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濮城油田套管損壞機理與防治方法研究

摘要  油層套管損壞將嚴重影響注水油田的有效開發(fā)。通過對濮城油田套管損壞的原因的研究與分析，造成濮城油田套管損壞的主要影響因素是由于地應力場以及位移場的變化、固井質量差、射孔引起的套管損傷以及油田開發(fā)過程中的施工、注水等原因造成的，本文通過對套管損壞的形成機理進行了深入分析研究，并得出切合油田開發(fā)實際的認識和建議，對套管損壞的防治工作具有重要指導意義。
主題詞   套管損壞  地應力   固井質量     油田開發(fā)
引   言
濮城油田自1979年投入開發(fā)以來，由于受到“三高”的影響，其油水井的井下技術狀況逐年變差，事故井逐年上升，目前全油田油水井中仍有非報廢套損井238口，占總井數的15.4%，套損井占事故井的比例高達80.1%。套損井的存在造成注采井網損壞，水驅控制程度和水驅控制儲量降低，層間矛盾加劇，油水井增產增注措施無法實施，嚴重制約了油田的高效開發(fā)。
1  套管損壞的主要因素及其機理
從礦場實際調查中看出，引起套管損壞是多種因素綜合作用的結果。這些因素可分為地質、工程和其它等三個方面。地質因素往往包括：泥巖吸水膨脹和蠕變、現代地殼的運動和地震、儲集層沉積壓實、地層出砂、鹽巖層塑性流動的影響等。工程技術因素常包括：射孔的影響、固井質量的影響、不合理的注水開發(fā)、采油作業(yè)的影響、套管強度計算及井身結構設計不合理、套管鋼材質量的影響等多方面。其它因素則包括磨蝕、施工不合理等一些因素。通過對濮城油田套管損壞的研究，造成濮城油田套管損壞的主要影響因素有四類，一是現代地殼運動和地應力改變造成泥巖、膏鹽層塑性流變蠕動以及斷層活動對套管的擠壓、剪切作用[1]；二是固井質量差。引起井身結構抗壓強度減弱引起的套損；三是射孔對套管的結構損傷引起的套損；四是油田開發(fā)過程中作業(yè)施工、高強度注水、流體腐蝕等原因造成的套管損害。在套管損傷影響因素所占的比重中，地應力場以及位移場的變化因素占24.1%，固井質量差因素占30.4%，射孔因素占28.9%，油田開發(fā)過程中的施工、注水等影響因素占16.6%。
1.1  地應力場以及位移場變化的影響
由于地層間或層內不同巖性巖石的物理特性、力學特性和地層孔隙壓力異常等方面的差異，造成層間及層內陸應力分布的非均勻性。地應力大小是隨地層性質變化的，濮城油田構造帶地應力來源主要是上覆地層壓力以及構造運動產生的構造力，不同性質的地層由于其抵抗外力的變形性質不同，因而其承受的構造力也不同?，F代地應力的高應力區(qū)具有的較大地應力會對套管產生比較大的外擠力，特別是地層最大、最小水平主應力比值較大時更易損壞套管。在地層層面附近和斷層附近，作用在套管柱上的橫向推擠壓力和橫向位移會發(fā)生明顯變化，當地層傾角比較大時，會產生比較大的剪切力擠毀或錯段套管，斷層附近地應力更集中，由于斷層活動引起的套管損壞機會更多。
東濮凹陷下第三系沙河街組為鹽湖沉積帶，濮城背斜構造發(fā)育了沙一下到沙三段三套鹽膏層，分布面積廣、厚度大，巖鹽密度通常介于2.15-2.2g/cm3之間。由于沉積壓實作用，沉積巖密度一般隨埋深的增加而增加，當巖鹽埋深超過1000米時，其密度便可小于上覆巖層和圍巖的密度而處于重力不穩(wěn)定狀態(tài)。在沉積壓實等綜合作用下，鹽膏層容易產生塑性流變蠕動，會對套管產生正向擠壓和剪切作用，產生的非對稱擠壓力是上覆地層壓力的2-3倍，當超過套管抗壓強度時，使套管發(fā)生變形、彎曲、甚至錯斷。統計濮城油田歷史上的355口套損注水井，有256口井套損點位于井深1800-2400m之間，主要是受到膏巖層塑性流變蠕動的影響（表1）。

由于濮城油田斷塊構造復雜、斷層多且小、地層傾角大，更容易產生構造運動以及巖層地應力的方向改變。在注水開發(fā)過程中，注入水竄入斷層破碎帶后，容易造成斷層復活，從而使地層滑動擠壓套管使之變形、錯斷。目前濮城油田有27.2%的注水井套損點處于斷層破碎帶上。統計分析鹽層傾角與套損率、鹽層厚度與套損率的影響關系表明，鹽層厚度越大、地層傾角越大，套管損壞幾率越高（表2）。

