（地质工程专业论文）油水井套管损坏的地质因素综合研究.pdf

油水井套管损坏的地质因素综合研究 代丽( 地质工程) 指导教师：徐守余( 教授) 摘要 油水井套管损坏一直是影响油田正常生产的严重干扰因素。本文对 油水井套管损坏的类型进行检测和划分，归纳和总结了套管损坏的分布 规律：对套管损坏的地质因素进行了分析研究，深入探讨了油水井套管 损坏的动力学机制：运用多学科综合研究对油气田套管损坏提出针对性 的预防措施。 油水井套管损坏的形成受地质环境、地应力场和油田开发方式等多 种因素的影响，其中地质因素是导致套管损坏的内在因素，在塑性岩层 发育段、断层破碎带等地质环境和地震、地壳变形等地质活动中易造成 油水井的套管损坏。从构造应力场和非构造应力场两方面研究油水井套 管损坏的动力学机制。断裂、地震和地表变形等地质活动造成区域构造 应力场发生变化，沿这些活动带的套管受到的应力就会发生较大的变化， 严重影响了套管的抗挤毁强度。断层破碎带、泥岩吸水膨胀与蠕变、盐 岩蠕变滑移以及油层出砂等局部地质环境的改变，打破了地下应力场的 动态平衡，从而改变了油井周围的应力分布状态，产生局部应力集中导 致套管损坏。 分析油水井套管损坏的地质因素，揭示套管损坏的动力学机制，可 达到保护油水井，预防和治理套管损坏的目的。 关键词：套管损坏，地质环境、地应力、动力学机制 i n t e g r a t e d s t u d yo fg e o l o g i cf a c t o r sc a u s i n gc a s i n g d a m a g e i no i l w e l l sa n dw a t e r - w e l l s d a il i ( g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx us h o u - y u a b s t r a c t c a s i n gd a m a g e i sa l w a y sd i s t u r b i n gf a c t o rt h a ts e v e r e l ya f f e c t sn o r m a l p r o d u c t i o ni no i lf i e l d ，t h ep a p e rd e t e c t sa n dp a r t i t i o n st h et y p eo fc a s i n g d a m a g e ，a n ds u m m a r i z e st h ed i s t r i b u t i o nr u l e s t h eg e o l o g i cf a c t o r sa n d d y n a m i c a lm e c h a n i s mo fc a s i n gd a m a g ea r ea n a l y z e d t h e nt h ep a p e r p r o f f e r st h ep e r t i n e n c ym e a s l l r ea b o u tc a s i n gd a m a g e c a s i n gd a m a g ei s e f f e c t e db yg e o l o g i ce n v i r o n m e n ta n dt e r r e s t r i a l s t r e s sf i e l da n dt h em o d eo fe x p l o i t u r ei no i lf i e l d g e o l o g i c a lf a c t o r sa r et h e i n t r i n s i co n er e s u l t i n gc a s i n gd a m a g e c a s i n gd a m a g eo f t e no c , c u l 8i nt h e g e o l o g i cs e t t i n gi n c l u d i n gf l o w i n gr o c kf o r m a t i o na n dc r u s h z o n ea n da r o u n d t h eb e ho fg e o l o 西cm o v e m e n ts u c h 觞e a r t h q u a k ea n dd e f o r m a t i o no fe a r t h s u r f a c ee t c t h em e c h a n i s mo fc a s i n gd a m a g ei ss t u d i e db yt e c t o n i cs t r e s s a n dn o n - t e c t o n i cs t r e s s t h ec h a n g eo fa r e at e c t o n i cs t r e s sf i e l dc a u s e st h e s t r e s so