開發(fā)過程中油田套管損壞研究現(xiàn)狀

劉碩　閆家旭　肖泉　于獻(xiàn)彬

關(guān)鍵詞： 套管損壞 力學(xué)模型 損壞機(jī)理 防治技術(shù)

中圖分類號： TE931.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0157-05

在油田開發(fā)生產(chǎn)過程中，套管損壞難以避免，往往會對生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，給油田生產(chǎn)帶來諸多不便，導(dǎo)致注采井網(wǎng)布置出現(xiàn)問題，若重新打井，則將增加經(jīng)濟(jì)成本，降低經(jīng)濟(jì)效益。根本原因是當(dāng)載荷超過其承載強(qiáng)度時(shí)，套管就會損壞。而載荷超過其承載強(qiáng)度主要原因有兩方面：一是外部原因，動荷載應(yīng)力在開采過程中發(fā)生變化，蠕變等荷載增大；二是內(nèi)部原因，套管周圍的環(huán)境中存在著各種各樣的腐蝕，對套管進(jìn)行腐蝕，致使套管本身強(qiáng)度下降。

在工作環(huán)境中，套管的損壞一般不是由單一因素導(dǎo)致的，而是許多因素共同作用的結(jié)果，因此本文結(jié)合套管本身的模型結(jié)構(gòu)、失效原因等重要因素（如物理、化學(xué)、工程）進(jìn)行分析，集中總結(jié)，計(jì)算出有效的理論結(jié)果，提出可靠、合理的方案，本文將在此方向?qū)ζ溥M(jìn)行展開研究[1]。

1 國內(nèi)外套管損壞研究現(xiàn)狀

套管損壞普遍存在于整個油田開發(fā)過程中，根據(jù)數(shù)據(jù)分析，正常情況下，投入生產(chǎn)5年的油水井會有20%出現(xiàn)套管損壞等問題。套管損壞不僅會影響開發(fā)效果、增加投入成本，還會給油田生產(chǎn)帶來諸多麻煩。本節(jié)主要探討套管損壞的現(xiàn)象、特征及其原因，并提出針對套管損失問題的防治措施，以期提高油田開發(fā)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)相關(guān)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益最大化。

1.1 國內(nèi)外套管損壞的相關(guān)研究內(nèi)容

1.1.1 套管損壞機(jī)理的研究

地質(zhì)因素是造成套管損壞的重要原因，其包括構(gòu)造應(yīng)力、泥巖膨脹、層間滑動、鹽巖層蠕動等；工程因素則是套管的酸化壓裂、固井質(zhì)量、射孔和高壓注水等；腐蝕因素包含原油、天然氣中含有的硫、硫化氫等腐蝕性氣體，地層水或注入水中含有的腐蝕性物質(zhì)反應(yīng)等[1]。

1.1.2 套管損壞預(yù)防措施的研究

對套管損壞預(yù)防措施的研究具有重要的應(yīng)用意義，不僅可以減少作業(yè)量，還可以間接減少經(jīng)濟(jì)損失。近年來，針對套管損壞的預(yù)防措施研究主要包含鉆井過程中的套管保護(hù)、射孔過程的套管保護(hù)、固井過程的套管保護(hù)、套管防腐技術(shù)的研究等幾個方面。

1.2 國內(nèi)外套管損壞防治技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.2.1 套損井的預(yù)防

在套損井的預(yù)防研究現(xiàn)狀中，套管的合理設(shè)計(jì)、提高套管的抗擠壓強(qiáng)度、提高固井質(zhì)量、防止油層出砂、防止套管腐蝕成為五大研究切入點(diǎn)。

（1）套管的合理設(shè)計(jì)。

施工過程中可采用高抗擠壓材料對套管柱進(jìn)行局部強(qiáng)化，在復(fù)雜地區(qū)可提高其使用壽命，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

（2）提高套管的抗擠壓強(qiáng)度。

合理使用高強(qiáng)套管、厚壁套管、雙層套管或改進(jìn)套管射孔的加工工藝，減少其他因素對套管抗壓強(qiáng)度的影響，這樣的設(shè)計(jì)有利于提高套管的抗壓強(qiáng)度。

