基于地應(yīng)力的套管強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計方法

王建龍， 張衛(wèi)東， 劉學(xué)松， 劉新華， 張艷增

(1.中石油渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300450； 2.中國石油大學(xué)〈華東〉石油工程學(xué)院，山東 青島 266655； 3.中石化勝利油田地質(zhì)研究所，山東 東營 257000)

東辛油田屬于典型的復(fù)雜斷塊油藏，斷層多，斷裂系統(tǒng)復(fù)雜，進(jìn)入特高含水期開發(fā)階段，油水井套管損壞嚴(yán)重。套損統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，斷層附近和油層附近的泥巖夾層處套管損壞比例高達(dá)65%。除復(fù)雜的地質(zhì)因素之外，也體現(xiàn)出了傳統(tǒng)套管強(qiáng)度設(shè)計方法(未考慮地應(yīng)力的作用)在泥巖夾層和斷層附近的不適應(yīng)性。因此，本文以東辛復(fù)雜斷塊油藏套損井資料和地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，研究了斷層附近、油層附近的泥巖夾層處套管損壞機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，建立了一套適合斷層和泥巖夾層的基于地應(yīng)力的套管強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計方法，為減緩泥巖夾層和斷層附近套管損壞現(xiàn)象提供理論指導(dǎo)。

1 泥巖夾層和斷層附近套管損壞機(jī)理分析

1.1 泥巖夾層處套損機(jī)理

東辛油田油層附近泥巖夾層套管損壞嚴(yán)重，以營8斷塊為例，在統(tǒng)計的86個套損點(diǎn)中，油層附近泥巖夾層套損點(diǎn)為48個，占比55.8%。

斷塊油氣田注水初期，注入水在砂巖儲層的孔隙中是流動的，巖石的強(qiáng)度沒有發(fā)生變化，并且在水泥的作用下，套管與地層成為一個整體，此時基本不會產(chǎn)生異常地應(yīng)力；但是，隨著注水時間的延長，注入水竄到泥巖夾層中時，泥巖會吸水軟化膨脹，隨著時間的推移，膠結(jié)力消失，形成的軟化區(qū)域相當(dāng)于用鉆頭擴(kuò)大成一個“新井眼”[1-4](圖1)，此時套管與地層的整體性分離，隨著泥巖的吸水蠕變膨脹，套管將承受非均勻地應(yīng)力的擠壓作用。當(dāng)“等效破壞載荷”值大于套管屈服強(qiáng)度時，套管發(fā)生橢圓變形或錯段。

圖1 泥巖水化前后套管受力圖

如東辛油田DXX11-67井，如圖2所示，1730～1760 m段地層巖性為泥巖，由于吸水蠕變造成1758 m套管損壞。據(jù)測定該井在泥巖夾層處的最大、最小水平應(yīng)力為42和31 MPa。計算得承受這種非均勻地應(yīng)力作用的套管抗均勻外擠強(qiáng)度為119.8 MPa，而實際下入的N80套管抗外擠強(qiáng)度為76 MPa，遠(yuǎn)不能滿足強(qiáng)度要求。

圖2 DXX11-67井微電極測井示意圖

1.2 斷層附近套損機(jī)理

東辛油田斷層處套損現(xiàn)象更為嚴(yán)重，以營8斷塊為例，統(tǒng)計的68口套損井中，斷層附近套損42口，淺部、中部斷層附近套損主要以變形為主，深部斷層附近套損主要以錯段為主。通過現(xiàn)場資料和理論分析認(rèn)為斷層附近套損原因主要是斷層形成產(chǎn)生的異常應(yīng)力，擠壓套管造成套損。

正斷層發(fā)生時三向主應(yīng)力的大小應(yīng)該滿足庫侖-摩爾準(zhǔn)則，即：

(1)

(2)

式中：σv——垂向地應(yīng)力，MPa；σh——最小水平地應(yīng)力，MPa；σH——最大水平地應(yīng)力，MPa；φ——斷層面巖石內(nèi)摩擦角，(°)；C——斷層面巖石內(nèi)聚力，MPa；v——泊松比，無量綱；UCS——巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；Kp——摩爾-庫侖活度系數(shù)，Kp=(1+sinφ)/(1-sinφ)。

逆斷層發(fā)生時三向主應(yīng)力的大小應(yīng)該滿足庫侖-摩爾準(zhǔn)則，即：

σh=v(Kp+1)σv+vUCS

(3)

σH=Kpσv+KPUCS/(Kp+1)

(4)

當(dāng)斷層活動停止時，假設(shè)上覆巖層壓力不變，且斷層面上的巖石內(nèi)聚力C=0，則正斷層、逆斷層三向主應(yīng)力應(yīng)分別滿足下列方程。

正斷層活動停止時三向主應(yīng)力的大小應(yīng)該滿足：

σh=σv(1-sinφ)/(1+sinφ)

(5)

σH=2σvv/(1+sinφ)-vUCS/Kp

(6)

逆斷層活動停止時三向主應(yīng)力的大小應(yīng)該滿足：

σh=v(Kp+1)σv+vUCS

(7)

σH=Kpσv+KPUCS/(Kp+1)

(8)