fc a s i n gc h a n g e t h e r e f o r et h ec o l l a p s i n gs t r e n g t ho f c a s i n gi sr e d u c e d t h ea l t e r n a t i o no fl o c a lg e o l o g i cs e t t i n gs u c ha sc r u s hz o n ea n dt h ec r e e p i n g o fs a l tr o c ka n ds a n dp r o d u c t i o ni no i lw e l le n g e n d e r st h ec h a n g eo fp o r e p r e s s u r ei no i lp 0 0 1 t h e nt h ed i s t r i b u t i o n o fu n d e r g r o u n ds t r e s sf i e l di s i n f l u e n c e d ，w h i c hb r i n g st h es t r e s sf o c u sr e s u l t i n ge a s i n gd a m a g e t h ed i s c u s s i o na b o u tt h eg e o l o g i cf a c t o ra n dd y n a m i c a lm e c h a n i s mo f c a s i n gd a m a g ec a nd e f e n dc a s i n ga n d o i lf i e l d k e yw o r d s ：c a s i n gd a m a g e ，g e o l o g i ce n v i r o n m e n t ，t e r r e s t r i a ls t r e s s ， d y n a m i c a lm e c h a n i s m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中 国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：酲年i 月侈日 ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：垡塑 导师签名： 善主辔名 形焦 。矿年 i 罚 ，l 其 矽 日 彦尸日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第l 章前言 套管是保持油水井井眼通畅，保证油、气、水层相互分隔的关键构 件。油田使用的套管为高合金钢材料主要是由热轧钢制造的无缝钢管。 油水井的套管损坏通常简称为套损，是指油田开发过程中由于遭受外力 作用和腐蚀，采油井及注水井的套管发生塑性变形、破裂或腐蚀减薄至 穿孔破裂的一种现象。 套管损坏给油田的正常生产带来很大的危害性，轻则使油水井套管 通径改变，不能采取正常的开采及油层改造措施，重则使油水井报废， 需要钻更新井，不但增加大量资金投入，更重要的是损失可采储量，影 响开发效果。本文从套管损坏的最根本因素套管所处的地质环境的 变化，分析研究套管损坏的原因和动力学机制。 1 1 研究套管损坏的意义 套管作为生产层与地面的唯一通道，状态好坏决定了一口井的生产 水平。随着对资源需求的不断增长，油气田的开采活动愈来愈多，套管 损坏的也越来越多。套管损坏的频繁出现，影响油田开发方案的正常实 施，破坏正常注采井网层系，使油井生产在不合理的状态下进行，从而 造成油气资源的巨大浪费。一些生产单位为了维持产量或执行预定的生 产方案，不得不投入巨资打新井代替那些因套管损坏而报废的井，由于 打井费用的昂贵和产量下降，套管损坏造成的经济损失是非常大的。准 确预测油水井套管损坏趋势，提前采取预防性措施。尽快进行套管修复 的技术准备，可以减少油气资源的浪费，提高油田的产量，减少套管损 坏造成的经济损失，对油田的后期开发是十分重要的。因此，研究套管 损坏具有重要的理论意义和实际价值。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 国内外有关套管损坏的研究现状 国内外许多油田经过一段时期开发，均出现过大批油水井套管损坏 现象。套管损坏原因和损坏机理是复杂的，很多学者提出了相关的看法 和意见。 国外的有前苏联的巴拉哈内一萨布其一拉马宁油田因地应力变化。 1 9 3 7 1 9 8 2 年套管损坏和破裂报废3 2 0 0 口井，1 9 6 3 1 9 6 8 年前苏联的含 盐层段发现有大量井的套管发生损坏。美国的威明顿油田在1 9 4 7 年地 震后的3 年内套管损坏井达3 0 0 多口。美国密西西比的断块油田在钻遇 断层的2 5 0 口井中已有5 41 3 井套管损坏【“。另外，美国、英国、前苏 联等国家在套管的可靠性评估、预测上也做了一些工作【2 1 。 