利用非均匀外载数值模拟法优化盐间油藏套管类型

韩 玲

（中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司石油工程技术研究院，湖北武汉 430000）

利用非均匀外载数值模拟法优化盐间油藏套管类型

韩 玲

（中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司石油工程技术研究院，湖北武汉 430000）

此文从盐间油藏套管损坏现状出发，分析了套管变形井的力学影响参数。利用现有测井资料、岩石力学参数及水力压裂参数建立与垂向地应力、水平地应力和蠕变外载力相关的非均匀载荷计算模型，然后利用非均匀外载与套管屈服强度、套管等效强度及径厚比的转换关系，计算出套管变形状态下的等效破坏载荷和应具备的抗挤强度，最后优选出适合盐间油藏不同区块的套管类型。通过非均匀外载数值模拟法研究，定量分析了盐间油藏套管损坏的力学机理，形成了一套适合盐间油藏套管优选的理论计算方法，对国内外相似油田也起到了一定的指导作用。

非均匀外载；构造系数；蠕变；等效载荷

1 盐间油藏套管损坏现状

盐间油藏属于潜江凹陷，主要分布在王场北、王场南、广华等区块，多数地区尤其是王场北区块断层多而且走向复杂，构造引起压力不平衡是使套管发生弯曲变形一个重要因素；其次盐间储层岩性以泥岩、白云岩和盐岩为主，上下遮挡层均为盐岩，油井开发过程中泥岩吸水蠕变和膨胀，盐层蠕变、坍塌和塑性流动都会使套管产生一个非均匀的变形，其变形量随时间增加而增大，直至套损。

通过统计23口套管井井筒状况，套管完井的套管变形（以下简称套变）井达到12口，套变率为52.2%，严重影响了油井的正常生产。

油层套管主要采用N80 139.7 mm×7.72 mm、N80 139.7 mm×9.17 mm、P110 139.7 mm×9.17 mm三种类型，其中N80型套管总计损坏12井次，占N80型油层套管使用井的80%，平均套变时间为1.65年；钢级P110套损井为3井次，占P110型油层套管井（8井次）的37.5%，平均套变时间为3.5年，见表1。

表1 套管损坏井油层套管类型统计

套损井主要分布在王场北，其中套管完井19口，套损井12口，王场南、广华及外围区域尚未出现套变井，见表2。

表2 套变井分布区块统计

就目前的套管损坏情况来看，表现特征：①钢级与抗挤强度越高，套损越轻微，P110套管的总体损坏情况好于N80型套管，但仍然不能满足地层的抗压需求，需要研究与地层应力匹配，能够有效延长套管寿命的套管钢级和类型，满足生产的需要；②套损井主要集中在王场北区块，外围区域套损有所差异，如王场南区的王19-8井套管为N80 139.7 mm×（9.17 mm +7.72 mm），目前生产2.5年，经过多轮次的挤水作业，井筒状况依然较好。不同区块盐间储层的套变规律不一致，需要针对盐间储层结合储层构造应力、蠕变影响及最终损坏状态分析套管非均匀外载，优选适合盐间储层的套管类型。

2 盐间油藏套变井力学影响参数分析

2.1 高陡构造、大倾角、高地应力地层引起套管损坏

王场背斜的盐间泥质白云岩油藏在车挡断层附近，背斜轴面直立，走向NW向，两翼倾角上陡下缓，地层倾角10~70°不等，枢纽主体向NW倾伏并稍有起伏，倾伏角5~10°不等，王场背斜是一个典型的在盐底辟作用下形成的生长背斜。王场背斜的高陡构造、大倾角、高地应力地层是引起套管损坏的一个重要因素。统计该井区19口套管完井，其中有12口井套管变形，套损率达到了63.2%，其余盐间油藏区块目前未出现套变，表明套管变形与构造具有直接关系。

2.2 盐岩、泥岩、钙芒硝泥岩含量高，见水后易泥化，加剧蠕变变形，加剧非均匀外载导致套管损坏

当注入水进入泥岩和盐岩时，泥岩和盐岩吸水软化，其成岩的胶结力逐渐消失，变为塑性，蠕变速度增大，在井眼周围产生非均匀应力分布，套管受椭圆形应力作用无法释放，迫使非均匀水平应力挤压套管，当等效破坏载荷大于套管屈服强度时，套管产生椭圆形变形，最终造成套管损坏（图1）。

图1 储层岩石矿物组成与套变示意图

为了正确认识盐间油藏套管挤毁的力学机制，需要在非均匀载荷受力分析模型引入构造系数及蠕变载荷，以分析不同区块的油井的受力状况，优选适合的钢级类型。

3 非均匀外载模型建立

主要利用现有测井资料解释、岩石力学参数及水力压裂参数建立与垂向地应力、水平地应力和蠕变外载力相关的非均匀载荷计算模型，然后利用非均匀外载与套管屈服强度、套管等效强度及径厚比的转换关系，计算出套管变形状态下的等效破坏载荷和应具备的抗挤强度，最后结合目前不同钢级套管的抗挤强度优选出适合盐间油藏不同区块的套管类型[1]。

