和地饱和压差分别为：9 3 1 4 o m p a ，4 0 6 7 m p a ；沙一段1 2 3 1 6 5m p a ，0 9 1 7m p a ；沙二上1 0 9 1 5 6 m p a ，4 5 9 0m p a ；沙二下6 5 1 1 2m p a ，9 0 1 2 3m p a 。 2 2 含油气地层特征 胜坨油田具备多层砂岩油藏的特点：含油井段长，油层多，油水 关系复杂，油水界面不统一，其中一区有6 个砂层组，4 0 个含油小层； 二区有1 3 个砂层组，6 4 个含油小层；三区有1 5 个砂层组，5 5 个含 油小层。按岩石地层划分，第三系自上而下依次为明化镇组、上第三 系馆陶组、东营组和下第三系沙河街组( 细分为沙一段、沙二段、沙 三段、沙四段) ( 图2 2 ) 。 ( 1 ) 明化镇馆陶组沉积时期 明化镇组沉积时期地层为砂泥岩互层，并夹有数层石膏层，从下 而上泥岩颜色从棕红变为浅棕、棕黄色，地层埋深3 1 0 1 1 0 0 m ，厚 7 9 0 m 左右，地层厚度在平面上变化不大。 馆陶组地层岩性以灰白色砾状砂岩、细砾岩为主，夹浅红色泥岩、 砂质泥岩，地层埋深1 0 7 0 1 3 5 0 m ，厚2 8 0 m 左右，地层厚度在平面 上变化较小。 ( 2 ) 东营组沙一段沉积时期 东营组与下伏沙一段整合接触，从上到下共分为东一段、东二段 和东三段。 东营组沉积时期处于胜坨构造隆断强烈阶段，沉积厚度变化大， 在胜坨油田，从构造顶部到翼部、从构造高断块到低断块，地层明显 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章胜坨油田地质概况 加厚，虽然二、三区( 东部) 与一区( 西部) 东营组地层厚度基本一 致，但各段地层厚度变化还是比较大的，东三段在东部厚1 2 0 2 0 0 m ， 西部厚1 7 0 2 1 0 m ：东二段的地层厚度变化最大，东部厚8 5 2 0 0 m ， 西部厚1 4 0 1 7 0 m ；东一段的厚度平面变化最小，东部厚6 0 8 0 m ， 西部厚5 0 9 0 m 。 图2 2 胜坨油田综合柱状图 东一段是胜三区东营组主力含油段，岩性主要为棕红、紫红色泥 岩夹灰白色粉细砂岩，部分砂岩含砾，该段在胜一区和胜二区岩性较 租，以含砾砂岩、细砾岩与泥岩呈不等厚互层；东二段岩性为杂色、 灰绿色砂质泥岩和砂岩不等厚互层，下部砂岩单层厚度较大；东三段 岩性主要为浅灰绿色泥质砂岩夹灰绿色含砂泥岩，以“豆状砂岩”为 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章胜坨油田地质概况 标志。 沙一段沉积时期，湖泊经历了3 个发育阶段：早期，气候较沙二 段沉积末期湿润，湖盆加深扩展，但水质仍较咸；中期，湖盆均衡下 沉，湖面相对稳定，淡水补给充分，水质变淡，生物繁盛；晚期，陆 源物质大量注入。湖盆萎缩，陆源碎屑沉积较为发育。 胜坨油田沙一段物源来自东北方向，沉积厚度明显受背斜构造控 制，构造顶部沉积薄，边部厚，地层一般厚1 8 0 2 5 0 m ，砂岩厚度也 有一定的变化，胜三区东部砂岩沉积厚度超过4 5 m ；沿构造顶部胜二 区方向，砂岩逐渐变薄；到胜一区砂岩又增厚至4 0 m 。 ( 3 ) 沙二沙三段沉积时期 沙二沙三段沉积时期，地层为湖相、三角洲相和河流相沉积， 是湖泊充填的过程。 