开发过程中油田套管损坏研究现状

刘硕　闫家旭　肖泉　于献彬

关键词： 套管损坏 力学模型 损坏机理 防治技术

中图分类号： TE931.2 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）15-0157-05

在油田开发生产过程中，套管损坏难以避免，往往会对生产造成严重影响，给油田生产带来诸多不便，导致注采井网布置出现问题，若重新打井，则将增加经济成本，降低经济效益。根本原因是当载荷超过其承载强度时，套管就会损坏。而载荷超过其承载强度主要原因有两方面：一是外部原因，动荷载应力在开采过程中发生变化，蠕变等荷载增大；二是内部原因，套管周围的环境中存在着各种各样的腐蚀，对套管进行腐蚀，致使套管本身强度下降。

在工作环境中，套管的损坏一般不是由单一因素导致的，而是许多因素共同作用的结果，因此本文结合套管本身的模型结构、失效原因等重要因素（如物理、化学、工程）进行分析，集中总结，计算出有效的理论结果，提出可靠、合理的方案，本文将在此方向对其进行展开研究[1]。

1 国内外套管损坏研究现状

套管损坏普遍存在于整个油田开发过程中，根据数据分析，正常情况下，投入生产5年的油水井会有20%出现套管损坏等问题。套管损坏不仅会影响开发效果、增加投入成本，还会给油田生产带来诸多麻烦。本节主要探讨套管损坏的现象、特征及其原因，并提出针对套管损失问题的防治措施，以期提高油田开发的稳定性，实现相关企业的经济收益最大化。

1.1 国内外套管损坏的相关研究内容

1.1.1 套管损坏机理的研究

地质因素是造成套管损坏的重要原因，其包括构造应力、泥岩膨胀、层间滑动、盐岩层蠕动等；工程因素则是套管的酸化压裂、固井质量、射孔和高压注水等；腐蚀因素包含原油、天然气中含有的硫、硫化氢等腐蚀性气体，地层水或注入水中含有的腐蚀性物质反应等[1]。

1.1.2 套管损坏预防措施的研究

对套管损坏预防措施的研究具有重要的应用意义，不仅可以减少作业量，还可以间接减少经济损失。近年来，针对套管损坏的预防措施研究主要包含钻井过程中的套管保护、射孔过程的套管保护、固井过程的套管保护、套管防腐技术的研究等几个方面。

1.2 国内外套管损坏防治技术研究现状

1.2.1 套损井的预防

在套损井的预防研究现状中，套管的合理设计、提高套管的抗挤压强度、提高固井质量、防止油层出砂、防止套管腐蚀成为五大研究切入点。

（1）套管的合理设计。

施工过程中可采用高抗挤压材料对套管柱进行局部强化，在复杂地区可提高其使用寿命，从而提高经济效益。

（2）提高套管的抗挤压强度。

合理使用高强套管、厚壁套管、双层套管或改进套管射孔的加工工艺，减少其他因素对套管抗压强度的影响，这样的设计有利于提高套管的抗压强度。

（3）提高固井质量。

加强固井质量包括以下几个方面：合理控制水泥返高、保证完井施工质量、深化振动固井技术。

（4）防止油层出砂。

目前，防止油层出砂的方法有许多，概括分为化学、机械以及复合材料防砂。相关施工人员应结合当地地质的物理、化学性质以及开采工艺、生产参数等影响因素，选择合适的防沙方式。

（5）防止套管腐蚀。

此过程主要将其置于化学腐蚀方面进行研究，其中应用的注水井环空保护技术，其特点为防腐效果好、使用灵活方便、套管变形不受影响且施工方便；此外，还可使用缓蚀剂，能够降低有关酸化措施对于应用套管的腐蚀；若是使用抑菌杀菌剂，则可对回注污水中所包含的盐菌等物质进行清除，以保护套管不受其腐蚀作用。

