港西出砂油藏套損機理及預防對策研究

唐 慶， 步宏光， 饒富培， 梁新欣， 林莉莉， 李文娟

(中國石油大港油田公司采油工藝研究院)

隨著港西油田開發的不斷深入，套損現象日趨嚴重，截止到2008年底，港西油田套損井占總鉆井數的比例達到50.1%，嚴重影響了港西油田開發效果，每日少注水7 000余方，每日少產油400余噸。針對油水井套損嚴重的問題，于2008年與中國石油勘探開發研究院合作系統開展了港西二區、五區套管損壞機理及預防對策研究，自2010年以來，依據研究成果在港西油田投產新井中進行了套損預防技術對策的現場實施，油層套管優化為鋼級為N80與P110的組合套管，壁厚增加到9.17 mm，易套管損壞井段水泥返至地面，并通過優選水泥漿和鉆井液體系，強化過程控制，優化施工工藝以進一步提高固井質量。經過5年的時間驗證，見到了顯著效果。但是，截止到2015年8月，仍有5口2010年后投產的新井發生了套損，通過綜合分析，其中4口井是由于出砂導致的套損(表1)，出砂已成為港西自2010年以來完鉆新井套管損壞的主控因素。因此，針對港西油田出砂套損井，提出開展出砂油藏套損機理與預防對策的深化研究，以期進一步降低港西油田新井套損比率。

表1 4口出砂套損井基本情況統計表

一、出砂套損機理及力學模型

1.出砂引起套損力學機理

統計4口出砂井，平均單井出砂量為12 m3，最大單井出砂量為24 m3。隨著出砂量的增加，油層部位套管周圍被掏空，從而套管失去側向約束力，原來作用在地層上的上覆地層壓力作用在套管軸向之上，從而使得套管軸向上的載荷猛增，當超過此段套管臨界屈曲載荷后，套管發生屈曲，即套管彎曲損壞[1]。

2.出砂引起套管周圍空穴特征

從力學上來分析出砂原因為：①油流的機械力首先將油層局部結構破壞變成無膠結的散砂；②油流將散砂攜帶走，顯示在炮孔附近形成空洞；③一旦空洞出現，將會造成局部應力集中，對油層結構進一步破壞?？斩瓷戏綆r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(圖1)。隨著出砂量的增多, 空洞尺寸向下延伸, 直至出現如圖2 所示的情況。這是出砂引起套管彎曲變形最嚴重的情況[2]。

圖1 出砂后套管周圍空洞形態示意圖

圖2 出砂后套管周圍空洞形態示意圖

3. 出砂形成空洞時套管臨界屈曲載荷

當油層出砂形成空洞后，由原來油層承擔的重力除了空洞中流體承擔一部分外，相當一部分轉嫁給了套管。此時，套管受軸向壓力的作用，可發生兩種性質的屈曲，一種是像柱子那樣的屈曲，另一種是圓柱殼體表面屈曲[3](圖3、圖4)。

圖3 柱子受軸向壓縮示意圖

(1)當出砂空洞所包圍套管的長徑比比較大時, 假定淘空段套管的兩端與地層固結為一體, 并忽略井筒周圍油、水對套管的約束作用, 則套管損壞可以近似地看成兩端固定的細長壓桿的失穩屈曲。由材料力學的知識, 長為H兩端固定的細長桿的臨界載荷由式(1)[4]計算。

(1)

式中：E—套管材料的彈性模量，Pa；

H—出砂空洞的高度，m；

I—套管的截面慣性矩，m4。

圖4 圓柱殼受軸向壓縮示意圖

(2)如果出砂形成的空洞的縱向尺度不大, 則此時套管的穩定性問題可視為長H、中曲面半徑R、厚度為t的兩端簡支軸向受壓的圓筒殼體屈曲問題。套管的臨界屈曲載荷由式(2)[4]計算。

(2)