通常采用雙軸應力套管強度設計方法以及井身結構設計中對特殊井段套管強度考慮欠缺，套管強度值設計過低，在2000m井段使用的大多是J55*7.72mm的油層套管，而實際上該井段附近發(fā)育著的鹽膏層極易對套管擠壓使之變形、錯斷。
1.2  固井質量差對套管損的機理分析
固井質量不好會造成套管間竄槽，若某一井段沒有水泥環(huán)時，更易造成套管處于自由狀態(tài)，容易使地層流體接觸腐蝕套管，而且會減弱套管向地層巖石傳遞壓力，易使套管受擠壓損傷[2]。
通過研究發(fā)現，套管固井質量完好時套管截面應力是均勻的，固井水泥環(huán)可以減小和延緩地層圍巖對套管的作用，改善套管受力狀況，延長套管使用壽命，當水泥環(huán)出現缺失時，隨著水泥環(huán)缺陷角度的增加，套管的有效應力和應力集中系數隨之增加，隨著水泥環(huán)缺陷角度增加到150-180°之間時而達到最大值，使套管承載能力最大可以降低到原設計承載能力的一半。若套管由于各種原因造成不居中時，套管水泥環(huán)偏心會引起套管截面內應力的非均勻性，在相同內壓和地應力條件下，套管居中與偏心時的套管有效應力相差10-15%，水泥環(huán)有效應力相差20%甚至一倍，因此固井套管不居中會明顯降低套管承載能力，對水泥環(huán)破壞效應更大并影響套管承載能力。
研究發(fā)現，隨著水泥環(huán)彈性模量的減小，套管水泥環(huán)抗均勻外載的強度會減弱，而隨著水泥環(huán)的厚度增加，套管抗均勻外載的強度會增加，但增加不明顯，因此水泥環(huán)彈性模量的大小也是影響套管承載能力和使用壽命的重要影響因素。
濮城油田沙三段深層、高壓、低滲透油藏54口套損井中有14口是在固井質量差的井段發(fā)生破損、套漏，占該油藏套損井總數的25.9%。
1.3  射孔導致套管損壞機理分析
近年來油田開發(fā)中射孔層段套管損壞井的數目呈現上升趨勢，主要原因是射孔后射孔孔眼改變了套管結構，可能使套管產生射孔裂紋，當套管受外力作用后，孔眼周邊會產生應力集中而降低套管的抗擠壓能力，在井下動載荷的作用下，射孔裂紋有可能會擴展而發(fā)生套管破裂損壞。
根據對射孔參數的研究，在其它參數不變情況下，隨著孔密、孔徑、射孔相位角的增大，套管內的應力逐漸增大并呈近似線性變化規(guī)律，套管抗壓強度逐漸降低，射孔相位在180°時套管抗壓強度最小，而且不同材料型號的套管其屈服強度不同，N80套管屈服強度明顯小于P110套管，射孔數量多的套管屈服強度明顯小于射孔數量少的套管。
目前油田在深層低滲油藏多采用深穿透射孔技術射孔，射孔工作壓力更高，更容易使套管產生射孔裂紋，同時重復射孔井的比例不斷增加，2003年油田補孔68次，重復射孔達23次，占35%。目前油田注水壓力越來越高，高壓、超高注水井比例不斷上升，油田增產大型措施如壓裂規(guī)模和數量越來越大，都容易產生很大的井底動載荷，更易造成射孔段油層套管損壞。
1.4 油田開發(fā)過程中作業(yè)施工、注水方式選擇以及套管保護不到位等導致套損機理分析
鉆井過程中下套管不按操作規(guī)程上扣以及鉗牙咬傷套管，均會使套管損傷。
壓裂作業(yè)施工時油層套管部位的壓裂液工作壓力有時高達60Mpa以上，往往超過N80型（壁厚9.17mm、抗內壓強度64.6 Mpa）、J55型（壁厚6.2-6.98mm、套管強度21.93-28.4 Mpa）的承載能力[3]，從而使套管接箍和絲扣以及固井質量差的井段的套管產生變形和破裂。開發(fā)過程中長期流體腐蝕會極大地降低套管承載能力，酸化作業(yè)時排酸不及時會加重套管腐蝕程度而導致套管穿孔、漏失。在使用封隔器、丟手等井下工具時，由于要施加很大的壓力使工具座封，容易擠壓、損傷套管。在作業(yè)打撈、磨洗落物過程中，也容易損傷套管。在注水方式選擇不合理、注水壓力升高、注水量增加情況下，若套管保護措施不當，井底注水壓力極易超過套管的耐壓能力而造成套管破損。
2  套管損害防治思路與辦法
