蘇北油田CO2 驅(qū)油注氣井套管錯斷原因分析及治理

曹力元

（中國石化華東油氣分公司泰州采油廠，江蘇 泰州 225300）

CO2驅(qū)油作為三次采油的一種方法，可以大幅提高采收率。CO2作為驅(qū)油劑，在降低地層原油黏度的同時，能夠擴大原油波及體積，降低油水界面張力，可應用于水驅(qū)開發(fā)難度較大的低滲透油藏［1-8］。蘇北草舍油田泰州組油藏CO2驅(qū)先導試驗于2005年開始實施，取得了較好的開發(fā)效果，在其他低滲透油藏也進行了大規(guī)模推廣。

注氣井油層套管是CO2氣體進入地層的通道，既能支持井壁，又能起到聯(lián)系地表和地下的作用。一旦發(fā)生套管錯斷，會導致注氣井停注，影響正常生產(chǎn)。注氣井套管錯斷問題己經(jīng)成為影響油田生產(chǎn)的重要問題，制約了CO2驅(qū)油技術的進一步推廣。因此，急需對CO2驅(qū)油注氣井套管錯斷原因進行分析，并制定相應的治理方案。

1 CO2驅(qū)油注氣井套管錯斷現(xiàn)狀

蘇北油田CO2驅(qū)油注氣井套損數(shù)量逐年增多，累計5口井出現(xiàn)油層套管錯斷現(xiàn)象（表1）。CO2驅(qū)油注氣井套管錯斷具有以下幾個特點：

表1 CO2驅(qū)油注氣井套損統(tǒng)計

（1）套管錯斷深度較淺，大部分小于500 m，也有注氣井發(fā)生油管斷裂，深度約為100 m。

（2）套管錯斷位置均為螺紋或接箍處。

（3）注氣井均采用CO2直接注入的方式，注氣溫度約-20℃，注入方式為間歇注入。

（4）套管錯斷井均為Y221型注氣封隔器+氣密封油管的機械錨定式注氣管柱結(jié)構(gòu)，投注后均起套壓，注氣管柱密封性較差。

2 錯斷管材檢測及原因分析

2.1 套管錯斷井基本情況

S5-12井是SD油田的一口CO2驅(qū)油注氣井，于2015年4月下入機械錨定式注氣管柱轉(zhuǎn)注氣，注氣井段為2 923.5～2 988.9 m。因注氣管柱失效，實施檢管作業(yè)，提出第10根油管管體斷裂，上提套管懸掛器+套管雙公短接+?139.7 mm油層套管1根，地面檢查套管螺紋斷裂。

2.2 S5-12井油管室內(nèi)拉力實驗

選取S5-12井提出的井下不同深度的3根油管進行拉力實驗，實驗參數(shù)見表2。通過實驗發(fā)現(xiàn)，只有上部油管發(fā)生斷裂（表3）。

表2 S5-12井油管參數(shù)

表3 S5-12井油管拉力實驗

2.3 S5-12井失效套管和注入氣質(zhì)量分析

2.3.1 失效套管取樣分析結(jié)果

（1）強度。對失效套管進行材料強度實驗，實際測量屈服強度與抗拉強度如表4所示，二者均滿足相關標準要求。

表4 拉伸實驗結(jié)果

（2）硬度。為考察套管實際性能水平，分別取硬度環(huán)進行四象限內(nèi)、中、外硬度測試。硬度檢驗結(jié)果顯示，四象限平均硬度，波動均不超過3HRC，表明套管成分波動小，組織均勻（表5）。

表5 硬度（HRC）檢驗結(jié)果

2.3.2 斷口分析結(jié)果

（1）斷口宏觀特征。斷裂均由套管內(nèi)壁裂紋源引發(fā)，裂紋沿壁厚方向向外做低能量撕裂，形成大面積擴展區(qū)，裂紋源及擴展區(qū)凹凸不平且與套管軸線成90°夾角，具有明顯低溫脆斷特征。

（2）斷口微觀特征，表現(xiàn)為低溫脆斷特征。裂紋源斷口呈現(xiàn)出較長周期內(nèi)緩慢撕裂、逐漸擴展的小尺寸解理斷口微觀特征；而裂紋擴展區(qū)是在內(nèi)壓及軸向載荷作用下逐漸擴展，斷口表現(xiàn)為河流狀解理特征。

（3）斷口表面腐蝕產(chǎn)物分析。采用X射線衍射（XRD）方法對腐蝕產(chǎn)物進行分析，腐蝕產(chǎn)物主要成分為FeCO3和Fe2O3、Fe3O4等鐵的氧化物，表明井下環(huán)境發(fā)生了二氧化碳腐蝕以及氧腐蝕。

