油田套损机理研究与理论分析

王继波 王哲 吴耀 马帅 严博（宁夏西北三兰石油开发有限公司，宁夏 银川 750001）

随着油田开发时间的延长，由于套管的原因导致油水井不能正常生产，油水井维修作业量和作业难度加大，直接生产成本大幅度增加，间接产量下降造成的损失更是巨大，对油田的开发效果造成巨大的影响。套损是国内外油田亟待解决的一个至关重要的问题。

套管损坏绝大多数是很多原因叠加起来造成的，单一原因造成套管损坏，在套损井总井数中占极少数。归纳总结起来主要的影响因素，有油水井本身的质量问题、油水井所在的地质环境状况、油水井建设和开发过程中的工程作业的影响、油水井所在环境中的腐蚀性的大小等。本文将逐个对这些原因进行分析。

1 油水井本身的质量问题

油水井本身的质量问题主要包括套管质量不达标、井身结构复杂等。

1.1 套管质量不达标

在API Spec 5TC标准中，对套管质量有严格的要求:材质方面有化学成分、冶金质量、力学性能、残余应力等；加工精度方面有内径、外经、壁厚、圆度、直度、螺纹参数、密封性能和结构完整性。入井的套管在以上任何一个方面出现问题或是质量达不到标准，都有可能会造成，套管的漏失、失稳、断脱、破裂等损坏情况的发生。

目前，国内套管生产厂家多，质量也是参差不齐，因为在选购油水井套管时，尽量选择质量有保障的大厂的产品。同时入井前一定要对套管的质量进行系统的检查，因为在一口井几百根套管中，如果有一根套管出现问题，对于这口井来说套管就达不到其使用要求。

1.2 井身结构复杂

由于井眼轨迹设计的要求、底层原因或钻井施工中导致，目前大多数井井眼不规则和倾斜，井身结构复杂。从理论上来说，套管在这种井身结构复杂的井眼中，肯定是不居中的，由于套管本身具有一定的柔韧性，造成套管在井内是以弯曲的状态存在。这样套管就存在应力集中，特别在狗腿度较大的井段，套管就会造成失稳、变形、损坏。由于井身复杂，使套管在下井过程中，造成外表面摩擦严重，防腐层遭到破坏；套管变形使套管内壁钝化层消失，这样套管内外层金属直接与腐蚀性介质接触，增加了套管的腐蚀速度。

因此建议在做新井工程设计时，井身设计尽量要简单；钻井过程中要严格按设计进行，不能因为工程的原因造成井身结构的复杂；控制好泥浆参数，确保井壁顺畅；下套管过程中控制好速度，减少套管外壁也地层的磨损。

2 油水井所在的地质环境影响因素

目前油水井的深度从几百米到几千米不等，不同区域的油水井所在的地层情况也大有不同，但由地质环境造成油水井损坏的因素，总结起来有一下几种:地层泥岩吸水蠕变和膨胀造成套管损坏；产层出砂造成套管损坏；岩层滑动造成套管损坏；断层活动造成套管损坏；盐岩蠕变、坍塌造成套管损坏；地震造成套管损坏。由于井筒在地质环境中处在应力集中的状态下，这些地质因素一但被引发，作用在套管上的应力就会产生巨大的变化，刚这种应力变化超过套管所能承受的极限时，套管就会变形损坏。各种地质因素有时是单一变化，有时是相互影响共同作用，而且由于地质因素引起的套损具有区域性，有时会对成片的油水井产生相同的破坏，对油田正常生产的威胁也是十分巨大的，因此对地质影响因素的机理分析是非常有必要。

2.1 泥岩吸水蠕变和膨胀造成套管损坏

国内外学者、专家，近些年来，对泥岩吸水蠕变和膨胀造成套管损坏的机理研究做了大量工作，也取得了一些新进展。提出了泥岩吸水蠕变、膨胀的数学计算模型，并通过地面模拟地层相同条件下的状况进行实验分析，通过数模计算和模拟实验相结合的办法，对泥岩吸水蠕变和膨胀造成油水井套管损坏机理，有进一步认识。在稳定的地层中，如果泥岩含水量变大，会导致泥岩的流动速度的增加，进一步会使作用在油水井套管上的岩石蠕变载荷增大时间缩短变小。地应力在套管上的作用力是非均匀的，岩石蠕变载荷的增加使套管产生非均匀的变形，随着时间的增加，载荷不断增加，最终导致套管变形损坏。

