小集油田注水引起的套損機理及防治對策研究

林莉莉 顏寒任麗華王鳳祥劉建東

1、大港油田采油工藝研究院

2、渤海鉆探第一鉆井公司

3、中國石油勘探開發研究院

小集油田注水引起的套損機理及防治對策研究

林莉莉1顏寒2任麗華1王鳳祥1劉建東3

1、大港油田采油工藝研究院

2、渤海鉆探第一鉆井公司

3、中國石油勘探開發研究院

隨著小集油田注水開發的逐步深入，套損現象日趨嚴重，影響小集油田注水開發水平提高。本文分別從套損基本特征及套損的分布規律出發，對注水壓力影響巖石抗剪強度、巖石內摩擦角等方面進行套損機理研究，得出注水引起套管損壞的主要原因是注水誘發泥巖水化引起套管變形，研究新發現腐蝕引起套管損壞變形是小集油田另一個重要原因，并為小集油田今后的開發提出預防對策，這對油田今后的套管治理與保護有實際指導意義。

套管損壞；泥頁巖水化；腐蝕；抗剪強度；預防對策

小集油田位于黃驊坳陷孔店構造帶的南端小集構造帶上，是由多斷塊組成的復雜鼻狀構造。共探明地質儲量3156萬噸，含油面積12km2，已動用面積7.275km2，地質儲量2128萬噸，可采儲量647萬噸，共有7個開發單元，即官938、官975、官979、官162、小9-6、官28、官161。

隨著小集油田開發的深入，截止到2010年底，小集油田共有鉆探井280口，水井131口，油井149口。套損井有55口，占該區總井數的19.64%，其中油井套損占油井總數的17.45%，水井套損占水井總數的22.14%，套損現象日趨嚴重，導致油水井帶病生產，嚴重時造成停產，不僅造成了井網不完善，而且嚴重制約了小集油田開發水平的提高。因此，找出注水引起套管損壞的主要原因，并采取相應的防治對策，防止或者減少注水開發油田的套管損壞，這對今后套管的保護和治理有著重要的意義。

1 套管損壞基本特征

1.1 套損井基本情況

小集油田共有鉆探井280口，油井149口，水井131口。套損井有55口，占該區總井數的19.64%，其中油井套損占油井總數的17.45%，水井套損占水井總數的22. 14%（表1）。

1.2 套損形態特征

由圖1可以看出，小集套損形態以縮徑為主，占已知套損類型井的66.67%，漏失占17.65%，錯斷占11.76%，彎曲占3. 92%。

1.3 套損分布規律

1.3.1 套損深度

由圖2可以看出，小集油田2700m～3200m范圍內為套損深度高峰，占所有套損井的60%，這個深度對應地質上孔店棗Ⅰ～棗Ⅴ油組，為小集油田的主力油層，也是主要注水層位。

1.3.2 綜合含水與套管變形的關系

由圖3可以看出，1983年-1993年10年間并無套損，1993年綜合含水達到78%之后，油田進入高含水期，套損逐年增加，2000年-2009年套損井數達到45口，占套損井總數的82.46%。因此，高含水導致高套損率，綜合含水和套損明顯相關，為泥巖水化提供了水源。

