山前浅部盐层断层附近套管损坏分析

卢运虎 陈 勉 唐继平 金 衍 梁红军 丁志敏

（1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.塔里木油田公司，新疆库尔勒 841000）

塔里木盆地盐下油气资源储量大，受天山构造运动，山前高陡构造地层倾角一般在15~80°，断层发育，盐膏层在纵横向均有分布，受强烈构造应力的作用，在钻井过程出现浅部盐层套管挤毁变形的现象，给钻井带来极大的危害，严重制约了钻进速度。

由于盐层独特的地质力学特性，盐层钻进事故复杂率高，套管损害严重，国外对盐膏层的套管受力研究比较少，J. B. Cheatham［1］（1964年）认为套管在盐岩地层承受的非均匀载荷随时间增加而增加，并接近上覆岩层压力；R. M. Hackney［2］（1985年）利用弯曲梁理论推导了套管在非均匀载荷下的应力公式；Nester、A. H. El-Sayed［3,4］（1987年、1989年）从理论和实验角度证明非均匀载荷使套管强度降低。国内众多学者认为盐层蠕变产生的非均匀载荷是盐层套损的根本原因［5-7］，但盐岩地层相当数量普通套管未发生损坏使得现场许多专家对上述观点产生质疑。杨恒林、陈勉等人［8-9］研究非均匀载荷与套管强度的相互关系，进一步完善了非均匀地应力作用下蠕变地层套管强度设计理论，但是对浅部盐岩断层附近套管损坏机理国内外没有相关研究。

通过分析山前浅部盐层断层的地质条件，确定套管变形的主要原因，利用有限元模型，对使用高强度套管、增加壁厚、提高固井质量和采用双组合套管等工艺措施进行了研究，制定了抑制浅部盐层断层附近套管变形的工程对策并推荐了相应的套管组合，现场应用表明，上述套管组合可有效封隔浅部盐层，避免发生套管损坏。

1 山前浅部盐层断层附近套损原因分析

塔里木山前区域受南天山造山带向南作用的应力及拜城凹陷巨厚沉积物强烈阻挡的双重作用下，克拉苏构造带隆升、变形、断层发育，同时在由北向南的构造挤压应力作用下，古近系库姆格列木组的膏盐岩开始变形、聚集，由于构造作用的持续活动，构造顶部不断抬升，形成逆冲断层。

国内外学者对于断层附近地应力研究较少，主要定性地介绍了各断层发生时三向主应力与地质构造的关系［10］。下面介绍各断层发生时三向地应力大小与地质构造的关系。

正断层发生时三向主应力的大小应该满足摩尔−库仑准则，即

式中，C为岩石内聚力，C0=2C tanα为岩石单轴抗压强度，MPa；α为岩石内摩擦角。

同理可得，逆断层和走向断层发生时三向主应力应该分别满足以下方程

当断层活动停止时，正断层、逆断层和走向断层三向主应力应该分别满足下列方程

该井浅部盐层受逆冲断层影响，应力异常。从测井资料和室内实验可得，该井1537~1541 m，垂向地应力为32.4 MPa，岩石单轴抗压强度为18 MPa，φ=26°，α=58°，断层稳定时假设上覆岩层压力不变，计算出最大水平地应力σH为82.94 MPa，最小水平地应力σh为40.23 MPa，最大水平地应力是最小水平地应力的2.06倍。

该井浅部盐层在1522~1547 m井段多次遇卡，最大挂卡450 kN，电测发现套管变形严重，后下铣锥磨铣后通过。文献中指出盐层套损是由盐层蠕变和非均匀载荷引起的套管等效破坏载荷降低，浅部盐层蠕变小，断层造成的应力异常是浅部盐层套管损害的主要原因。

2 塔里木山前浅部盐层断层附近套管变形控制措施研究

为了控制浅部盐层断层附近套管变形，常用的工程措施包括使用高强度套管、采用厚壁套管、提高固井质量及采用双组合套管及各种措施组合等。笔者面通过实验和数值分析，研究工程工艺措施的作用和效果，从而制定控制套管变形的工程对策。

2.1 使用高强度套管

建立套管在非均匀载荷条件下的有限元模型（图1），设套管外壁受蠕变地层非均匀载荷作用，最大水平地应力方向的压应力为pmax，最小水平地应力方向的压应力为pmin，载荷非均匀系数K=pmin/pmax，分析Ø273.05 mm套管不同钢级情况下受非均匀载荷影响的实际抗外挤强度，由于计算过程中未考虑套管内压作用，分析得到的套管相对偏安全。