沙二段下部中部沉积时期，东营盆地整体向上抬升，虽然气候 潮湿，雨量充沛，但隆起区物源丰富，河流携带大量陆源碎屑入湖形 成三角洲，从而导致湖水变浅，湖泊萎缩，随着三角洲不断向湖推进 和扩大，水系汇合，三角洲连片，形成多水系的复合三角洲。 沙二下沉积时期，胜利村地区受东辛隆起的影响，胜二区南部及 胜三区中部有两个小隆起，中间以鞍部相连，呈南北向延伸，构造高 点上沉积的地层薄，胜三区中部最薄1 2 0 m ( s t 3 - 5 - 8 2 ) 。胜二区南部 最薄1 1 2 m ( s t 2 一 3 7 ) 、向东、北、西3 个方向地层增厚至2 0 0 m 。 砂二下沉积时期，胜一区基本没有砂岩沉积，除了在第八砂层组 有粉细砂岩和第九砂层组有含生物砂质灰岩外，其余均为泥、灰质沉 积物，胜三区靠近物源，沉积较厚的砂岩，厚度在4 0 1 1 0 m 之间， 胜二区南部砂岩变薄，仅3 0 m 左右。此外，受水动力强度及局部古 地形变化的影响，砂岩厚度局部也有增厚减薄的特点。 沙三沉积时期，气候温暖。雨量充足，湖盆稳定沉降，是湖泊发 育最兴盛时期。湖区面积最大，沙三中沙三上则以灰色、褐灰色泥 岩为主，夹不规则砂岩透镜体。总的来看，该时期地层岩性主要为半 深一深湖相暗色泥岩，夹砂岩及大段油页岩，暗色泥岩厚达千米以上， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章胜坨油田地质概况 占该段地层总厚度的7 9 ，沙三下地层岩性以深灰、褐灰色湖相泥岩 为主，夹油页岩，沙三段是胜坨油田主要的生油层系，底部油页岩段 是区域标准层。 ( 4 ) 沙四段沉积时期 沙四段上部沉积一套厚约2 5 0 m 以上的灰质岩，其上部的地层岩 性为灰色泥岩、油页岩、灰质泥岩夹薄层白云岩、灰质粉沙岩、白云 岩中含油迹，地层电阻率为中一高阻，目前胜坨油田北部沙四段冲积 扇和浊积扇中发现了具有较高产能的油层。 沙四段中部为一套巨厚的浅灰色硬石膏层，深灰色泥岩夹薄层灰 黄色杂卤石，与钙芒硝层呈互层出现。 沙四段下部为浅灰色、杂色、灰白色砂砾岩地层，局部地区含少 量膏岩，为中高电阻层，其厚度为2 0 0 4 0 0 m ，直接与下伏的震旦、 前寒武系花岗岩接触嘲。 一 。 2 3 胜坨油田构造及断裂系统 2 3 1 胜坨油田的构造特征 胜坨地区主要构造系统( 图2 3 ) 由北部陡坡带断裂系统和中央 背斜构造带组成，北部陡坡带的结构非常复杂，总体上可以分为两套 断裂系统，一套为沿陈家庄凸起南侧古剥蚀面发育的陈南断裂带，另 一套断裂系统为陈南断层南侧凹陷盖层内发育的一套断裂体系。 ( 1 ) 北部陡坡带断裂系统 北部陡坡带主要由胜北断层及其上盘的滚动背斜构成，胜北断层 主体平面延伸近e w 向，从剖面上看，该断层上部较陡，倾角约7 0 0 左右，向下变缓与陈南断层连为一条断层，沿断层的逆牵引作用，在 上盘发育一大型逆牵引背斜构造。 这一套断裂带非单条发育，而由一系列断层以非常复杂但又有序 的方式组合，在断裂发育的主体区，断层的断距较大，断层的几何学 特征相对简单。但是，在断层消失部位及两条断裂的相互交错部位断 层的几何学特征变得相当复杂，表现为断裂频数增高，单条断层的断 宇国石油大学( 华东) 硕士论文第二章胜坨油田地质概况 距明显变小。 图2 - 3 胜坨油田沙二段顶面构造图 ( 2 ) 中央背斜鼻状构造带 中部背斜鼻状构造带包括坨庄、胜利村两个背斜构造和宁海鼻 状构造。 