葛玟希多大:濮城油田套管损坏机理与防治方法研究

   摘要  油层套管损坏将严重影响注水油田的有效开发。通过对濮城油田套管损坏的原因的研究与分析，造成濮城油田套管损坏的主要影响因素是由于地应力场以及位移场的变化、固井质量差、射孔引起的套管损伤以及油田开发过程中的施工、注水等原因造成的，本文通过对套管损坏的形成机理进行了深入分析研究，并得出切合油田开发实际的认识和建议，对套管损坏的防治工作具有重要指导意义。
主题词   套管损坏  地应力   固井质量     油田开发   
引   言
濮城油田自1979年投入开发以来，由于受到“三高”的影响，其油水井的井下技术状况逐年变差，事故井逐年上升，目前全油田油水井中仍有非报废套损井238口，占总井数的15.4%，套损井占事故井的比例高达80.1%。套损井的存在造成注采井网损坏，水驱控制程度和水驱控制储量降低，层间矛盾加剧，油水井增产增注措施无法实施，严重制约了油田的高效开发。 
1  套管损坏的主要因素及其机理
从矿场实际调查中看出，引起套管损坏是多种因素综合作用的结果。这些因素可分为地质、工程和其它等三个方面。地质因素往往包括：泥岩吸水膨胀和蠕变、现代地壳的运动和地震、储集层沉积压实、地层出砂、盐岩层塑性流动的影响等。工程技术因素常包括：射孔的影响、固井质量的影响、不合理的注水开发、采油作业的影响、套管强度计算及井身结构设计不合理、套管钢材质量的影响等多方面。其它因素则包括磨蚀、施工不合理等一些因素。通过对濮城油田套管损坏的研究，造成濮城油田套管损坏的主要影响因素有四类，一是现代地壳运动和地应力改变造成泥岩、膏盐层塑性流变蠕动以及断层活动对套管的挤压、剪切作用[1]；二是固井质量差。引起井身结构抗压强度减弱引起的套损；三是射孔对套管的结构损伤引起的套损；四是油田开发过程中作业施工、高强度注水、流体腐蚀等原因造成的套管损害。在套管损伤影响因素所占的比重中，地应力场以及位移场的变化因素占24.1%，固井质量差因素占30.4%，射孔因素占28.9%，油田开发过程中的施工、注水等影响因素占16.6%。
1.1  地应力场以及位移场变化的影响
由于地层间或层内不同岩性岩石的物理特性、力学特性和地层孔隙压力异常等方面的差异，造成层间及层内地应力分布的非均匀性。地应力大小是随地层性质变化的，濮城油田构造带地应力来源主要是上覆地层压力以及构造运动产生的构造力，不同性质的地层由于其抵抗外力的变形性质不同，因而其承受的构造力也不同。现代地应力的高应力区具有的较大地应力会对套管产生比较大的外挤力，特别是地层最大、最小水平主应力比值较大时更易损坏套管。在地层层面附近和断层附近，作用在套管柱上的横向推挤压力和横向位移会发生明显变化，当地层倾角比较大时，会产生比较大的剪切力挤毁或错段套管，断层附近地应力更集中，由于断层活动引起的套管损坏机会更多。
东濮凹陷下第三系沙河街组为盐湖沉积带，濮城背斜构造发育了沙一下到沙三段三套盐膏层，分布面积广、厚度大，岩盐密度通常介于2.15-2.2g/cm3之间。由于沉积压实作用，沉积岩密度一般随埋深的增加而增加，当岩盐埋深超过1000米时，其密度便可小于上覆岩层和围岩的密度而处于重力不稳定状态。在沉积压实等综合作用下，盐膏层容易产生塑性流变蠕动，会对套管产生正向挤压和剪切作用，产生的非对称挤压力是上覆地层压力的2-3倍，当超过套管抗压强度时，使套管发生变形、弯曲、甚至错断。统计濮城油田历史上的355口套损注水井，有256口井套损点位于井深1800-2400m之间，主要是受到膏岩层塑性流变蠕动的影响（表1）。


由于濮城油田断块构造复杂、断层多且小、地层倾角大，更容易产生构造运动以及岩层地应力的方向改变。在注水开发过程中，注入水窜入断层破碎带后，容易造成断层复活，从而使地层滑动挤压套管使之变形、错断。目前濮城油田有27.2%的注水井套损点处于断层破碎带上。统计分析盐层倾角与套损率、盐层厚度与套损率的影响关系表明，盐层厚度越大、地层倾角越大，套管损坏几率越高（表2）。