1.3.3 注水壓力與套損的關系

由圖4可以看出，隨著注水壓力的增高，套損井明顯增加，說明小集油田套損與注水壓力有明顯的關系。

1.3.4 結論

綜上所述，通過套損基本情況、套損形態特征以及套損分布規律分析，對套損的特征有了進一步認識，總結出以下五個特點：

1）小集油田套損較嚴重，套損比例達到了19.64%。

2）套損分為四種類型，以縮徑為主，主要是泥巖水化引起的套管變形。

3）套損深度在2700～3200m占總套損點的60%,是小集油田主力油層也是主要注水層位。

4）注水開發的不斷深入，注水量日益增加，注水壓力升高，導致套管井逐年增加。

2 注水對套管損壞的機理研究

表1 小集油田套損井數及比例

圖1 小集油田套損類型統計圖

圖2 小集油田套損點深度統計圖

圖3 小集油田各年綜合含水與套損的關系圖

地質因素是套損的內因，開發因素是套損的外因。由于地層的非均質性導致注水開發的不均衡性，小集油田長期注水開發，注水壓力及含水目前呈上升趨勢，這是引發小集油田地層壓力分布不均的地質因素。當注入水進入泥頁巖后，將會造成泥頁巖水化、巖石內摩擦角減小、巖石抗剪切強度下降，所產生的應力在注水壓差的作用下，傳遞至套管，最終造成套管的損壞。另外，注入水還導致了小集套損的另一個重要原因——腐蝕。

2.1 泥巖水化引起套管變形

小集油田泥質膠結物中黏土礦物綠泥石和高嶺石含量較高，其中綠泥石占46%～72%，高嶺石占8.0%～29.5%；伊利石占13%～15%，伊利石/蒙皂石混層占7. 0%～9.5%。由于小集油田黏土中不含遇水膨脹的純蒙脫石，因此泥巖見水后泥巖以軟化為主。當注入水進入巖層后，泥巖吸水產生水化作用，在井眼周圍產生應力集中。而地層中存在垂向地應力σn和兩個水平地應力σx、σy，[1]，當泥巖水化產生的最大周向應力σmax和最小周向應力σmin的作用迫使井眼發生變形，處于井眼中的套管就會受擠壓而變形[2]。小12-5井四十臂井徑測量結果（圖5），套管明顯表現出在外擠力作用下產生的縮徑，是泥巖水化引起套損的典型特征。

根據泥巖水化力學模型，變化模型中的各種參數，具體研究套管上應力的變化。當套管應力超過套管的屈服強度后，套管發生塑性變形，套管變得不安全，稱之為Von mise強度準則（第四強度準則）。Von mise應力表達為：

式中σe－Von mise應力，MPa；

σ1－最大主應力，MPa；

σ2－中間主應力，MPa；

σ3－最小主應力，MPa。

根據式（1）計算小集油田在固井質量好的條件下，泥巖段套管受力情況，從2表可以看出，只有P110的套管能達到安全系數。

2.2 注水壓力減小巖石抗剪強度

當油田注水開發后，隨著注水壓力的升高，油層孔隙中的壓力也相應地升高，而巖石的剪切強度隨孔隙壓力的升高而減小。巖石的剪切破裂準則[1]，其表達式如下：

從式（2）可以明顯地看出，隨著注水壓力的升高，注采壓差將逐步增大，當注采壓差大于巖石剪切強度，巖石受剪切破裂。破裂的地層在注采壓差的推動下，從注水井向油井方向滑動擠壓套管產生變形損壞。

2.3 注水壓力減小巖石的內摩擦角

小集油田是多斷塊組成的復雜鼻狀構造，北東向及北西向發育兩組斷裂,有大小斷層37條。當注水進入裂縫或斷層，巖石內聚力和內摩擦角減小，巖石的抗壓強度與巖石內聚力和內摩擦角成正比，內聚力和內摩擦角隨著巖石的浸水時間的增加而降低[3]，斜地層在重力作用下沿著地層傾角下滑，地層傾角越大，越易滑動，剪切力越大，當剪切力大于套管的抗剪切強度時，套管即被剪切變形。小5-0-1井鉛模現場照片如圖6，套管形態為的錯斷形態，同時錯斷口的上下都發生了塑性變形，是典型的地層界面滑動產生的剪切變形。

圖6 剪切錯斷套損(小5-0-1井)

2.4 腐蝕引起套管變形

小集油田注水采用污水摻清水回注的工藝，套管內外都處在地層水的浸泡環境中。小集油田地層水性質為CaCI2型，CI-離子濃度17193mg/l～23796mg/l，總礦化度32336mg/l～43438mg/l，是典型的高礦化封閉性水型。