（3）提高固井質(zhì)量。

加強(qiáng)固井質(zhì)量包括以下幾個方面：合理控制水泥返高、保證完井施工質(zhì)量、深化振動固井技術(shù)。

（4）防止油層出砂。

目前，防止油層出砂的方法有許多，概括分為化學(xué)、機(jī)械以及復(fù)合材料防砂。相關(guān)施工人員應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)以及開采工藝、生產(chǎn)參數(shù)等影響因素，選擇合適的防沙方式。

（5）防止套管腐蝕。

此過程主要將其置于化學(xué)腐蝕方面進(jìn)行研究，其中應(yīng)用的注水井環(huán)空保護(hù)技術(shù)，其特點(diǎn)為防腐效果好、使用靈活方便、套管變形不受影響且施工方便；此外，還可使用緩蝕劑，能夠降低有關(guān)酸化措施對于應(yīng)用套管的腐蝕；若是使用抑菌殺菌劑，則可對回注污水中所包含的鹽菌等物質(zhì)進(jìn)行清除，以保護(hù)套管不受其腐蝕作用。

1.2.2 套損井的檢測

（1）井壁超聲成像測井。

運(yùn)用超聲電視測井技術(shù)，向垂直于井壁方向發(fā)射超聲波并接收回波，根據(jù)回報(bào)的幅度和時(shí)長差來獲取套管破裂、彎曲變形、縮擴(kuò)徑等情況[2]。

（2）電磁探傷測井。

檢測涉及的儀器用于檢測套管的局部腐蝕厚度和相關(guān)變形情況，這樣會準(zhǔn)確地指示井下管柱結(jié)構(gòu)及檢驗(yàn)工具的位置[3]。

（3）40 臂井徑測井。

此過程所用儀器的主要作用是測量套管內(nèi)徑大小和其相關(guān)橢圓度，以便檢查分析套管的變形、斷裂以及其內(nèi)部的腐蝕情況。對射孔位置的檢測，可以對套管某一段的精細(xì)誤差進(jìn)行解釋分析[4]。

1.2.3 套損井的治理

套損井的治理技術(shù)主要包括取套換套工藝技術(shù)、打通道下小套管技術(shù)、套管縮徑整容技術(shù)、套管補(bǔ)貼及小通徑套損井整形擴(kuò)徑技術(shù)[5]。

（1）取套換套工藝技術(shù)。

整個工藝技術(shù)流程如下：驗(yàn)套確定取套深度—倒扣取自由段套管—裸眼段套銑—切割取套管—換套管魚頂—下入新套管并對扣短節(jié)—套管對扣對接—緊扣試壓完井。

（2）打通道下小套管技術(shù)。

此技術(shù)主要用于套管破漏、腐蝕錯斷等損壞嚴(yán)重的情況，且損壞井段長、修補(bǔ)技術(shù)難以進(jìn)行的待治理的油井。

（3）套管縮徑整容技術(shù)。

此過程分為兩個階段進(jìn)行探索，對彎曲變形不大的套管采用機(jī)械整形技術(shù)，一旦套管變形量超過其內(nèi)徑的12%，則會采用爆炸整形技術(shù)進(jìn)行處理。

（4）套管補(bǔ)貼。

此過程的工作原理是通過液壓擠脹的方式，將膨脹管補(bǔ)貼于套管被腐蝕處或產(chǎn)生破裂的套損部位。

（5）小通徑套損井整形擴(kuò)徑技術(shù)。

通過近年來新研制出的機(jī)器、工具的組合使用，組成配套的組合鉆具，主要對小通徑套管損壞井段進(jìn)行分步處理，使其恢復(fù)原有的通徑，據(jù)實(shí)驗(yàn)證明其成功率可達(dá)到80%，因此這是一種新的修復(fù)工藝技術(shù)，發(fā)揮不可替代的作用。

在當(dāng)今社會發(fā)展趨勢影響下，油井投產(chǎn)后，將會受到各種因素的作用，隨著生產(chǎn)時(shí)間延長，油井套管狀況也隨之變差直至損壞，最終使其不能正常生產(chǎn)工作。因此，找到套管損壞的原因，并隨之進(jìn)行合理分析與修復(fù)，成為當(dāng)下油井大修的重要任務(wù)。

2 套管模型的研究現(xiàn)狀

2.1 套管力學(xué)模型的建立

在套管模型的研究領(lǐng)域，多位學(xué)者展開了多角度、多維度研究。20 世紀(jì)末，隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的普及，運(yùn)用科技手段建立套管模型變得更加便捷。20 世紀(jì)90年代中期，練章華等人對巖鹽、泥巖和頁巖進(jìn)行長期的研究、考察、計(jì)算分析，從而建立了合理可靠的粘彈塑性有限元力學(xué)模型。該模型適用于引起套管變形和溫度變形的油田粘彈塑性流動地層，缺點(diǎn)是不能解決套管破裂和腐蝕的問題[6]。