1.2.2 套损井的检测

（1）井壁超声成像测井。

运用超声电视测井技术，向垂直于井壁方向发射超声波并接收回波，根据回报的幅度和时长差来获取套管破裂、弯曲变形、缩扩径等情况[2]。

（2）电磁探伤测井。

檢测涉及的仪器用于检测套管的局部腐蚀厚度和相关变形情况，这样会准确地指示井下管柱结构及检验工具的位置[3]。

（3）40 臂井径测井。

此过程所用仪器的主要作用是测量套管内径大小和其相关椭圆度，以便检查分析套管的变形、断裂以及其内部的腐蚀情况。对射孔位置的检测，可以对套管某一段的精细误差进行解释分析[4]。

1.2.3 套损井的治理

套损井的治理技术主要包括取套换套工艺技术、打通道下小套管技术、套管缩径整容技术、套管补贴及小通径套损井整形扩径技术[5]。

（1）取套换套工艺技术。

整个工艺技术流程如下：验套确定取套深度—倒扣取自由段套管—裸眼段套铣—切割取套管—换套管鱼顶—下入新套管并对扣短节—套管对扣对接—紧扣试压完井。

（2）打通道下小套管技术。

此技术主要用于套管破漏、腐蚀错断等损坏严重的情况，且损坏井段长、修补技术难以进行的待治理的油井。

（3）套管缩径整容技术。

此过程分为两个阶段进行探索，对弯曲变形不大的套管采用机械整形技术，一旦套管变形量超过其内径的12%，则会采用爆炸整形技术进行处理。

（4）套管补贴。

此过程的工作原理是通过液压挤胀的方式，将膨胀管补贴于套管被腐蚀处或产生破裂的套损部位。

（5）小通径套损井整形扩径技术。

通过近年来新研制出的机器、工具的组合使用，组成配套的组合钻具，主要对小通径套管损坏井段进行分步处理，使其恢复原有的通径，据实验证明其成功率可达到80%，因此这是一种新的修复工艺技术，发挥不可替代的作用。

在当今社会发展趋势影响下，油井投产后，将会受到各种因素的作用，随着生产时间延长，油井套管状况也随之变差直至损坏，最终使其不能正常生产工作。因此，找到套管损坏的原因，并随之进行合理分析与修复，成为当下油井大修的重要任务。

2 套管模型的研究现状

2.1 套管力学模型的建立

在套管模型的研究领域，多位学者展开了多角度、多维度研究。20 世纪末，随着计算机系统的普及，运用科技手段建立套管模型变得更加便捷。20 世纪90年代中期，练章华等人对岩盐、泥岩和页岩进行长期的研究、考察、计算分析，从而建立了合理可靠的粘弹塑性有限元力学模型。该模型适用于引起套管变形和温度变形的油田粘弹塑性流动地层，缺点是不能解决套管破裂和腐蚀的问题[6]。

21 世纪初期，有多个科学团队开始对油田套管建立力学模型的研究，现列举如下。

2001 年，刘建中等人通过对大庆油田套管变形的研究，提出了应力-压力复合力学模型，取得了一定的成绩。在实际应用中，大庆油田某分公司实现了套管磨损的控制，直接提升了该研究方向的前景和价值[7]。

2002 年，陈新平等人展开了射孔作业的研究，其中储层套管应力状态是研究的重点方向，建立了简化的断裂力学模型，而复杂的射孔开裂可以用此模型来描述，得到了作为射孔裂缝判据的应力强度因子，揭示了射孔裂缝的物理性质[8]。

2008 年，伍开松等人开始研究套管损坏的力学模型。一般状态下的二维、三维力学模型，都对套管分析存在较大缺陷，但真三维套管-水泥环-岩层系统力学模型的提出，这些缺陷得到解决，从而建立了水泥环-岩层系统力学模型，结合有限元分析方法，预测套管损坏变得更加准确[9]。

2008 年，刘飞等人研究深井和超深井钻井过程中的套损问题，结合模型建立了深井钻杆和套管磨损模型，该模型着重研究钻杆本体与套管接触的情况，并对不同因素对套管磨损厚度的影响进行了分析和预测[10]。

