塔里木盆地玉科區帶石炭系膏鹽巖地層套管變形原因分析及應用

安琪，尹國慶，琚巖，范坤宇，陳培思，韓興杰

1.四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司（四川成都610017）2.中國石油塔里木油田分公司勘探開發研究院（新疆庫爾勒841000）

塔里木盆地玉科區帶石炭系膏鹽巖地層套管變形原因分析及應用

安琪1，尹國慶2，琚巖2，范坤宇2，陳培思2，韓興杰2

1.四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司（四川成都610017）2.中國石油塔里木油田分公司勘探開發研究院（新疆庫爾勒841000）

通過地應力突變、膏鹽巖蠕變、固井質量等多因素分析，確定塔里木盆地塔北玉科區帶石炭系膏鹽巖地層套管變形主要原因為在巖性界面巖石力學參數差異導致剪切錯動；區域上發育的膏鹽巖互層發生蠕變，從而致使套管嚴重變形；已完鉆井固井質量較差也使得套管外受力不均勻而產生變形。提出了將區域上原來使用的2層套管結構優化為3層；將石炭系膏鹽巖地層封固之后再進行下步鉆進；適當提高套管抗外擠強度。解決了區域上的石炭系膏鹽巖段套管嚴重損壞問題，確保順利鉆進，為后期作業提供了井筒條件保障。

套管變形；巖石力學參數差異；膏鹽巖蠕變；井身結構優化

玉科區帶位于塔里木盆地塔北隆起輪南低凸起哈得遜鼻狀隆起東翼，它是輪南低凸起向南傾入滿加爾凹陷的斜坡部位。主要目的層奧陶系一間房組，但在石炭系標準灰巖段地層巖性變化較為復雜，上部為巨厚層狀泥晶灰巖，中部為厚層狀鹽巖，下部為巨厚層狀大段石膏，是區域上石炭系的標志層，另外該區域奧陶系斷層發育。該區目前已完鉆井5口，其中YK3、YK 5、YK6等井在鉆遇下部地層時，鉆具通過已封固的石炭系膏鹽巖地層多次遇阻，證實該層段套管變形嚴重，而較這2口井提前半年完鉆的YK1井卻沒有發現套損現象，搞清楚套管變形的主控因素，對于區域下步鉆完井作業十分關鍵。為此，對可能存在的原因進行分析，確定主控因素，提出相應的措施建議，以保障順利鉆進。

玉科區帶鉆遇石炭系的井有5口，從YK3井鉆井井史看出，該井在鉆遇石炭系地層時遇阻3次，循環泥漿，進行多次劃眼操作。該井鉆至奧陶系灰巖地層頂部時，下套管至6 876 m，將包含石炭系的上部地層同時封固，但在鉆遇奧陶系灰巖地層起下鉆過程中，在石炭系地層（4 463~5 213 m）遇阻掛卡現象嚴重，進行反復劃眼方能通過。根據此種現象懷疑該段套管變形，于是對該段地層4 850~5 053 m進行了60臂井徑測井（圖1），圖中藍色代表套管內徑變小，紅色表示套管內徑變大，可以看出該段套管發生了不同程度的井徑變化，測量結果證實套管變形嚴重。

圖1 YK3井4 850~5 053 m井段60臂井徑成像

1 套管變形原因分析

研究認為套管變形主要機理為幾種情況引起的套管產生剪切作用，分別是作用強烈的地應力釋放、膏鹽巖蠕變及泥頁巖吸水膨脹、斷層剪切滑動、固井質量差、頻繁修井作業和施工不當、地面沉降及儲層壓實、射孔、地震作用、巖石力學參數分層差異等。通過對區域上的地質特征及勘探開發歷程分析，認為地質力學參數的分層差異和膏鹽巖蠕變剪切是該區套管變形的主要原因[1-2]。

1.1 地質力學參數分析

圖2為過YK1、YK3、YK6井地質力學參數處理剖面，從圖中看出，YK3井主要的套管變形層段為5 010~5 082 m，尤其在已證實的變形段5 030 m上下。楊氏模量為15 000~48 000 MPa；泊松比為0.2~ 0.25；巖石強度為20~300MPa；水平最大主應力梯度2.1~2.8 MPa/100m。如此強烈的地應力、巖石力學參數的非均質性，使得該段地層固井后，套管所承受的外力在縱向上存在嚴重的非均質性。由于套管承受的外力一旦超過了套管的抗內壓強度，產生變形。YK3井該段地層固井實際使用的套管抗外擠額定強度僅為50 MPa，YK6井也是類似，而YK1井膏鹽巖段表現地質力學參數較均勻，該井套管未發生變形，因此地質力學參數的非均質性是套管變形的主要原因之一。