2.3.3 注入氣質(zhì)量分析

對S5-12井注氣氣源取樣進行檢測，檢測結(jié)果見表6。經(jīng)檢測，注入氣符合標準規(guī)定的要求，未檢測出H2S等氣體及有機還原物。

表6 S5-12井注入二氧化碳檢測結(jié)果（依據(jù)GB／T 6052-2011《工業(yè)液體二氧化碳》）

2.4 套管錯斷原因分析

對蘇北油田CO2驅(qū)油注氣井套管錯斷原因進行分析，主要有以下幾個方面。

（1）N80鋼級套管的韌脆轉(zhuǎn)變溫度為49℃，當溫度低于49℃時，套管表現(xiàn)為脆性傾向，套管應力集中較嚴重的部位內(nèi)壁易萌生裂紋［9］。注氣井注氣溫度約-20℃，易引起較淺深度管材低溫損傷，進而造成套管斷裂傷害。油管室內(nèi)拉力實驗結(jié)果從側(cè)面驗證了低溫影響。

（2）油套環(huán)空是一個相對封閉的環(huán)境，由于注氣管柱氣密封性較差，注入的CO2氣體進入油套環(huán)空與油套內(nèi)的環(huán)空保護液發(fā)生置換，溶于水生成腐蝕性產(chǎn)物，對管材造成腐蝕傷害。

（3）間歇式注氣方式套管受到周期性的載荷作用，裂紋不斷擴展，最終導致套管錯斷。

3 治理對策

3.1 改進注氣管柱

為了提高注氣管柱的氣密封性，主要從封隔器和油管絲扣氣密封兩方面進行改進，引進了Y445型注氣封隔器、氣密扣油管，設計新型注氣管柱，并組建專業(yè)的氣密封檢測隊伍（圖1）。

圖1 新型注氣管柱

3.1.1 Y445型二次壓縮封隔器特點

（1）封隔器膠筒材質(zhì)為氫化丁腈橡膠，具有防CO2氣體腐蝕的能力，主要技術參數(shù)見表7。

（2）設置液壓和管柱加載對膠筒進行兩次壓縮的坐封機制，以提高膠筒與套管內(nèi)壁的接觸應力強度，滿足注氣井封隔要求，且有效期較長［10-12］。

（3）采用雙向卡瓦設計，大幅提升錨定性能，有效防止管柱蠕動，保證膠筒密封性。

3.1.2 氣密扣油管

為保證注氣管柱油管的氣密封性，采用氣密封油管（表8）。使用帶有扭矩控制儀的液壓鉗上扣，以確保擰接扭矩符合規(guī)定。入井前，利用氣密封檢測設備對油管的連接絲扣進行氣密封檢測，以確保注氣管柱的氣密封性能符合要求。

表8 氣密封油管技術參數(shù)

3.2 優(yōu)化注入方式

針對冷注CO2出現(xiàn)的問題，研制出CO2電加熱器，CO2經(jīng)加熱后注入地層，其原理為低溫CO2流過盤管時，與管壁外熱水進行熱交換，提高CO2溫度。熱水裝置主要包括防爆電加熱棒、盤管和控制柜等，通過防爆電加熱棒對水進行加熱，當水溫大于80℃時，采用“低進高出”方式對盤管內(nèi)的低溫CO2不斷進行熱交換，最終將CO2溫度從-20℃提升至5℃以上，加熱器技術參數(shù)見表9。注氣時需保證連續(xù)穩(wěn)定地注入，避免頻繁啟停。

表9 CO2加熱器技術參數(shù)

3.3 改進油套環(huán)空保護液

干燥的CO2不會發(fā)生腐蝕，只有CO2溶于水，使水溶液呈酸性，對鋼材產(chǎn)生腐蝕。為保證油套環(huán)空干燥環(huán)境，采用油基保護液，即使注氣管柱氣密封失效，CO2進入油套環(huán)空，也不會發(fā)生嚴重腐蝕。

4 應用效果

在ZJD和BHZ等試驗區(qū)進行了現(xiàn)場試驗，對CO2驅(qū)油注氣井應用套管錯斷治理措施后，5口井套管無壓力或處于低值，長期保持穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)，套管無異常。從表10可以看出，注氣管柱入井時間最長已達6年，各項指標均達到設計要求，暫未發(fā)生套管錯斷。

表10 實施治理措施注氣井注氣數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

（1）通過對蘇北油田CO2驅(qū)油注氣井錯斷套管檢測及特征分析，初步確定CO2腐蝕、低溫損傷和間歇式注氣是引起套管錯斷的主要原因。

（2）針對注氣井套管錯斷問題，重點從注氣管柱、注入方式和環(huán)空保護液三方面開展治理試驗。試驗結(jié)果表明，套管錯斷治理措施能夠滿足蘇北油田CO2驅(qū)油注氣要求。