3.1 垂向地应力

垂向地应力是由上覆地层重力引起的，它是随着地层密度和深度而变化的，因此可用密度测井资料来求出垂向地应力。

式中：σv为垂向地应力；h为地层埋藏深度；ρ(h)为地层密度随深度变化的函数；g为重力加速度。

3.2 水平地应力

假设地层为均质各向同性的线弹性体，并假定在沉积后期地质构造运动过程中，地层与地层之间不发生相对位移，所有地层两水平方向的应变均为常数。

3.3 非均匀外载等效破坏载荷

美国力学专家Neste的理论和试验研究表明，套管受类似椭圆形载荷、剪切载荷或径向载荷作用时，在套管径厚比（D/t）小于32的情况下，在局部套管壁上产生屈服破坏所需要的载荷比套管产生弹性失稳的载荷小得多。因此，对于现场常用的API系列套管（D/t在10~32之间）来说，当其承受非均匀外载时，屈服破坏是主要的[2]。

假设套管壁上的任一区域发生屈服时，套管就开始发生塑性屈服破坏。当套管满足下式时，该处就首先发生屈服。

在非均匀地应力作用下，泥岩蠕变将对套管产生一个非均匀的外挤压力，其大小随时间的增大而增大；开始增加速度较快，随后增加速度变缓，当经过较长时间后套管所受的蠕变外载力会趋于一个稳定值而不再增加。在套管周围不同方向所受蠕变外载力是不同的，在最大地应力方向受力最大，与之垂直的方向上受力最小，套管周围蠕变载荷外载的分布形式为椭圆形，其分布规律可表示为：

式中：σn为套管所受的径向蠕变外载力，MPa； θ为与最大水平主应力方向的夹角；S1、S2为与地层性质及地应力相关的常数，MPa。其中：

式中：σH为最大水平地应力，MPa； σh为最小水平地应力，MPa；K1和K2为与蠕变地层性质有关的常数，通常，K1=1.05~1.20，K2=0.8~1.0。

通过实验发现，套管强度降低的程度取决于椭圆形载荷的比值K，K 值越小，强度降低越多。

式中：a为考虑蠕变及构造影响的校正最大水平应力，MPa；b为考虑蠕变及构造影响的校正最小水平应力，MPa。

非均匀外载等效破坏载荷[3]：

4 非均匀外载计算与套管类型优选

4.1 王场北区

结合王场北套管损坏资料发现，套管变形井多数在盐层发育带，井深超过1 500 m，套管强度均达不到实际要求，因此本文分别对1 500 m以上深度的套管进行强度校核，以王** 10井为例，异常井段顶深~底深为1 715~1 780 m（其基本数据见表3），打铅印四次，带出铅模侧面有刮痕，变形分别为：∫116mm×112mm、∫116mm×113mm、116mm×112mm、∫116mm×106mm ，分析为套管变形，属于泥岩吸水膨胀形成外挤力或轴向拉力作用下，套管产生缩径变形。依据上述理论公式进行套管强度校核，具体步骤如下（借鉴同层位邻井王**井压裂数据及岩石力学参数，静态泊松比0.26，杨氏模量2.79 GPa）：

表3 王** 10井的基本数据（1 715~1 780 m处）

计算得出：K = b/a = 0.74，等效破坏载荷Pc=ab = 36.08 MPa，Pc/ Yp= 36.08 / 758 = 0.05。

根据套管的等效破坏强度同钢材屈服强度比与径厚比的关系可知，对于K=0.74，径厚比（D/t）为15.23的井，该套管的所能承受的载荷只相当于12~14 MPa的椭圆形载荷。因此该井受泥岩蠕变的影响，此时的等效破坏载荷是22.74 MPa，远远大于套管的承受能力，原有套管不能承受住现有载荷的作用，将发生椭圆变形损坏。

只有当套管的D/t＞13时，才能满足强度要求，根据API套管径厚比（D/t）与外挤强度Pco的关系，可得满足上述载荷抗非均匀外挤强度Pyp的套管：

按照上述方法对盐间油藏的套损井进行套管强度校核，可以得到所有套变井需要的抗外挤强度。

如表4和图2显示结果可知，套管损坏时的最大挤毁强度达到了107.6 MPa，且不论构造高部位还是低部位最大挤毁强度均达到了101 MPa以上。

表4 套损井套管数据

图2 套变井校核分布情况

因此，王场北区不论是在构造变化带还是平缓带，采用钢级P110、壁厚10.54 mm的5-1/2"套管均不能避免套管损坏，建议采用TP130TT或TP165V高抗挤套管，抗挤毁强度见表5。

