井礦鹽鹽井生產(chǎn)套管變形因素分析

胡 超，付星輝，程文波，何 卉，任必銳

(1.江蘇蘇鹽井神股份有限公司，江蘇 淮安 223200；2.江蘇省制鹽工業(yè)研究所有限公司，江蘇 淮安 223200)

1 前言

井礦鹽鹽井生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)套管因各種原因在井下發(fā)生變形，不僅影響鹽井生產(chǎn)能力，而且套管變形導(dǎo)致頻繁修井作業(yè)，使生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本提高，此外，嚴(yán)重變形將引起堵井而無(wú)法生產(chǎn)，影響鹽井生命周期[1]。文章對(duì)淮安鹽盆某鹽礦開(kāi)采鹽井進(jìn)行研究，統(tǒng)計(jì)了該礦區(qū)53口鹽井生產(chǎn)套管情況(其中包含26對(duì)連通井、1口單井)，發(fā)現(xiàn)約1/4鹽井套管存在不同程度變形，根據(jù)生產(chǎn)、修井及測(cè)井情況，總結(jié)鹽井套管變形主要原因，并提出預(yù)防套管變形建議。

2 生產(chǎn)套管變形特征分析

該鹽礦開(kāi)采深度范圍在1 100 m～2 400 m，斜井造斜段套管發(fā)生變形比例遠(yuǎn)高于直井段，變形點(diǎn)集中在套管與腔頂巖鹽接觸位置，埋深相對(duì)較淺鹽井套管變形相對(duì)較少，埋深較大鹽井變形較多，定向斜井套管相對(duì)于直井套管更容易發(fā)生變形。常見(jiàn)的變形方式有：套管內(nèi)凹變形、套管口不規(guī)則橢圓、彎曲變形，嚴(yán)重的發(fā)生套管變形斷落。圖1為變形典型圖片。

圖1 淮安某鹽礦鹽井套管變形典型圖片

3 生產(chǎn)套管變形原因及預(yù)防措施

3.1 變形原因分析

套管磨損的根本原因是套管所受負(fù)荷大于本身強(qiáng)度，導(dǎo)致套管破損。外在因素是由于采礦過(guò)程中的地應(yīng)力變化、有效負(fù)荷增大而使外部受力增大；內(nèi)在原因則是由于受到各種腐蝕和側(cè)鉆而引起的套管本身抗壓強(qiáng)度降低[2]。據(jù)淮安鹽盆鹽井修、測(cè)井資料分析，造成鹽井套管變形的因素主要有以下幾個(gè)方面：

(1)鹽穴頂部圍巖壓力應(yīng)力集中+巖鹽塑性變形。

鉆井前各地層原始應(yīng)力場(chǎng)是處于平衡狀態(tài)的，而鉆井施工打破了這種狀態(tài)。鉆井使井眼附近的巖層產(chǎn)生了臨空面，井眼中的內(nèi)應(yīng)力就被釋放，井壁以及附近巖層中的內(nèi)應(yīng)力在井眼周?chē)奂沟每妆诘膬?nèi)應(yīng)力比其他處的巖石地層內(nèi)應(yīng)力大的多，當(dāng)集中處的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)了圍巖的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生變形，而這些形變應(yīng)力作用到套管上就容易引起套管的變形[3]。因此，在鉆井施工過(guò)程中固井質(zhì)量的好壞決定了套管的安全性。

我國(guó)巖鹽礦床一般埋深在1 000 m～3 000 m，在該深度下地層溫度將達(dá)到50 ℃～80 ℃，此時(shí)巖鹽呈塑性狀態(tài)，在鉆井施工完成后，由于鉆孔形成了地層的應(yīng)力集中點(diǎn)，因此塑性變形的鹽層對(duì)套管柱形成了連續(xù)的外擠壓力，其大小相當(dāng)于上覆巖層壓力和本區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力之和。當(dāng)套管所受的擠壓外力大于其抗壓強(qiáng)度時(shí)，套管就會(huì)被擠壓形變(圖2左)。而當(dāng)這種外部擠壓力不均勻時(shí)，會(huì)使套管發(fā)生橫向錯(cuò)斷[4]。

