油田套損機理研究與理論分析

王繼波 王哲 吳耀 馬帥 嚴博（寧夏西北三蘭石油開發(fā)有限公司，寧夏 銀川 750001）

隨著油田開發(fā)時間的延長，由于套管的原因?qū)е掠退荒苷Ｉa(chǎn)，油水井維修作業(yè)量和作業(yè)難度加大，直接生產(chǎn)成本大幅度增加，間接產(chǎn)量下降造成的損失更是巨大，對油田的開發(fā)效果造成巨大的影響。套損是國內(nèi)外油田亟待解決的一個至關(guān)重要的問題。

套管損壞絕大多數(shù)是很多原因疊加起來造成的，單一原因造成套管損壞，在套損井總井數(shù)中占極少數(shù)。歸納總結(jié)起來主要的影響因素，有油水井本身的質(zhì)量問題、油水井所在的地質(zhì)環(huán)境狀況、油水井建設和開發(fā)過程中的工程作業(yè)的影響、油水井所在環(huán)境中的腐蝕性的大小等。本文將逐個對這些原因進行分析。

1 油水井本身的質(zhì)量問題

油水井本身的質(zhì)量問題主要包括套管質(zhì)量不達標、井身結(jié)構(gòu)復雜等。

1.1 套管質(zhì)量不達標

在API Spec 5TC標準中，對套管質(zhì)量有嚴格的要求:材質(zhì)方面有化學成分、冶金質(zhì)量、力學性能、殘余應力等；加工精度方面有內(nèi)徑、外經(jīng)、壁厚、圓度、直度、螺紋參數(shù)、密封性能和結(jié)構(gòu)完整性。入井的套管在以上任何一個方面出現(xiàn)問題或是質(zhì)量達不到標準，都有可能會造成，套管的漏失、失穩(wěn)、斷脫、破裂等損壞情況的發(fā)生。

目前，國內(nèi)套管生產(chǎn)廠家多，質(zhì)量也是參差不齊，因為在選購油水井套管時，盡量選擇質(zhì)量有保障的大廠的產(chǎn)品。同時入井前一定要對套管的質(zhì)量進行系統(tǒng)的檢查，因為在一口井幾百根套管中，如果有一根套管出現(xiàn)問題，對于這口井來說套管就達不到其使用要求。

1.2 井身結(jié)構(gòu)復雜

由于井眼軌跡設計的要求、底層原因或鉆井施工中導致，目前大多數(shù)井井眼不規(guī)則和傾斜，井身結(jié)構(gòu)復雜。從理論上來說，套管在這種井身結(jié)構(gòu)復雜的井眼中，肯定是不居中的，由于套管本身具有一定的柔韌性，造成套管在井內(nèi)是以彎曲的狀態(tài)存在。這樣套管就存在應力集中，特別在狗腿度較大的井段，套管就會造成失穩(wěn)、變形、損壞。由于井身復雜，使套管在下井過程中，造成外表面摩擦嚴重，防腐層遭到破壞；套管變形使套管內(nèi)壁鈍化層消失，這樣套管內(nèi)外層金屬直接與腐蝕性介質(zhì)接觸，增加了套管的腐蝕速度。

因此建議在做新井工程設計時，井身設計盡量要簡單；鉆井過程中要嚴格按設計進行，不能因為工程的原因造成井身結(jié)構(gòu)的復雜；控制好泥漿參數(shù)，確保井壁順暢；下套管過程中控制好速度，減少套管外壁也地層的磨損。

2 油水井所在的地質(zhì)環(huán)境影響因素

目前油水井的深度從幾百米到幾千米不等，不同區(qū)域的油水井所在的地層情況也大有不同，但由地質(zhì)環(huán)境造成油水井損壞的因素，總結(jié)起來有一下幾種:地層泥巖吸水蠕變和膨脹造成套管損壞；產(chǎn)層出砂造成套管損壞；巖層滑動造成套管損壞；斷層活動造成套管損壞；鹽巖蠕變、坍塌造成套管損壞；地震造成套管損壞。由于井筒在地質(zhì)環(huán)境中處在應力集中的狀態(tài)下，這些地質(zhì)因素一但被引發(fā)，作用在套管上的應力就會產(chǎn)生巨大的變化，剛這種應力變化超過套管所能承受的極限時，套管就會變形損壞。各種地質(zhì)因素有時是單一變化，有時是相互影響共同作用，而且由于地質(zhì)因素引起的套損具有區(qū)域性，有時會對成片的油水井產(chǎn)生相同的破壞，對油田正常生產(chǎn)的威脅也是十分巨大的，因此對地質(zhì)影響因素的機理分析是非常有必要。