胜利村构造和坨庄构造是长期发育的同生断层胜北断层下降盘 上的逆牵引作用和塑性岩层流动形成的背斜构造。背斜构造由东( 胜 利村) 、西( 坨庄) 两个构造高点组成，中间以鞍部相连。宁海构造是 在宁海鼻状构造向南倾没的背景上，由于断层发育而形成的断块构 造。 坨庄背斜构造发育比较典型，伴生断层的下降盘，上部塑性层明 显加厚，上层构造也向伴生断层回倾，构造简单，倾角较平缓( 3 0 5 0 ) ， 断层落差5 0 l o o m 。坨状构造发育1 3 条断层，且多在构造西部和北 部，仅7 号断层( e w ) 过顶部，构造分割成南北两块，北为坨1 5 块， 构造相对较复杂，南为坨l 断块，构造比较完整。 胜利村构造中断层发育，共发育4 5 条断层，且集中发育在构造 顶部，断层落差大小悬殊，大者大于5 0 0 m ，小者数米到数十米，均 为正断层，倾角一般4 0 。6 0 0 ，大断层切割到深部时角度逐渐变缓， 背斜构造被多条断层分割为多断块，使胜利村构造分成9 个含油区块。 胜坨油田同一层位一般顶部构造相对平缓而翼部较陡：不同层位 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章胜坨油田地质概况 构造的形态基本相同，但构造的陡缓程度不同。东一段、东三段和沙 一段的构造相对平缓，构造倾角一般2 0 5 0 ；沙二段顶、沙二下顶和 沙三上顶的构造则逐渐变陡，构造倾角3 0 1 3 0 ，总的来看，胜坨油田 构造从上到下逐渐变陡，纵向上具有上缓下陡的特点( 表2 - 1 ) 。 表2 - 1 胜坨油田各区构造倾角表 胜二区胜三区 层位胜一区 顶部 翼部西翼顶部东翼 北翼 东一段 1 0 3 8 0 0 4 3 0 0 4 0 1 。2 2 0 1 7 东三段 2 0 1 5 1 0 2 0 沙一段顶3 0 1 5 2 。2 3 蜗j3 0 3 5 5 0 4 3 + 沙二段顶 3 0 3 0 3 0 4 0 2 0 4 0 7 0 7 3 0 1 0 5 0 4 3 。9 0 2 7 沙二下顶 4 04 0 5 2 +3 08 0 7 5 0 1 2 6 0 3 8 1 0 0 3 0 沙三上顶 5 0 4 3 3 0 3 5 9 0 2 77 0 4 7 9 0 2 7 1 3 5 ( 3 ) 宁海构造 宁海构造是在宁海鼻状构造向南倾没的背景上，由于断层发育而 形成的断块构造，平均单井钻遇断点在两个以上，围绕鼻状构造发育 两条主要断裂，即坨2 6 和坨9 4 两条二级断裂。两条主要断裂将宁海 构造切割成为3 个大的台阶，其地层发育及含油气情况差别都较大。 高台阶：即坨8 2 断块，是鼻状构造的主体，该块距物源最近，砂砾 发育，地层变薄，沙一段在不同程度上受到剥蚀，馆陶组直接超覆在 沙一段上：中台阶：中台阶包括坨2 4 断块和坨2 6 、坨9 4 两大断层的 夹缝带，坨9 4 断块沙二段以上地层微弱北倾，向下逐渐变为微弱南 倾，坨2 4 断块地层则以向东倾斜为主，中台阶含油层系较多但较分 散，油层也比较薄、以沙三中含油层系分布最广。低台阶：位于坨9 4 大断层及分支坨6 2 3 断层下降盘，该台阶内被坨6 2 、坨8 9 两个断 层切割为三个断块，即坨6 2 、8 9 、6 等三个断块。其中坨6 2 、坨8 9 两个断块含油气丰富，主要含油层系为沙二段至沙三顶部5 套含油层 系嘲】。