图1 套管−盐层有限元模型

从图2得知，在相同壁厚（26.24 mm）、钢级的情况下，随着非均匀载荷系数的增加，套管的等效破坏载荷降低，当非均匀载荷系数等于0.6时，套管等效破坏载荷为均匀载荷条件下的36.7%；在非均匀载荷系数相同的条件下，随着钢级的增加，套管等效破坏载荷增加，因此，在条件允许的情况下，尽量采用高钢级的套管可以确保套管的安全。

2.2 增加套管壁厚

采用有限元模型，分析VM140HCØ273.05 mm套管壁厚对套管等效破坏载荷的影响。从图3可以得知，随着非均匀载荷系数的增大，套管等效破坏载荷增加；相同非均匀系数情况下，随着壁厚的增加，套管等效破坏载荷增加。

图2 非均匀载荷下套管钢级对套管抗外挤强度的影响

图3 非均匀载荷下套管壁厚对套管抗外挤强度的影响

2.3 提高固井质量

油气井固井水泥环的作用是减小和改善套管的受力状态，延长套管的服役寿命。从图4得知，随载荷非均匀系数的减少，固井套管抗非均匀载荷的能力相对未固井套管下降缓慢。固井水泥弹性模量愈大，固井套管等效破坏载荷愈高；非均匀载荷系数越大，固井水泥弹性模量越高，水泥环承担的非均匀载荷的比例越大。因此，对于断层附近应力异常地层提高固井质量是确保套管安全服役的一项有效手段。

图4 非均匀载荷下固井套管抗外挤强度

2.4 采用双组合套管

双组合套管能够承受大的外挤力。双组合套管的抗挤毁强度至少等于两层套管挤毁强度之和，采用局部双组合套管是一种提高盐膏层套管抗外挤能力切实有效的手段［11］。

研究证明，在双层组合套管中，管外非均匀载荷作用在外层套管上，使外层套管产生变形，中间水泥环进入塑性状态，使各向应力趋于均匀，使传入内层套管上的载荷比外层均匀，而套管能承受相当大的均匀载荷，采用双组合套管能有效提高套管抗外挤能力。

2.5 优化组合施工措施

目前解决盐层套损比较有效的办法是使用高钢级套管、增加套管壁厚、提高固井质量和采用双组合套管［12］。针对该井1537~1541 m段Ø393.7 mm井眼Ø374.65 mm套管变形严重的情况，单一的措施很难确保套管的安全。根据盐岩断层附近的构造特征，确定非均匀载荷系数为0.536，在此应力状态下套管等效破坏载荷为57.74 MPa，使用套管组合见下表1。

表1 各种组合方式下套管安全状况

从表1中可知，采用后面4种组合方式套管安全，从经济角度出发，采用第3种和第5种方法比较经济，套管用量少。实际钻井过程中，克深5井浅部下铣锥修整Ø374.65 mm套管后继续钻至3860 m，更改井身结构设计，下入Ø250.83 mm套管，安全钻至目的层，断层附近未发生阻卡。

3 结论

（1）造成山前浅部盐层断层附近套管变形的主要原因为：地质条件恶劣，围压力学参数较低，断层活动造成的地应力异常，非均匀载荷系数达到0.536，对地应力的认识不够。

（2）建立有限元模型，分析了非均匀载荷条件下套管钢级、壁厚和水泥环对套管等效破坏载荷的影响，在此基础上提出使用高强度套管、增加壁厚、提高固井质量和采用双组合套管的工程措施来确保浅部盐层断层附近套管安全。

（3）基于上述分析，推荐了相应的套管组合并从安全、经济的角度优选出相应的套管组合，现场使用效果良好，适合山前浅部盐层断层附近钻井固井作业的要求。

［1］ CHEATHAM Jr J B. Wellbore stability［R］. SPE 13340, 1984-06.

［2］ HACKNEY R M.A new approach to casing design for salt formations［R］. SPE 13431, 1985.

［3］ NESTER J H. Resistance to failure of oil well casing subjected to non-uniform transverse loading［J］. Drilling & Prod. Practice, 1955: 314-378.

［4］ EI-SAYED A H, KHALAF F, CAIRO U. Resistance of cemented concentric casing strings under nonuniform loading［R］. SPE 17927, 1992.

［5］ 郑俊德，张艳秋，王文军，等.非均匀载荷下套管强度的计算［J］.石油学报，1998，19（1）：118-123.

［6］ 韩建增.张先件.非均匀载荷作用下套管抗挤强度初探［J］.钻采工艺，2001，24（3）：48-50.

［7］ 殷有泉，李志明，张广清，等.蠕变地层套管载荷分析研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（14）：2381-2384.

［8］ 杨恒林，陈勉，金衍，等.蠕变地层套管等效破坏载荷分析［J］.中国石油大学：自然科学版，2006，30（4）：94-97.

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［11］ 唐继平.王书琪，陈勉.盐膏层钻井理论与实践［M］.北京：石油工业出版社，2004.

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