錦25、607 區(qū)塊套損破壞機理與防護措施

（中油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 121209）

1 概述

套損不僅威脅工程安全，而且造成巨大的經(jīng)濟損失，其中石油天然氣開采中的井下套管破壞損失尤為嚴重，套損已經(jīng)成為油氣生產(chǎn)的首要災(zāi)害。初步統(tǒng)計，我國目前有套管損壞井超過15000 口，按每口井平均綜合投資200 萬元計算，則套損井涉及資產(chǎn)高達300 億元，按照35 %的井屬于錯斷破壞，需要報廢或不得不進行大修的井資產(chǎn)超過100 億元，這還不計油井大修停產(chǎn)、報廢后導(dǎo)致的油氣產(chǎn)量下降、影響增產(chǎn)措施實施以及油井污染所造成的經(jīng)濟損失。[1]錦州采油廠現(xiàn)有套管損壞井524 口，占總井數(shù)的26.5%，僅在錦45 區(qū)塊就有278 口井發(fā)生套管破壞，而且新投產(chǎn)的錦607 區(qū)塊套損嚴重，對生產(chǎn)構(gòu)成很大威脅。因此，選取錦州采油廠相鄰的錦25、錦607 區(qū)塊作為研究對象，從錦25 區(qū)塊的歷史破壞中總結(jié)經(jīng)驗，深入研究，可以為急需的錦607區(qū)塊提供方案，通過套管破裂機理分析，提出相應(yīng)的防護措施。

2 主要研究內(nèi)容

在統(tǒng)計的1468 口稠油井中，套損井有453 口，占統(tǒng)計井數(shù)的30.8%，遠高于稀油井的比例，深井注蒸汽壓力與溫度較高是套損的主要原因。油井注蒸汽溫度高達330～345℃。而N-80、7″套管受均勻載荷作用，在無預(yù)應(yīng)力情況下，僅能承受250℃，即使拉預(yù)應(yīng)力完井，也只能承受280℃-300℃。因此，溫度過高導(dǎo)致套管超過安全極限而損壞是主要原因之一。在統(tǒng)計的453 口稠油套壞井中，有289 口發(fā)生在油層部位，占比例63.8%，其原因是油層至封隔器井段，套管直接裸露在高溫蒸汽中，溫度一般都在300℃左右，個別井甚至達到340℃，N-80 套管處在屈服狀態(tài)，封隔器以下井段為極危險區(qū)，套管更易損壞。

表1－2 套損類型統(tǒng)計

套管外水泥環(huán)的變質(zhì)損壞可引起局部井段套管溫度超過安全極限，也會損壞套管，固井質(zhì)量是防止套損的基礎(chǔ)。在統(tǒng)計的固井質(zhì)量不合格的26 口井中，尤其是在油層部位固井差的井，平均壽命只有3 年，最短的僅僅生產(chǎn)5 個月就發(fā)生了嚴重的套變，致使油井報廢。應(yīng)探討使用預(yù)應(yīng)力完井來提高油井套管的使用壽命，減少套管損壞的可能性。據(jù)不完全統(tǒng)計，采用預(yù)應(yīng)力完井的油井套損比例要低許多。因此，工程質(zhì)量主要是固井質(zhì)量與固井技術(shù)的選擇，是防止套損的重要工程保障。

油井出砂造成了水平負荷的不均勻，這種不均勻水平負荷是在巖層出砂、或是支撐套管的蓋層坍塌而形成高軸向的壓縮力而產(chǎn)生的，這種情況極易造成套變與錯斷，因此，地層出砂與地層蠕變是套損的最基本原因。另外，工作部位套管的射孔及地層出砂對炮眼附近套管的沖蝕作用，造成內(nèi)應(yīng)力集中，也加劇了地層因素的影響。[2]

綜合考慮這些因素對套管破壞的影響來分析套管破壞過程，研究不同生產(chǎn)階段主要影響因素，提出相應(yīng)生產(chǎn)保護措施是減少破壞損失與保障油氣生產(chǎn)的關(guān)鍵。若想實現(xiàn)對以上因素的綜合考慮，借助大型工程軟件通過有限元模型來模擬分析是現(xiàn)階段唯一可行的研究方法，而進行有限元分析首先需要解決以下幾個技術(shù)關(guān)鍵：

（1）有限元分析中，地層－水泥環(huán)－套管等有限元整體幾何模型建模方法；（2）熱采注汽產(chǎn)生的熱場與地層應(yīng)力場之間的熱力耦合作用；（3）套管變形破壞與裂紋擴展過程的有限元破壞過程分析；（4）地層蠕變分析，針對地層因素造成破壞的保護措施；（5）考慮地層和水泥環(huán)影響的室內(nèi)實體模擬典型試驗設(shè)計；（6）針對熱采注汽破壞與固井的保護措施的建議方案等。

第一階段：2018 年7 月-2018 年12 月。井與區(qū)域資料統(tǒng)計分析，統(tǒng)計分析套損井注汽時間與周期、油層出砂、套損情況，確定有限元模型的參數(shù)選擇；地層－水泥環(huán)－套管的整體三維有限元幾何建模方法，模型參數(shù)選擇與加載方式，進行模型試算。采用Parasolid 建模方式建立合適范圍的地層體模型，應(yīng)用布爾操作產(chǎn)生井筒位置，定義井筒套管Pipe 體和環(huán)狀水泥固井體；使用ADINA 的Body 切分方法，從地層體中生成實際的地層和斷層模型，實現(xiàn)地層－水泥環(huán)－套管的整體三維有限元幾何建模。

