注水开发井套管的选择

张 毅，李 晶

（无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司，江苏 无锡 214028）

注水开发井套管的选择

张 毅，李 晶

（无锡西姆莱斯石油专用管制造有限公司，江苏 无锡 214028）

分析了注水开发井套管损坏的特点；提出了解决注水开发井套管损坏的主要途径，即开发并合理选用高抗挤套管。选择高抗挤套管的具体方案是：对于2 000 m以内的浅井，既可以考虑在油层井段、注水裂缝地层段和油层以上的上覆岩层压力地层段使用抗挤油层套管，也可以考虑通井使用；对于3 000～4 500 m的中深井，分为油层套管井段和各种岩层的封固段两种情况进行选择；对于5 000～8 000 m的深井、超深井，分为油层套管井段、各种复杂地层的封固段、尾管段以及超深井多层套管柱4种情况进行选择。

油田；注水开发；套管损坏；高抗挤套管；抗挤强度

注水开发是油田开采中后期最常用的一项增产、保产措施，注水施工引起的套管损坏问题是注水开发工程的难题。油田注水开发中，注水压力通常在10 MPa左右，生产压力差1.2 MPa［1］，引起套管损坏的主要原因是注水引起的地层蠕动，导致套管以错断或变形的形式损坏。由于油层中流体被开采出来，需要数年或数十年不断注水补充能量，岩石的弹性应变大量释放，从而形成一个低的应力异常区，周围高压应力区的挤压常常致使油井套管大量损坏。

注水开发是一个动态过程，在开发过程中整个地层岩石的物理性能、力学性能以及整个地层的位移场、应力场、温度场、流场等都将发生变化，这些变化将直接影响套管的使用寿命，特别是地层的位移场和应力场发生较大的改变时，套管本身的强度已不足以抵抗整个地层的变形和由此产生的应力，套管就可能发生错断、缩径、弯曲变形等多种形式的失效［2］。开发并合理选用高抗挤套管可以有效地解决上述难题。

1 注水开发井套管损坏的特点

根据油田现有的地层地质资料，初步选择青海省跃进二号东高点油田II173—II146井横剖面（图1），分析注水开发井套管损坏特点。

图1 跃进二号东高点油田II173—II146井区的地层几何模型

该剖面具有以下特点：

（1）穿越整个油田区块。

（2）地层地质资料较详细（油田开发处于中后期）。

（3）其断层发育及地层层序能代表整个油田。

（4）跨越井眼数多，多井有不同程度损坏。

（5）剖面上有套管损坏井，并在注水井附近。剖面中贯穿了序号为2、4、6、7、8、18共6个断层，这6个断层也正是整个油田的大部分主要断层。油田为了补充地层能量和稳定增产的目的而采用了注水开发，注水压力为10 MPa，生产压差1.2 MPa，两个注水高压区正好在断层号6和8上。II173—II146井的注水位置和剖面饱和度分布情况如图2所示，从剖面饱和度分布来看，注水区域的饱和度明显较高，而生产井的射孔段附近的饱和度较低，可见断层的孔隙率较大，注入水迅速进入断层，地层的孔隙压力发生了变化，使得断层内压力远高于附近地层的上覆岩层压力，断层附近地层内压成为高压区，生产井的射孔段附近的地层由于长期采出致使饱和度低，处于低压区，引起地层向低压区的较大位移。

（6）在断层裂缝附近分布着地层最大等效应力，因而套管在断层附近最易发生损坏，套管损坏形式多表现为错断、缩径、弯折变形等。

图2 II173—II146井的注水位置和剖面饱和度分布情况

总之，注水开发井的套管损坏主要发生在距油层段较近的断裂地层裂缝附近的井段，以及存在泥岩层、盐岩层或膏岩层的井段，主要形式表现为错断、缩径、挤扁、失圆、不均匀变形以及附加弯曲的折弯，其中错断、折弯、挤扁等大位移变形多发生在注水开发断层裂缝地应力作用井段，而失圆、缩径等易发生在岩层蠕变作用井段［3］。注水开发井套管损坏管体变形概率大于接头处，表明接头处抗挤强度优于管体，接头的失效形式多表现为脱扣断裂。适当提高套管的抗挤强度，可以有效地预防注水开发井套管的损坏。

2 解决注水开发井套管损坏的途径

适当提高套管的钢级、壁厚，即提高套管的抗挤强度是有效预防注水井套管损坏的主要途径，但是套管挤毁不仅与管材的抗挤性能有关，还与外压载荷相关。

影响套管抗挤强度的各因素按严重程度排序如下：不均匀载荷∧弯曲载荷∧轴向拉力∧残余应力∧不圆度∧壁厚不均度；提高套管抗挤强度的各因素按贡献度排序如下：增加壁厚∧提高屈服强度∧降低残余应力∧提高圆度∧减小壁厚不均度［4-5］。