2.1 泥巖吸水蠕變和膨脹造成套管損壞

國內(nèi)外學者、專家，近些年來，對泥巖吸水蠕變和膨脹造成套管損壞的機理研究做了大量工作，也取得了一些新進展。提出了泥巖吸水蠕變、膨脹的數(shù)學計算模型，并通過地面模擬地層相同條件下的狀況進行實驗分析，通過數(shù)模計算和模擬實驗相結(jié)合的辦法，對泥巖吸水蠕變和膨脹造成油水井套管損壞機理，有進一步認識。在穩(wěn)定的地層中，如果泥巖含水量變大，會導致泥巖的流動速度的增加，進一步會使作用在油水井套管上的巖石蠕變載荷增大時間縮短變小。地應力在套管上的作用力是非均勻的，巖石蠕變載荷的增加使套管產(chǎn)生非均勻的變形，隨著時間的增加，載荷不斷增加，最終導致套管變形損壞。

2.2 產(chǎn)層出砂造成套管損壞

產(chǎn)層出砂多發(fā)生在，巖石顆粒膠結(jié)較弱的疏松砂巖層。近年來，對油層出砂造成套管損傷的機理研究較多，目前也有了較為普遍的認識:油層出砂首先發(fā)生在射孔孔眼附近，隨著油層不斷出砂，在射孔孔眼附近產(chǎn)生空洞，油層出砂量增大以后，會在油層段內(nèi)形成較大的空洞，最終占據(jù)整個油層厚度。這時油層內(nèi)的液體不斷被采出，油層內(nèi)由液體支撐的壓力逐漸減少。當油層上部蓋層的壓力大于油層段壓力，且該壓力超過了油層段巖石骨架支撐應力時，就會造成油層段巖石在空洞處垮塌，打破了原有的應力平衡，進而將壓力轉(zhuǎn)移到套管上，當作用在套管上的應力大于套管能承受的極限時，就會將套管擠壓變形或錯段。

2.3 巖層滑動造成套管損壞

巖層滑動造成的套管損壞的地質(zhì)基礎是，巖層中存在有較強吸水性的弱夾層。這些夾層的穩(wěn)定性差，其吸水后層內(nèi)巖石礦物質(zhì)的物理性能發(fā)生改變，強度變差，在上下較穩(wěn)定地層的擠壓下，弱夾層失穩(wěn)發(fā)生滑動。在正常情況下，這些弱夾層不吸水時是穩(wěn)定的，但當油田開發(fā)到一定階段需要注水補充能量時，隨著注水井壓力的不斷升高，注入水通過孔道或裂縫竄到弱夾層內(nèi)，使其吸水就會造成上述后果。因此巖層滑動造成套管損壞，主要發(fā)生在注水開發(fā)的油田。通過對由于高壓注水引起巖層滑動造成套損的案例進行研究總結(jié)得出以下結(jié)論:在同一注水井網(wǎng)內(nèi)，油井發(fā)生套損的時間要比水井早，而且套損是發(fā)生在同一層位的，相鄰井發(fā)生套破的時間很接近。

2.4 斷層活動造成套管損壞

從油田開發(fā)地質(zhì)資料來看，在開發(fā)區(qū)域內(nèi)，斷層是普遍存在的。在正常情況下，斷層是穩(wěn)定的不會對套管產(chǎn)生傷害。但有時候，由于地殼運動、地震或高壓注水作用等原因，使地下原有的平衡遭到破壞，地應力發(fā)生變化，使斷層由穩(wěn)定狀態(tài)變成了失穩(wěn)地層，其施加在套管上的應力發(fā)生變化，這種應力的變化是巨大的，有時遠遠超過套管所能承受的載荷，一般這種情況發(fā)生時，套管會被剪切的錯段，而且是成片發(fā)生。

