地層出砂對套損的影響機理淺析

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雜斷塊，主力開發層系為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，膠結疏松，泥質含量較多(6-11%)，滲透率高，易出砂。該油田投入開發以來，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%；套管的損壞嚴重影響采油井正常生產及措施實施。本文主要根據井下工具的受力狀態進行疏松砂巖地層出砂因素對套管損壞機理探討。

1 開發因素變化對油層出砂的影響

1.1 采液強度對油層出砂的影響

隨著油田進入高含水期而采用大排量提液后，套損井逐年增多。這是因為加大采液強度后，在較大生產壓差條件下開采，井底油層產生較大激動，結構易被破壞而引起油層嚴重出砂[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初期的25.6MPa提高到28.5MPa，其中六年內油井年套損井數從初期的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下開發，因壓差變化大，損壞膠結疏松地層的結構，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、水泥環與上覆夾層固結良好的情況下

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生變形，砂層頂部若產生一沉陷Δ，上覆夾層相應產生向下位移，當套管、水泥環與上覆夾層固結良好，無滑動，砂層段套管將產生一壓縮變形或造成側向失穩。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域內，如忽略水平地應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，實際頂部沉陷要比該值小得多。

2.1.2 當套管及上覆巖壓有滑動時

砂層發生垂向變形，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 出砂空洞形態分析

當油層出砂時，液流把地層砂帶出，骨架砂需要承受較大的載荷，即有效應力增加，可能導致砂層骨架破壞。遭到破壞的砂層，遠處的砂粒會不斷地補充到井筒周圍。若設砂巖地層骨架僅在油井周圍區域被破壞，而在此區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，當塌落到一定程度后，巖體進入新的平衡狀態，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域的大小有關。當空洞達到一定、尺寸后，拱的參數與出砂量無關，巖體進入新的平衡狀態，油井可能繼續出砂，砂子來源于空洞中、下部，如地層砂沒有補充過來，隨著出砂量的增多，空洞尺寸向下延伸，直至出現如下情況。這是出砂引起套管彎曲變形最嚴重的情況。

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，套管可能發生失穩破壞。

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良好，力學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上。

套管失穩破壞的臨界壓力:

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。

套管失穩破壞的臨界壓力:

套管發生失穩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，對生產中的實際油井，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，以判斷是否會發生失穩破壞。

3 幾點認識

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

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

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力和惡性局部應力雙重作用，及時消除或者加以控制惡性局部應力，套管使用壽命可以大幅度延長。

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

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