基于超星发现系统的套管损伤现状计量学分析

郑永香



基于超星发现系统的套管损伤现状计量学分析

郑永香

(西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500)

套管损伤是影响油田正常生产的主要原因之一。随着开发年限的增长，油田套管损伤越来越严重。科研工作者对套管损伤开展了大量的研究。本文基于套损研究文献，首先对套损现状进行了总结；然后基于文献计量学方法，采用超星发现系统对套损现状进行计量学分析。通过分析总结，得到了当前套损研究的主要内容和热点；通过计量学方法得到了套损研究的趋势、套损研究的作者、机构、期刊来源和基金支持情况。文章对于清晰把握套损研究内容和追踪套损研究热点具有指导性意义。

计量学分析；套管损坏；研究现状；超星发现系统

套管损坏是影响油田产量的主要因素之一。目前国内大多油田都出现了严重套损现象。据报道，大庆油田、胜利油田、延长油田、塔里木油田和青海油田等均出现了严重的套损现象。套管损坏致使油水井关井，影响井网布置和地层压力的调节，这增大了油田实现稳产高产目标的难度。套损会严重影响油田的正常生产，因此科研机构和油田企业针对套损现象进行了大量研究。

文献计量学是借助文献的各种特征的数量，采用数学与统计学方法来描述、评价和预测科学技术的现状与发展趋势的图书情报学分支学科[1]。文献计量学可以对某一研究领域进行系统性的把握，了解该研究领域的研究热点和研究方向，了解该领域的研究机构和研究人员，对于后期的文献查阅和研究开展具有指导意义，同时对于论文投稿方向的确定也具有直接的指导意义。针对于套损研究，目前尚未有学者采用计量学方法来对套损现状进行统计分析。因此本文分析了套损研究的现状，并基于超星发现系统，对套管损伤研究的现状进行了统计分析。

一、套损研究现状

套损检测技术用于检测套损是否发生、确定套损程度的方法。最常用的方法是根据铅模来判断套损部位和套管的变形情况，但是铅模是在某一部位进行打铅模，不能确定套管的整体变形情况[2]。多臂井径成像测井仪可用于探测套管的破坏类型和变形程度，克服铅模的局限性[3]。但是多臂井径成像技术对于套管的腐蚀和孔洞不敏感，而套管损伤探测仪采用电磁探伤技术，可以清晰地探测到套管的损伤程度[4]。损伤探测技术主要用于探伤，其采用电磁探头，易受到井下干扰，对于套管变形检测精度不高。因此，多采用多臂井径成像技术和电磁探伤成像技术结合，以提高套损检测的精度[5]。随着套损检测技术的成熟，套损实时监测技术对于套损的早期发现和套损的控制和预防提供了极大的帮助。套损实时监测技术主要有光纤传感器监测技术、基于压电材料的监测技术、基于钻杆检测的套管磨损监测技术、套损磁法监测技术和套损声发射监测技术[6]。此外还可以通过井下电视得到套损图像，爨莹等人对得到的套损图像，采用灰熵加权关联分析方法和Zernike矩算子进行图像处理，得到套损的变形破坏程度。套损的监测对于控制套损发生和防止套损恶化具有重要的意义，套损检测技术可以有效地确定套损情况，但是套损的实时监测技术仍旧需要进一步发展。

套损机理的研究是套损研究的重点。引起套损的因素错综复杂，主要可以分为地质因素、工程因素和腐蚀因素[7-10]。套管损伤根据破坏类型，可以分为剪切破坏、拉伸破坏和挤压破坏[11]。随着多场耦合技术的发展，套损研究大多基于流固耦合技术分析地层在注水和多相流条件下的响应，认为油藏开采过程中渗流场的变化会引起地层应力场重新分布的变化，引发引力集中作用于套管-水泥环-地层系统。同时应力场的变化反作用于地层的渗流参数变化[12]。刘性全认为套管与地层的强度参数差异，在受力情况下，岩石进入压缩状态，而套管强度高，在相同应变情况下，引发应力转移向套管，引起套管损坏[13]。于献彬研究了套管参数对套管挤压力的影响，研究发现套管强度越大，套管受到的挤压力越强[14]。