21 世紀(jì)初期，有多個科學(xué)團(tuán)隊(duì)開始對油田套管建立力學(xué)模型的研究，現(xiàn)列舉如下。

2001 年，劉建中等人通過對大慶油田套管變形的研究，提出了應(yīng)力-壓力復(fù)合力學(xué)模型，取得了一定的成績。在實(shí)際應(yīng)用中，大慶油田某分公司實(shí)現(xiàn)了套管磨損的控制，直接提升了該研究方向的前景和價(jià)值[7]。

2002 年，陳新平等人展開了射孔作業(yè)的研究，其中儲層套管應(yīng)力狀態(tài)是研究的重點(diǎn)方向，建立了簡化的斷裂力學(xué)模型，而復(fù)雜的射孔開裂可以用此模型來描述，得到了作為射孔裂縫判據(jù)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，揭示了射孔裂縫的物理性質(zhì)[8]。

2008 年，伍開松等人開始研究套管損壞的力學(xué)模型。一般狀態(tài)下的二維、三維力學(xué)模型，都對套管分析存在較大缺陷，但真三維套管-水泥環(huán)-巖層系統(tǒng)力學(xué)模型的提出，這些缺陷得到解決，從而建立了水泥環(huán)-巖層系統(tǒng)力學(xué)模型，結(jié)合有限元分析方法，預(yù)測套管損壞變得更加準(zhǔn)確[9]。

2008 年，劉飛等人研究深井和超深井鉆井過程中的套損問題，結(jié)合模型建立了深井鉆桿和套管磨損模型，該模型著重研究鉆桿本體與套管接觸的情況，并對不同因素對套管磨損厚度的影響進(jìn)行了分析和預(yù)測[10]。

2009 年，李子豐等人對油井生產(chǎn)過程的研究主要是蠕變地層與套管的相互作用。從實(shí)際建井過程出發(fā)，結(jié)合力學(xué)原理進(jìn)行分析，成功建立力學(xué)模型。分析力學(xué)模型得出結(jié)論：當(dāng)?shù)貙硬痪哂腥渥兲匦詴r(shí)，套管不會受到地應(yīng)力的影響。然而，地層是蠕變的、持續(xù)的，地層的上覆壓力將是套管的擠壓載荷[11]。

2015 年，袁軍等人利用現(xiàn)有的多層復(fù)合厚壁圓筒理論與彈性理論，展開研究推導(dǎo)，得出套管-水泥環(huán)-地層完整系統(tǒng)的力學(xué)模型計(jì)算公式，并利用有限元軟件對其進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到結(jié)論：對于整個體系而言，在套管-水泥環(huán)界面及水泥-地層界面處之間的徑向應(yīng)力是連續(xù)的，而周向應(yīng)力和Mises 應(yīng)力是不連續(xù)的。有限元計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的誤差小，說明可信度高，且參數(shù)條件設(shè)置合理[12]。

2022 年，杜垚森等人通過對套管柱力學(xué)模型問題的研究，模擬套管鉆進(jìn)工作狀態(tài)，得出相應(yīng)的修正系數(shù)，對鋼管樁力學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，得到更合理的套管柱力學(xué)模型。結(jié)合全旋轉(zhuǎn)套管鉆進(jìn)條件，基于鋼管靜樁理論，通過試驗(yàn)方法探索了套管柱單位摩阻力、土擠壓壓力與地層深度之間的關(guān)系，建立了完善的套管柱力學(xué)模型，具有理論研究的前景[13]。

以上是近年來諸多學(xué)者對力學(xué)模型的研究，他們得出的研究成果都是與工程經(jīng)驗(yàn)相聯(lián)系的，其結(jié)論與工程實(shí)踐廣泛結(jié)合，具有很高的參考價(jià)值。

2.2 預(yù)測模型方向的研究

在套管模型研究的領(lǐng)域，也有學(xué)者對預(yù)測模型進(jìn)行了研究，可以為生產(chǎn)提供很大的幫助，便于提前檢測套管的各項(xiàng)指標(biāo)是否正常，預(yù)測分析油井內(nèi)的圍壓和溫度，保證油井的安全。以下是預(yù)測模型的研究成果。