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章胜坨油田地质概况 2 3 2 区块的断裂系统 ( 1 ) 断层的分级 胜坨油田断层产生时间、活动历史、落差大小和平面上的延伸长 度不同，将区块内断层划分为3 级。 i 级断层是东营凹陷坨庄一胜利村一永安镇二级构造带的主干断 层。这一断层产生时间早、落差大、延伸长，控制了胜坨构造的发生 与发展。油田北界的胜北l 号断层( 胜北弧形断层) 最早产生在沙四 早期，活动时间可延续到馆陶组，沙一段落差3 5 0 m ，发育到东营组 时最大落差5 0 0 m ，延伸长度5 0 6 0 k m 。 i i 级断层是划分胜一区、胜二区、胜三区以及区内断块的断层， i i 级断层的落差及延伸长度较一级小，但仍对地层沉积厚度有一定影 响，油田内二级断层共有1 8 条，其产生的时间不完全相同，沙一段 或沙二段沉积时期前产生7 条二级断层，东营组沉积时期产生1 1 条 二级断层，落差从十米到百米，i i 级断层将胜坨背斜构造切割为1 1 个含油区块。 i i i 级断层是断块内部或i i 级断层派生的小断层，相当于四级断 层，这一级断层产生较晚，落差也小，油田有3 9 条三级小断层，大 部分i i i 级断层产生在东营组沉积时期或以后，少数产生在沙一段沉 积时期，落差从数米到十余米，延伸一般小于3 k m ，i l l 级断层使油 田内部构造迸一步复杂化。 ( 2 ) 断层的构造样式 胜坨油田断裂系统发育多种构造样式，以坨3 0 为例，平面上主 干断层以弧形居多，次级断层多为平直状。组合样式有平行式、近雁 列式和斜交式。剖面上断层形态种类繁多，大致分为铲式，座椅式和 平面式3 种类型。 铲式断层剖面呈上陡下缓的形态，断面为向下降盘凹的曲面，不 仅规模较大的断层如胜北断层呈铲式，而且规模较小的断层也呈铲式 形态( 图2 5 ) 。 断块内部分主断层断面呈上陡、中缓、向下又变陡的形态，形似 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章胜坨油田地质概况 座椅，称其为座椅式断层。座椅式断层倾角的这种变化不仅与岩石的 图2 - 5 坨3 0 断块2 7 5 井3 1 1 3 井断层剖面图 原始破裂角有关，而且与上下岩层的岩性有关。当上部岩层岩性以脆 性的砂岩为主，中部以塑性的泥岩为主，而下部岩性又以脆性的砂岩 为主时，正断层在剖面上易形成上陡、中缓、向下又变陡的形似座椅 式的断层( 图2 6 ) 。 世 犍 囊 麓 图2 - 6 坨3 0 断块2 5 1 5 一1 0 0 井断层剖面图 平面式断层是指断层面呈平面状并且断层倾角较大的断层，这类 断层一般为主断层伴生的小断层。与其他断层相结合，在剖面上可组 合成阶梯状、“y ”字型、枝状等样式( 图2 7 ) 。 ( 3 ) 力学性质 断层的力学性质( 表2 2 ) ，一般可分为压性、压扭性、扭性、张 撕姗黧撇姗 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章胜坨油田地质概况 图2 - 7 坨3 0 断块2 3 3 6 井4 - - 3 6 井构造剖面图 表2 - 2 胜坨油田典型断裂力学性质表 断裂 井号肉眼观察镜下鉴定 地震剖 力学性质 名称面显示 见共轭剪切节两组裂缝有 3 - 4 - 3理泥岩挤压后粒 逆牵引现象， 逆牵引 胜度变细表面光滑，石英颗粒均见 现象见压扭性 北细腻。