提高高抗挤毁套管井筒生产寿命

张建设（天津钢管集团股份有限公司技术中心，天津300301）

提高高抗挤毁套管井筒生产寿命

张建设
（天津钢管集团股份有限公司技术中心，天津300301）

针对在盐岩、泥岩高应力地质状况下套管变形错断的问题，通过改进套管选材和加工工艺，提高抗挤毁性能、优化钻井设计、提高完井固井质量、优化投产措施等方法，延长了高抗挤毁套管井筒的生产寿命，满足了油田勘探开发特殊要求，产生了较高的经济效益和社会效益。

高抗挤毁套管；地质特征；盐岩层；井身；固井

1　引言

套管损坏问题严重制约油气生产，降低油气井生产使用寿命，导致油田产量下降，经济损失很大。随着开发时间的延长，国内多数油田逐步进入油田开采中后期，如中原、胜利、江汉、辽河等油田，套管损坏问题更加突出。由于受盐岩层“塑性蠕变”和高地应力等诸多因素影响，套管变形损坏十分严重。短命油气井普遍存在，套变损坏错断导致油气井报废发生率高，直接经济损失严重。套变错断不仅破坏了油田注采井网，制约了增产增注措施的实施，而且还造成了储量和产量损失。套变事故井修复成本高，技术难度大，成功率低。为从根本上解决套损问题，在套管损坏预防与井筒治理方面，进行了综合研究工作。开展套损机理研究，开发推广高抗挤套管，强化油气水井的日常管理。采用新工艺、新技术进行油气井钻井与投产措施优化，套管使用寿命得到了延长。改变了新井投产不久套变损坏的现状，井筒寿命超过10年，实现了油田良性开发和经济效益最大化。因此，研究控制套损方法，提出提高高抗挤套管生产使用寿命措施，具有显著的经济效益和社会效益。

2　高抗挤套管变形损坏原因分析

2.1导致高抗挤套管变形损坏的地质因素

油田地质因素是导致套管变形损坏的最根本原因。从平面分布看，套损井主要集中在复杂断块，断层多、盐岩层、盐膏层、泥岩层厚度大、岩性易蠕动滑移的区块。套管变形损坏纵向分布（见图1）。根据某油田统计分析1231口套损井资料，套损井段主要集中在射孔段、盐岩层段。

导致套管损坏的地质因素主要表现在以下几方面：

2.1.1大段盐岩层、盐膏层存在，盐岩层段多，泥膏共存且含盐纯度高

盐岩层盐膏层厚度和地层倾角对套管变形损坏影响很大。盐岩层盐膏层越厚，地层倾角越大，对套管的挤压不均载荷越大，套管变形损坏越严重。

2.1.2断层发育

图1　套管变形损坏纵向分布图

断层稳定性差，层间易滑动，剪切力大。尤其是开发后期注水扩大，导致断层压力不平衡和岩层间沿断层发生水窜，对套管的挤压力越来越大。

2.1.3地层出砂严重

油层由胶结性很差的细粉砂组成，随着出砂量的不断增大，套管与井壁之间形成空腔，引起出砂部位套管受力状态突变。空腔助推了套管纵向弯曲变形，最后造成地层坍塌挤坏套管。如中原油田文明寨油田，油井套管损坏90%都是发生在出砂地层。

2.1.4古地应力和现代地应力异常

主要分布在泥页岩、泥膏岩地层，裂缝发育相互重叠，地层稳定性差，易水化膨胀，蠕变滑移。古地应力异常区裂缝相对发育，注入水容易沿裂缝进入泥页岩层，加速泥页岩水化膨胀，产生异常高应力或剪切力造成套管变形损坏。

2.2加剧高抗挤套管变形损坏的工程因素

2.2.1高压注水

随着油田开发时间延长，产层能量逐步降低，产量随之下降。为了及时补充产层能量恢复产能，最有效的办法就是采用注水工艺。受地层孔隙度和结垢作用影响，产层吸水能力越来越差，导致注水压力越来越高，有些油田注水压力已超过40 MPa。高压注水导致套管变形损坏甚至错断的主要诱因。