根據套管損害影響因素及其形成機理研究，綜合油田開發(fā)實際，制定出切實可行的套損防治思路。
2.1  利用測井資料獲取巖石力學參數，根據分層地應力解釋模型分析層內或層間地應力大小，同時結合巖芯實驗數據、水利壓裂資料以及套管變形的長短軸數據反演獲取單井縱向地應力大小，劃分危險井段。依據平面上膏巖層發(fā)育分布狀況、斷層分布以及構造狀況，確定平面地應力高值區(qū)。通過地應力研究，嚴格按照分層地應力計算數據，以套管外擠力作為套管強度設計依據，設計出合理井身結構，確保泥膏巖層段的套管強度要求，當現有套管滿足不了強度要求時，可采用特厚套管和局部雙層組合套管。
2.2  根據現有鉆井技術狀況，充分優(yōu)化鉆井參數，嚴格控制井身質量，降低井徑擴大率；使用套管扶正器，防止套管與地層的接觸，使套管居中，保證水泥環(huán)膠結均勻；優(yōu)化鉆井液、完井液配伍參數，提高鉆井液護壁性能和完井液頂替效率；固井中優(yōu)選水泥漿體系，提高水泥環(huán)彈性模量，進行自由段水泥封固（采用高密度水泥漿封固下部地層，低密度水泥漿上返至井口實現全部套管封固），充分提高套管抗擠強度，增強套管防腐蝕能力。
2.3  建立套管射孔參數對產能和套管強度的影響規(guī)律，在射孔井段套管易損壞段，綜合考慮射孔參數以及近井地帶污染狀況，為獲得最大產能和較高套管強度，優(yōu)化射孔參數組合，并為套管井身結構設計提供合理依據，延長套管使用壽命。
2.4  結合油田開發(fā)生產工藝技術狀況，優(yōu)化作業(yè)施工工序，提高施工質量，減輕套管損壞程度；制訂合理生產制度，加強套管防腐，應用先進井下工具，加強套管保護，進一步延長套管壽命。
3  預防套管損壞的措施和建議
（1）研究設計適合于油田目前階段的井身結構，搞清楚是否需下技術套管，提高封固高度，鉆開危險段的專用泥漿等。
（2）提高套管絲扣的密封性。周期性緊扣是提高套管絲扣連續(xù)封密性的最有效措施，其實質是通過上提、加載、緊扣的反復多次作業(yè)，直到該絲扣接頭多次承載后絲扣擰緊為止。
（3）提高鉆井、井下作業(yè)施工質量和固井質量
（4）預測地層應力。為防止套管損壞，首先要預測地層應力。地層應力超過套管臨界壓力的層段為套管變形危險層段，應采取相應的措施。
（5）在泥巖蠕變帶采用綜合措施以防止套管損壞。
（6）考慮套管因素，確定油田合理的注水壓力、注意保持油藏的注采平衡。
（7）建立一套完善的油水井套管技術狀況監(jiān)測系統，有預見性的進行專門的地面測量和井下綜合測試，掌握和認識套管損壞和各種影響因素間的關系，及早采取防治措施。
4  幾點認識
通過對濮城油田油水井套管損壞機理的研究和分析，弄清了濮城油田套管損壞的原因和機理，并取得了以下幾點認識。
（1）引起套管損壞的因素很多，總體上可分為即地質因素、工程技術因素和其它因素的影響。套管損壞不是單一因素造成的，而是許多因素綜合作用的結果。
（2）固井質量差和鉆井施工質量不良直接影響油水井套管的使用壽命。
（3）套管強度的設計方法及套管鋼材質量的優(yōu)劣是影響套管損壞的一個重要原因。
（4）隨著油田開發(fā)程度的加深，套管損壞幾乎成為一種普遍規(guī)律，而復雜斷塊油藏、存在巖鹽層剖面的油藏套管損害的程度更大。
（5）要針對不同的套管損壞形成機理進行充分研究，建立完善的套管技術狀況監(jiān)測系統，防治結合，盡量避免和減輕套管損壞。
參考文獻：
1、宋治，油層套管損壞原因分析及預防措施[J]，石油學報，1987，（2）
2、劉錦信等，中原油田科技論文集（1979-1995）[M]，石油工業(yè)出版社（北京），1995
3、梁治明，材料力學[M]，高等教育出版社（北京），1986
4、中原油田2002年科研成果選編[M]，中原油田分公司科技部，內部資料 2003.8

文章出處：（中原油田分公司采油二廠）

文章作者：馮戰(zhàn)功楊永超

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