2.5 鹽巖蠕變、坍塌和塑性流動引起套管損壞

鹽巖地層由于含有大量石鹽成分，其巖石性質(zhì)特殊，在鉆井過程中容易發(fā)生蠕動，造成井壁失穩(wěn)垮塌、卡鉆，如果固井質(zhì)量不好或是鹽巖地層不穩(wěn)定，鹽巖發(fā)生蠕變、坍塌或塑性流動時，套管被擠毀時有發(fā)生。學者們通過建立三維模型，對鹽巖蠕變產(chǎn)生的擠壓應力進行了研究。研究表明，套管在鹽巖地層中受到鹽巖蠕變作用，套管處于應力集中狀態(tài)，主要受環(huán)向應力作用，隨著時間增加，作用在套管上的應力也在增加，最后達到一個穩(wěn)定值，和上覆巖層的重量相同。如果該值超過套管承受極限，套管就會被擠毀。如果固井質(zhì)量較好，存在水泥環(huán)的話，由于水泥環(huán)不具有蠕動性，水泥環(huán)可以為套管抵擋較大的應力，對套管起到保護作用。

2.6 地震造成套管損壞

地震對套管的損壞主要是由于發(fā)生地震時，地應力發(fā)生變化重新調(diào)整達到一個新的平衡。在這個過程中，如果在現(xiàn)有井筒區(qū)域，地震等級較高，射放的能量較大時，地層會發(fā)生較大變化，可產(chǎn)生新的斷層或裂縫。在巨大的應力作用下，套管會被剪切、擠壓或拉伸損壞。地震對套管的損壞具有不可預見性，而且這種情況在國內(nèi)外油田中出現(xiàn)過。

3 套損的工程因素

地質(zhì)因素是客觀存在的因素，往往在其他因素引發(fā)下成為套損的主導因素。鉆井過程中的固井質(zhì)量，固井過程中套管拉伸、壓縮等因素，采油工程的注水，地層改造中的壓裂、酸化，是誘發(fā)原本客觀存在的、穩(wěn)定的地質(zhì)因素產(chǎn)生破壞性地應力的主要原因，是套損井產(chǎn)生的導火索，因此，對工程因素的研究非常重要，它是產(chǎn)生套損最直接的原因，也是油田開發(fā)過程中，人們最容易控制和掌握的因素。

3.1 固井質(zhì)量問題

固井是一口井在交付甲方開發(fā)前的最重要的一個環(huán)節(jié)，因為固井質(zhì)量的好壞，直接影響了該井能否滿足后期開發(fā)的需求。固井水泥環(huán)是保護套管最直接的盔甲，它使套管與復雜的地層環(huán)境不直接接觸，起到了隔離保護作用。固井質(zhì)量的好壞直接影響了套管的壽命。影響固井質(zhì)量好壞的因素主要有一下幾個方面:鉆井的井眼質(zhì)量、溫度、層間壓差；固井水泥是否與該地區(qū)地層巖性匹配、水泥質(zhì)量是否達標；水泥漿的密度；固井前環(huán)空沖洗及循環(huán)情況等。

由于固井質(zhì)量差，造成套管損壞主要表現(xiàn)在一下幾個方面:水泥返高不夠，在水泥混漿面附近，水泥、地層水、地應力和套管共同形成了管外水泥宏電池，對該段套管進行電化學腐蝕，隨著時間的延長，最終會導致該段套管腐蝕穿孔損壞；固井過程中是由密度低的鉆井液或清水，驅(qū)動密度較大的水泥漿進行循環(huán)，這樣勢必會造成套管內(nèi)外壓差，套管外流體的靜壓力在套管鞋上產(chǎn)生向上壓縮力，套管內(nèi)壓力產(chǎn)生向下重力，當兩個力差別很大時，套管實際處于壓縮狀態(tài)，因此在井眼擴大部分或水泥不適當部分出現(xiàn)套管彎曲。固井水泥候凝時溫度變化大。由于井眼不規(guī)則或固井時存在混漿井段，在封固井段內(nèi)，水泥漿候凝期間放熱不均勻，溫度的變化使套管熱脹冷縮，導致套管變形破裂。