2.2.2重复射孔等进攻性增产措施

由于油层认识不足或工程施工因素，常需要对原射孔井段采取重炮补射增产措施，重炮所实施的重复射孔极大降低了套管抗挤强度。经过试验评价，常规射孔导致套管抗挤强度降低约10%，重复射孔可降低25%左右。套管抗挤强度的降低还与射孔孔密、相位角、炮弹型号等参数有关。孔密越高、重炮次数多、高能深穿透型射孔弹对套管伤害越大。

2.2.3完井固井质量

井眼不规则，井壁不稳定，盐岩溶解或井壁坍塌形成的大肚子井段，固井质量难以保证。钻井液性能差影响固井顶替效率和水泥环与井壁的胶结质量。井眼曲率过大，扶正不到位致使完井套管柱难以剧中，水泥环薄厚不均，最终导致固井质量差或者不合格，降低了高抗挤套管井筒抵御地层挤压能力。随着地层蠕动地应力变化，套管变形损坏机率大大增加。

2.2.4超高压大型压裂

目前超高压大型压裂施工最高压力超过了90 MPa。原始地应力平衡被打破，地层交界面稳定性减弱，层间滑移趋势加大，单向应力集中导致套管挤毁变形。另外，由于地层破碎或者受断层影响，第二界面固井质量差等因素，超高压压裂极易造成管外窜通，影响其他非产层应力状态，导致其他井段套管变形损坏。

2.2.5高抗挤套管质量状况问题

材料强度偏低、冲击韧性差、壁厚不均度和椭圆度超标、残余应力过大等，都会降低套管的抗挤性能。轧制过程管子表面质量，材料热处理过程组织均匀一致性也是影响抗挤性能的因素。

2.2.6套管设计选型不合理

套管抗挤强度设计冗余不足，钢级、壁厚等参数匹配不合理。按照上覆岩层压力常规抗挤设计，安全冗余不能完全满足盐岩层、盐膏层等地应力异常要求，导致抗挤套管先期变形失效。对地层应力认识不足，地层压力预测存在误差，给套管选型设计带来了困难。针对高压注水区块，油水井动态压力预测与控制手段有待提高，为套管设计选型提供可靠参数。

3　提高高抗挤套管生产使用寿命的措施

3.1高抗挤套管选材及加工制造工艺特点

调整钢种合金成分，适当增加铬、钼合金含量，改善组织结构，严格控制S、P等有害元素含量。提高强度韧性，改善冲击性能，复杂盐岩层高抗挤套管0℃全尺寸冲击性能达到80 J以上，满足了超高抗挤性能要求。优化热处理工艺制度，针对高钢级厚壁套管特点，调整热处理工艺和参数，提高淬透性和组织均匀性。在管子轧制过程中，对管子椭圆度、壁厚不均度、内外表面质量及时检测，发现超标及时调整轧制工艺和参数。

3.2高抗挤套管组合设计改进

根据盐岩层、盐膏层、断层、泥页岩等易套损井段特点，分段组合使用高抗挤套管，盐岩层层间跨度在200m以内的，建议直接下高抗挤套管封闭。盐岩层盐膏层等高应力地层，高抗挤套管设计选型应该兼顾钢级和壁厚的合理匹配，按油田开发投产要求确定井筒最小尺寸。优先选择壁厚等级，再根据地应力设计要求优选高钢级抗挤套管。考虑深井特殊的井身结构，也可以考虑直连型螺纹或小接箍特殊螺纹连接结构，采用更高钢级常规壁厚高抗挤套管，既满足完井固井要求，又能达到高抗挤强度要求。为防止盐岩层附近套管损坏，提高盐岩岩层盐膏层上下地层交界面附近套管寿命，盐岩层盐膏层高抗挤套管封闭点应根据盐层盐膏层顶底界各向外扩展50 m，以确定高抗挤套管入井具体位置。同时根据盐岩层段分布情况分段组合高抗挤套管。自1999年以来，中原油田沙1盐、文九盐、文23盐、卫城盐四套盐层段高抗挤套管设计均按此原则执行，较好地解决了套管变形损坏问题，未发生高抗挤套管先期失效损坏。譬如为对付盐层套管变形损坏而推广使用的外径Φ152.4 mm、壁厚16.9 mm TP130TT高抗挤套管，经过1 000多口井推广使用，彻底根除了套管变形损坏事故隐患，油气井生产使用寿命超过10年，目前最早投入使用的井最长生产寿命已达15年。