2.2 产层出砂造成套管损坏

产层出砂多发生在，岩石颗粒胶结较弱的疏松砂岩层。近年来，对油层出砂造成套管损伤的机理研究较多，目前也有了较为普遍的认识:油层出砂首先发生在射孔孔眼附近，随着油层不断出砂，在射孔孔眼附近产生空洞，油层出砂量增大以后，会在油层段内形成较大的空洞，最终占据整个油层厚度。这时油层内的液体不断被采出，油层内由液体支撑的压力逐渐减少。当油层上部盖层的压力大于油层段压力，且该压力超过了油层段岩石骨架支撑应力时，就会造成油层段岩石在空洞处垮塌，打破了原有的应力平衡，进而将压力转移到套管上，当作用在套管上的应力大于套管能承受的极限时，就会将套管挤压变形或错段。

2.3 岩层滑动造成套管损坏

岩层滑动造成的套管损坏的地质基础是，岩层中存在有较强吸水性的弱夹层。这些夹层的稳定性差，其吸水后层内岩石矿物质的物理性能发生改变，强度变差，在上下较稳定地层的挤压下，弱夹层失稳发生滑动。在正常情况下，这些弱夹层不吸水时是稳定的，但当油田开发到一定阶段需要注水补充能量时，随着注水井压力的不断升高，注入水通过孔道或裂缝窜到弱夹层内，使其吸水就会造成上述后果。因此岩层滑动造成套管损坏，主要发生在注水开发的油田。通过对由于高压注水引起岩层滑动造成套损的案例进行研究总结得出以下结论:在同一注水井网内，油井发生套损的时间要比水井早，而且套损是发生在同一层位的，相邻井发生套破的时间很接近。

2.4 断层活动造成套管损坏

从油田开发地质资料来看，在开发区域内，断层是普遍存在的。在正常情况下，断层是稳定的不会对套管产生伤害。但有时候，由于地壳运动、地震或高压注水作用等原因，使地下原有的平衡遭到破坏，地应力发生变化，使断层由稳定状态变成了失稳地层，其施加在套管上的应力发生变化，这种应力的变化是巨大的，有时远远超过套管所能承受的载荷，一般这种情况发生时，套管会被剪切的错段，而且是成片发生。

2.5 盐岩蠕变、坍塌和塑性流动引起套管损坏

盐岩地层由于含有大量石盐成分，其岩石性质特殊，在钻井过程中容易发生蠕动，造成井壁失稳垮塌、卡钻，如果固井质量不好或是盐岩地层不稳定，盐岩发生蠕变、坍塌或塑性流动时，套管被挤毁时有发生。学者们通过建立三维模型，对盐岩蠕变产生的挤压应力进行了研究。研究表明，套管在盐岩地层中受到盐岩蠕变作用，套管处于应力集中状态，主要受环向应力作用，随着时间增加，作用在套管上的应力也在增加，最后达到一个稳定值，和上覆岩层的重量相同。如果该值超过套管承受极限，套管就会被挤毁。如果固井质量较好，存在水泥环的话，由于水泥环不具有蠕动性，水泥环可以为套管抵挡较大的应力，对套管起到保护作用。

2.6 地震造成套管损坏

地震对套管的损坏主要是由于发生地震时，地应力发生变化重新调整达到一个新的平衡。在这个过程中，如果在现有井筒区域，地震等级较高，射放的能量较大时，地层会发生较大变化，可产生新的断层或裂缝。在巨大的应力作用下，套管会被剪切、挤压或拉伸损坏。地震对套管的损坏具有不可预见性，而且这种情况在国内外油田中出现过。

3 套损的工程因素

地质因素是客观存在的因素，往往在其他因素引发下成为套损的主导因素。钻井过程中的固井质量，固井过程中套管拉伸、压缩等因素，采油工程的注水，地层改造中的压裂、酸化，是诱发原本客观存在的、稳定的地质因素产生破坏性地应力的主要原因，是套损井产生的导火索，因此，对工程因素的研究非常重要，它是产生套损最直接的原因，也是油田开发过程中，人们最容易控制和掌握的因素。

3.1 固井质量问题

固井是一口井在交付甲方开发前的最重要的一个环节，因为固井质量的好坏，直接影响了该井能否满足后期开发的需求。固井水泥环是保护套管最直接的盔甲，它使套管与复杂的地层环境不直接接触，起到了隔离保护作用。固井质量的好坏直接影响了套管的寿命。影响固井质量好坏的因素主要有一下几个方面:钻井的井眼质量、温度、层间压差；固井水泥是否与该地区地层岩性匹配、水泥质量是否达标；水泥浆的密度；固井前环空冲洗及循环情况等。