式中：A—套管的橫截面積，m2；

μ—套管材料的泊松比。

由以上分析可知, 套管發生失穩破壞取決于所選用的套管和出砂形成的空洞高度。以上分析是按理想情況下的線性理論所得到的結果。當受壓圓筒殼有輕度初始缺陷時，其所能承受的最大荷載要比理論得出的臨界荷載低得多。試驗證明,理想模型的任何輕度不直都會使屈曲荷載明顯降低,有時會降低到理論臨界荷載的百分之十幾[5]。

二、預防技術對策

1. 優化射孔參數

1.1 高孔密有利于抑制地層出砂

當油井投產初期未采取防砂措施時，許多砂粒將隨著地層產液流入井筒附近，在炮眼孔處形成砂橋。高孔密可以增大過流面積，相同產液總速度的條件下只需要比較小的生產壓差，單個孔眼的流體流速降低，當流體流速控制在一定的臨界值以內時，該砂橋具有一定的穩定性和承載能力，能夠在一定程度上擋住地層砂隨液產出。

以港西油田為例進行不同射孔參數的模擬計算可知，當采用89射孔槍彈組合，孔密為26孔/m時，每米射孔井段泄油面積較20孔/m和16孔/m分別增加30%和62.5%。

1.2 低相位角對套管抗擠強度影響較小

從圖5關系曲線可以看出，當孔密低于30孔/m時，相位角在60°時對套管抗擠強度影響最小[6]。

圖5 孔眼密度與抗擠強度系數關系曲線

通過對港西油田2000年以后射孔孔密的統計得知，隨著孔密的增加，套損的比例有減小的趨勢，且大于20孔/m的投產井未發生由于出砂導致的套損。因此，通過優化射孔參數，采用60°的低相位角布孔，并適當增加孔眼密度(26孔/m、32孔/m)，能夠增加滲流面積，在一定程度上減緩出砂與套損幾率。而4口套損井，孔密都是采用16孔/m的射孔參數，射孔參數應進一步優化。

2.實施有效的先期防砂措施

對于港西疏松砂巖油藏，實施先期防砂是能夠有效控制地層出砂，減緩套損的發生。港西明一流砂層全部實施先期防砂措施后投產，而生產明二和明三層位實施先期防砂的比例分別為30%和28%。通過對套損層位的統計分析看，明一儲層未發生由于出砂導致套損，而明二與明三儲層出砂套損嚴重，分別占出砂套損井數的67%、24%，套損的4口井發生套損的層位都是明二儲層，同時未采取先期防砂措施。

3.優化套管

據統計，出砂套損井中不同鋼級、不同壁厚的套管均有套損發生，而鋼級為P110的出砂套損井占本油田使用該鋼級總井數的比例僅為1.91%，可見高鋼級、厚壁套管對預防套損有一定的效果。

增加鋼級與壁厚均能夠提高套管的臨界屈曲載荷，且增加壁厚對提高臨界屈曲載荷更明顯。由于港西油田明二、明三儲層小于5 m的砂層占78%，因此就港西油田而言增加套管厚度是可行的。

實際石油套管不是絕對理想的圓管，總存在幾何尺寸誤差，隨著誤差量的增加，套管強度相應降低[7]，提高壁厚可降低受套管制造工藝制約導致的套管壁厚不均和橢圓度對套管強度的影響，結合目前港西油田套管使用現狀，增加套管的壁厚，由9.17 mm提高到10.54 mm是目前較為經濟和有效的預防措施。

三、結論

(1)通過優化射孔參數，采用60°或45 °低相位角布孔，并將孔眼密度提高到26孔/m或32孔/m，對套管強度影響較小，且能夠增加滲流面積，在一定程度上減緩出砂與套損幾率。

(2)港西油田明二、明三油組出砂油藏應采取先期防砂措施，防砂工藝應選用成熟配套、有效期長的機械防砂工藝。

(3)增加鋼級與壁厚均能夠提高套管的臨界屈曲載荷，且增加壁厚對提高臨界屈曲載荷更明顯。結合港西油田主要含油層系砂體厚度與套管使用現狀，將套管的壁厚由9.17 mm提高到10.54 mm是較為經濟和有效的預防措施。