以明一塊為例的文明寨油田解決套損方法分析

文獻標識碼：A

文章編號：1671-864X（2015）03-0069-01

文明寨油田位于東濮凹陷中央隆起帶北端，是一穹隆背景下被斷層復雜化的極復雜斷塊油田，含油面積10.8Km 2，石油地質儲量2900×10 4t，主要地質特征：斷層多、斷塊小、構造極復雜，構造復雜程度居國內復雜斷塊油田前列；儲層物性較好，層間非均質性嚴重；油藏埋藏淺，含油井段長，含油豐度高。總之，文明寨油田是一個埋藏較淺、常溫常壓、多油層、非均質較嚴重的中高滲透極復雜斷塊油藏。由于開采時間較長，井況惡化、事故損壞加劇，導致局部注采井網，事故井損壞速度大于事故井修復速度。本文以明一塊為例對文明寨油田套損原因進行分析，提出解決方案。

一、明一塊套損井情況

明一塊有事故井45口，其中：套變12口；套破漏15口；套管錯斷4口；套損+落物6口。通過對明1塊套損井套損點位置、巖性和服役年限的綜合對比分析發現位于射孔段砂巖處的套管平均服役年限為9.4年，低于總平均年限9.5年；位于水泥返高上處的套管平均服役年限為9.3年，低于總平均年限9.5年；位于水泥返高至油層頂處的套管平均服役年限為9.9年，高于總平均年限9.5年；位于射孔段以下處的套管平均服役年限為7.7年，低于總平均年限9.5年。

二、套損原因分析

（一）出砂是造成套損的主要原因：統計的明一塊37口套損井中有18口井出砂，占總套損井的48.6%。油層出砂首先在炮眼附近形成空洞，空洞將會造成局部應力集中，對油層結構造成進一步的破壞。在固定產液速度下，油層結構的破壞將被控制在一定半徑范圍內。深層油層承受的垂向應力大，油層大量出砂后，上覆巖層失去支撐，打破原有平衡，將產生垂向變形，甚至坍塌，使上覆層產生拱形剖面。油層少量出砂時空洞只存在于各炮眼附近，大量出砂后形成的空洞只存在于油層頂部的一部分，并占據油層的整個厚度，但隨著空洞的增大，空洞占據的油層頂部也相應增多。如果上覆地層產生坍塌，空洞將存在于上覆層內。當上覆地層壓力大大超過油層孔隙壓力和巖石骨架結構應力時，相當一部分應力將轉嫁給套管，當套管強度偏低，轉嫁到套管的壓力大于套管的極限時，套管失穩出現彎曲、變形或錯斷。

（二）出砂井段完井套管強度偏低：明一塊發現的37口套損井中，套損點主要發生在J55×7.72和N80×7.72這兩種套管上，合計占套損比例的72.9%。

三、套損井預防措施

（一）新鉆井套管設計

1.地應力研究計算

根據1997年古地應力研究結果，將該區塊劃分為以下裂縫發育區：

北部一級裂縫發育區，位于工區北部，面積0.21km 2。區內應力差異大、分布不均勻，最大應力達36MPa，應力最集中地位置基本上處于幾個斷層地交匯處。

東南角一級裂縫發育區，位于工區東南角，明14斷層與南部斷層交匯處，面積僅0.07 km 2。工區內應力較大，最大可達33MPa，一般為20 MPa，應力方向主要為北西—南東向，少數點為近南北向。

根據古代地應力和現代地應力計算結果，在模擬層平面構造圖上將明一塊劃分為危險應力區和一般應力區。危險區的井有M1-29、M55、M190、M131、M87、M18、M133、M1-7、M1-8、M1-6、M140、M70等。

2.套管強度設計

套管強度設計包括以下幾個步驟：

（1）運用空間力學模型分別計算出區塊的最大水平地應力和最小水平地應力。參考該區塊最大水平地應力方位，利用有限元方法計算得到區塊內各點的地應力；

（2）根據地應力研究成果計算外擠力，初步選擇不同層段的套管鋼級和壁厚；

（3）考慮出砂、射孔等因素的影響，合理選擇安全系數，確定最終的套管鋼級和壁厚；

（4）應用有限元技術計算套管等效應力情況，判斷套管是否滿足強度設計要求。

在運用有限技術計算套管等效應力時，借用前期地應力的研究成果來確定有限元分析的邊界條件。由于井眼幾何形狀和邊界條件的對稱性，只考慮井眼計算模型的1/4部分進行計算。在條件假設、單元類型選擇、模型參數及邊界條件設置的基礎上，應用ANSYS結構化網格劃分技術，最終形成了出砂段套管—水泥環—巖層組合系統的有限元計算模型。

3.出砂段套管的選擇

地層出砂導致出砂區域局部套管管體有效應力明顯增大，并且隨著出砂量的增加套管一直處于較高的應力狀態下，同時在上覆地層壓力和地層擾動力的作用下，極易使套管發生強度破壞，使得按照常規地層設計的套管損壞概率增加。這就要求在設計套管時要充分考慮出砂區域附近套管的鋼級或壁厚，避免由于出砂引起套管的有效應力升高而導致套管損壞。

采用有限元分析的方法，分別對鋼級P110、壁厚9.17mm的套管和鋼級P110、壁厚10.54mm的套管出砂后的等效應力進行了計算。

由于出砂形成空洞后，當最小水平地應力σ h為15MPa，最大水平地應力σ H為36MPa時，鋼級P110、壁厚9.17mm的套管受到的最大Von-Misses 等效應力為824.81MPa。應力值明顯高于套管材料的屈服極限758MPa，已經處于塑性變形范圍內，套管極易出現損壞現象。

當最小水平地應力σ h為15MPa，最大水平地應力σ H為36MPa時，鋼級P110、壁厚10.54mm的套管最小Von-Misses 等效應力為1.32MPa，最大Von-Misses 等效應力為701.45MPa。而鋼級P110、壁厚10.54mm的套管屈服強度為758MPa，最大等效應力值低于套管屈服強度，套管尚處于彈性變形范圍內，套管能滿足使用要求。

出砂井段選擇鋼級P110、壁厚10.54mm或更高鋼級的套管。

（二）生產井套管出砂預防

防砂是確保疏松砂巖油水井正常生產的主要措施，且合理控制生產壓差,也是減緩套管損壞的重要手段。

懸掛濾砂管防砂：將樹脂濾或金屬濾懸掛在油層射孔井段形成擋砂屏障，減緩地層出砂。

充填防砂：包括地層擠填和繞絲管環填兩種，地層擠填防砂是將具有一定強度、粒度的礫石（陶粒、石英砂、腹膜砂等）擠入地層，填實地層孔隙和虧空帶（空洞），加固地層和井壁，形成擋砂屏障，防止地層出砂；繞絲管環填是先將繞絲管等機械防砂管下入井內正對油層射孔井段，然后通過正循環（或反循環）攜砂液，將礫石（陶粒、石英砂等）填充在繞絲管與套管之間的環形空間，形成二級擋砂屏障，阻止地層砂進入井內。

復合防砂：是機械防砂和化學防砂（充填防砂）的有機結合，以形成三級擋砂體系。