2012 年，杜丹陽等人對套管射孔完井進(jìn)行研究，對鉆孔巖石部分的應(yīng)力狀態(tài)與射孔壁處的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析。并根據(jù)應(yīng)力準(zhǔn)則建立的出砂預(yù)測模型和油井實(shí)際情況較為吻合，符合實(shí)際要求[14]。

2013 年，楊進(jìn)等人通過研究套管環(huán)空壓力對套管造成擠毀或破裂的問題，建立了套管環(huán)空壓力預(yù)測模型，同時(shí)將其投入實(shí)際中檢驗(yàn)，預(yù)測了某油田深井的套管環(huán)空壓力和溫度，得出實(shí)際值與預(yù)測值之間的誤差很小，模型精度很高[15]。

2018 年，胡志強(qiáng)等人通過研究高溫地層流體對深水油氣井生產(chǎn)階段的影響，推導(dǎo)出必要的位移函數(shù)并建立附加矩陣方程，從而可以計(jì)算出套管環(huán)空壓溫比公式，并通過分析環(huán)空流體熱彈性、套管壁厚以及彈性參數(shù)和水泥環(huán)彈性參數(shù)的影響，得出結(jié)論：每個套管環(huán)空的附加壓力沿井筒增加。提高環(huán)空流體的壓縮性、套管壁厚和水泥環(huán)空的彈性參數(shù)可以降低附加壓力，保證井內(nèi)安全[16]。

2021 年，顧岳等人研究套管磨損對大位移井進(jìn)行了分析，建立了相應(yīng)的套管磨損預(yù)測模型。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了在鉆柱不屈曲的情況下，所建立模型具有可參考性。研究成果中大位移井套管磨損預(yù)測適用于井眼結(jié)構(gòu)復(fù)雜、狗腿度大的特定工程，可降低鉆井過程中的風(fēng)險(xiǎn)，并為套管和鉆具的選擇提供依據(jù)[17]。

3 套管損壞的主要因素

在油田開發(fā)過程中，套管損壞問題是影響到某個區(qū)塊綜合開發(fā)效益的一個重要問題。當(dāng)出現(xiàn)套損井時(shí)，會造成井組不完備，影響剩余油的開采，區(qū)塊相應(yīng)的采收率就會下降；并且套損井的修整時(shí)間較久，相應(yīng)修整用費(fèi)也會升高，即使修理后發(fā)生二次套損的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。因此，套損問題往往會對油田開發(fā)的整體效益造成較大影響，所以保證開發(fā)效益的首要問題就是要解析清楚造成套管損壞的各種因素。套損原因大致可以分為兩類：一類為地質(zhì)因素即內(nèi)因，另一類為開發(fā)因素即外因[18]。

3.1 地質(zhì)因素

3.1.1 巖性特征

以大慶油田為例，其內(nèi)因?yàn)榈貙訋r性引起的套管損壞。在注水開發(fā)過程中，油井會出現(xiàn)出砂現(xiàn)象。這是由于原本巖石骨架較為疏松，油層儲層的水敏性比較強(qiáng)，黏土往往會由于水化而發(fā)生膨脹，使儲層巖石顆粒之間的膠結(jié)物出現(xiàn)破壞，骨架垮塌，細(xì)砂隨液體流出井底。由于儲層內(nèi)部的膠結(jié)程度較差，結(jié)構(gòu)較為疏松，在油井出砂后套管容易被射開，并且出砂后容易形成空洞，從而造成坍塌，對套管損害更為嚴(yán)重[19]。

3.1.2 構(gòu)造特征

（1）套管損壞可能是由斷層位移導(dǎo)致的。在開采油田進(jìn)行注水作業(yè)過程中，斷層因素的關(guān)鍵點(diǎn)在于變化的儲層地應(yīng)力分布，這會使原始斷層發(fā)生位移，最后會使套管發(fā)生損壞。此外，若將注水井放置斷層附近處開采，在壓力下部分水會經(jīng)斷層流至其他層位，形成竄流。并且注水會降低其處的摩擦阻效，這就使在斷層處的巖石發(fā)生側(cè)移，套管在巖石的壓力下會產(chǎn)生剪切應(yīng)力，套管便很容易發(fā)生損壞。