随着稠油热采技术和蒸汽吞吐技术的发展，高温注入的温度条件对地层的影响不能忽略。黄小兰等基于温度-应力耦合方法，研究了温度场对套管挤压的破坏规律[15]。为了实现三场耦合，纪佑军将温度场与渗流场通过粘温曲线联系，渗流场和应力场采用有效应力联系，建立温度—渗流—应力三场耦合模型。考虑温度场对套损的影响，可以很好地解决热采和蒸汽吞吐过程中的套损分析问题。

对于套损研究的方法，根据研究手段的不同，可以分为三类：现场实验法、数值模拟法和不确定性分析方法。宋杰等采用XMAC测井仪对井下的地层应力、强度参数进行实测以分析套损井周围的应力特征。研究发现，套损井周围主应力、破裂压力升高，泊松比偏大，而剪切模量变小，主应力方位也发生了偏转[16]。但是由于现场试验难度较大，数值模拟成为研究套损的基本方法。代立强[12]、刘性全[13]、于献彬[14]等基于流固耦合理论，采用有限元方法对套管损伤进行模拟。除有限元方法外，其他的数值模拟方法也应用于套损分析。陈天愚等通过摩擦元，研究地层滑移过程中抗滑能力的非线性衰减，研究地层倾角、地层压力等因素对套损的影响[17, 18]。杨凤香采用控制容积法研究套损问题，控制容积法较有限单元法具有理论公式简洁，意义明确的特点；同时比有限差分法的数值稳定。数值模拟方法针对简单的地层条件可以有效地模拟地层的多场耦合过程，但是地层条件多属于复杂地层，套损的发生具有时变性、不确定性和模糊性，因此有学者提出在数值模拟无法满足复杂条件下的套损模拟的情况下，采用唯相方法，对套损进行不确定性分析，可以有效预测和控制套损的发生。周延军采用粗糙集理论和支持向量机结合的方法，确定影响因素和响应结果之间的关系，对套损进行动态预测[19]。张亮针对储层的多因素条件，建立层次结构模型，采用层次分析法，定量计算各因素的影响权重，以分析判别套损的发生情况[20]。

多场耦合研究可以较为真实地模拟地层在流体作用下的响应，但是研究初期大多未考虑流体对岩体的力学性质的影响。泥岩吸水蠕变就是一种典型的岩体遇水强度降低的例子。黄小兰对不同含水条件下的力学参数进行测定，研究发现，随着含水增加，泥岩的弹性模量和抗压强度降低，而泥岩的蠕变变形和稳态速率增加[21]。张金成基于实验数据，回归分析得到了泥岩蠕变本构关系的参数，将得到的参数用于数值模拟[22]。韩来聚认为基于应力准则的套损评判标准未考虑套管的塑性应变累积，提出套管的应变设计准则，考虑循环荷载下的套管的累积塑性应变[23]。由于地层复杂，砂泥岩互层明显，以及窜水后水侵入泥岩等因素，类似于泥岩蠕变等岩体非线性变形研究是当下仍旧需要解决的问题，目前尚处于实验和理论研究阶段。

此外对于套管损坏后的修复技术，也有学者进行技术上的研究。王陶针对套管的补漏技术，讨论了挤水泥、下封隔器和下胀管补贴等技术[24]。李涛讨论了高温高压下的膨胀管技术，指出管材、连接螺纹、密封件和膨胀锥是该工艺的主要难点[25]。老井的套损修复技能够节约换套成本，具有较高的经济效益。“老油田套损井膨胀管修复恢复产能技术”被评为中国石油勘探开发研究院的2007年度十大科技成果[26]。

综上所述，套损研究在现场实践中主要有套损监测和套损修复；理论研究中主要采用多场耦合方法对套损井周围的应力应变场进行分析确定套管的挤压力和变形情况。现场研究可操作性强，但是不能从根源上控制套损的发生，主要采用修复办法。而理论研究尚处于基础阶段，对于复杂的地质条件，套损的基础理论仍具有局限性。

二、数据的文献计量学分析

1. 文献总量统计与研究发展趋势分析

采用“套损”或“套管损伤”组合在超星发现系统进行检索，共检索到相关3 815条结果，共被引10 737次，篇均被引次数为2.814次，其中王仲茂等编著的《油田油水井套管损坏的机理与防治》被引次数最多，为324次。国内套损研究的学术成果最早于1973年发表，为玉门油田管理局采油科学研究所发表的《井下套管补贴技术》，探讨了套管损坏的内因和外因。各类文献包括图书、期刊、学位论文、会议论文、专利和科技成果，统计结果于表1。