3.2 射孔對套管損壞的影響

套管在射孔前處于一個平衡狀態(tài)，當射孔以后原有的平衡被打破，在孔眼處應力集中。致使套管抗擠壓和抗內(nèi)壓的強度降低。引起套管破損的主要形式可分為兩類:一類是由外擠力引起的射孔套管失穩(wěn)破壞，另一類是由軸向拉力和內(nèi)壓力引起的套管強度破壞。對以上兩種破壞形式，學者們也做了大量研究工作，得到以下結(jié)論:（1）無槍射孔對套管產(chǎn)生的傷害要比有槍射孔大的多。（2）常規(guī)射孔孔密在12孔/m以下時，對套管的損害很少，孔密在12孔/m-30孔/m之間時，套管抗擠壓失穩(wěn)強度將降低4%-5%，孔密在30孔/m時，抗擠壓失穩(wěn)強度將降低10%。（3）射孔孔眼排列情況對套管的損害程度是不同的，直線排列對套管損害大，螺旋排列對套管損害小。（4）射孔對套管的損傷與射孔段處對應的固井質(zhì)量有關(guān)，固井質(zhì)量越好損害越小，在油層段處的固井質(zhì)量一般都不好。隨著射孔技術(shù)的不斷發(fā)展，射孔對套管的損害也會越來越小。

3.3 注水引起套管損壞的機理

在油田注水開發(fā)過程中，由于注水原因?qū)е绿坠軗p害的機理是很復雜的綜合問題。通過對前人的研究成果進行分析、總結(jié)一下幾點:

3.3.1 注水壓力不斷升高是一個主要因素，壓力升高以后，地層的孔隙壓力也相應的升高，導致井筒周圍的地應力增加，使原本平衡的應力狀態(tài)，發(fā)生改變，這種改變會誘發(fā)各種地質(zhì)因素的變化，如斷層活動、地層滑動等，最終套管被損壞；

3.3.2 注入水進入泥巖或鹽巖，使泥巖或鹽巖產(chǎn)生膨脹或蠕變，造成套管損害；

3.3.3 注入水與地層水不配伍或注入水水質(zhì)不達標，導致地層堵塞，注水壓力增加，注水壓力不斷增加，地層又不能吸收這種能量，會在井筒內(nèi)部造成壓力過大，最終能量會在整個井筒的薄軟環(huán)節(jié)釋放，導致該處套管被損害。在注水開發(fā)區(qū)，由于注入水的作用，地應力、孔隙壓力、地層重力和泥巖膨脹的體積力，在一定條件下都可能使套管變形。但在不同的開發(fā)區(qū)塊，不同的開發(fā)階段，不同的油水井工作制度下，作用于套管井使之變形的力是不同的，但只要有一種力大于套管的強度，套管就會變形。

4 套損的腐蝕的因素

在油氣田的開發(fā)過程中，腐蝕是一個伴隨始終的問題。套損問題中，腐蝕因素占有很大比重。金屬腐蝕是指金屬與它所處的環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生化學、電化學或者物理溶解作用引起的變質(zhì)和破壞，其中也包括上述因素與機械因素或生物因素的共同作用，從其的機理來分，可以分為以下幾類:電化學腐蝕、化學腐蝕、物理腐蝕、細菌腐蝕、應力腐蝕等。但對于油氣井環(huán)境下套管腐蝕的常見類型主要有:H2S腐蝕、CO2腐蝕、CO2-H2SCl-復雜環(huán)境下的腐蝕、細菌腐蝕、管外宏電池腐蝕、沖刷腐蝕、疲勞腐蝕。

對于以上腐蝕類型的機理研究，國內(nèi)外都做了大量工作，目前其腐蝕機理也研究的很清楚。在此就不做詳細介紹。在腐蝕機理研究工作的基礎上，目前國內(nèi)外在套管防腐方面取得了不少進展:

4.1 建立起不同腐蝕環(huán)境下的套管材質(zhì)優(yōu)選體系；

4.2 套管外加電流陰極保護技術(shù)；

4.3 套管環(huán)氧冷纏帶犧牲陽極保護技術(shù)；

4.4 緩蝕劑的應用技術(shù)；

4.5 防腐蝕表面處理技術(shù)；

4.6 耐腐蝕材料開發(fā)技術(shù)。隨著這些技術(shù)的不斷進步，對于套管防腐工作取得了不少成果。

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