(2)井眼造斜段形變(垂向懸空自重變形)。

斜井相對(duì)直井在套管與腔頂巖鹽接點(diǎn)更容易變形，首先由于在造斜段井眼軌跡本身存在一定角度斜率，導(dǎo)致匹配井眼軌跡的套管也會(huì)發(fā)生變形彎曲，其次，由于開(kāi)采后斜井造斜段套管處于懸空狀態(tài)，在腔內(nèi)受到向下重力作用加大，導(dǎo)致套管與巖鹽接點(diǎn)變形，受到腔頂巖鹽接觸垮塌崩落可能性相比直井更大；水平向腔內(nèi)剪切應(yīng)力，和腔內(nèi)懸空套管自重共同作用，導(dǎo)致斜井套管更易發(fā)生變形(圖2右)。

斜井套管彎曲，導(dǎo)致套管抗擠壓強(qiáng)度明顯降低；斜井套管在溶腔內(nèi)懸空較長(zhǎng)，造成套管與鹽腔接觸位置二次反向扭曲受力，套管抗擠壓強(qiáng)度縮減，套管發(fā)生形變。

(3)夾層垮塌+頂板垮塌。

我國(guó)井礦鹽礦床大體是鹽巖和泥巖夾層互層的特征。在開(kāi)采過(guò)程中，泥巖夾層浸泡在鹽鹵中，其物理強(qiáng)度會(huì)有一定的弱化，難溶的泥巖夾層隨著鹽巖的溶解垮塌或者懸空，而懸空的泥巖夾層后期生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中也存在著垮塌的可能。泥巖發(fā)生垮塌的同時(shí)不僅會(huì)引起一定強(qiáng)度的沖擊波，而且也會(huì)改變圍巖的應(yīng)力場(chǎng)平衡，這都會(huì)使得生產(chǎn)套管發(fā)生變形。另外，在開(kāi)采過(guò)程中，鹽井注水過(guò)程，當(dāng)注水流量過(guò)大，注水關(guān)停、突然加大時(shí)，腔內(nèi)懸空套管發(fā)生前后左右擺動(dòng)，套管與腔頂巖鹽接點(diǎn)擺動(dòng)扭力，容易導(dǎo)致腔頂巖鹽接觸垮塌崩落，撞擊套管變形。

(4)泥巖夾層縮頸

泥巖是一種強(qiáng)固結(jié)的巖石，但其物理特性卻極不穩(wěn)定，具有可塑性，吸水飽和后會(huì)發(fā)生膨脹，在井下高溫、高壓的環(huán)境下其蠕變和膨脹都會(huì)引發(fā)泥巖夾層縮頸。而泥巖蠕變和膨脹會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的應(yīng)力作用在套管上，當(dāng)套管所受負(fù)荷大于自身抗壓強(qiáng)度時(shí)，套管就會(huì)被擠壓變形而遭到破壞[5]。

(5)套管腐蝕損耗。

套管內(nèi)部處于高溫、高壓、高礦化度的鹵水中會(huì)極易發(fā)生金屬套管的電化學(xué)腐蝕；而在水泥未返至的地方，套管外部長(zhǎng)期暴露在高溫、高壓、高鹽環(huán)境中，對(duì)套管腐蝕也比較嚴(yán)重。此外，有些礦區(qū)在開(kāi)采過(guò)程中，地層中含有的H2S等酸性氣體也會(huì)對(duì)套管進(jìn)行腐蝕。套管長(zhǎng)期腐蝕損耗，強(qiáng)度會(huì)大大降低，從而發(fā)生變形甚至斷裂。

(6)地層應(yīng)力不均剪切。

采鹵過(guò)程中因夾層和鹽層接觸面受力后，巖鹽蠕變系數(shù)強(qiáng)于泥巖夾層，而發(fā)生不均勻蠕動(dòng)形變收縮，或者地層本身可能存在應(yīng)力不均勻，從而發(fā)生順層剪切錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致套管變形。如果地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆井鉆遇斷層區(qū)間，在后期地質(zhì)變化中斷層滑移會(huì)產(chǎn)生巨大的非均質(zhì)剪切力，這種力作用在套管上也會(huì)使套管破壞。