表1 套损各类型学术发展趋势（来源：超星发现）

图1给出了自1973年以来各类型套损研究成果年总量的发展趋势图，根据成果总量可以得到套损研究的发展趋势，套管损坏研究的发展趋势可以分为三个阶段。

1973年到2000年期间，套损研究成果年均10.7项，有关套损研究从无到有：1973-1980年年平均成果为0.875项，1981年到1990年年平均成果为7.5项，1991年到2000年年平均成果为21.8项。可以看出，2000年之前的发展趋势属于稳定慢速上升阶段，随着油田生产中套损问题增多，套损研究逐渐引起重视。

图1 套损研究成果的发展趋势图（来源：超星发现）

2000年以后套损研究得到了快速发展，2001年到2010年十年间，年平均成果数为169.3项，年平均成果数为上一阶段15.8倍。期间，2001到2005年五年间成果数快速上升，2005年到2010年成果数保持稳定，维持在年均200项左右。

2010年后套管损坏研究成果又一次上升，由于2016年尚不能确定全年成果数，故统计2011年到2015年期间的数据。五年间年平均成果数为295.4项，较上一阶段增长74.5%，其中2014年达到最高值334项，2015年成果数有所回落，为174项。

图2为套损研究各类型成果的发展趋势图，从图中可以看出各类型成果的发展趋势与总体类似，期刊论文发展迅速，套损的研究成果以期刊文章为主，其他类型数量差距不大。经统计，检索到期刊文献2419篇，学位论文515篇，专利成果357项，会议论文285篇，科技成果76项，出版图书19部。期刊论文在经历峰值后逐渐回落，并将稳定在一个较高值。其他类型的研究成果从2000年后基本上保持稳定，且处于较高水平。但是专利成果从2010年以来保持快速增长，说明套损的研究成果已经更多的应用与现场实践，成果转化速度加快。

由分析可得，套损研究自2000年以来得到了快速发展，且在近5年内达到最高水平。由于套损研究对于生产具有重要的指导意义，因此套损研究的热度仍将持续，将维持在较高的稳定水平，今后五年有关套损年均研究成果应维持在200项以上。

图2 套损研究文献统计量（来源：超星发现）

2. 作者与研究内容分析

（1）套损研究作者数据分析

以研究作者为对象，统计作者研究套损所取得的成果量。表2为研究成果大于15项的作者。分析得到，套损研究最多的作者是刘建军，成果量为35项。成果数大于20的有5位，大于15的有6位。12位作者的平均成果数为20.5项，整体处于较高水平。

图3为作者机构的分布情况，可以看出套损研究主要集中于高校，中国石油大学、西南石油大学（原西南石油学院）、东北石油大学（原大庆石油学院）和长江大学占据了前五名中的四个名额，企业中，大庆油田对套损研究的成果最多。此外，高校和科研院所中西安石油学院、中科院和武汉工业学院对套损也开展了一定的研究工作。由此可知，对于套损的研究，由于套损的行业性特点，研究主要集中于石油类院校和石油企业，企业依托于高校合作展开套损研究是套损研究的主要合作方式。

表2 套损研究作者统计表（来源：超星发现）

图3 作者单位统计分布（来源：超星发现）

（2）作者研究方向分析

分析成果量前六位作者的研究方向，可以了解套损的研究现状和主要方向。图4给出了前六位作者的研究方向。刘建军的研究关键词为：注水井、渗流、流固耦合、石油工程和数值模拟；王凤祥为：大港油田、油水井、修复、预防措施和预防对策；任丽华为：大港油田、地应力、油水井、修复、预防对策；杨春和为：石油工程、渗流、数值模拟、流固耦合和注水井；刘合为：大庆油田、维修、模型、修井和应力波；林莉莉为：大港油田、预防、预防对策、油水井和修复。

从研究内容来看，预防（预防措施）词频为5次，油水井（注水井）词频为4次，维修（修复）出现词频为4次。可见，套损研究主要针对油水井，研究的目的多指向于实际生产，以达到预防套损井的产生，并且对套损井进行修复。