2009 年，李子丰等人对油井生产过程的研究主要是蠕变地层与套管的相互作用。从实际建井过程出发，结合力学原理进行分析，成功建立力学模型。分析力学模型得出结论：当地层不具有蠕变特性时，套管不会受到地应力的影响。然而，地层是蠕变的、持续的，地层的上覆压力将是套管的挤压载荷[11]。

2015 年，袁军等人利用现有的多层复合厚壁圆筒理论与弹性理论，展开研究推导，得出套管-水泥环-地层完整系统的力学模型计算公式，并利用有限元软件对其进行了数值模拟，得到结论：对于整个体系而言，在套管-水泥环界面及水泥-地层界面处之间的径向应力是连续的，而周向应力和Mises 应力是不连续的。有限元计算结果与理论计算结果的误差小，说明可信度高，且参数条件设置合理[12]。

2022 年，杜垚森等人通过对套管柱力学模型问题的研究，模拟套管钻进工作状态，得出相应的修正系数，对钢管桩力学模型进行优化，得到更合理的套管柱力学模型。结合全旋转套管钻进条件，基于钢管静桩理论，通过试验方法探索了套管柱单位摩阻力、土挤压压力与地层深度之间的关系，建立了完善的套管柱力学模型，具有理论研究的前景[13]。

以上是近年来诸多学者对力学模型的研究，他们得出的研究成果都是与工程经验相联系的，其结论与工程实践广泛结合，具有很高的参考价值。

2.2 预测模型方向的研究

在套管模型研究的领域，也有学者对预测模型进行了研究，可以为生产提供很大的帮助，便于提前检测套管的各项指标是否正常，预测分析油井内的围压和温度，保证油井的安全。以下是预测模型的研究成果。

2012 年，杜丹阳等人对套管射孔完井进行研究，对钻孔岩石部分的应力状态与射孔壁处的应力分布进行了分析。并根据应力准则建立的出砂预测模型和油井实际情况较为吻合，符合实际要求[14]。

2013 年，杨进等人通过研究套管环空压力对套管造成挤毁或破裂的问题，建立了套管环空压力预测模型，同时将其投入实际中检验，预测了某油田深井的套管环空压力和温度，得出实际值与预测值之间的误差很小，模型精度很高[15]。

2018 年，胡志强等人通过研究高温地层流体对深水油气井生产阶段的影响，推导出必要的位移函数并建立附加矩阵方程，从而可以计算出套管环空压温比公式，并通过分析环空流体热弹性、套管壁厚以及弹性参数和水泥环弹性参数的影响，得出结论：每个套管环空的附加压力沿井筒增加。提高环空流体的压缩性、套管壁厚和水泥环空的弹性参数可以降低附加压力，保证井内安全[16]。

2021 年，顾岳等人研究套管磨损对大位移井进行了分析，建立了相应的套管磨损预测模型。根据试验数据，得出了在钻柱不屈曲的情况下，所建立模型具有可参考性。研究成果中大位移井套管磨损预测适用于井眼结构复杂、狗腿度大的特定工程，可降低钻井过程中的风险，并为套管和钻具的选择提供依据[17]。

3 套管损坏的主要因素

在油田开发过程中，套管损坏问题是影响到某个区块综合开发效益的一个重要问题。当出现套损井時，会造成井组不完备，影响剩余油的开采，区块相应的采收率就会下降；并且套损井的修整时间较久，相应修整用费也会升高，即使修理后发生二次套损的风险仍然存在。因此，套损问题往往会对油田开发的整体效益造成较大影响，所以保证开发效益的首要问题就是要解析清楚造成套管损坏的各种因素。套损原因大致可以分为两类：一类为地质因素即内因，另一类为开发因素即外因[18]。