波状消光 断面波 1 微裂缝纵横 号3 - 2 - 9见摩棱岩，并有交错呈菱形块 不明显张扭性 变质沥青与稠油状石英见波状 消光 粘土矿物定 72 - 0 - 6泥岩波揉皱向排列，消光正牵引张扭性 方向一致 小断层和裂缝微裂缝为泥 l l3 - 8 - 1 8张扭性 发育为泥岩充填质灰质填充 3 - 5 - 1 1小断层延伸短断矿物无定向 1 2张扭性 面粗糙排列 53 - 1 0 - 1 3小断层 扭性、张性等5 种类型，断面的力学性质取决于地质历史时期中断面 上的直应力和剪应力的大小，如果剪应力为零，则断面为简单的张性 和压性；如果剪应力不为零，则断面为张扭性或压扭性。直应力的大 圳圳删嘶删硼伽伽埘删硼堋 e、螂搪举嚣 中国石油大学( 华东) 硕士论文第二章胜坨油田地质概况 小与研究点断层面的产状及有效地应力大小和方向有关，而有效地应 力又取决于地应力和地层压力，如果地应力越大，地层压力越小，则 有效应力值越大，直应力为正值，断层面呈现压性或压扭性；反之， 断裂面呈现张性或张扭性。 断层力学性质的复杂性也是导致断层附近套管损坏多样性的主 要力学因素，通过统计分析及有限元模拟，发现断层附近压性、压扭 性使套管局部径向载荷或点载荷增大，当径向载荷或点载荷超过了套 管的屈服极限，就会导致套管缩径变形或径向凹陷变形，如果上部岩 层为脆性砂岩，中部为塑性泥岩，下部同样为脆性砂岩时，由于岩性 差异或泥岩的塑性流动，套管容易在岩层界面处产生错断或弯曲变 形，当泥岩层厚度比较大，塑性流动比较强时候，套管就会沿着泥岩 流动方向发生弯曲或缩径变形；断层附近张性、张扭性减小了套管局 部径向载荷或点载荷，由于上覆岩层的压力不变，套管周向支撑力减 小增加了局部套管轴向载荷，尤其对于东营组储层胶结疏松、极易出 砂油藏，当出砂比较严重形成空洞时，往往导致套管局部弯曲变形或 套管连接丝扣处滑脱”。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第三章胜坨油田套管损坏统讳分析 第三章胜坨油田套管损坏统计分析 3 1 套管损坏主要地层及井别 胜坨油田自1 9 6 5 年投入正式开发，1 9 6 6 年开始注水开发，完井 方式主要是射孔完井，在个别渗透率较低的油井采用过裸眼完井和筛 管完井汹1 ( 图3 - 1 ) 。 国艮 b j ； j 薹 y 0 ；麓 j l 立 i ： 。- q 0 o o o 一 一 阔3 - 1 胜坨油田主要完井方式示意图 3 1 1 明化镇组馆陶组 胜坨油田明化镇馆陶组套管损坏受地层水影响比较大，套管损 坏以表层套管腐蚀穿孔为主，统计分析明化镇组1 0 6 口套损井，有 5 7 口发生腐蚀穿孔，馆陶组3 3 口套损井，有1 7 口发生腐蚀穿漏，腐 蚀造成明化镇组表层套管损坏所占比例达5 3 7 ，馆陶组为6 1 5 ( 图3 - 2 ) 。 胜坨油田从1 9 7 8 年改注含油污水，套管腐蚀速度有所加剧，从 1 9 8 4 年开始套管损坏数量急剧增加，套管腐蚀大大降低了套管屈服强 度，屈服强度的降低导致套管在相同载荷条件下更容易发生缩径变 形、弯曲等其它类型损坏。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第三章胜坨油田套管损坏统计分析 套损易损坏地层 图3 - 2 明化镇馆陶组套管损坏井数统计 明化镇馆陶组套管损坏井以油井为主，明化镇组1 0 6 口套损井， 其中油井7 5 口，水井3 l 口；馆陶组3 3 口套损井，其中油井2 6 口， 水井7 口，油水井比率分别为2 4 ：1 ，3 7 ：1 。 