从作者的研究方向来看，刘建军和杨春和属于高校及科研院所研究人员，其研究内容主要指向于理论研究，可以看出，当前套损研究的主要方法是通过渗流和应力场耦合的流固耦合分析，通过数值模拟对套损机理进行分析。而王凤祥、任丽华、刘合与林莉莉等属于企业研究人员，分别为大港油田和大庆油田，其研究成果多指向于现场实际，重点关注套损的预防措施和修复方法。因此，套损研究可以分为理论研究方向和现场实际方向。理论研究多注重于分析套损发生的机理、开发方式引起的地层力学响应等，主要是采用理论推导建立模型，通过数值模拟推演套管损坏的过程。而现场研究方向则主要针对套损发生的具体原因，提出相应的防控措施，降低套损发生率。分析发现，现场多通过定性方式对套损防控方法进行探讨，并不能完全控制套损发生。而理论研究目前尚不能完全应用于复杂的地层条件，更多的是基于理论研究，对套损进行理论指导工作。将理论研究与复杂的地质条件相结合，是套损研究的难点之一。

图4 作者研究方向分布（来源：超星发现）

3. 套管损坏研究基金分析

表3 基金来源统计

图5 基金来源统计

由于地层的复杂性，套损机理与套损防治研究比较复杂，研究难度大，且研究成果具有实际的经济效益。因此套损研究获得了各项基金的支持。由表3可知，基金支持的套损研究共取得了168项成果，其中国家自然科学基金支持项目产生61项成果，占基金支持成果的36%；科技部国家科技计划项目产生59项成果，占基金支持成果的35%；国家教育部基金支持项目产生15项成果，占比为9%；省市基金项目共计产生33项成果，占比为20%。可以看到，套损研究得到了国家和各省市基金的大力支持，产出了较多的成果。套损研究具有现实性、紧迫性和经济性。

4. 期刊来源分析

分析期刊来源可以确定该研究领域的主要期刊，并且可以为研究人员的文献查阅和投稿提供一定的参考。对搜索条件下得到的结果期刊来源进行排序，来源前20位的期刊统计表如表4所示。

从表中可以看出，发表套损研究最多的期刊是《内蒙古石油化工》，发表套损研究最多的核心期刊是《石油钻采工艺》。根据中国知网期刊评价信息的数据，《内蒙古石油化工》2016年复合影响因子为0.090，综合影响因子为0.041；《石油钻采工艺》2016年复合影响因子为1.023，综合影响因子为0.765，套损研究的主要期刊的影响因子总体偏低。另一方面，前20种期刊中，只有7种为核心期刊，占比35%，前20种期刊文章总数为1195篇，核心期刊文章为411篇，占比为34.3%，核心期刊文章数量偏低。分析原因，影响因子较低的期刊主要刊登现场实用技术和经验，说明套管研究以现场成果较多，经文献阅读可发现，套损研究成果主要集中于现场的定性总结和理论指导。鉴于地层和生产条件的复杂性，目前尚没有精确的套损机理理论。今后的研究方向应该为：在结合现场实际的基础上，更多的关注套损机理研究。

表4 期刊来源统计表

三、结论

本文基于套损研究文献，首先对套损现状进行了总结；然后基于文献计量学方法，采用超星发现系统对套损现状进行计量学分析。得到以下主要结论：

第一，套损研究在现场应用方面主要集中于套损监测和修复，现场预防套损的定性方法不能够从根本上解决套损问题；套损理论研究主要采用数值模拟方法和不确定性方法，数值模拟方法主要基于多场耦合理论计算套管周围的挤压应力判断套管损坏。

第二，近年来套损研究成果量呈指数上升，近两年趋于稳定，根据数量变化趋势，可分为三个阶段。套损研究将维持在较高的稳定水平，预计今后五年有关套损年均研究成果应维持在200项以上。

第三，研究作者可分为科研院校和油田企业。院校作者多注重于套损理论研究，而企业作者更关注于能够指导现场生产的先进方法。

第四，套损研究得到了国家和各省市基金的大力支持，产出了较多的成果。套损研究具有现实性、紧迫性和经济性。

第五，套损研究的期刊来源中，数量前20的期刊总体影响因子较低，核心期刊占比仅为35%。套损成果现场技术占比较大。今后的研究方向为：在结合现场实际的基础上，更多的关注套损机理研究。

[1]吴秀平，张振华，罗晓燕.基于文献计量的生态化学计量学文献分析[J].冰川冻土，2016， 38（03）：811-818.