隨著注入水的增加，水質以NaHCO3，Na2SO4型為主。由于小集油田地層水礦化度高，且含腐蝕性的CI-離子和SO42-離子，在電化學腐蝕過程中，CI-向過剩正電荷區遷移集中[4]，套管被腐蝕后，套管強度下降，其電化學腐蝕原理如下：

圖4 注水壓力與套損的關系圖

圖5 套管縮徑（小12-5井）

表2 小集油田泥巖固井質量好條件下套管受力計算表

為了研究腐蝕對套管的影響，對腐蝕后的套管進行強度測試，實驗采用套管損壞測試系統，研究腐蝕后套管剩余強度。測試結果表明（圖7），小12-11井腐蝕后的套管屈服強度只有24MPa(鋼級為P110)，而P110套管屈服強度為52.6MPa，其腐蝕后套管的屈服強度只有原來的45.6%，套管屈服強度大大降低。

圖7 小集油田小12-11井套管（腐蝕后）強度測試結果

3 注水對套管損壞防治對策

針對以上小集油田注水引起套管損壞的原因分析，提出以下幾點預防對策：

1）提高固井質量，防止水進入泥巖層

泥巖水化對于小集油田套管是致命的，即使水泥環完整，鋼級P110壁厚為9. 17的套管，當地層強度下降超過20%后，套管屈服損壞，因此防止泥巖進水是小集油田套損治理的重點。提高固井質量對預防泥巖水化套損非常有效，從源頭上切斷進水通道。

2）套管優化設計，防止泥巖水化套管擠毀。

根據擠毀套管力學模型（不考慮腐蝕，固井質量好），P110三種壁厚套管都可以滿足砂巖和泥巖層對套管強度的要求，固井質量差，則鋼級為P110壁厚為9.17和10.54的套管滿足要求。綜合考慮，應選擇鋼級為P110、壁厚為9.17或10.54的套管均可。

3）加強注水井管理

注水井管理中要注意以下方面：使注水設備始終處于良好工作狀態，防止因為設備故障而導致突然停注；需要對水井進行關停作業時，應緩慢降低注水壓力，不要很快停注，當需要重新注水時，也應緩慢提壓；作業或者因鉆井需要水井放噴時應緩慢放壓；注水壓力要保持在合理的注水壓力范圍內。井底壓力不得高于地層最小水平主應力；合理部署注采井網及注水量；加強對注入水配伍方案的研究，降低對地層的傷害。

4）防腐

借鑒國內其他油田套管腐蝕的原因與其采取的防護措施，并結合小集油田的腐蝕原因和具體環境，選擇如下合理防腐措施防護措施：犧牲陽極電化學保護技術從而使套管的腐蝕減少或停止；采取套管涂層處理，將陰極保護和內涂層保護結合使用則是小集油田一種經濟合理的防腐措施。

4 結論與認識

1）注水對小集油田套損有著直接關系，所造成的套損類型主要為縮徑，其次是漏失。

2）長期高壓注水導致泥巖水化、巖石的抗剪切強度以及內摩擦角減小，產生的地應力、地層滑動，最終導致套管變形。

3）小集注入水與地層的不配伍，產生嚴重的點腐蝕，是典型的電化學腐蝕特征。

4）對小集油田套損井的治理采取“預防為主，防治結合”的方針，主要從提高固井質量、優化套管設計、注水井的管理、注入水的質量及防腐這幾個方面入手。

[1]李茂華.套管損壞機理模型分析計算[D].中國石油大學. 2008

[2]鄭振興.注水井套損機理與理論模型研究[D].中國石油大學（華東）.2007

[3]艾池.套管損壞機理及理論模型與模擬計算[D].大慶石油學院.2003

[4]鮑其鼐.氯離子與冷卻水系統中不銹鋼的腐蝕[J].工業水處理.2007,27(9):2～3

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.19.001