表1-1 套管損壞統(tǒng)計

第二階段：2019 年1 月-2019 年6 月。地層與套管相互作用的情況下的管道變形動力計算，套管變形特點分析，各種影響因素（地層、斷層、外力、套管特性等各種參數(shù)）對套管變形的影響分析；多期熱場計算和注汽速率及吞吐量參數(shù)，考慮熱力耦合作用的套損井注汽熱采有限元應(yīng)力分布計算，注汽熱采對套損影響以及防護措施建議等。

第三階段：2019 年7 月-2019 年10 月。地層作用下套管變形特點的破壞試驗，對應(yīng)有限元模型，建立地層－水泥環(huán)－管道試驗?zāi)Ｐ停O(shè)計管道和土體的幾何尺寸、容器、材料特性、動荷載加載方式、應(yīng)變測量方法；在擬動力試驗機上，通過箱體運動模擬地層錯動，對比試驗和數(shù)值計算結(jié)果。

3 主要治理措施

對于注水引起的套損，主要由于泥巖吸水膨脹引起，泥巖是一種沉積巖，富含粘土，因此當泥巖和水離子相接觸時，易于發(fā)生水化、膨脹、收縮及強度下降等現(xiàn)象。大慶油田和吉林油田的套管損壞主要分布在泥巖層，在泥巖層巖套損比例約占70%，油層占30%左右。主要集中在嫩二段底部標準層，該層泥巖層理性強，容易浸水，并且浸水后強度大大降低。吉林油田泥巖段也是套管發(fā)生變形的主要區(qū)域。套管變形井段大多集中于泥巖段，該段是泥巖和砂巖的交界面，泥巖質(zhì)較純、性脆、易碎，泥質(zhì)含量較高，膠結(jié)較疏松。套損的根本原因是高壓注水壓力和泥巖浸水，泥巖浸水導(dǎo)致巖石抗剪切強度和內(nèi)摩擦系數(shù)大幅度降低，泥巖蠕變膨脹力擠壓套管。泥質(zhì)巖石的性質(zhì)可由吸水而改變，據(jù)大慶油田的試驗研究結(jié)論，在相對濕度小于50%時，隨著濕度的增加，泥頁巖中的含水量緩慢地增加；此后，泥巖中的含水量隨著環(huán)境濕度的增加迅速的增加。泥頁巖的含水量與巖樣中的粘土礦物的含量有關(guān)，粘土含量越高泥頁巖含水量越高。泥巖的吸水能力越強，泥巖膨脹越迅速。

套管損壞部位主要發(fā)生在油層及上界部位，稠油井中占損壞井數(shù)的79.1%，說明錦州采油廠的套管損壞主要與熱采注蒸汽有關(guān)，即損壞部位主要位于熱采封隔器附近。稠油井油層部位損壞井比例79.1%明顯高于稀油井的63.3%，也驗證說明了這一點，且套損速度有增加的趨勢。套損區(qū)域間較大的地層壓力差異是導(dǎo)致套損的主要原因之一。區(qū)域間壓力分布不均衡，較大幅度的突升或突降容易引起區(qū)域性套管損壞。而區(qū)域間壓力分布不均衡，則主要來源于構(gòu)造運動及其產(chǎn)生的斷層分布控制的流體活動，因此，構(gòu)造與斷層是影響套管損壞的基本因素。錦25 和錦607 區(qū)塊套損的主要部位均位于油層。這與大慶油田和吉林油田的套損特點有所不同，其原因在于，大慶油田和吉林油田的套損由注水引起，而錦州采油廠的套損原因則以熱采注蒸汽為主。也正因為如此，在大慶油田和吉林油田，套管損壞與注水量和注水壓力有關(guān)，而錦州采油廠的套損卻與累計采液量有關(guān)。

套管損壞與生產(chǎn)因素密不可分。注氣次數(shù)與套損井分布有一定關(guān)聯(lián)，但套損井的分布并不受注氣次數(shù)控制，也就是說，套損更多受到采液量和注氣量的影響，而非注氣次數(shù)的影響。套損井的注氣壓力比較高，但并非平均注氣壓力高套管就破壞的更厲害。也就是說，注氣溫度會影響到套管損壞，但卻不是與溫度的絕對高低有關(guān)。注氣平均壓力具有同樣的特點。因此，從此分析大致可以看出，注氣溫度和注氣壓力會影響到套管的損壞，但可能并沒有我們想象的那么嚴重。在錦25 區(qū)塊，出砂井和套損井基本可以對應(yīng)，而在錦607 區(qū)塊，出砂井的分布遠多于套損井的分布。這可能與錦607 區(qū)塊開發(fā)比較晚有關(guān)，因此，錦607區(qū)塊套損的前景不容樂觀。套管外水泥環(huán)的變質(zhì)損壞可引起局部井段套管溫度超過安全極限，也會損壞套管，固井質(zhì)量是防止套損的基礎(chǔ)。在錦州采油廠2002 年統(tǒng)計的固井質(zhì)量不合格的26 口井中，尤其在油層部位固井差的井，平均壽命只有3 年，最短僅僅生產(chǎn)5 個月就發(fā)生了嚴重的套變，致使油井報廢。在存在外力荷載時，溫度荷載對套管破壞的影響很大，套管破壞是外力荷載和溫度荷載的綜合效應(yīng)造成的。針對錦25 和錦607 區(qū)塊而言，外力荷載主要是地層出砂進而引發(fā)的地層蠕變荷載。但對于軸向應(yīng)變而言，這種影響在一定時間內(nèi)可以很小，也就是說，除了軸向應(yīng)變外，在外荷載作用下，溫度荷載對套管損壞的影響很大，其作用是不可忽視的。