關于提升抗擠毀套管采購質量的探析

左紅兵

【摘要】套管是油田勘探開發的關鍵重要物資，油田地質結構的復雜性對套管采購質量和性能指標有很高的要求。套管采購質量的優劣以及套管性能與井況的匹配性直接關系到鉆井作業的整體質量。針對鉆井過程中會出現套管失效或損壞的現象，如何運用理論認識和試驗方法，客觀、理性的分析形成原因，對物資采購部門提升套管采購質量具有現實意義。

【關鍵詞】套管? 抗擠毀? 變形? 韌性

多采少注會造成油氣井內縱向的壓力不平衡，油層頂部向下沉陷，使套管產生縮徑、彎曲錯切變形。同時因油層孔隙壓力下降，管內液面下降，區塊兩臨端注采壓力不一致等而造成橫向壓力不平衡，使套管承受的有效擠壓載荷加大。在鹽巖層埋藏達到一定深度時，在上覆地層壓力作用下，就會產生“塑性流動”，使套管受到擠壓。由于地層出砂造成套管徑向非均勻外擠壓力，在地層上覆壓力的聯合作用下，套管將發生擠毀和錯斷。

1、套管損壞的機理

從理論上講，在鹽巖層均勻載荷下，套管外壓力可增至與覆蓋層相等的壓力。當這種壓力大于鹽巖層位套管的抗擠毀強度時，套管就會出現局部擠毀、彎曲變形、破裂，直至錯斷等損壞。套管損壞與鹽巖、膏巖層的傾角、鹽層厚度、鹽層的溶解、鹽層的蠕動及滑移有直接關系。鹽巖隨著溫度、壓力的增大，由剛性流動變為塑性流動，產生不均勻的外擠力，這種效應更易使套管擠壞。

2、實例研究

根據某油田62 口套損井的統計，在鹽巖未封或封固不好時，井眼變化大于30 cm 的井有48口，占套管變形井的70.6%。下面以某油田2012年某區塊某井為例，對套管毀損原因進行探析。

某井2012年3月7日開鉆，4月9日完井，完鉆井深3840米。該井設計井深3800米，井身結構示意圖見下圖。

4月12日試油作業，4月15日下φ112mm×2M通徑規通井遇阻，遇阻深度：2948.61米，初步判斷是鹽巖層所引起的套管變形，4月16日40臂井徑全井段檢測，測量結果如下：

經對比鉆井設計證實變形套管鋼級為155抗擠毀套管，鹽層井段2925-2952米，155抗擠毀套管下深2799.83 -2962.06米。通過現場檢查及對套管扭矩等有關環節施工資料復查，排除現場操作的因素。

3、材質分析

為驗證套管變形是否為鹽巖層段套管抗外擠強度不夠所致，委托國家石油管材質量監督檢驗中心及某鋼廠對該套管的化學成分、拉伸性能、夏比沖擊、洛氏硬度、金相分析、實物試驗進行檢驗。

3.1化學成分

在管體和接箍上分別取樣用ARL4460直讀光譜儀、LECO CS-444紅外碳硫分析儀進行化學成分檢測，試驗標準為ASTM A 751-2008，結果表明管體和接箍化學成分符合技術協議要求。

3.2拉伸性能試驗

在管體和接箍上分別取樣用UH-F500KNI＼CMT5150萬能材料試驗機進行拉伸性能試驗，試驗標準為ASTM A 370-2010，結果表明符合技術協議要求。

3.3夏比沖擊試驗

制備管體縱向拉伸、沖擊試樣以及橫向沖擊試樣。實測屈服強度大于1068MPa（155Ksi）;縱向沖擊功大于75J，橫向沖擊功大于48J，但橫向沖擊功/縱向沖擊功小于0.72。結果表明橫向、縱向沖擊功符合技術要求;但技術協議對橫向/縱向沖擊功沒有明確規定。

3.4洛氏硬度檢驗

在管體和接箍上分別取樣用HR-150D硬度計試驗，試驗標準為ASTM E 18-2008，試驗結果見下表，顯示硬度比較均勻

3.5金相分析

在管體和接箍上分別取樣用MeF3A金相顯微鏡，試驗標準為GB/T 13298-1991、ASTM E 112-1996，試驗結果顯示非金屬夾雜過大，會降低鋼的機械性能，特別是降低塑性、韌性及疲勞極限;嚴重時，還會使鋼在熱加工與熱處理時產生裂紋或使用時突然脆斷。

3.6外壓至失效試驗：

取管體一段用壓潰爆破試驗機進行壓潰試驗，實測鋼級155 套管壓潰強度170MPa，但管體壓潰試樣縱向開裂嚴重。

3.7結果分析及建議

根據API Spec 5CT-2005《油管和套管規范》、API RP 5C5-2003《套管及油管螺紋連接試驗程序推薦做法》及雙方的技術協議，化學成分、拉伸性能、夏比沖擊、洛氏硬度等試驗結果符合要求。從材料屬性來看，超過150鋼級的材料，要同時獲得高強度和高韌性是非常困難的;從生產實踐來看，油田用戶對油套管的韌性考慮不夠充分，必須針對斷塊油氣田地質構造復雜的特點，在鉆井作業過程中應合理選擇管材的韌性指標，保證套管不變形、不毀損;因此著眼于用戶使用的安全性，建議油田選用高鋼級高抗擠套管產品時，要針對性的制定管體韌性標準;如要求套管產品0℃ 全尺寸縱向Akv≥80J，或橫向Akv≥60J。

4、結語

針對套管在油田勘探開發的重要性和關鍵性，油田用戶在套管選型上不僅要考慮生產工藝、技術要求，還應該關注套管本身的質量性能和對地質結構的適應性。在工藝設計上，技術生產部門要根據地質結構“量身定做”，提出套管設計方案;在套管采購上，物資供應部門要加強與技術生產部門的溝通對接，開展技術評審，明確套管技術要求;要建立油田與套管生產企業合作研究機制，針對油田的不同地質結構，發揮雙方的專業特長，研究開發適合油田地質特點的套管，進一步滿足油田生產使用需求。