套管性能影響因素分析與套損井防治方法

趙智瑋(中國石化勝利油田分公司勝利石油工程技術研究院， 山東 東營 257000)

套管性能影響因素分析與套損井防治方法

趙智瑋(中國石化勝利油田分公司勝利石油工程技術研究院， 山東 東營 257000)

本文系統分析了套管損壞的原因，選取勝利油田坨142典型區塊，通過建立三維力學模型及有限元分析、仿真模擬等創新方法對射孔、粘土吸水膨脹、腐蝕三類因素對套管損壞的影響進行量化分析，提出了預防套管損壞的幾項措施，對恢復套損井的正常生產具有一定的借鑒意義。

油井；水井；套管；射孔；腐蝕；套損修復

1 套損現狀及原因分析

(1)井身因素 針對大多數油水井的完井方式為套管固井射孔完井的坨142塊，考慮射孔參數對套管強度的影響。由于地應力的作用，套管的腐蝕，射孔等造成套管損壞。射孔對套管的強度有著較嚴重的影響，射孔對套管的強度的影響因素有：①射孔彈爆炸后在局部形成應力集中及殘余應力；②孔眼周圍產生射孔裂紋；③孔眼的出現使得套管應力重新分布；前兩個方面可以通過采用有槍身的射孔彈來射孔從而減少對套管剩余強度的影響。

(1)地層因素 由于地層作用，比如鹽巖的蠕變、流動，泥巖的膨脹和滑移、地層異常高壓等，地震、斷層、地層沉降壓實、地應力變化等，造成套損。粘土水化后，在一定壓力下隨時間增加而加大沿層面的變化，粘土吸水后的膨脹在與地應力的共同作用下，產生蠕變，粘土的吸水膨脹將加速蠕變進程，加速了套管的損壞。當具有一定傾角的粘土遇水呈塑性時，可將上覆巖層壓力轉移至套管，使套管受到損壞。

(3)腐蝕因素 井下套管腐蝕機理很復雜，但常見的只有4種類型：電化學腐蝕、化學腐蝕、細菌腐蝕和氫脆，而最普遍的就是電化學腐蝕。電化學腐蝕主要由溶解氧、CO3、H2S、Cl-、HSO4

-、SO4

2-、HCO3-等離子造成，對于坨142塊，現場常見的是溶解氧、Cl-。

2 影響因素研究分析

(1)射孔參數對套管強度影響研究 目前多采用單一參數變化分析射孔對套管強度影響，但誤差大。結合區塊特點建立三參數同時變化的三維力學分析模型，建立三維擬合圖版，分析套管剩余強度和抗外擠強度；并首次研究了非徑向射孔對剩余強度影響。與套管的損壞主要發生在套管的射孔段即生產層，因此根據上述的條件確定數值模擬時所采用的套管內外壓力，內壓為16.9MPa，外壓為26.2MPa。套管選擇為N80壁厚為9.17mm的規格，進行射孔后套管強度的模擬計算。

(2)粘土層吸水膨脹后對套管損壞的仿真模擬 粘土浸水膨脹對地層產生的蠕變應力是套管損壞的主要損壞機理之一，粘土水化后，在一定壓力下隨時間增大而使沿層面方向的變形增加，粘土吸水后的膨脹和在地應力作用下的蠕變是同時產生，粘土的吸水膨脹將加速蠕變進程，同時加快套管外載的增加速度。同時，注入水進入地層改變了地下的應力場，使地層產生彈塑性位移而擠壞套管。根據粘土浸水膨脹后對套管產生的影響，建立了計算模型。模型中考慮了粘土在吸水后便現出的流變性，在地應力下產生蠕變膨脹，采用粘彈性本構方程。同時，考慮了流固耦合問題，注水壓力對地層產生的影響，采用適合于巖土分析的DP材料模型，建了套管與地層組合模型。

(3)組合套管電化學腐蝕影響規律研究 選取常用套管型號J55、N80、P110、P110H，首次通過室內24組實驗對比單一套管材質和套管組合在高礦化度地層水環境下的腐蝕情況，獲得套管組合電化學腐蝕對套管力學性能影響規律。通過套損井地層水離子分析，配置腐蝕溶液，對試驗試件進行腐蝕試驗，分析組合套管在坨142地層水中電化學腐蝕規律對套管強度的影響。

3 預防套管損壞的主要措施

(1)確保固井質量，優化射孔方案 在固完井時，使用抗壓能力強的優質水泥，對于添加劑類型、鉆井液性能、注水泥參數、作業工藝等進行嚴格的檢查，保證固井質量合格，確定固井后井口無漏氣現象。在進行補孔射孔投產時，要考慮射孔和壓裂等增產措施對套管造成的損壞，在套管設計時加以優化，并對射孔參數孔密、槍型等進行優化，使用最優方案。

(2)選擇優質套管 選用高頻直縫焊管或含碳的碳-錳-鉬系列低合金的熱軋無縫鋼管、含鉻鐵素不銹鋼管。螺紋部分采用特殊螺紋來實現與腐蝕介質相隔絕，確保螺紋連接處的強度超過管體強度。在成本不允許的情況下，也應采用直接隔離法，在套管表面形成具有抗(耐)腐蝕覆蓋層將套管與腐蝕介質分離開來。

(3)優化井身結構 對于地層中含酸類等腐蝕物質較高的區塊，盡量設計較高的水泥返高，可延緩流體對套管的腐蝕，預防套漏，進一步阻止水源侵入。

(4)適當降低注水壓力 在開發方案設計初期，采用行列注采井網和菱形注采井網，可防止或延緩處于裂縫方向上的油井由于水淹而導致的套管變形。為避免注水引起的套損，注水壓力應低于地層最小水平主應力值。并定期對高壓注水井實施洗井、防膨及解堵等作業，防止地層污染，同時，開展周期注水降壓試驗，有效地控制注水壓力的持續上升，降低注水壓力。

(5)減小腐蝕發生的可能性 在減小及防止腐蝕方面，可以采取加殺菌劑、緩蝕劑或采取陰極保護的技術。加緩蝕劑是一種經濟有效的控制腐蝕的手段，常用的緩蝕劑有重鉻酸鹽、磷酸鹽、有機胺類等； 采取陰極保護技術可以減緩套管因電化學作用造成腐蝕破壞。

4 結語

根據油田的開發具體情況，制定合理的制度措施，消除油水井套管損壞引起的油井產量降低的影響。在油水井鉆井及完井過程中，據地質條件及生產要求選擇高強度的套管，提高固井質量；在開發過程中，優化生產參數，這些均可有效減緩或者防止套管損壞的問題，確保油田生產平穩運行。

[1]王旱祥,等.射孔對燈套管強度的影響[J].石油機械，2000，28(5).

[2]向緒金,等.射孔對套管燈強度的影響研究[J].江漢石油學院學報，2002，24(5).

趙智瑋(1990- )，女，工程師，從事油田開發技術工作。