冀东油田出砂井射孔套管变形分析

张 立 民

（1.清华大学航空航天学院，北京 100083；2.中国石油冀东油田分公司钻采工艺研究院，河北唐山 063000）

冀东油田出砂井射孔套管变形分析

张 立 民1,2

（1.清华大学航空航天学院，北京 100083；2.中国石油冀东油田分公司钻采工艺研究院，河北唐山 063000）

以冀东油田高尚堡浅层出砂井套变统计资料为基础，分析了冀东油田疏松砂岩油藏套变部位，发现高尚堡浅层代表区块套管变形深度主要集中发生在1 850～2 000 m，与生产层位置一致。分析认为出砂造成套管失去支撑，是套管变形的原因之一，上覆岩层的压力是套变直接原因。对由于出砂、地层压力下降造成的上覆地层压力变化使套管发生变形的机理进行了分析，采用ABAQUS软件对射孔套管变形情况进行模拟对射孔套管在上覆地层压力作用下变形的形态规律进行了研究分析，为指导出砂井预防套变提供了依据。

冀东油田；射孔套管；变形；防砂

冀东油田高尚堡浅层位于高尚堡构造带北部，是发育在高柳断层上升盘的向北东倾没而宽缓的断鼻状构造分高浅南区和高浅北区。明化镇组、馆陶组油层为主力开发层系，属于河流相沉积，油层埋藏较浅，地层高孔高渗，平均孔隙度30.3%，渗透率平均为599.2 mD，属高孔高渗型储层。观察岩心发现，馆陶组砂岩极为疏松，呈散砂状。胶结物以泥质为主。泥质含量平均为4.6%，以蒙脱石、高岭石为主。黏土矿物中蒙脱石含量最高，平均含量44%，易遇水膨胀，造成微粒运移、出砂［1］等危害。边底水能量充足， 随含水上升，产液速度提高，油井出砂严重。高浅北区油井有定向井60口井，套损井36口井，套损比例为60%。高浅南区油井180口，套损井45口，套损比例为25%。浅层套变段主要分布在油层段，油层部位套变说明套管变形与油层部位受力变化有关。统计高尚堡浅层代表区块G104-5块套管变形深度主要发生在1 850～2 000 m，与生产层位置一致。

从浅层疏松砂岩油藏油井套管受力［2-4］情况变化入手对套变原因进行分析，对射孔套管变形的规律进行了研究。

1 套变原因分析

1.1 出砂造成套管失去支撑

从表1投产的8口油井万方液出砂量统计结果可以看出，总体上NgⅡ、NgⅠ出砂较严重，Nm、NgⅢ次之，NgⅣ出砂较轻。NgⅡ的检泵周期最短为3.12个月，万方液沉砂量达6.11 m3，出砂相当严重。由于大量出砂，油层附近形成空洞，套管处于周围失去支撑状态。

表1 庙101区块分层系出砂量统计

1.2 上覆岩层的压力产生压实作用

对于疏松砂岩油藏，由于地层高孔高渗，岩石胶结强度低，随着采出液量的增加，疏松油层在上覆地层的压力下会产生压实作用。

最大可能的压实量按照下式估算

式中，ΔH为垂向压实量，m；H为产层厚度，m；Δe为孔隙比，孔隙体积/颗粒体积的变化；e0为原始孔隙比；φ1为原始孔隙度；φ2为目前孔隙度。

实际压实量由于地质结构、盖层的横梁效应等因素比估算值小很多，但压实趋势会随着时间的延长不断接近估算值。

以上分析表明，油层段套管变形的主要原因是随油田开发地层排出大量液体，压力下降，造成地层压实，使套管承受轴向上的压力超过套管的弹性限度发生塑性变形。同时由于出砂，周围形成空洞，套管失去水平方向的制约力，发生严重弯曲。

2 出砂井射孔套管变形模拟分析

为进一步了解射孔套管变形的规律，采用ABAQUS软件对射孔套管变形情况进行模拟。

由于套管射孔后本身存在一定裂纹、毛刺等缺陷，在生产过程中由于射孔产液携带地层砂冲击套管会造成冲蚀造成套管壁厚不均匀，为简化分析进行一些条件简化。

2.1 基本假设

（1）射孔套管均质；（2）套管中心轴与井眼中心轴一致；（3）射孔孔眼直径一致，垂直于套管心轴；（4）套管壁厚均匀一致；（5） 套管周围没有地层支撑。

2.2 建立模型

根据出砂套损原因分析，建立了如图1所示的有限元模型。套管模型长度2 m，射孔孔密16孔/m，射孔孔眼直径13 mm，相位角90°，套管外径139.7 mm，壁厚7.72 mm。

图1 射孔套管有限元模型

材料参数：套管弹性模量210 GPa；泊松比0.3；屈服强度552 MPa。

边界约束条件：左端固定，u1=u2=u3= 0 ；右端轴向压缩位移 1 mm、2 cm、4 cm、6 cm，u1=u2=0，u3=-0.001、-0.02、-0.04、-0.06 m。

2.3 计算结果分析

2.3.1 射孔套管不同压缩程度下变形情况 从图2变形情况看，压缩变形首先发生在射孔孔眼附近，先局部小范围变形，随着压缩距离的增加，在射孔孔眼和轴向一致的两端局部突起，垂直于轴线方向凹陷，类似马鞍状。整个套管变形后呈螺纹状，同时套管发生弯曲变形。

