地層出砂對套損的影響機(jī)理淺析

彭慶海

（中原油田采油二廠，河南 濮陽 457532）

東濮凹陷文中油田為典型陸相沉積復(fù)雜斷塊，主力開發(fā)層系為ES2下、ES3上和ES3。其中ES2下屬于河流相沉積，油層埋藏較淺(1900-2530米)，成巖作用差，膠結(jié)疏松，泥質(zhì)含量較多(6-11%)，滲透率高，易出砂。該油田投入開發(fā)以來，隨著出砂的加劇和地層壓力變化，套損井逐年增加，對典型的143口套損井統(tǒng)計，其中84口井為彎曲破壞，占58.7%，31口井為套管變形，占21.7%，還有22口為套管錯斷，占15.4%，其它損壞情況的占4.2%；套管的損壞嚴(yán)重影響采油井正常生產(chǎn)及措施實(shí)施。本文主要根據(jù)井下工具的受力狀態(tài)進(jìn)行疏松砂巖地層出砂因素對套管損壞機(jī)理探討。

1 開發(fā)因素變化對油層出砂的影響

1.1 采液強(qiáng)度對油層出砂的影響

隨著油田進(jìn)入高含水期而采用大排量提液后，套損井逐年增多。這是因?yàn)榧哟蟛梢簭?qiáng)度后，在較大生產(chǎn)壓差條件下開采，井底油層產(chǎn)生較大激動，結(jié)構(gòu)易被破壞而引起油層嚴(yán)重出砂[1]。

1.2 注水壓力對油層出砂的影響

從文中油田開發(fā)歷史看，隨著井口注水壓力較大幅度的提高，套損速度隨之增加。注入壓力從注水開發(fā)初期的25.6MPa提高到28.5MPa，其中六年內(nèi)油井年套損井?dāng)?shù)從初期的17口增到62口，說明在井口注入壓力高于合理極限注水壓力的狀態(tài)下開發(fā)，因壓差變化大，損壞膠結(jié)疏松地層的結(jié)構(gòu)，加劇油層出砂，改變套管的受力，引起套管的變形和破壞[2-5]。

2 油井出砂時的套管受力分析

2.1 巖層骨架失去支撐作用加給套管的軸向力

2.1.1 套管、水泥環(huán)與上覆夾層固結(jié)良好的情況下

砂層骨架失去支撐作用時，上覆巖壓對砂層的壓縮使砂層發(fā)生變形，砂層頂部若產(chǎn)生一沉陷Δ，上覆夾層相應(yīng)產(chǎn)生向下位移，當(dāng)套管、水泥環(huán)與上覆夾層固結(jié)良好，無滑動，砂層段套管將產(chǎn)生一壓縮變形或造成側(cè)向失穩(wěn)。附加給套管的軸向力及破壞情況則取決于套管的材料、截面尺寸以及砂層厚度和變形量（極限量即為沉陷Δ）。

在已破壞骨架的砂層區(qū)域內(nèi)，如忽略水平地應(yīng)力及砂層中流體的作用，把問題簡化為半空間體受重力及均勻分布壓力的情況。

頂部沉陷:

該值為一近似值，因套管本身的剛度以及周圍圍壓的作用，實(shí)際頂部沉陷要比該值小得多。

2.1.2 當(dāng)套管及上覆巖壓有滑動時

砂層發(fā)生垂向變形，套管與上覆巖層之間有滑動時，巖層通過摩擦對套管施加力，作用于上覆夾層段套管及水泥環(huán)上的摩擦力

2.2 出砂形成空洞時套管的受力與變形分析

2.2.1 出砂空洞形態(tài)分析

當(dāng)油層出砂時，液流把地層砂帶出，骨架砂需要承受較大的載荷，即有效應(yīng)力增加，可能導(dǎo)致砂層骨架破壞。遭到破壞的砂層，遠(yuǎn)處的砂粒會不斷地補(bǔ)充到井筒周圍。若設(shè)砂巖地層骨架僅在油井周圍區(qū)域被破壞，而在此區(qū)域以外的砂粒流入到井筒周圍的比較少。隨著出砂量的增多，井筒周圍地層砂不斷產(chǎn)出，加劇地下虧空，逐漸形成空洞。空洞上方巖石、疏松砂層由于缺乏支撐而塌落，當(dāng)塌落到一定程度后，巖體進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，形成一自然拱。

拱的形狀、拱高、跨度與巖石的特性和砂層骨架破壞區(qū)域的大小有關(guān)。當(dāng)空洞達(dá)到一定、尺寸后，拱的參數(shù)與出砂量無關(guān)，巖體進(jìn)入新的平衡狀態(tài)，油井可能繼續(xù)出砂，砂子來源于空洞中、下部，如地層砂沒有補(bǔ)充過來，隨著出砂量的增多，空洞尺寸向下延伸，直至出現(xiàn)如下情況。這是出砂引起套管彎曲變形最嚴(yán)重的情況。

2.2.2 砂層段套管周圍全部掏空時套管的受力與變形

套管周圍砂巖成為空洞，套管在砂層段外部約束減弱，若忽略井筒周圍油、水對套管的約束作用，套管受力有軸向載荷P和套管自重q，套管可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。

空洞沿套管軸向貫穿整個疏松砂層段，而套管柱與上下夾層處仍保持固結(jié)良好，力學(xué)模型近似簡化為兩端固定約束。自重的影響近似處理成平均加到兩個端點(diǎn)上。

套管失穩(wěn)破壞的臨界壓力:

空洞一端在疏松砂巖中，其約束減弱，可簡化為鉸支座約束；另一端在夾層中，簡化為固定端約束。

套管失穩(wěn)破壞的臨界壓力:

套管發(fā)生失穩(wěn)破壞取決于兩個因素:套管軸向載荷P和出砂形成的空洞高度l，對生產(chǎn)中的實(shí)際油井，估算其套管變形長度，計算臨界壓力與套管可能受到的軸向載荷P相比，以判斷是否會發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3 幾點(diǎn)認(rèn)識

3.1 用單軸力學(xué)模型計算采油井出砂時套管的矢量力學(xué)特征，不能解釋油田現(xiàn)場許多套損現(xiàn)象，以此作為套管柱設(shè)計依據(jù)，科學(xué)性較低，套管柱使用壽命的得不到可靠保證。

3.2 按三軸應(yīng)力模型定量研究表明，考慮接箍和水泥環(huán)臺肩的相互作用，對套管柱進(jìn)行比較切合實(shí)際的受力和變形分析，才能掌握比較先進(jìn)的注采井套損機(jī)理。

3.3 油層和蓋層部位套管損壞原因在于油層和蓋層處管體應(yīng)力和惡性局部應(yīng)力雙重作用，及時消除或者加以控制惡性局部應(yīng)力，套管使用壽命可以大幅度延長。

［1］陸詩文，劉玲，楊明生，等.復(fù)雜斷塊油田套管損壞機(jī)理分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2008，34（9）.

［2］張清兵，赫娟，任強(qiáng)燕，等.油水井套管損壞的原因及預(yù)防措施[J].油氣田地面工程，2011，30（2）.