 通常采用双轴应力套管强度设计方法以及井身结构设计中对特殊井段套管强度考虑欠缺，套管强度值设计过低，在2000m井段使用的大多是J55*7.72mm的油层套管，而实际上该井段附近发育着的盐膏层极易对套管挤压使之变形、错断。
1.2  固井质量差对套管损的机理分析
固井质量不好会造成套管间窜槽，若某一井段没有水泥环时，更易造成套管处于自由状态，容易使地层流体接触腐蚀套管，而且会减弱套管向地层岩石传递压力，易使套管受挤压损伤[2]。
通过研究发现，套管固井质量完好时套管截面应力是均匀的，固井水泥环可以减小和延缓地层围岩对套管的作用，改善套管受力状况，延长套管使用寿命，当水泥环出现缺失时，随着水泥环缺陷角度的增加，套管的有效应力和应力集中系数随之增加，随着水泥环缺陷角度增加到150-180°之间时而达到最大值，使套管承载能力最大可以降低到原设计承载能力的一半。若套管由于各种原因造成不居中时，套管水泥环偏心会引起套管截面内应力的非均匀性，在相同内压和地应力条件下，套管居中与偏心时的套管有效应力相差10-15%，水泥环有效应力相差20%甚至一倍，因此固井套管不居中会明显降低套管承载能力，对水泥环破坏效应更大并影响套管承载能力。
研究发现，随着水泥环弹性模量的减小，套管水泥环抗均匀外载的强度会减弱，而随着水泥环的厚度增加，套管抗均匀外载的强度会增加，但增加不明显，因此水泥环弹性模量的大小也是影响套管承载能力和使用寿命的重要影响因素。
濮城油田沙三段深层、高压、低渗透油藏54口套损井中有14口是在固井质量差的井段发生破损、套漏，占该油藏套损井总数的25.9%。
1.3  射孔导致套管损坏机理分析
近年来油田开发中射孔层段套管损坏井的数目呈现上升趋势，主要原因是射孔后射孔孔眼改变了套管结构，可能使套管产生射孔裂纹，当套管受外力作用后，孔眼周边会产生应力集中而降低套管的抗挤压能力，在井下动载荷的作用下，射孔裂纹有可能会扩展而发生套管破裂损坏。
根据对射孔参数的研究，在其它参数不变情况下，随着孔密、孔径、射孔相位角的增大，套管内的应力逐渐增大并呈近似线性变化规律，套管抗压强度逐渐降低，射孔相位在180°时套管抗压强度最小，而且不同材料型号的套管其屈服强度不同，N80套管屈服强度明显小于P110套管，射孔数量多的套管屈服强度明显小于射孔数量少的套管。
目前油田在深层低渗油藏多采用深穿透射孔技术射孔，射孔工作压力更高，更容易使套管产生射孔裂纹，同时重复射孔井的比例不断增加，2003年油田补孔68次，重复射孔达23次，占35%。目前油田注水压力越来越高，高压、超高注水井比例不断上升，油田增产大型措施如压裂规模和数量越来越大，都容易产生很大的井底动载荷，更易造成射孔段油层套管损坏。
1.4 油田开发过程中作业施工、注水方式选择以及套管保护不到位等导致套损机理分析
钻井过程中下套管不按操作规程上扣以及钳牙咬伤套管，均会使套管损伤。
压裂作业施工时油层套管部位的压裂液工作压力有时高达60Mpa以上，往往超过N80型（壁厚9.17mm、抗内压强度64.6 Mpa）、J55型（壁厚6.2-6.98mm、套管强度21.93-28.4 Mpa）的承载能力[3]，从而使套管接箍和丝扣以及固井质量差的井段的套管产生变形和破裂。开发过程中长期流体腐蚀会极大地降低套管承载能力，酸化作业时排酸不及时会加重套管腐蚀程度而导致套管穿孔、漏失。在使用封隔器、丢手等井下工具时，由于要施加很大的压力使工具座封，容易挤压、损伤套管。在作业打捞、磨洗落物过程中，也容易损伤套管。在注水方式选择不合理、注水压力升高、注水量增加情况下，若套管保护措施不当，井底注水压力极易超过套管的耐压能力而造成套管破损。