图2 压缩量为1 mm、2 cm、4 cm、6 cm 下射孔套管变形情况

2.3.2 射孔套管不同压缩程度受力分析 从图3不同压缩程度下套管受力云图变化看，射孔套管孔眼处应力集中非常明显。初期应力主要集中在孔眼附近并沿着孔眼垂直于轴线方向由大到小扩展。最小应力主要集中在孔眼沿轴线方向由小变大。

图3 压缩量为1、2、5 mm、2、4、6 cm下射孔套管受力云图

2.3.3 射孔套管不同压缩程度下射孔孔眼受力分析通过模拟发现射孔套管在射孔孔眼处应力集中现象明显，为更好地观察变化趋势，模拟套管压缩2 mm、2 cm、4 cm、6 cm时射孔孔眼处的云图，随着压缩距离的加大，最大应力沿着垂直于轴线的方向范围逐渐扩大，应力也逐渐增大；平行于轴线方向孔眼的应力明显小于垂直轴线方向的应力，靠近孔眼附近应力初期最小，随着变形的增加最小应力范围沿着轴线方向逐渐离开孔眼（图4）。

图4 压缩量为2 mm、2 cm、4 cm、6 cm下射孔孔眼受力云图

射孔套管变形情况的模拟可知（图5），出砂井射孔套管变形不同于普通套变的变形，除了发生弯曲变形外，射孔孔眼处应力集中对套管变形影响明显，变形形状复杂，除了套管的弯曲外还有许多局部的鞍状变形、螺旋状变形。

图5 射孔孔眼应力曲线

垂直于轴线方向的射孔孔眼处最大应力0.57E9 Pa，平行于轴线方向的射孔孔眼处最大应力0.11E9 Pa，射孔孔眼处最大应力是最小应力的5倍左右，应力集中现象非常突出。由于射孔孔眼的存在，加剧了套管变形的面积和幅度。

2.3.4 结果分析 从模拟结果看出：（1）射孔孔眼处出现明显的应力集中；（2）套管在射孔孔眼处出现明显变形；（3）射孔孔眼周围沿垂直于受力方向出现突起，从云图上看应力最大。平行于受力方向出现下凹现象，应力最小。射孔套管变成不规则椭圆形状。

3 结论

（1）射孔套管在受到上覆岩石压力的情况下变形情况明显不同于不射孔套管，应力集中造成套管变形加剧，套变面积和幅度明显多于未射孔套管。

（2）随着压缩幅度的增加变形幅度增加。当压缩幅度加大时除了射孔孔眼处周围变形加大外，套管会发生弯曲。

（3）生产过程中立足于早期和先期防砂是减少套管变形的有效手段，以防井眼附近形成空洞，减少地层骨架的破坏，减轻上覆地层的沉降。

［1］ 宋友贵，周俊杰，高维刚，等.大港油田长效防砂配套技术研究与应用［J］.石油钻采工艺，2010，32（6）：80-83.

［2］ 何汉坤，杨启明，李鸿新，等.出砂因素对采油井套管损坏力学分析［J］.河南石油，2004，18（2）：58-60，8.

［3］ 董平川，牛彦良，李 莉，等. 螺旋布孔射孔对套管强度的影响［J］.大庆石油地质与开发， 2007，26（2）：91-95.

［4］ 王旱祥，颜廷杰，李增亮. 射孔对套管强度的影响［J］.石油机械，2000，28（5）：42-45.

Analysis on perforated casing deformation of sanding wells in Jidong Oilfield

ZHANG Limin
（1. School of Aerospace,Tsinghua University,Beijing100083,China;2. Drilling and Production Technology Institute,Jidong Oilfield Company,Tangshan063000,China）

Based on the casing deformation statistical data of sand wells in Gaoshangpu shallow layers of Jidong Oilfield,the position or part of casing damage was analyzed in unconsolidated sandstone of this oilfield. It is figured out that casing deformation mainly occurred in 1 850～2 000 m depth in representative zone of Block Gaoshangpu, which consistent with the layers of the production formation. Analytic result believes that the sand causing loss of casing support is one of the casing deformation reasons, and the overburden pressure is the direct cause of casing deformation. The casing deformation mechanism caused by the overburden pressure change was analyzed by considering the change due to sanding and formation pressure drop.The deformation situation of perforated casing was simulated by using ABAQUS software and the perforated casing deformed shape rules were studied and analyzed under the pressure of overlying strata. This study provides a basis for preventing casing deformation in sand wells.

Jidong Oilfield; perforated casing; deformation; sand

张立民. 冀东油田出砂井射孔套管变形分析［J］.石油钻采工艺，2013，35（5）：71-73.

TE357.8

：A

1000–7393（2013） 05–0071–03

冀东油田套损井修复技术研究和应用（编号：Y2011-Q9）。

张立民，1967年生。1989年毕业于大庆石油学院采油工程专业，现从事采油及完井工作，副院长，高级工程师。电话：0315-8768003。E-mail：zhanglm188@petrochina.com.cn。

2013-07-02）

〔编辑 付丽霞〕