山前淺部鹽層斷層附近套管損壞分析

盧運(yùn)虎 陳 勉 唐繼平 金 衍 梁紅軍 丁志敏

（1.中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.塔里木油田公司，新疆庫(kù)爾勒 841000）

塔里木盆地鹽下油氣資源儲(chǔ)量大，受天山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，山前高陡構(gòu)造地層傾角一般在15~80°，斷層發(fā)育，鹽膏層在縱橫向均有分布，受強(qiáng)烈構(gòu)造應(yīng)力的作用，在鉆井過(guò)程出現(xiàn)淺部鹽層套管擠毀變形的現(xiàn)象，給鉆井帶來(lái)極大的危害，嚴(yán)重制約了鉆進(jìn)速度。

由于鹽層獨(dú)特的地質(zhì)力學(xué)特性，鹽層鉆進(jìn)事故復(fù)雜率高，套管損害嚴(yán)重，國(guó)外對(duì)鹽膏層的套管受力研究比較少，J. B. Cheatham［1］（1964年）認(rèn)為套管在鹽巖地層承受的非均勻載荷隨時(shí)間增加而增加，并接近上覆巖層壓力；R. M. Hackney［2］（1985年）利用彎曲梁理論推導(dǎo)了套管在非均勻載荷下的應(yīng)力公式；Nester、A. H. El-Sayed［3,4］（1987年、1989年）從理論和實(shí)驗(yàn)角度證明非均勻載荷使套管強(qiáng)度降低。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者認(rèn)為鹽層蠕變產(chǎn)生的非均勻載荷是鹽層套損的根本原因［5-7］，但鹽巖地層相當(dāng)數(shù)量普通套管未發(fā)生損壞使得現(xiàn)場(chǎng)許多專家對(duì)上述觀點(diǎn)產(chǎn)生質(zhì)疑。楊恒林、陳勉等人［8-9］研究非均勻載荷與套管強(qiáng)度的相互關(guān)系，進(jìn)一步完善了非均勻地應(yīng)力作用下蠕變地層套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論，但是對(duì)淺部鹽巖斷層附近套管損壞機(jī)理國(guó)內(nèi)外沒(méi)有相關(guān)研究。

通過(guò)分析山前淺部鹽層斷層的地質(zhì)條件，確定套管變形的主要原因，利用有限元模型，對(duì)使用高強(qiáng)度套管、增加壁厚、提高固井質(zhì)量和采用雙組合套管等工藝措施進(jìn)行了研究，制定了抑制淺部鹽層斷層附近套管變形的工程對(duì)策并推薦了相應(yīng)的套管組合，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，上述套管組合可有效封隔淺部鹽層，避免發(fā)生套管損壞。

1 山前淺部鹽層斷層附近套損原因分析

塔里木山前區(qū)域受南天山造山帶向南作用的應(yīng)力及拜城凹陷巨厚沉積物強(qiáng)烈阻擋的雙重作用下，克拉蘇構(gòu)造帶隆升、變形、斷層發(fā)育，同時(shí)在由北向南的構(gòu)造擠壓應(yīng)力作用下，古近系庫(kù)姆格列木組的膏鹽巖開(kāi)始變形、聚集，由于構(gòu)造作用的持續(xù)活動(dòng)，構(gòu)造頂部不斷抬升，形成逆沖斷層。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于斷層附近地應(yīng)力研究較少，主要定性地介紹了各斷層發(fā)生時(shí)三向主應(yīng)力與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系［10］。下面介紹各斷層發(fā)生時(shí)三向地應(yīng)力大小與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。

正斷層發(fā)生時(shí)三向主應(yīng)力的大小應(yīng)該滿足摩爾?庫(kù)侖準(zhǔn)則，即

式中，C為巖石內(nèi)聚力，C0=2C tanα為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；α為巖石內(nèi)摩擦角。

同理可得，逆斷層和走向斷層發(fā)生時(shí)三向主應(yīng)力應(yīng)該分別滿足以下方程

當(dāng)斷層活動(dòng)停止時(shí)，正斷層、逆斷層和走向斷層三向主應(yīng)力應(yīng)該分別滿足下列方程

該井淺部鹽層受逆沖斷層影響，應(yīng)力異常。從測(cè)井資料和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可得，該井1537~1541 m，垂向地應(yīng)力為32.4 MPa，巖石單軸抗壓強(qiáng)度為18 MPa，φ=26°，α=58°，斷層穩(wěn)定時(shí)假設(shè)上覆巖層壓力不變，計(jì)算出最大水平地應(yīng)力σH為82.94 MPa，最小水平地應(yīng)力σh為40.23 MPa，最大水平地應(yīng)力是最小水平地應(yīng)力的2.06倍。

該井淺部鹽層在1522~1547 m井段多次遇卡，最大掛卡450 kN，電測(cè)發(fā)現(xiàn)套管變形嚴(yán)重，后下銑錐磨銑后通過(guò)。文獻(xiàn)中指出鹽層套損是由鹽層蠕變和非均勻載荷引起的套管等效破壞載荷降低，淺部鹽層蠕變小，斷層造成的應(yīng)力異常是淺部鹽層套管損害的主要原因。

2 塔里木山前淺部鹽層斷層附近套管變形控制措施研究

為了控制淺部鹽層斷層附近套管變形，常用的工程措施包括使用高強(qiáng)度套管、采用厚壁套管、提高固井質(zhì)量及采用雙組合套管及各種措施組合等。筆者面通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析，研究工程工藝措施的作用和效果，從而制定控制套管變形的工程對(duì)策。