東辛油田井B在1539 m處鉆遇2級斷層，受斷層形成的影響，斷層附近應(yīng)力異常。利用測井資料和室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)計算得，鉆遇斷點(diǎn)處σv=33.5 MPa，UCS=18 MPa，φ=26°，v=0.24。求得σH=72.8 MPa，σh=24.5 MPa，σH/σh=2.97。承受這種非均勻地應(yīng)力作用的套管抗均勻外載強(qiáng)度Pc′=148.7 MPa，而實際下入N80套管抗外擠強(qiáng)度為76 MPa，遠(yuǎn)不能滿足強(qiáng)度要求。

采油過程中該井在1524.8和1561.3 m兩處套變。該區(qū)塊淺部地層斷層傾角較小，且基本不受注水的影響，所以斷層滑移的可能性很小。統(tǒng)計套損層與斷面之間的關(guān)系證實，淺部斷層附近套損與斷層滑移無關(guān)。因此，斷層形成產(chǎn)生的異常應(yīng)力是該井?dāng)鄬痈浇讚p的主要原因。

2 基于地應(yīng)力的套管強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計方法

以上分析表明，異常地應(yīng)力作用是導(dǎo)致泥巖夾層、斷層附近套管損壞的主要因素。大量的套管損壞事實證明，套管與水泥環(huán)體系的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于斷層滑移的剪切應(yīng)力[5-9]。因此，斷層附近基于地應(yīng)力的套管強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計的條件是：斷層附近套管只受斷層形成產(chǎn)生的異常地應(yīng)力作用。

2.1 等效破壞載荷

一般情況下，套管在泥巖夾層段、斷層處承受的外擠應(yīng)力是非均勻的。然而，在非均勻外擠應(yīng)力作用下，套管的抗外擠強(qiáng)度大打折扣。因此，為了定量分析套管在承受非均勻外擠應(yīng)力的作用下，抗外擠強(qiáng)度的變化，提出“等效破壞載荷”[3，10]的概念，即認(rèn)為套管抵抗各種外壓能力是正比于徑向分布外壓圖形所包含的面積。

(9)

式中：Pc——等效破壞載荷，MPa；a——橢圓形載荷的最大值，MPa；b——橢圓形載荷的最小值，MPa。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，套管強(qiáng)度降低的程度取決于橢圓形載荷的比值K(K=a/b)[4，12]。K值越小，強(qiáng)度降低的越多。

2.2 優(yōu)化方法與步驟

(1)根據(jù)目標(biāo)井的地質(zhì)資料確定油層附近的泥巖夾層和鉆遇斷點(diǎn)垂深H。

(2)利用公式(9)計算出泥巖夾層和斷層處的Pc和系數(shù)K。

(3)根據(jù)目標(biāo)井的井深結(jié)構(gòu)設(shè)計，初選套管尺寸、鋼級、壁厚，進(jìn)而確定套管力學(xué)參數(shù)。

(4)利用等效破壞載荷與套管屈服強(qiáng)度、徑厚比、橢圓載荷軸比的關(guān)系[13-15]，計算所需套管壁厚t。

(10)

式中：Yp——套管屈服強(qiáng)度，MPa；K——短軸與長軸的比值；D——套管外徑，mm；t——套管壁厚，mm。

(5)如果所選鋼級中有壁厚規(guī)格滿足等于或大于壁厚t的條件，則選用。

(6)如果所選鋼級中壁厚規(guī)格不滿足等于或大于t的條件，則利用API套管抗外擠強(qiáng)度公式，計算這種壁厚套管在均布載荷下的套管抗外擠強(qiáng)度Pc′。

(11)

(7)根據(jù)計算結(jié)果，最終確定套管類型。

2.3 參數(shù)確定

2.3.1 泥巖夾層參數(shù)確定

東辛復(fù)雜斷塊油田大量的套管損壞井?dāng)?shù)據(jù)表明，油層段的套損大部分集中泥巖夾層膠結(jié)面附近，距離油層50 m左右。因此，本論文提出以泥巖夾層底界為計算深度值H。然后上下各延伸50 m，作為下入設(shè)計套管深度的頂界和底界。

泥巖夾層套管的外載與地應(yīng)力成正比，比值以K1、K2表示。

(12)

即：

a=K1σH；b=K2σh；K=b/a

式中：σ0、σ90——與σH成0°和90°方向的套管外載的最終穩(wěn)定值，MPa。

2.3.2 斷層附近參數(shù)確定

在統(tǒng)計的大量因斷層導(dǎo)致的套損井中，98%套損位置集中在鉆遇斷點(diǎn)深度上下30 m之內(nèi)。因此，提出以鉆遇斷點(diǎn)深度為計算深度值H，然后以斷點(diǎn)深度為基準(zhǔn)上下延伸30 m，作為下入設(shè)計套管的頂界與底界。

3 結(jié)論與建議

油田開發(fā)過程中，注水引發(fā)的地應(yīng)力異常是導(dǎo)致泥巖夾層和斷層處套管損壞的主要原因，傳統(tǒng)的套管強(qiáng)度設(shè)計方法在這兩個層段適應(yīng)性較差。因此，基于異常地應(yīng)力提出了一套適應(yīng)泥巖夾層和斷層處套管強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計方法。但是，該設(shè)計方法還未進(jìn)行現(xiàn)場試驗，建議下一步在套管損壞嚴(yán)重的斷塊油田開展先導(dǎo)試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果對設(shè)計方法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，最終形成一套完整的適應(yīng)泥巖夾層和斷層的套管強(qiáng)度設(shè)計新方法。

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