套管性能影响因素分析与套损井防治方法

赵智玮(中国石化胜利油田分公司胜利石油工程技术研究院， 山东 东营 257000)

套管性能影响因素分析与套损井防治方法

赵智玮(中国石化胜利油田分公司胜利石油工程技术研究院， 山东 东营 257000)

本文系统分析了套管损坏的原因，选取胜利油田坨142典型区块，通过建立三维力学模型及有限元分析、仿真模拟等创新方法对射孔、粘土吸水膨胀、腐蚀三类因素对套管损坏的影响进行量化分析，提出了预防套管损坏的几项措施，对恢复套损井的正常生产具有一定的借鉴意义。

油井；水井；套管；射孔；腐蚀；套损修复

1 套损现状及原因分析

(1)井身因素 针对大多数油水井的完井方式为套管固井射孔完井的坨142块，考虑射孔参数对套管强度的影响。由于地应力的作用，套管的腐蚀，射孔等造成套管损坏。射孔对套管的强度有着较严重的影响，射孔对套管的强度的影响因素有：①射孔弹爆炸后在局部形成应力集中及残余应力；②孔眼周围产生射孔裂纹；③孔眼的出现使得套管应力重新分布；前两个方面可以通过采用有枪身的射孔弹来射孔从而减少对套管剩余强度的影响。

(1)地层因素 由于地层作用，比如盐岩的蠕变、流动，泥岩的膨胀和滑移、地层异常高压等，地震、断层、地层沉降压实、地应力变化等，造成套损。粘土水化后，在一定压力下随时间增加而加大沿层面的变化，粘土吸水后的膨胀在与地应力的共同作用下，产生蠕变，粘土的吸水膨胀将加速蠕变进程，加速了套管的损坏。当具有一定倾角的粘土遇水呈塑性时，可将上覆岩层压力转移至套管，使套管受到损坏。

(3)腐蚀因素 井下套管腐蚀机理很复杂，但常见的只有4种类型：电化学腐蚀、化学腐蚀、细菌腐蚀和氢脆，而最普遍的就是电化学腐蚀。电化学腐蚀主要由溶解氧、CO3、H2S、Cl-、HSO4

-、SO4

2-、HCO3-等离子造成，对于坨142块，现场常见的是溶解氧、Cl-。

2 影响因素研究分析

(1)射孔参数对套管强度影响研究 目前多采用单一参数变化分析射孔对套管强度影响，但误差大。结合区块特点建立三参数同时变化的三维力学分析模型，建立三维拟合图版，分析套管剩余强度和抗外挤强度；并首次研究了非径向射孔对剩余强度影响。与套管的损坏主要发生在套管的射孔段即生产层，因此根据上述的条件确定数值模拟时所采用的套管内外压力，内压为16.9MPa，外压为26.2MPa。套管选择为N80壁厚为9.17mm的规格，进行射孔后套管强度的模拟计算。

(2)粘土层吸水膨胀后对套管损坏的仿真模拟 粘土浸水膨胀对地层产生的蠕变应力是套管损坏的主要损坏机理之一，粘土水化后，在一定压力下随时间增大而使沿层面方向的变形增加，粘土吸水后的膨胀和在地应力作用下的蠕变是同时产生，粘土的吸水膨胀将加速蠕变进程，同时加快套管外载的增加速度。同时，注入水进入地层改变了地下的应力场，使地层产生弹塑性位移而挤坏套管。根据粘土浸水膨胀后对套管产生的影响，建立了计算模型。模型中考虑了粘土在吸水后便现出的流变性，在地应力下产生蠕变膨胀，采用粘弹性本构方程。同时，考虑了流固耦合问题，注水压力对地层产生的影响，采用适合于岩土分析的DP材料模型，建了套管与地层组合模型。

(3)组合套管电化学腐蚀影响规律研究 选取常用套管型号J55、N80、P110、P110H，首次通过室内24组实验对比单一套管材质和套管组合在高矿化度地层水环境下的腐蚀情况，获得套管组合电化学腐蚀对套管力学性能影响规律。通过套损井地层水离子分析，配置腐蚀溶液，对试验试件进行腐蚀试验，分析组合套管在坨142地层水中电化学腐蚀规律对套管强度的影响。

3 预防套管损坏的主要措施

(1)确保固井质量，优化射孔方案 在固完井时，使用抗压能力强的优质水泥，对于添加剂类型、钻井液性能、注水泥参数、作业工艺等进行严格的检查，保证固井质量合格，确定固井后井口无漏气现象。在进行补孔射孔投产时，要考虑射孔和压裂等增产措施对套管造成的损坏，在套管设计时加以优化，并对射孔参数孔密、枪型等进行优化，使用最优方案。

(2)选择优质套管 选用高频直缝焊管或含碳的碳-锰-钼系列低合金的热轧无缝钢管、含铬铁素不锈钢管。螺纹部分采用特殊螺纹来实现与腐蚀介质相隔绝，确保螺纹连接处的强度超过管体强度。在成本不允许的情况下，也应采用直接隔离法，在套管表面形成具有抗(耐)腐蚀覆盖层将套管与腐蚀介质分离开来。

(3)优化井身结构 对于地层中含酸类等腐蚀物质较高的区块，尽量设计较高的水泥返高，可延缓流体对套管的腐蚀，预防套漏，进一步阻止水源侵入。

(4)适当降低注水压力 在开发方案设计初期，采用行列注采井网和菱形注采井网，可防止或延缓处于裂缝方向上的油井由于水淹而导致的套管变形。为避免注水引起的套损，注水压力应低于地层最小水平主应力值。并定期对高压注水井实施洗井、防膨及解堵等作业，防止地层污染，同时，开展周期注水降压试验，有效地控制注水压力的持续上升，降低注水压力。

(5)减小腐蚀发生的可能性 在减小及防止腐蚀方面，可以采取加杀菌剂、缓蚀剂或采取阴极保护的技术。加缓蚀剂是一种经济有效的控制腐蚀的手段，常用的缓蚀剂有重铬酸盐、磷酸盐、有机胺类等； 采取阴极保护技术可以减缓套管因电化学作用造成腐蚀破坏。

4 结语

根据油田的开发具体情况，制定合理的制度措施，消除油水井套管损坏引起的油井产量降低的影响。在油水井钻井及完井过程中，据地质条件及生产要求选择高强度的套管，提高固井质量；在开发过程中，优化生产参数，这些均可有效减缓或者防止套管损坏的问题，确保油田生产平稳运行。

[1]王旱祥,等.射孔对灯套管强度的影响[J].石油机械，2000，28(5).

[2]向绪金,等.射孔对套管灯强度的影响研究[J].江汉石油学院学报，2002，24(5).

赵智玮(1990- )，女，工程师，从事油田开发技术工作。