3.3优化井身结构及井眼轨迹设计

盐岩层等高地应力井段尽可能考虑增加技术套管下深，技术套管封过易套变地层，实现双层套管加固，有利于保护井筒安全，防止套管变形先期损坏。避免在盐层段、盐膏层段或易坍塌井段定向造斜，造斜扭方位避开易这些套变井段。控制盐层段盐膏层段井径扩大率，一般控制不超18%。井斜角尽可能小，严格控制全角变化率不超设计标准。针对浅井可以采用不下技术套管的直井或小位移定向井结构。中深井也可以考虑简化套管层次，在保证钻井作业安全的情况下，不下技术套管或减少技术套管下深，盐岩层段使用厚壁高抗挤套管。对于深井超深井，井眼尺寸较小，增加高钢级厚壁直连或小接箍高抗挤套管的使用，满足高抗挤要求，节约钻井成本。优化井身结构及井眼轨迹见图2。

图2　优化井身结构及井眼轨迹

3.4提高完井固井质量

使用优质钻井液和特殊钻井液体系，保证井眼规则稳定，防止井壁坍塌。譬如盐层段钻井采用聚合物饱和盐水钻井液体系，有利于井眼稳定，防止盐岩溶解形成大肚子井眼，为保证固井质量提供良好井况条件。

采用优质完井液完井，提高携砂能力、改善流变性能和泥饼质量，稳定井壁。钻遇盐岩层盐膏层的井，提高完井液抗盐污染能力。

套管柱扶正居中，防止偏心。按设计要求安装套管扶正器，斜井段、造斜段、盐层段要按设计要求加足扶正器，必要时一根一个。

固井大排量紊流顶替，提高顶替效率，做好地层防漏堵漏。对于钻井施工中易发生井漏的地层，要采取适当堵漏措施，提高地层抗破漏能力。固井前对地层进行抗漏试验，并按固井泵压和排量循环一周以上。推广高强高韧水泥浆体系，增强水泥环抗破碎能力，提高水泥环胶结质量。

固井候凝期间根据井况不同，确定针对性的候凝措施。针对高压油气层、高压水层、容易井漏、井涌的油气井，完井候凝期间及时采取特殊措施，包括井口加压候凝、邻井停注泄压、关井停采等措施，保证固井质量。

3.5优化油气井投产措施

优化投产措施包括射孔、压裂、排液等主要工艺措施。

3.5.1优化射孔工艺

射孔工艺设计要考虑套管强度的损失，射孔弹选型、孔密参数制定对套管抗挤强度降低影响很大。严格控制高能深穿透聚能弹使用，尽量避免重复射孔，孔密不能太大，一般控制在16孔/m。相位角推荐45°或60°，对套管抗挤强度影响最小。

3.5.2优化压裂设计

根据油田地质特点和井筒套管强度数据优化压裂设计，超高压大型压裂施工最高压力控制在井筒套管抗内压强度的80%以内。采取封隔器卡封压裂、分段压裂，环空平衡液控压压裂。改进压裂液流变性，降低摩阻，优先选用大口径油管压裂管柱。

3.5.3制定特殊的油气井各种排液限制措施

洗井、替浆、排水、放喷等排液施工要严格控制流量，控制井口压力过大，避免井下压力激动。尤其是压裂放回水要严格控制回流量。采用射流泵或者螺杆泵排液要严格控制流量过大，同时根据套管抗挤强度数据确定动液面深度。

