发布时间 : 星期三 文章井下套管损坏机理及围压分析-设计论文更新完毕开始阅读
西安石油大学本科毕业设计（论文）
第2章 套管损坏因素及预防措施
造成油水井套管损坏的原因有很多种。习惯的，人们将套损的原因归结于地质因素和其他因素，但从科学的角度来说，套损是深埋于岩层中油水井套管在岩层地应力和其他物理化学因素相互作用的结果。从某种意义上说套损问题是结构物与具有孔隙流体的掩体相互作用、相互耦合的问题。不同原因导致了套管损坏现象不同的表现形态。
2.1 地质因素
2.1.1 围岩压力
钻井前各岩层处于原始应力场的平衡状态.钻井过程中，地层被钻头穿透时，井眼中的应力被释放，井壁及周围地层应力的分布受到井眼的影响，在井眼附近产生应力集中.钻井后，井眼周围的岩石(简称围岩)中出现了临空面，原来的平衡状态遭到了破坏.当应力集中处的应力达到围岩的屈服极限，就有塑性变形发生，这种变形受到套管和套管外水泥壳的限制.同时套管也受到围岩的反作用力而产生变形损坏。这种变形受到套管和套管外水泥壳的限制，同时套管也受到围岩的反作用而产生变形损坏。
2.1.2 泥岩膨胀和蠕变
岩石具有蠕变和应力松弛的特征，岩石种类不同，其蠕变程度也不同，即使在自然地质条件下，岩石也会发生蠕变。泥岩中的粘土矿物尤其是蒙托石、伊利石、高岭石，它们遇水会膨胀并发生蠕动。由于套管阻挡了这种蠕变和膨胀，就使套管外部负荷增加，随着时间的增长，该负荷会增大，当套管的抗压强度低于该外部负荷时，套管就会被挤压、挤扁乃至错断。前苏联格罗滋内石油学院做过的泥岩膨胀和套管损坏关系试验表明，当泥岩吸水大于10%时，泥岩有较高的塑性，几乎将全部上覆岩压都转移至套管，使其变形损坏。如该泥岩在大区域内连续，在遇水膨胀后区域发生蠕动，是会使区域发生成片套损的。如大庆油田的采油一厂、四厂，美国密西西比州的24区块油田。 根据库仑一摩尔公式:??C?(??P)tg?
式中: ??岩石抗剪强度 C-泥岩内聚力 ??内切角 ?-正应力
P-孔隙压力
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公式表明:随着泥页岩内聚力和内摩擦角的下降，岩石的抗剪强度也将大幅度下降，因此，随着泥页岩含水量增加，岩石的抗剪强度降低。注人水浸入泥页岩后，随着岩石的抗剪强度大幅度下降，在泥页岩或泥页岩、砂页岩的界面处，将逐步形成具有张性裂缝特征的次生软化结构面，从而破坏了地下岩体的连续性，使浸水域进一步蔓延，然后在浸水域前沿又形成新的岩石抗剪强度降低带，使软化结构面继续发展。当泥页岩浸水由局部扩大到面，为岩石蠕动、位移提供了条件。浸水域形成后，在地层倾角产生的地势压差等作用下，浸水域上下界面相对位移，致使油水井套管挤压而损坏。
2.1.3 现代地壳运动、地震和滑坡
现代地壳运动(是指地壳升降运动)能导致套管损坏。前苏联的西西伯利亚油田的大部分套损都发生在地壳的动力应力区。前苏联的巴拉哈内一萨布奇一拉马宁油田从1937一1982年间因套损报废3200口井，主要是由现代构造运动及其诱发的断层活化的综合作用而致。地震(新的构造运动)可能产生新的构造断裂和裂缝，也可能使原有的构造断裂和裂缝活化。前苏联车臣一印古什地区是地震活化区。1960一1979年，该区发生了143次地震，地震最大级达7级，套损与地震次数增加相吻合。这种原因造成的套管损坏的程度和时间取决于现代地壳运动升降速度和空间分布的差异。
2.1.4 油井出砂
采油井出砂是全球许多油田生产中的问题，也是许多年来一直要研究解决的问题。油井生产过程中出砂，会在下衬管层段形成空洞和坑道，在岩层压实和地层压力下降的情况下，使周围岩石应力状态发生变化。这样，由于形成了空洞，就产生了一种力图恢复空洞上（衬管带以上）部已破坏的应力状态平衡，在空洞区和空洞上面地区之间的界面产生切线应力区。如果这些切应力高于岩石破裂强度，那么，空洞上的已卸压岩石就能坍塌，形成对套管的作用载荷。在坍塌延时重量加给套管的情况下，套管的坚固性遭到破坏，导致套管损坏和油井报废。 通过对油井出砂现场的现场经验分析和实验观察，发现： （1）产砂为两种形式：单独颗粒和碎片。
（2）大多数砂是由垂直于最大压应力孔道壁产生的，即应力集中出砂多。砂产出量的多少与产液流动的压力梯度密切相关。
（3）颗粒和碎片是由内壁缓缓脱落而不是突然掉下，要确定这是由于与时间有关的材料引起的还是由流动效应引起的是不可能的。
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（4）当射孔中的流体速度很低时，固体颗粒不能再沿着射孔孔道被搬运少量的颗粒和碎片由孔道壁脱落，落到孔道底部形成层薄层，当低速改变为告诉流动，薄层会被冲刷掉，出砂量会突然的增加。