表层套管用于安装井口防喷器、隔离表层疏松地层、含水砂层及 防止泥浆漏失，因此，在地质复杂区域施工作业时，应该熟悉准确掌 握地层水及水文地质特征，避免由于表层套管损坏而造成的井漏。 表层套管损坏，不仅导致油水并不能正常生产造成经济损失，而 且造成地面返水，严重污染环境。s t 2 n 一9 3 、s t s 2 1 6 是二区注水井， 表层套管均发生损坏，导致地面返水，已经对周围的自然环境产生了 明显影响，分析表明这两口井表层套管损坏均由于浅层地下水腐蚀造 成的。 3 1 2 东营组沙一段 胜坨油田东营组沙一段套管损坏以套管的缩径、弯曲、错断为 主，东营组1 3 7 口油水井生产套管发生套管缩径、弯曲、错断的分别 为4 6 口、2 8 口、3 6 口，所占比例分别为3 3 6 、2 0 4 、2 6 3 ， 沙一段2 2 6 口套损井中生产套管发生缩径、弯曲、错断的井分别为1 0 5 口、5 9 口、4 7 口，所占比例分别为4 6 4 、2 6 1 、2 0 8 ( 图3 3 ) 。 东营组沙一段沉积时期套损井以油井为主，东营组1 3 7 口套损 井，其中油井9 6 口，水井4 l 口；沙一段2 2 6 口套损井中，油井1 4 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第三章胜坨油田套管损坏统计分析 口，水并8 5 口，油水井比率分别为2 3 ：1 ，1 7 ：1 。 套损易损坏地层 图3 - 3 东营组沙一段套管损坏井数统计 东营组油藏泥质含量4 1 5 ，油层胶结疏松，易出砂，目前 生产井中7 7 的井是通过机械防砂才能生产，油层出砂是疏松砂岩油 藏开发中的普遍问题，也是我国陆相碎屑岩储集层特别是渤海湾盆地 河道砂储层油藏开发面临的一个难题，大量出砂造成套管与岩层之间 形成空洞，从而改变了出砂部位套管周围的应力方式以及应力状态， 当应力改变超过了套管屈服极限时，套管就容易在轴向上发生弯曲变 形或错断，因此，东营组开发工艺上，应针对出砂、套损两个方面进 行防砂工艺与套损井治理工艺的综合研究与应用。 3 1 3 沙二段 沙二段是胜坨油田主力含油层系，开发时间长，现已经进入特高 含水期，沙二段发育1 5 个砂层组7 4 个小层，由于含油井段长、层间 差异大、非均质严重，套管损坏严重，截止到2 0 0 5 年6 月，沙二段 套损井总数为7 2 9 口，所占胜坨油田总套管损坏井的比例为5 5 4 ， 套管损坏主要以套管的缩径、弯曲、错断( 图3 4 ) 。 沙二段油井、水井套管损坏都比较严重，油井3 8 3 口，水井3 4 6 口，油水井比率为1 1 ：1 ，与馆陶组明化镇组和沙一段东营组相 比，套损井总数增加幅度比较大，注水井套管损坏数量也明显增大。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第三章胜坨油田套管损坏统计分析 套管易损坏地层 图3 4 沙二段套管损坏井数及类型 通过以上分析发现胜坨油田套管损坏主要层位为沙一、沙二段， 套损类型主要以生产套管的缩径、弯曲、错断为主，表层套管损坏主 要以腐蚀穿孔为主，由于腐蚀降低套管屈服强度而导致