（2）地層傾角可能會引發(fā)套損。套管損壞關(guān)乎地層傾角的因素主要有兩個方面：首先，一般地層傾角較大的地方，并且形成了相關(guān)的浸水域，套管損壞會比較嚴(yán)重；其次，由于地層傾角越來越大，會產(chǎn)生越來越大的層間壓差相關(guān)的剪切力。可以認(rèn)為浸水域在一定的范圍形成后，由于存在外部荷載作用，地層傾角與套管損壞的概率是呈正相關(guān)的線性關(guān)系的。地層傾角大的部位，地層就容易發(fā)生相對錯動，當(dāng)這種錯動越大時(shí)，套管受到的剪切力也就越大，也越容易發(fā)生變形甚至錯斷[20]。

3.2 開發(fā)因素

3.2.1 高壓注水

高壓注水會加速套損速度。據(jù)諸多相關(guān)開發(fā)實(shí)踐證明，高壓注水會改變地層原有的應(yīng)力狀態(tài)，破壞原始地層的應(yīng)力平衡狀態(tài)。地層會在高壓注水作業(yè)下進(jìn)行縱向擴(kuò)張，導(dǎo)致套管受到額外的拉應(yīng)力，從而降低套管的抗擠壓強(qiáng)度，使得套管容易因?yàn)槭艿綌D壓而產(chǎn)生形變。當(dāng)注水壓力過大時(shí)，地層就會產(chǎn)生豎向位移和橫向?qū)娱g位移使套管發(fā)生損壞[21]。

3.2.2 射孔作業(yè)

射孔完井作業(yè)會引起套管損壞。套管的強(qiáng)度受射孔相當(dāng)程度的影響，抗壓強(qiáng)度會有所減小。套管要承受射孔時(shí)產(chǎn)生的巨大沖擊力，就會引起套管的劇烈變形，套管就會發(fā)生損壞。由于小孔應(yīng)力集中的作用，套管極限承載能力下降，下降程度與射孔密度有關(guān)，射孔密度越大，套管的極限承載能力下降幅度也就越大[22]。

3.2.3 固井質(zhì)量

套管的損壞程度也與固井的質(zhì)量有關(guān)。固井效果受溫度、井眼尺寸、水泥種類、井深、水泥環(huán)等多種因素影響，固井效果的好壞又將影響著套管的抗擠毀能力[23]。

3.2.4 腐蝕原因

由于井下環(huán)境的特殊性，套管會存在被腐蝕損壞的風(fēng)險(xiǎn)，腐蝕對套管的損壞影響是長期且復(fù)雜的。套管的腐蝕損壞一般是由化學(xué)腐蝕、生化腐蝕、電化學(xué)腐蝕等多種腐蝕因素共同作用的結(jié)果。在生產(chǎn)運(yùn)作時(shí)，地層水會不可避免地對套管進(jìn)行滲透，地層水中的酸性鹽類會在防水套管上發(fā)生不同的電化學(xué)反應(yīng)，加重腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)[24]。

3.2.5 數(shù)據(jù)誤差

工程測量數(shù)值往往會與實(shí)際情況存在誤差，但當(dāng)誤差與實(shí)際情況偏差很大時(shí)會對工程實(shí)際產(chǎn)生不良影響。測量的數(shù)據(jù)存在誤差會引起實(shí)際油井注水時(shí)的異常，相應(yīng)的注水措施也會有所不同，從而導(dǎo)致套管發(fā)生一定損壞。

以上列舉的各項(xiàng)因素都是油田開發(fā)過程中可能出現(xiàn)的問題，在實(shí)際的油田開發(fā)過程中，還要根據(jù)開發(fā)區(qū)塊所在的具體環(huán)境，采取的具體開發(fā)措施，進(jìn)行具體分析。

4 展望

套管損壞問題依然十分嚴(yán)峻，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了分析和討論，得出套管損壞是多種因素共同作用的結(jié)果，而不是單一因素造成的。文章歸納了國內(nèi)外套管損壞的研究現(xiàn)狀，列舉了學(xué)者們在建立套管損壞模型解決套管損壞問題的發(fā)展路徑，通過分析得出套管損壞因素是由外部因素和內(nèi)部因素共同作用的結(jié)果。在發(fā)展過程中不僅要考慮周圍的地質(zhì)因素和意外因素，還要考慮人為因素，綜合考慮有助于套管損壞問題得到有效改善。