（5）在高应力状态下，孔道可能会被破坏，岩样碎片移入孔道形成松散的堆积。这往往伴随由出砂量的增加。
2.2 工程技术因素
地质因素是客观存在的因素，往往在其他因素引发下成为套管损坏的主要因素。采油工程的注水，地层改造的压裂、酸化，钻井过程中的套管本身材质，固井质量，固井过程中的套管拉升、压缩等因素，是引发诱导地质因素产生破坏性地应力的主要原因，因此对于一个油田的某一区域或者某一口井，这些因素综合作用的结果便出现了套损井、套管损坏区块。 2.2.1 固井质量不好
固井质量，主要是水泥的封固质量，对于一口井来说是至关重要。固井质量差有多种表现，其中主要是串槽，水泥与套管(第一界面)和地层(第二界面)胶结不好以及凝固后松散。在许多情况下套管损坏往往是由于固井质量差造成的，具体有以下三种情况:
(1)固井过程中，有时泥浆返高分两级。但在大多数情况下，上、下级之间的水 泥环连续性不好。
(2)分段下套管时，有时下一段套管，管外水泥返高达不到高度，这样，在下部 管段没加固的部分的压缩户荷又增添了补充负荷。温度的变化导致产生补充压缩力。 (3)固井水泥一般比钻井时所应用的泥浆密度大，而驱替固井水泥所应用的流体 常常是低密度泥浆或者是水，结果造成套管外部静压力大于套管内部的静压力。 套管外流体的静压力在套管鞋上产生向上压缩力，内压力产生向下重力。有时这两个力差别很大，套管实际是处在压缩状态中。因此，在井眼扩大部分或水泥不适当部分常常出现套管弯曲。 2.2.2 水泥返高不够
国外许多油田开发经验表明，由于水泥返高不够造成套管损坏现象很多，如阿尔新兰哈津开发区。该区水文地质剖面的特点是:300~670m井段，萨马罗一阿尔金阶和上石炭系的层段，是含水层;760~850m井段，卡希罗一波多尔早，有油气显示，
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950~1120m井段、纳缪尔、谢尔布霍夫、奥克亚阶上部地层是钻井时漏失泥浆层。1220m以下是含煤层，有油气显示。总井数中只有610口(29.9%)水泥返高超过水、气、油显示和泥浆漏失层段。其中油井525口，占总油井1620口的32.4%，注水井85口，占注水井总数423口的20.1%。总井数中有70.1%的井水泥返高没有超过油、气、水显示和泥浆漏失段。深度小于300m的井有64.5%发生套管损坏。其中注水井74口，占损坏注水井总数的74.7%，油井6口，占损坏油井总数的24%。在800m到井底深度范围内有12.9%的井发生套管损坏。其中损坏的油井占损坏油井总数的40%，注水井损坏占损坏注水井总数的1%。
从上述资料看，由于水泥返高不够，套管损坏所占的比例是很高的。因此，为减少套管损坏，最合理的是水泥返高到井口，并且保证固井质量。 2.2.3 套管质量不合格
套管管壁厚薄不均，管的不圆度等都影响到套管本身的抗压强度。套管丝扣不密封、螺纹加工精度不高也可引起套管损坏.套管钢材内部各个微小部分有金相组织的差异和化学成分的不同，在水、盐、酸作用下会造成腐蚀老化。在作套管强度计算时往往忽略了在有“狗腿”的井段的弯曲载荷计算等。1981年，苏联杜万海448号井套管破裂，损坏套管的钢印上标明，管壁厚11mm，“E”型。实际上破裂处的最大厚度只有8mm。西麦维多夫28号井，钻井完毕、注水泥固井期间，离井口350m处深度管体断裂，起出套管检测距接箍4.5m处沿原微裂缝断裂，经过对几口井的套管钢级检测，发现套管损坏带珠光颗粒分散的产物分散性是不均匀的。粗糙提的洛氏硬度为HRC25-27.5, 断裂边缘洛氏硬度为HRC30-50,断裂部位的相对延展率为7.2%,而E级钢管标准延展不小于16%.乌克兰地区曾经发生两起因套管质量不合格而在截面上断裂的事故。损坏的主要原因是断裂部位的相对延展率低于国家标准。 2.2.4 丝扣不密封
油井投产和开采的实际工作中，由于丝扣不密封，位于管外空间的气体从上部层段穿过丝扣不密封处，进入套管环形空间，然后分离，并聚集在环形空间的上部，形成补充高压力作用套管。同时，套管的螺纹加工不符合要求也会造成丝扣不密封从而导致套管的损坏，完井后，由于采油生产压差或注水压差长期影响，导致管外气体，流体从螺纹不密封处渗流到井内，或进入套管与岩壁的环空，分离后并聚集在环空上部，形成腐蚀性很强的硫化氢气塞，将逐渐腐蚀套管，造成套管损坏。
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