表5 高抗挤套管抗挤毁强度对比

4.2 王场南区及广华区块

目前盐间油藏王场南区及广华区块总计压裂投产4井次，目前均未出现套变现象，油层段主要钢级为P110，只有王19-*井为N80，见表6。

表6 王场南及广华等深层净套管钢级统计

以王19-*井储层段2 610 m计算蠕变条件下的非均匀外载，具体参数见表7。

表7 王19-*井的基本数据（2 610 m处）

Pc=ab=51.9 MPa，Pc/Yp= 51.9/552=0.09。根据套管的等效破坏强度同钢材屈服强度比与径厚比的关系可知，对于K=0.9套管采用N80套管，Pc/Yp大于0.09时，径厚比应小于13.5。根据API套管径厚比（D/t）与外挤强度Pco的关系，可得能够承受的非均匀外挤载荷强度Pyp为：

虽然目前王19-*井未出现套损现象，但由于储层泥质和盐类含量高，考虑后期蠕动效应，套管抗挤毁强度应大于75.7 MPa；其余3口井油层段均为P110套管抗挤强度在87.1 MPa以上，基本满足套管抗挤毁需要。因此针对构造应力影响较低的王南、广华等区块，为了保证井筒稳定性，建议提高套管壁厚，可以采用壁厚9.17 mm / 10.54 mm的P110套管。

5 结论

因为地下非均匀地应力的存在，直接导致作用在套管的径向外载呈椭圆形分布。在远场地应力包括地层蠕变作用下，这种外载分布的不均匀性更加严重，即在最大和最小地应力方向上，外载荷分别相应地增加或者减小。因此采用非均匀外载的计算方法来优选套管类型是合理的，根据上述对不同区块套管强度的校核初步形成以下认识：

（1）盐岩蠕变及构造作用产生的非均匀外载力比单纯蠕变产生的非均匀外载力还要大，一是王场北区潜3410韵律埋深均在1 500~1 700 m产生的非均匀外载在107.6 MPa，而王南广华等深层（2 600~2 800 m）潜3410韵律储层产生的非均匀外载仅为75.7 MPa；二是根据目前P110套管应用情况及损坏情况来看，王场北区的P110套管井出现套变，而其他区块套管依然完好。

（2）王场北区块，套管厚钢级P110壁厚9.17 mm的套管出现了损坏，需要钢级更高，壁厚更厚的高抗挤套管，从目前计算结果来看，建议王场北区盐间层段采用TP130TT或TP165V高抗挤套管。

（3）王场南、广华等区块，采用钢级P110 壁厚9.17/10.54 mm的套管能够达到维持井壁稳定的目的。

（4）本文采用非均匀外载数值模拟法，引入构造系数与蠕变载荷等地质影响参数，定量分析了盐间油藏套管损坏的力学机理，形成了一套适合盐间油藏套管优选的理论计算方法，对国内外相似油田也起到了一定的指导作用。

[1]游园， 鲁进. 王场油田套损机理及防治技术研究[R]. 江汉油田分公司采油工艺研究院， 2011.

[2]张洪坤. 地层和水泥环联合作用下套管柱外载荷计算及强度分析[D]. 青岛： 中国石油大学， 2011.

[3]王桂华， 盖永革， 程远方. 非均匀外挤力作用下套管强度特征分析[J]. 石油钻探技术， 2003， 31（5）： 58-60.

Optimization of Casing Type in Inter-salt Reservoir via Numerical Simulation of Non-uniform External Load

HAN Ling
（Petroleum Engineering Technology Research Institute, SINOPEC Jianghan Oilfield Company, Wuhai Hubei 430000, China）

Based on the present situation of casing damage in the inter-salt reservoirs, the author studied the mechanical parameters which cause the deformation of casing in the well. First of all, the non-uniform load calculation model which is related with the vertical crustal stress, horizontal crustal stress and creep load was established by using the available logging data, rock mechanical parameters and hydraulic fracturing parameters. And then, the equivalent collapse resistance under the condition of the casing deformation and the necessary compressive strength were calculated via using the transformation relationship between the non-uniform load and the yield strength of casing, the equivalent casing strength and the ratio of diameter to thickness. Finally, the casing type suitable for the inter-salt reservoirs in different blocks was optimized. Based on the numerical simulation of non-uniform external load, the author quantitatively analyzed the mechanical mechanism for the casing damage in the inter-salt reservoirs, proposed a theoretical calculation method for the optimization of casing type suitable for the inter-salt reservoirs.

Non-uniform external load; structure coeffcient; creep; equivalent load

TE38

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2017.01.043

1008-2336（2017）01-0043-06

2016-08-22；改回日期：2016-12-12

韩玲，女， 1980年生，工程师，2009年毕业于中国石油大学（北京）化学工艺专业，从事储层改造工作。E-mail: binggufuni@163.com。