3.1 地质因素

3.1.1 岩性特征

以大庆油田为例，其内因为地层岩性引起的套管损坏。在注水开发过程中，油井会出现出砂现象。这是由于原本岩石骨架较为疏松，油层储层的水敏性比较强，黏土往往会由于水化而发生膨胀，使储层岩石颗粒之间的胶结物出现破坏，骨架垮塌，细砂随液体流出井底。由于储层内部的胶结程度较差，结构较为疏松，在油井出砂后套管容易被射开，并且出砂后容易形成空洞，从而造成坍塌，对套管损害更为严重[19]。

3.1.2 构造特征

（1）套管损坏可能是由断层位移导致的。在开采油田进行注水作业过程中，断层因素的关键点在于变化的储层地应力分布，这会使原始断层发生位移，最后会使套管发生损坏。此外，若将注水井放置断层附近处开采，在压力下部分水会经断层流至其他层位，形成窜流。并且注水会降低其处的摩擦阻效，这就使在断层处的岩石发生侧移，套管在岩石的压力下会产生剪切应力，套管便很容易发生损坏。

（2）地层倾角可能会引发套损。套管损坏关乎地层倾角的因素主要有两个方面：首先，一般地层倾角较大的地方，并且形成了相关的浸水域，套管损坏会比较严重；其次，由于地层倾角越来越大，会产生越来越大的层间压差相关的剪切力。可以认为浸水域在一定的范围形成后，由于存在外部荷载作用，地层倾角与套管损坏的概率是呈正相关的线性关系的。地层倾角大的部位，地层就容易发生相对错动，当这种错动越大时，套管受到的剪切力也就越大，也越容易发生变形甚至错断[20]。

3.2 开发因素

3.2.1 高压注水

高压注水会加速套损速度。据诸多相关开发实践证明，高压注水会改变地层原有的应力状态，破坏原始地层的应力平衡状态。地层会在高压注水作业下进行纵向扩张，导致套管受到额外的拉应力，从而降低套管的抗挤压强度，使得套管容易因为受到挤压而产生形变。当注水压力过大时，地层就会产生竖向位移和横向层间位移使套管发生损坏[21]。

3.2.2 射孔作业

射孔完井作业会引起套管损坏。套管的强度受射孔相当程度的影响，抗压强度会有所减小。套管要承受射孔时产生的巨大冲击力，就會引起套管的剧烈变形，套管就会发生损坏。由于小孔应力集中的作用，套管极限承载能力下降，下降程度与射孔密度有关，射孔密度越大，套管的极限承载能力下降幅度也就越大[22]。

3.2.3 固井质量

套管的损坏程度也与固井的质量有关。固井效果受温度、井眼尺寸、水泥种类、井深、水泥环等多种因素影响，固井效果的好坏又将影响着套管的抗挤毁能力[23]。

3.2.4 腐蚀原因

由于井下环境的特殊性，套管会存在被腐蚀损坏的风险，腐蚀对套管的损坏影响是长期且复杂的。套管的腐蚀损坏一般是由化学腐蚀、生化腐蚀、电化学腐蚀等多种腐蚀因素共同作用的结果。在生产运作时，地层水会不可避免地对套管进行渗透，地层水中的酸性盐类会在防水套管上发生不同的电化学反应，加重腐蚀的风险[24]。

3.2.5 数据误差

工程测量数值往往会与实际情况存在误差，但当误差与实际情况偏差很大时会对工程实际产生不良影响。测量的数据存在误差会引起实际油井注水时的异常，相应的注水措施也会有所不同，从而导致套管发生一定损坏。

以上列举的各项因素都是油田开发过程中可能出现的问题，在实际的油田开发过程中，还要根据开发区块所在的具体环境，采取的具体开发措施，进行具体分析。

4 展望

套管损坏问题依然十分严峻，国内外学者对此进行了分析和讨论，得出套管损坏是多种因素共同作用的结果，而不是单一因素造成的。文章归纳了国内外套管损坏的研究现状，列举了学者们在建立套管损坏模型解决套管损坏问题的发展路径，通过分析得出套管损坏因素是由外部因素和内部因素共同作用的结果。在发展过程中不仅要考虑周围的地质因素和意外因素，还要考虑人为因素，综合考虑有助于套管损坏问题得到有效改善。