3.6规范注采生产管理

制定合理的采油工作制度，尤其是严格控制电泵深抽、机械采油强度工作参数，控制合理的动液面，降低采油速度，以防产层能量亏空严重，导致地层出砂、坍塌，引发套管变形损坏。严格控制高压注水，尤其是40MPa以上超高压注水等进攻性增产措施实施。采取酸化解堵等措施，提高产层吸水能力，实现降压增注目的。为减少注水对非目的层的影响，对目的层及相邻井段固井质量要进行仔细评价，确定合理的注水压力和注入量，防止管外水窜。同时采取封隔器卡封保护措施，减少对套管影响。针对固井质量较差井段采取水泥封堵防窜措施。

4　实际应用效果

提高高抗挤套管生产使用寿命研究是系统工程，牵涉施工环节多，工艺复杂，核心是套管损坏预防与控制技术。通过该技术研究应用，油气井生产使用寿命普遍提高5年以上。尤其是盐岩层区块新投油气井生产使用寿命由原来2~3年，提高到8年以上。在油田现场取得了很好的效果，经济效益显著，提高了油气产量，节约了钻井投资，减少了套损井大修费用。实际应用效果分析见表1。

表1　实际应用效果分析

根据中原油田事故井统计分析，在全油田发现的3 309口大小事故井中，各类套损井1 847口，占55.8%。特别是在未推广高抗挤套管等综合配套技术前，每年新发现套损井200口左右。推广综合配套技术措施，使用TP130TT、TP165V高抗挤套管后，套管先期损坏得到控制，杜绝了新井投产不久发生套管损坏的现象。油气井生产寿命延长一倍以上。

5　结语

盐岩层、盐膏层、断层、泥页岩等地层是套管变形损坏的主要因素。高压注水、重复射孔、超高压压裂、固井质量差等施工因素是套管变形损坏诱因。套管产品性能和质量状况瑕疵、套管选型设计不合理也是导致套管先期失效的重要因素。

通过优化合金成分、合理选材、改进生产制造工艺等措施，进一步提高产品性能稳定性，提高尺寸精度和外观质量，有助于提高套管抗挤性能。

改进套管组合设计、优化井身结构设计和井眼轨迹设计、提高固井完井质量、优化射孔压裂投产措施、严控高压超高压注水和进攻性采油措施实施，是预防套管变形损坏，延长油气井生产寿命的根本保障。

[1]孙书贞.高抗挤厚壁套管的开发与应用[J].石油钻采工艺，2002，24（2）：29-30.

[2]陈红伟，范春，王海祥，等.套管损坏地质因素分析及控制技术[J].石油钻采工艺，2002，24（2）：26-27.

[3]谢国民，张良万，张正禄，等.江汉油田盐膏层套管损坏原因分析[J].石油钻采工艺，2001，23（4）：30-31.

[4]胡明卫，贾建民，吴田忠，等.胡状油田套管损坏防治研究[J].西南石油学院学报，2005，27（2）：78-79.

[5]于连俊.套管损坏防治技术比较研究[J].江汉石油学院学报，2004,26（3）：136-137.

Increasing Service Life of High Anti-collapsing Casing Shaft

ZHANG Jian-she
(Technology Center of Tianjin Pipe [Group] Corporation, Tianjin 300301, China)

Aiming at the problem of casing deformation and breaking under the highly stressed geological conditions of salt bed and mudstone,methods were adopted such as improving thematerial selection and machining process of oil casing,improving anti-collapsing properties,optimizing drilling design,improving the quality of well completion and well cementation and optimizing startup measures.Therefore the service life of high anti-collapsing casing shaftwas prolonged and the special requirements of oil field exploration and developmentweremet.High economic and social effects generated.

high anti-collapsing casing;geological feature;salt bed;well bore;well cementation

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.01.001

2015-10-13

2015-11-06

张建设（1964—），男，本科，高级工程师，主要从事石油管材应用技术研究与服务工作。