2  套管损害防治思路与办法
根据套管损害影响因素及其形成机理研究，综合油田开发实际，制定出切实可行的套损防治思路。
2.1  利用测井资料获取岩石力学参数，根据分层地应力解释模型分析层内或层间地应力大小，同时结合岩芯实验数据、水利压裂资料以及套管变形的长短轴数据反演获取单井纵向地应力大小，划分危险井段。依据平面上膏岩层发育分布状况、断层分布以及构造状况，确定平面地应力高值区。通过地应力研究，严格按照分层地应力计算数据，以套管外挤力作为套管强度设计依据，设计出合理井身结构，确保泥膏岩层段的套管强度要求，当现有套管满足不了强度要求时，可采用特厚套管和局部双层组合套管。
2.2  根据现有钻井技术状况，充分优化钻井参数，严格控制井身质量，降低井径扩大率；使用套管扶正器，防止套管与地层的接触，使套管居中，保证水泥环胶结均匀；优化钻井液、完井液配伍参数，提高钻井液护壁性能和完井液顶替效率；固井中优选水泥浆体系，提高水泥环弹性模量，进行自由段水泥封固（采用高密度水泥浆封固下部地层，低密度水泥浆上返至井口实现全部套管封固），充分提高套管抗挤强度，增强套管防腐蚀能力。
2.3  建立套管射孔参数对产能和套管强度的影响规律，在射孔井段套管易损坏段，综合考虑射孔参数以及近井地带污染状况，为获得最大产能和较高套管强度，优化射孔参数组合，并为套管井身结构设计提供合理依据，延长套管使用寿命。
2.4  结合油田开发生产工艺技术状况，优化作业施工工序，提高施工质量，减轻套管损坏程度；制订合理生产制度，加强套管防腐，应用先进井下工具，加强套管保护，进一步延长套管寿命。
3  预防套管损坏的措施和建议
（1）研究设计适合于油田目前阶段的井身结构，搞清楚是否需下技术套管，提高封固高度，钻开危险段的专用泥浆等。
（2）提高套管丝扣的密封性。周期性紧扣是提高套管丝扣连续封密性的最有效措施，其实质是通过上提、加载、紧扣的反复多次作业，直到该丝扣接头多次承载后丝扣拧紧为止。
（3）提高钻井、井下作业施工质量和固井质量
（4）预测地层应力。为防止套管损坏，首先要预测地层应力。地层应力超过套管临界压力的层段为套管变形危险层段，应采取相应的措施。
（5）在泥岩蠕变带采用综合措施以防止套管损坏。
（6）考虑套管因素，确定油田合理的注水压力、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术状况监测系统，有预见性的进行专门的地面测量和井下综合测试，掌握和认识套管损坏和各种影响因素间的关系，及早采取防治措施。
4  几点认识
通过对濮城油田油水井套管损坏机理的研究和分析，弄清了濮城油田套管损坏的原因和机理，并取得了以下几点认识。
（1）引起套管损坏的因素很多，总体上可分为即地质因素、工程技术因素和其它因素的影响。套管损坏不是单一因素造成的，而是许多因素综合作用的结果。
（2）固井质量差和钻井施工质量不良直接影响油水井套管的使用寿命。
（3）套管强度的设计方法及套管钢材质量的优劣是影响套管损坏的一个重要原因。
（4）随着油田开发程度的加深，套管损坏几乎成为一种普遍规律，而复杂断块油藏、存在岩盐层剖面的油藏套管损害的程度更大。
（5）要针对不同的套管损坏形成机理进行充分研究，建立完善的套管技术状况监测系统，防治结合，尽量避免和减轻套管损坏。
参考文献：
1、宋治，油层套管损坏原因分析及预防措施[J]，石油学报，1987，（2）
2、刘锦信等 ，中原油田科技论文集（1979-1995）[M]，石油工业出版社（北京），1995
3、梁治明，材料力学[M]，高等教育出版社（北京），1986
4、中原油田2002年科研成果选编[M]， 中原油田分公司科技部，内部资料 2003.8
文章出处：（中原油田分公司采油二厂） 文章作者：冯战功 杨永超