苏北油田CO2 驱油注气井套管错断原因分析及治理

曹力元

（中国石化华东油气分公司泰州采油厂，江苏 泰州 225300）

CO2驱油作为三次采油的一种方法，可以大幅提高采收率。CO2作为驱油剂，在降低地层原油黏度的同时，能够扩大原油波及体积，降低油水界面张力，可应用于水驱开发难度较大的低渗透油藏［1-8］。苏北草舍油田泰州组油藏CO2驱先导试验于2005年开始实施，取得了较好的开发效果，在其他低渗透油藏也进行了大规模推广。

注气井油层套管是CO2气体进入地层的通道，既能支持井壁，又能起到联系地表和地下的作用。一旦发生套管错断，会导致注气井停注，影响正常生产。注气井套管错断问题己经成为影响油田生产的重要问题，制约了CO2驱油技术的进一步推广。因此，急需对CO2驱油注气井套管错断原因进行分析，并制定相应的治理方案。

1 CO2驱油注气井套管错断现状

苏北油田CO2驱油注气井套损数量逐年增多，累计5口井出现油层套管错断现象（表1）。CO2驱油注气井套管错断具有以下几个特点：

表1 CO2驱油注气井套损统计

（1）套管错断深度较浅，大部分小于500 m，也有注气井发生油管断裂，深度约为100 m。

（2）套管错断位置均为螺纹或接箍处。

（3）注气井均采用CO2直接注入的方式，注气温度约-20℃，注入方式为间歇注入。

（4）套管错断井均为Y221型注气封隔器+气密封油管的机械锚定式注气管柱结构，投注后均起套压，注气管柱密封性较差。

2 错断管材检测及原因分析

2.1 套管错断井基本情况

S5-12井是SD油田的一口CO2驱油注气井，于2015年4月下入机械锚定式注气管柱转注气，注气井段为2 923.5～2 988.9 m。因注气管柱失效，实施检管作业，提出第10根油管管体断裂，上提套管悬挂器+套管双公短接+ϕ139.7 mm油层套管1根，地面检查套管螺纹断裂。

2.2 S5-12井油管室内拉力实验

选取S5-12井提出的井下不同深度的3根油管进行拉力实验，实验参数见表2。通过实验发现，只有上部油管发生断裂（表3）。

表2 S5-12井油管参数

表3 S5-12井油管拉力实验

2.3 S5-12井失效套管和注入气质量分析

2.3.1 失效套管取样分析结果

（1）强度。对失效套管进行材料强度实验，实际测量屈服强度与抗拉强度如表4所示，二者均满足相关标准要求。

表4 拉伸实验结果

（2）硬度。为考察套管实际性能水平，分别取硬度环进行四象限内、中、外硬度测试。硬度检验结果显示，四象限平均硬度，波动均不超过3HRC，表明套管成分波动小，组织均匀（表5）。

表5 硬度（HRC）检验结果

2.3.2 断口分析结果

（1）断口宏观特征。断裂均由套管内壁裂纹源引发，裂纹沿壁厚方向向外做低能量撕裂，形成大面积扩展区，裂纹源及扩展区凹凸不平且与套管轴线成90°夹角，具有明显低温脆断特征。

（2）断口微观特征，表现为低温脆断特征。裂纹源断口呈现出较长周期内缓慢撕裂、逐渐扩展的小尺寸解理断口微观特征；而裂纹扩展区是在内压及轴向载荷作用下逐渐扩展，断口表现为河流状解理特征。

（3）断口表面腐蚀产物分析。采用X射线衍射（XRD）方法对腐蚀产物进行分析，腐蚀产物主要成分为FeCO3和Fe2O3、Fe3O4等铁的氧化物，表明井下环境发生了二氧化碳腐蚀以及氧腐蚀。

2.3.3 注入气质量分析

对S5-12井注气气源取样进行检测，检测结果见表6。经检测，注入气符合标准规定的要求，未检测出H2S等气体及有机还原物。

表6 S5-12井注入二氧化碳检测结果（依据GB／T 6052-2011《工业液体二氧化碳》）

2.4 套管错断原因分析

对苏北油田CO2驱油注气井套管错断原因进行分析，主要有以下几个方面。

（1）N80钢级套管的韧脆转变温度为49℃，当温度低于49℃时，套管表现为脆性倾向，套管应力集中较严重的部位内壁易萌生裂纹［9］。注气井注气温度约-20℃，易引起较浅深度管材低温损伤，进而造成套管断裂伤害。油管室内拉力实验结果从侧面验证了低温影响。

（2）油套环空是一个相对封闭的环境，由于注气管柱气密封性较差，注入的CO2气体进入油套环空与油套内的环空保护液发生置换，溶于水生成腐蚀性产物，对管材造成腐蚀伤害。

（3）间歇式注气方式套管受到周期性的载荷作用，裂纹不断扩展，最终导致套管错断。

3 治理对策

3.1 改进注气管柱

为了提高注气管柱的气密封性，主要从封隔器和油管丝扣气密封两方面进行改进，引进了Y445型注气封隔器、气密扣油管，设计新型注气管柱，并组建专业的气密封检测队伍（图1）。

图1 新型注气管柱

3.1.1 Y445型二次压缩封隔器特点

（1）封隔器胶筒材质为氢化丁腈橡胶，具有防CO2气体腐蚀的能力，主要技术参数见表7。

（2）设置液压和管柱加载对胶筒进行两次压缩的坐封机制，以提高胶筒与套管内壁的接触应力强度，满足注气井封隔要求，且有效期较长［10-12］。

（3）采用双向卡瓦设计，大幅提升锚定性能，有效防止管柱蠕动，保证胶筒密封性。

3.1.2 气密扣油管

为保证注气管柱油管的气密封性，采用气密封油管（表8）。使用带有扭矩控制仪的液压钳上扣，以确保拧接扭矩符合规定。入井前，利用气密封检测设备对油管的连接丝扣进行气密封检测，以确保注气管柱的气密封性能符合要求。

表8 气密封油管技术参数

3.2 优化注入方式

针对冷注CO2出现的问题，研制出CO2电加热器，CO2经加热后注入地层，其原理为低温CO2流过盘管时，与管壁外热水进行热交换，提高CO2温度。热水装置主要包括防爆电加热棒、盘管和控制柜等，通过防爆电加热棒对水进行加热，当水温大于80℃时，采用“低进高出”方式对盘管内的低温CO2不断进行热交换，最终将CO2温度从-20℃提升至5℃以上，加热器技术参数见表9。注气时需保证连续稳定地注入，避免频繁启停。

表9 CO2加热器技术参数

3.3 改进油套环空保护液

干燥的CO2不会发生腐蚀，只有CO2溶于水，使水溶液呈酸性，对钢材产生腐蚀。为保证油套环空干燥环境，采用油基保护液，即使注气管柱气密封失效，CO2进入油套环空，也不会发生严重腐蚀。

4 应用效果

在ZJD和BHZ等试验区进行了现场试验，对CO2驱油注气井应用套管错断治理措施后，5口井套管无压力或处于低值，长期保持稳定生产状态，套管无异常。从表10可以看出，注气管柱入井时间最长已达6年，各项指标均达到设计要求，暂未发生套管错断。

表10 实施治理措施注气井注气数据

5 结论

（1）通过对苏北油田CO2驱油注气井错断套管检测及特征分析，初步确定CO2腐蚀、低温损伤和间歇式注气是引起套管错断的主要原因。

（2）针对注气井套管错断问题，重点从注气管柱、注入方式和环空保护液三方面开展治理试验。试验结果表明，套管错断治理措施能够满足苏北油田CO2驱油注气要求。