(7)套管脫落。

當(dāng)腔內(nèi)生產(chǎn)套管懸空過(guò)長(zhǎng)，注水過(guò)程，當(dāng)注水流量過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致下部套管發(fā)生擺動(dòng)、震蕩。注水不穩(wěn)定時(shí)，特別是急?；蛲蝗患哟髸r(shí)，導(dǎo)致套管劇烈震動(dòng)[6]。長(zhǎng)時(shí)間擺動(dòng)、震蕩導(dǎo)致套管節(jié)箍絲扣松動(dòng)，引起套管脫落。

3.2 預(yù)防鹽井套管變形的建議

(1)生產(chǎn)過(guò)程中不易頻繁割管，在不影響生產(chǎn)情況下減少割管頻率，長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)采套管底部被沉渣封埋，但一般不影響生產(chǎn)，有利于穩(wěn)定懸空套管，有效減少擺動(dòng)幅度。

(2)修井過(guò)程割管位置選取，在腔頂附近腔內(nèi)節(jié)箍位置向下3 m～5 m位置割管，節(jié)箍加厚，抗變形能力加強(qiáng)，可以有效避免套管變形；腔頂向下割管預(yù)留一定長(zhǎng)度，避免緊靠腔頂位置割管，破壞套管完整性，易發(fā)生變形。預(yù)留腔內(nèi)套管不易過(guò)長(zhǎng)，防止過(guò)長(zhǎng)注水時(shí)腔內(nèi)套管擺動(dòng)幅度過(guò)大。

(3)生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定注水流量，打開(kāi)或關(guān)閉閥門(mén)過(guò)程應(yīng)穩(wěn)定緩慢，防止管內(nèi)流量劇烈變化導(dǎo)致腔內(nèi)懸空套管發(fā)生前后左右擺動(dòng)，適當(dāng)控制最大流量；生產(chǎn)長(zhǎng)時(shí)間停井時(shí)，應(yīng)適當(dāng)憋壓，定期穩(wěn)定壓力，防止腔內(nèi)壓力劇烈變化。避免完全泄壓后，腔內(nèi)降低，易發(fā)生垮塌導(dǎo)致套管變形。

(4)根據(jù)鹽巖開(kāi)采深度，埋深越大，地層壓力與腔內(nèi)壓力差越大，鹽井越深需要選用耐壓強(qiáng)度更高管材，優(yōu)化組合選配套管，建議開(kāi)采段可以選配耐壓強(qiáng)度更高套管，特別是造斜段位置，可以有效預(yù)防套管變形，減少修井作業(yè)頻次，節(jié)約成本。

(5)套管防腐主要通過(guò)防腐材料和防腐涂層來(lái)解決，但防腐材料非常昂貴，所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中主要做好套管防腐涂層的工作。套管防腐涂層一般采用的手段有：金屬涂層、化學(xué)涂層和有機(jī)材料涂層，而在選擇涂層時(shí)，涂層不能與套管材料發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。

4 結(jié)論

1)井礦鹽鹽井生產(chǎn)套管常見(jiàn)的變形方式有：套管內(nèi)凹變形、套管口不規(guī)則橢圓、彎曲變形，嚴(yán)重的發(fā)生套管變形斷落。

2)造成生產(chǎn)套管變形甚至斷裂脫落的原因有：一是鹽穴頂部圍巖壓力、巖鹽塑性變形、井眼造斜段形變、夾層及頂板垮塌、泥巖夾層縮頸、地層應(yīng)力不均剪切、水流作用等產(chǎn)生的各種應(yīng)力作用在套管上使套管發(fā)生形變破壞；二是套管自身因環(huán)境影響發(fā)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕等產(chǎn)生損耗，從而降低了套管的抗壓強(qiáng)度，使套管發(fā)生形變。

3)在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，要從多方面來(lái)預(yù)防套管變形。如減少割管頻率、選擇合適的割管位置、控制注水流量大小、使用更高強(qiáng)度的套管材質(zhì)、做好套管內(nèi)外的防腐蝕處理等措施。