由于固井质量差，造成套管损坏主要表现在一下几个方面:水泥返高不够，在水泥混浆面附近，水泥、地层水、地应力和套管共同形成了管外水泥宏电池，对该段套管进行电化学腐蚀，随着时间的延长，最终会导致该段套管腐蚀穿孔损坏；固井过程中是由密度低的钻井液或清水，驱动密度较大的水泥浆进行循环，这样势必会造成套管内外压差，套管外流体的静压力在套管鞋上产生向上压缩力，套管内压力产生向下重力，当两个力差别很大时，套管实际处于压缩状态，因此在井眼扩大部分或水泥不适当部分出现套管弯曲。固井水泥候凝时温度变化大。由于井眼不规则或固井时存在混浆井段，在封固井段内，水泥浆候凝期间放热不均匀，温度的变化使套管热胀冷缩，导致套管变形破裂。

3.2 射孔对套管损坏的影响

套管在射孔前处于一个平衡状态，当射孔以后原有的平衡被打破，在孔眼处应力集中。致使套管抗挤压和抗内压的强度降低。引起套管破损的主要形式可分为两类:一类是由外挤力引起的射孔套管失稳破坏，另一类是由轴向拉力和内压力引起的套管强度破坏。对以上两种破坏形式，学者们也做了大量研究工作，得到以下结论:（1）无枪射孔对套管产生的伤害要比有枪射孔大的多。（2）常规射孔孔密在12孔/m以下时，对套管的损害很少，孔密在12孔/m-30孔/m之间时，套管抗挤压失稳强度将降低4%-5%，孔密在30孔/m时，抗挤压失稳强度将降低10%。（3）射孔孔眼排列情况对套管的损害程度是不同的，直线排列对套管损害大，螺旋排列对套管损害小。（4）射孔对套管的损伤与射孔段处对应的固井质量有关，固井质量越好损害越小，在油层段处的固井质量一般都不好。随着射孔技术的不断发展，射孔对套管的损害也会越来越小。

3.3 注水引起套管损坏的机理

在油田注水开发过程中，由于注水原因导致套管损害的机理是很复杂的综合问题。通过对前人的研究成果进行分析、总结一下几点:

3.3.1 注水压力不断升高是一个主要因素，压力升高以后，地层的孔隙压力也相应的升高，导致井筒周围的地应力增加，使原本平衡的应力状态，发生改变，这种改变会诱发各种地质因素的变化，如断层活动、地层滑动等，最终套管被损坏；

3.3.2 注入水进入泥岩或盐岩，使泥岩或盐岩产生膨胀或蠕变，造成套管损害；

3.3.3 注入水与地层水不配伍或注入水水质不达标，导致地层堵塞，注水压力增加，注水压力不断增加，地层又不能吸收这种能量，会在井筒内部造成压力过大，最终能量会在整个井筒的薄软环节释放，导致该处套管被损害。在注水开发区，由于注入水的作用，地应力、孔隙压力、地层重力和泥岩膨胀的体积力，在一定条件下都可能使套管变形。但在不同的开发区块，不同的开发阶段，不同的油水井工作制度下，作用于套管井使之变形的力是不同的，但只要有一种力大于套管的强度，套管就会变形。

4 套损的腐蚀的因素

在油气田的开发过程中，腐蚀是一个伴随始终的问题。套损问题中，腐蚀因素占有很大比重。金属腐蚀是指金属与它所处的环境介质之间发生化学、电化学或者物理溶解作用引起的变质和破坏，其中也包括上述因素与机械因素或生物因素的共同作用，从其的机理来分，可以分为以下几类:电化学腐蚀、化学腐蚀、物理腐蚀、细菌腐蚀、应力腐蚀等。但对于油气井环境下套管腐蚀的常见类型主要有:H2S腐蚀、CO2腐蚀、CO2-H2SCl-复杂环境下的腐蚀、细菌腐蚀、管外宏电池腐蚀、冲刷腐蚀、疲劳腐蚀。

对于以上腐蚀类型的机理研究，国内外都做了大量工作，目前其腐蚀机理也研究的很清楚。在此就不做详细介绍。在腐蚀机理研究工作的基础上，目前国内外在套管防腐方面取得了不少进展:

4.1 建立起不同腐蚀环境下的套管材质优选体系；

4.2 套管外加电流阴极保护技术；

4.3 套管环氧冷缠带牺牲阳极保护技术；

4.4 缓蚀剂的应用技术；

4.5 防腐蚀表面处理技术；

4.6 耐腐蚀材料开发技术。随着这些技术的不断进步，对于套管防腐工作取得了不少成果。

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