圖2 為過YK1、YK3、YK6井地質力學參數處理剖面

1.2 膏鹽巖蠕變剪切分析

通過已鉆地層的巖石組分精細分析可知，YK3在石炭系膏鹽巖段鉆遇較厚石膏、鹽及泥巖的交互混合巖性，YK6井鉆遇了較厚的石膏和鹽層，而YK1井僅鉆遇了15m的純石膏層，采用不同巖性的蠕變指數分析方法[3]對YK1、YK3、YK6 3口井進行蠕變指數分析（圖3）。圖3表明，不同巖性的蠕變指數差異較大，純石膏層蠕變程度較大、混合巖性次之、泥巖最低[4-5]。由于純石膏或純鹽層整體蠕變指數差異不大，鉆進中和完鉆下套管后的遇阻情況較少。但如果巖性變化頻繁，石膏、鹽層及混合巖性交替出現，相應的蠕變指數也呈層狀頻繁交替出現，則鉆進中和完鉆固井后遇阻現象嚴重，如YK3井。這與實際鉆井表現一致，因此可以判定膏鹽巖蠕變時，不同巖性間蠕變特性的差異是玉科構造石炭系膏鹽巖段套管變形的又一原因。

圖3 YK1-YK3-YK6井石炭系膏鹽巖層段蠕變特性分析

1.3 其他原因分析

一般斷層剪切錯動也是套管變形的主要原因之一。從區域上的地震剖面看出，目前所分析的井中，斷層僅在奧陶系，沒有斷穿石炭系的斷層，因此排除斷層錯動剪切原因；該構造尚處于勘探階段，不存在地層沉降和儲層壓實、也沒有進行射孔和修井作用，未發生過地震，因此這些原因也被排除。

復查3口井的石炭系膏鹽巖地層固井質量，YK1井整個層段聲幅、地層波響應清楚，固井質量較好；YK3井則表現為整個井段固井質量較差；YK6井5 110~5 130 m地層固井質量較差，5 130~5 180 m地層固井質量較好。固井時水泥膠結程度的好壞直接影響套管受力，固井質量較差的井段套管受力嚴重不均勻而導致套管發生剪切變形作用[6]，據此分析，固井質量較差也是該地層套管變形的另一重要原因。

2 現場應用效果

根據上述分析，針對該段地層的套管變形問題，提出除了加強該層段的固井質量外，最有保障性的做法就是優化該構造后續鉆井的井身結構，鉆遇膏鹽巖復合巖性復雜層段時，增加一層套管，封固該層，同時增加套管的抗外擠強度。該區塊新開鉆的YK101、YK301等井均采納了該方案，采用了新的井身結構，并將套管的額定強度提高至180 MPa，目前正在順利鉆進，為后期作業提供了井筒條件保障。

3 結論

1）從地質力學、地層蠕變、固井質量等分析，確定玉科區帶石炭系膏鹽巖地層套管變形的主要原因有3個地質力學參數縱向非均質性，石膏、鹽巖、膏鹽巖、泥巖等混合巖性蠕變特性的不同；局部固井質量差，導致了套管受力不均勻，產生的剪切作用超過了套管本身的抗外擠強度。

2）通過套管變形原因的分析，提出了該區域鉆井時，將原來使用的2層套管解構優化成3層結構，封固石炭系膏鹽巖地層；提高套管的強度，確保不發生變形，加強固井質量檢測，為下步鉆完井作業提供完整性井筒。

[1]張根德,何鮮.油井套管變形損壞機理[M].北京:石油工業出版社,2005．

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[3]陳勝,張輝,尹國慶,等.膏鹽巖蠕變縮徑卡鉆時間預測研究[J].石油工業技術監督,2014,30(10):32-35．

[4]李萍,鄧金根,孫焱,等.川東氣田鹽巖、膏鹽巖蠕變特性試驗研究[J].巖土力學,2012,33(2):444-448．

[5]曾義金,王文立,石秉忠.深層鹽膏巖蠕變特性研究及其在鉆井中的應用[J].石油鉆探技術,2005,33(5):48-51．

[6]王秀文,劉巨保,黃金波,等.固井過程套管串屈曲變形分析[J].石油礦場機械,2011,40(4):17-21．

Through the analysis of crustal stress mutation,gypsum salt rock creep and cementing quality,it is held that the main causes of the casing deformation are the difference of rock mechanical parameters in lithologic interface leading to shear dislocation,the creep of the regional developed gypsum salt rock layers resulting in the serious deformation of the casing,and the poor well cementing quality leading to the uneven stress and deformation of the casing.The countermeasures are proposed:changing the original two-layer casing structure into three-layer structure;cementing the Carboniferous gypsum salt rock formation and then drilling lower formation;appropri?ately increasing casing strength.The above measures can solve the problem of serious damage to the casing of the Carboniferous gypsum salt rock in the area,and ensure the smooth drilling,and provide good wellbore condition for the later work.

casing deformation；difference in rock mechanics parameters；creep of gypsum rock；optimization of well structure

尉立崗

2017-04-08

安琪（1988-），女，現從事石油工程預算工作。