[2]刘合，刘建东，卓胜广.大庆油田嫩二成片套损的地质控制因素[J].石油学报，2006（05）：135-138.

[3]宋杰，刘建中，范玉霞. 40独立臂井径成像测井仪在套损检查中的应用[J].测井技术，2003（02）：155-158.

[4]沈鹏征，马桥斌.套管损伤探测仪信号噪声和干扰的分析与解决方法[J].电子测试，2012（10）：77-81.

[5]张洪，李得信，杨西娟.套损检测技术在青海油田的应用[J].测井技术，2012（01）：56-62.

[6]潘一，张立明，杨双春.套管损伤实时监测技术进展[J].地球物理学进展，2014（05）：2231-2237.

[7]陈论韬，孙思平，杨安虎.温米油田套管损坏原因分析及预防措施[J].石油钻采工艺，2008（02）：118-121.

[8]张清兵，赫娟，任强燕.油水井套管损坏的原因及预防措施[J].油气田地面工程，2011（02）：91-92.

[9]俞忠宝，郭学辉，余海棠.延长油田套损原因分析及防治措施探索[J].内蒙古石油化工，2015（14）：45-47.

[10]陶剑，黄志云，马德材. 稠油热采井生产复杂问题及整改措施[J].内蒙古石油化工，2016（Z1）：123-126.

[11]刁顺，杨春和，刘建军.渗流诱发套损机制与数值计算[J].岩土力学，2008（02）：327-332.

[12]代立强，刘宝玉，刘先贵.计算套损的弹塑性流固耦合数学模型及算例[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2003，22（03）：323-325.

[13]刘性全，徐海，毕传萍.应用流固耦合理论研究套损机理[J].西安石油大学学报.自然科学版， 2007，22（02）：129-132.

[14]于献彬，陈晓清，纪佑军.基于数值模拟的套管受力单因素分析[J].西南石油大学学报（自然科学版），2015（04）：127-134.

[15]黄小兰，冒海军，刘建军. ANSYS软件在注水井套损预测中的应用[Z].大连：20045146-5150.

[16]宋杰.砂岩油藏地应力及岩石力学参数与套管损坏相关性[J].地质力学学报，2014（03）：324-330.

[17]陈天愚，刘殿魁.套损问题影响因素分析[J].哈尔滨工程大学学报，2004，25（01）：104-107.

[18]陈天愚，刘殿魁.油田注水产生浸水域的数值模拟及参数确定[J].哈尔滨工业大学学报，2004（03）：375-377.

[19]周延军，贾江鸿，李荣华.基于粗糙集理论和支持向量机的套管损坏动态预报方法[J].中国石油大学学报（自然科学版），2010（06）：71-75.

[20]张亮，姜洪福，黄彦铭.基于层次分析法的油田套损定量研究[J].物探化探计算技术，2011（04）：440-445.

[21]黄小兰，杨春和，刘建军.不同含水情况下的泥岩蠕变试验及其对油田套损影响研究[J].石力学与工程学报，2008（S2）：3477-3482.

[22]张金成.盐岩地层套管蠕变荷载试验及其数值分析[J].中国石油大学学报（自然科学版），2009（01）：115-119.

[23]韩来聚，贾江鸿，闫振来.基于应变的热采井套管设计方法[J].中国石油大学学报（自然科学版），2014, 38（03）：68-72.

[24]王陶，杨胜来，朱卫红.塔里木油田油水井套损规律及对策[J].石油勘探与开发，2011(03）：352-361.

[25]李涛.高温高压套损井膨胀管修复技术[J].石油勘探与开发，2015（03）：374-378.

[26]中国石油勘探开发研究院2007年度十大科技成果[J].石油勘探与开发，2008（02）：125.

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 年度十三五国家重大科技专项——“页岩气复杂介质多场耦合渗流模型研究”，项目编号：2017ZX05037001。

郑永香（1991— ），河北邢台人，西南石油大学地球科学与技术学院，在读博士研究生。

TE931.2

A

1008—6129（2018）06—0048—08