高抗挤套管的临界抗挤强度随径壁比（D/t）值变化：当D/t=28～35（弹性挤毁），高抗挤套管的抗挤强度高出API标准15%～30%，钢级越高提高幅度越明显；D/t=21～28（弹塑性挤毁），高抗挤套管的抗挤强度高出API标准25%～35%，并与钢级、壁厚成正比变化；D/t=13～21（塑性挤毁），高抗挤套管的抗挤强度高出API标准30%～45%，根据钢级、壁厚的不同而变化；D/t∧13（屈服挤毁），套管的抗挤强度可高出API标准40%～65%，此时残余应力的影响已不再重要；因此，选材时应具体问题具体分析。

3 注水开发井套管的选择

3.1 2 000 m以内的浅井

2 000 m以内浅井的油层套管多为Φ139.7 mm的J55、K55或N80钢级，其中J55、K55钢级的普通抗挤（T）套管，临界抗挤强度比API标准钢级高15%以上，N80钢级普通抗挤套管的临界抗挤强度比API标准钢级高20%［6］。可考虑在油层井段、注水层裂缝地层段和油层以上的上覆岩压力地层段使用抗挤套管，当然也可以考虑通井使用。注水开发浅井油层套管的选择见表1。

表1 注水开发浅井油层套管的选择

3.2 3 000～4 500 m中深井

3 000 ～4 500 m中深井注水开发套管选择分两种情况：①油层套管井段，针对注水开发引起的上覆岩层压力变化，地层裂缝应力和位移，选择普通抗挤或高抗挤（TT）套管，其中普通抗挤套管的抗挤强度比API标准钢级高15%，高抗挤套管的抗挤强度比 API标准钢级高 15%～45%［7］（表 2）；②针对各种岩层的封固，选择高抗挤套管（表3）或特厚壁的非API抗挤套管（表4），其中特厚壁由于壁厚增加，抗挤强度比同钢级的API套管高很多。

表2 注水开发中深井油层套管的选择

表3 注水开发中深井岩层封固井段套管的选择

表4 注水开发中深井岩层封固井段特厚壁套管的选择

3.3 5 000～8 000 m深井、超深井

5 000 ～8 000 m深井、超深井注水开发套管的选择分以下几种情况：①油层套管井段，针对注水开发引起的上覆岩层压力变化、地层裂缝应力和位移，以及套管柱内压高等特点，选择厚壁、高钢级、高抗挤油层套管，其抗挤强度比API标准钢级高30%以上，同时具有高强度、高抗内压等特点（表5）；②针对各种复杂地层的封固，选择高钢级、高抗挤套管（表6）或特厚壁的非API抗挤套管，其中特厚壁套管仅下在封固岩层井段，由于壁厚异常增加，其抗挤强度比API标准钢级高出很多，而其他抗挤技术套管，临界抗挤强度高出API标准钢级 15%（T）～45%（TT）［8-9］；③尾管段，综合井眼内压和地层压力，选择厚壁、高钢级、高抗挤套管；④深井、超深井多层套管柱的设计，针对管柱压力高、地层压力高、固井质量要求严格、施工难度大等特点，可考虑选择非API的高强度、高抗挤厚壁套管（表7）。

表5 深井、超深井油层套管的选择

表6 深井、超深井复杂地层封固井段套管的选择

表7 深井、超深井多层套管柱的选择

4 结 语

注水开发井套管损坏主要发生在距油层段较近的断裂地层裂缝附近的井段，以及存在泥岩层、盐岩层或膏岩层的井段，损坏形式主要表现为错断、缩径、挤扁、失圆、不均匀变形以及附加弯曲的折弯。注水开发套管的损坏问题十分严重，通过适当提高套管的钢级、壁厚，开发并合理选用高抗挤套管，可以有效地预防注水井套管损坏。

［1］肖敏，肖继威.对中原油田开发几个问题的思考［J］.断块油气田，2011，18（5）：602-606.

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［3］王仲茂.油田油水井套管损坏的机理及防治［M］.北京：石油工业出版社，1994.

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［8］宓小川，董晓明，田青超.超高抗挤套管的织构研究［J］.宝钢技术，2010（1）：43-47.

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Selection of Casings for Water-flooding Development Well

ZHANG Yi，LI Jing
（Wuxi Seamless Oil Pipe Co.，Ltd.，Wuxi 214028，China）

Analyzed are the characteristics staying with damaging of casings used in the water-flooding development well.Based on the analysis，it is pointed out that the key approach to solving the problem of such damaging is developing and properly selecting high anti-collapse casings.Moreover，proposal for specifically selecting high anti-collapse casings is put forward as follows.For shallow wells with depth under 2 000 m，anti-collapse production casings are considered to be used for the reservoir section，water-flooding crack stratum section，and overburden pressure stratum section above the reservoir， or be used through out the entire well； for medium-deep wells with depth ranging as 3 000～4 500 m，selection of casings can be done according to the two major conditions，i.e.，production casing well section and various stratum cementing sections；and for deep and extra-deep wells with depth ranging as 5 000～8 000 m，the selection can be made as per the four conditions，i.e.，production casing well section，various complex stratum cementing sections，tail casing section，and multi-layer casing strings in extra-deep wells.

oil field；water-flooding development；casing damage；high anti-collapse casing；collapse strength

TG115.5；TE931+.2

B

1001-2311（2014）03-0064-06

张 毅（1955-），男，教授级高级工程师，从事油井管的腐蚀研究工作。

2013-02-18；修定日期：2014-01-16）