2.1 使用高強(qiáng)度套管

建立套管在非均勻載荷條件下的有限元模型（圖1），設(shè)套管外壁受蠕變地層非均勻載荷作用，最大水平地應(yīng)力方向的壓應(yīng)力為pmax，最小水平地應(yīng)力方向的壓應(yīng)力為pmin，載荷非均勻系數(shù)K=pmin/pmax，分析?273.05 mm套管不同鋼級(jí)情況下受非均勻載荷影響的實(shí)際抗外擠強(qiáng)度，由于計(jì)算過(guò)程中未考慮套管內(nèi)壓作用，分析得到的套管相對(duì)偏安全。

圖1 套管?鹽層有限元模型

從圖2得知，在相同壁厚（26.24 mm）、鋼級(jí)的情況下，隨著非均勻載荷系數(shù)的增加，套管的等效破壞載荷降低，當(dāng)非均勻載荷系數(shù)等于0.6時(shí)，套管等效破壞載荷為均勻載荷條件下的36.7%；在非均勻載荷系數(shù)相同的條件下，隨著鋼級(jí)的增加，套管等效破壞載荷增加，因此，在條件允許的情況下，盡量采用高鋼級(jí)的套管可以確保套管的安全。

2.2 增加套管壁厚

采用有限元模型，分析VM140HC?273.05 mm套管壁厚對(duì)套管等效破壞載荷的影響。從圖3可以得知，隨著非均勻載荷系數(shù)的增大，套管等效破壞載荷增加；相同非均勻系數(shù)情況下，隨著壁厚的增加，套管等效破壞載荷增加。

圖2 非均勻載荷下套管鋼級(jí)對(duì)套管抗外擠強(qiáng)度的影響

圖3 非均勻載荷下套管壁厚對(duì)套管抗外擠強(qiáng)度的影響

2.3 提高固井質(zhì)量

油氣井固井水泥環(huán)的作用是減小和改善套管的受力狀態(tài)，延長(zhǎng)套管的服役壽命。從圖4得知，隨載荷非均勻系數(shù)的減少，固井套管抗非均勻載荷的能力相對(duì)未固井套管下降緩慢。固井水泥彈性模量愈大，固井套管等效破壞載荷愈高；非均勻載荷系數(shù)越大，固井水泥彈性模量越高，水泥環(huán)承擔(dān)的非均勻載荷的比例越大。因此，對(duì)于斷層附近應(yīng)力異常地層提高固井質(zhì)量是確保套管安全服役的一項(xiàng)有效手段。

圖4 非均勻載荷下固井套管抗外擠強(qiáng)度

2.4 采用雙組合套管

雙組合套管能夠承受大的外擠力。雙組合套管的抗擠毀強(qiáng)度至少等于兩層套管擠毀強(qiáng)度之和，采用局部雙組合套管是一種提高鹽膏層套管抗外擠能力切實(shí)有效的手段［11］。

研究證明，在雙層組合套管中，管外非均勻載荷作用在外層套管上，使外層套管產(chǎn)生變形，中間水泥環(huán)進(jìn)入塑性狀態(tài)，使各向應(yīng)力趨于均勻，使傳入內(nèi)層套管上的載荷比外層均勻，而套管能承受相當(dāng)大的均勻載荷，采用雙組合套管能有效提高套管抗外擠能力。

2.5 優(yōu)化組合施工措施

目前解決鹽層套損比較有效的辦法是使用高鋼級(jí)套管、增加套管壁厚、提高固井質(zhì)量和采用雙組合套管［12］。針對(duì)該井1537~1541 m段?393.7 mm井眼?374.65 mm套管變形嚴(yán)重的情況，單一的措施很難確保套管的安全。根據(jù)鹽巖斷層附近的構(gòu)造特征，確定非均勻載荷系數(shù)為0.536，在此應(yīng)力狀態(tài)下套管等效破壞載荷為57.74 MPa，使用套管組合見(jiàn)下表1。

表1 各種組合方式下套管安全狀況

從表1中可知，采用后面4種組合方式套管安全，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，采用第3種和第5種方法比較經(jīng)濟(jì)，套管用量少。實(shí)際鉆井過(guò)程中，克深5井淺部下銑錐修整?374.65 mm套管后繼續(xù)鉆至3860 m，更改井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下入?250.83 mm套管，安全鉆至目的層，斷層附近未發(fā)生阻卡。

3 結(jié)論

（1）造成山前淺部鹽層斷層附近套管變形的主要原因?yàn)椋旱刭|(zhì)條件惡劣，圍壓力學(xué)參數(shù)較低，斷層活動(dòng)造成的地應(yīng)力異常，非均勻載荷系數(shù)達(dá)到0.536，對(duì)地應(yīng)力的認(rèn)識(shí)不夠。

（2）建立有限元模型，分析了非均勻載荷條件下套管鋼級(jí)、壁厚和水泥環(huán)對(duì)套管等效破壞載荷的影響，在此基礎(chǔ)上提出使用高強(qiáng)度套管、增加壁厚、提高固井質(zhì)量和采用雙組合套管的工程措施來(lái)確保淺部鹽層斷層附近套管安全。

（3）基于上述分析，推薦了相應(yīng)的套管組合并從安全、經(jīng)濟(jì)的角度優(yōu)選出相應(yīng)的套管組合，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好，適合山前淺部鹽層斷層附近鉆井固井作業(yè)的要求。

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