国内的油水井套管损坏，最早是在玉门油田发现的。8 0 年代前期， 大庆、吉林、江汉等油田先后出现了不同程度的大范围的套管损坏。8 0 年代后期，华北、中原，胜利、青海、长庆、辽河、大港、四川等油田 也出现了不同程度的套管损坏。9 0 年代以来上述大部分油田套管损 坏呈直线上升趋势，而且我国西部的吐哈、塔里木等新开发油田也出现 了套管变形。据资料统计，全国套管损坏约占总井数的2 0 ，截止2 0 0 2 年底，全国油田约有套损井1 7 7 3 5 口以上【 。综合国内外的文献资料， 有关套管损坏的研究主要从以下4 个方面。 ( 1 ) 套管损坏形态和检验方法 对于一根完好的套管形态上椭圆度、壁厚均度、弯曲度及连接密 封等都有明确的国家标准。一根套管变形程度超过标准规定就可以认为 该套管发生了损坏，实际中，套管损坏的主要类型可归纳为 4 1 ：套管变 形类型、套管破裂类型以及套管密闭性破坏三种类型。 套管损坏检验的常规方法是铅模印迹分析、薄壁管检验和找漏验证 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 等方法5 6 】：通径和打铅印测量变形的形态和位置技术；微井径仪 测量套管内径技术：磁测井仪测壁厚变化裂缝和内径变化技术：井 壁超声彩色成像测井仪检测套损技术；套损方位的检测技术等。 ( 2 ) 套管损坏的原因分析 综合文献资料，套管损坏的原因大概包括地质因素、钻井因素、操 作因素和腐蚀因素等四个方面。 地质因素主要包括塑性岩层滑动蠕变、断层活动、油层出砂和注水 后引起地应力变化等。赵有芳【l l 从岩性分析研究岩层蠕变压力作用对套 管的影响：魏冰t 7 1 等指出断层运移对套管的剪切破坏：王兆水【8 1 等指出 油井出砂，会形成空洞，产生切线应力区。王振胜【9 l 等研究发现油田注 水开发，引起岩石力学性质和地应力改变，使原来平衡的断层被诱发复 活，引起套管变形。 钻井因素主要包括井眼质量、套管层次与壁厚组合、管材选取和管 体质量对套管的影响。王兆水【8 】等指出由于地下岩层软硬程度不同和地 层倾斜的原因，造成井眼不规则和倾斜，造成套管在井内不居中，即多 处形成“狗腿”井段，这样就会造成套管弯曲和固井时封固质量不好。 操作因素主要有不合理生产工艺及方法、作业磨损、重复酸化、高 压作业、试油掏空过大和射孔。张先普等研究了射孔对水泥环的破坏 研究表明射孔后套管内的应力变化。 腐蚀因素主要有地下水或其他腐蚀性介质对套管外壁造成腐蚀和 套管内壁腐蚀。王越之【“i 等指出腐蚀因素主要有高矿化度的地层水，硫 酸氢根、硫酸还原菌、硫化氢和电化学腐蚀。 ( 3 ) 套管损坏机理的研究 国内对于套管损坏的机理已有很多针对性的研究，章根德【佗1 等根据 岩石其有蠕变和应力松驰的特性，定量的进行了试验研究或定量建立了 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 粘弹性岩石作用于套管外壁的载荷随时间的变化关系的模型。王永东【b i 等用柏格斯模型研究了泥岩吸水蠕变对套管影响的机理，认为泥岩蠕变 会对套管产生非均匀荷载。付继彤【”1 分析了油层出砂和地层滑移的机 理，油层出砂会使套管失去径向支撑，导致地层沉降并造成附加的套管 轴向力。姜守华【1 5 l 在译文中分析高压注水引起套损的机理，认为高压注 水引发吸水泥岩软弱层产生横向层问位移和纵向位移，对套管产生非均 匀力。 ( 4 ) 套管损坏的防治措施 不同类型油田开发过程中，在预防套管损坏方面采取了一些有效措 施8 i 。包括防止注水窜入软弱夹层；避免地层倾角大的部位形成浸水 域：保证注水水质合格，防止水质污染和堵塞地层；加强油层防砂工作， 控制油层出砂，适时填补油层亏空：尽量避免射孔对套管的破坏，减小 腐蚀发生的可能性等方面。 1 3 技术难点和研究方法 近年来，针对油田套管损坏问题往往从套管质量、套管结构和钢材 强度等方面研究较多，而对套管所处的地质环境及动力学背景研究较少， 因此可供借鉴的资料和文献不多，给深入研究带来了不少困难。油水井 套管损坏的形成受区域地质背景、地应力场及油田开发方式和程度等诸 多因素的影响，它是有规律可循的。 运用多种资料和信息，从套管所处的地质环境出发，定量的研究油 水井套管损坏的类型特征和分布规律，通过研究地质环境及地应力场的 变化，分析套管损坏与各项地质因素之间的相关性。通过对油水井套管 损坏的地质方面的影响因素和形成机制的研究，分析研究套管损坏产生 的动力学条件及造成的危害。 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 4 研究内容 本文的主要研究内容包括以下四个方面： ( 1 ) 套管处地层的岩性条件变化引发套损 引发套损的岩性因素主要包括泥质岩及盐类岩层的蠕变、滑移和坍 塌等。研究了盐层蠕变、坍塌及塑性流动对套管的影响，盐层的厚度， 深度及倾角的不同对套管的作用也不同；分析了泥岩蠕变对套管外载的 影响及套管变形的规律。 ( 2 ) 套管所处地层的构造特征对套损的影响 套管所处地层的构造特征包括地层倾角和断层，分析了油水井套损 率与地层倾角的关系：研究了断层及断层破碎带对套管损坏的影响。 ( 3 ) 诱发因素引起套管损坏 诱发因素主要涉及自然诱发因素和工程诱发因素，研究了自然诱发 因素包括地震及地壳变形与套管损坏的关系；分析了工程诱发因素主要 是指高压注入水及非平衡注水和油层出砂等因素对油水井套管损坏的影 响。 ( 4 ) 套管损坏动力学机制研究 动力学机制概括起来可分为构造动力学机制和非构造动力学机制两 大类，研究构造应力场和非构造应力场对套管的影响。以地层滑动为例 分析套管受到构造应力产生的损坏机理，从局部应力条件的变化，分析 研究非构造应力对套管破坏的机理。 1 5 成果和认识 针对以上方面进行了研究，对套管损坏部位的地质环境的影响有了 更深入的理解。在相关的理论、实验的基础上，结合查阅的资料，对套 管损坏地质方面的因素分析与研究得出以下成果和认识： 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 从地质角度分析研究套管损坏原因，认为导致套管破坏的最根 本的原因还是套管所处的地质环境： 含泥质岩层和盐类岩层的蠕变对套管产生非均匀荷载； 地层倾角大的区域以及断层带周围，套管损坏率高； 一些诱发因素包括地震和地壳变形以及高压注水和油层出砂等 会引起地应力的改变，诱发套管损坏： 套管损坏受其所处层面的应力场变化所控制。这些应力场的动 态平衡被破坏，造成局部应力集中或释放，导致套管变形。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章套管损坏类型分析 第2 章套管损坏类型分析 套管损坏直接影响了油田的生产和经济效益，综合套损井及套管损 坏情况统计资料，总结套损类型，进而分析套管损坏的分布规律。 2 1 套管损坏类型概述 一根完好的套管，国家标准规定椭圆度不超过外径允许误差的1 、 管壁厚度不超过1 2 5 ，套管中间弯曲度不超过全长的1 2 0 0 0 ，两端管 长l ，3 部分的弯曲不超过1 3 m m m 。对某一根套管而言，一旦超过上述 规定可认为套管损坏了。对一口井而言，若有一根套管损坏就认为该井 的套管损坏了。 套管损坏类型可归为三类：变形、破裂和密封性破坏。图2 1 是采用 铅模印迹方法分析得出的套管损坏形态。， 2 1 1 套管变形类型 套管变形是指套管的变形量没有超过套管的塑性范围的损坏。主要 有如下几种类型： ( 1 ) 椭圆变形 指变形截面呈椭圆形，用微井径测量仪可测出变形部位的长短轴， 铅模打印呈椭圆形。该类变形多因套管受不均匀挤压造成，如图2 - i ( a ) 。 ( 2 ) 弯曲变形 指油水井套管的某一段发生了弯曲，该段套管的轴线发生了偏移， 此类变形多是某段套管受单向应力引起的，如图2 - 1 ( b ) 。 ( 3 ) 单面挤扁变形 指在套管横断面上有一侧被挤扁，是由于某一方向侧向力或集中载 荷引起的。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章套管损坏类型分析 ( 4 ) 缩径变形 套管断面尺寸小于套管原径尺寸的变形，特征是铅模印迹呈圆台 状，且侧面和端面光滑，如图2 - i ( c ) 。这种变形多属于套管受到外挤力 或强大的轴向拉力所致。 ( 5 ) 扩径变形 套管断面尺寸大于套管原径尺寸的变形，多是因套管周围出现亏空 而引起。 这5 种变形除了弯曲变形是指套管某一段变形外其它几种变形均 指套管某一断面的变形。对于某口井而言，往往不是一处变形，而是多 处变形，变形形式也是多种类型组合。 2 1 2 套管破裂类型 ( 1 ) 套管错断 套管错断是最严重的套管变形类型，是指变形量超过了套管的塑性 范围，在水平方向错断，这种形式的变形主要是套管受强大的剪切应力 造成的，多发生于套管公扣最后一扣处。 ( 2 ) 套管裂开 套管裂开是指在套管某一截面处有裂缝或裂口，如图2 i ( d ) 。可分 为纵向裂开和四周裂开两类： 纵向裂开是指裂纹沿套管轴向，是由于射孔或套管本身重量所引起 的应力造成的。 四周裂开是指套管不是沿轴向裂开，而是套管膨胀导致四周开裂。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章套管损坏类型分析 ( ( a ) 椭圆变形形态素描( ”弯曲形态素描( c ) 缩径形态素描( d ) 裂开形态素描 图2 1 套管损坏形态示意图 ( 3 ) 腐蚀或磨损穿孔 因油田生产的各种流体矿化度高，呈酸性，且含有各类细菌，这些 流体长期对套管进行腐蚀，造成套管大面积穿孔；或由于套管使用年限 较长因磨损而穿孔。 2 i 3 套管密封性破坏 这类损坏表现在套管连接处，导致套管外返油、气，水，主要是由 于套管拉伸造成脱扣或套管丝扣质量原因导致的。 一般油田常见的套损类型主要是弯曲变形、缩径和错断。孤岛油田 套管损坏主要有套管弯曲，套管破裂、套管缩径，统计结果如表2 1 所 示。 表2 1 套管损坏类型统计 套管弯曲套管缩径套管破裂其他 套损口数( 口)5 0 89 53 1 22 0 7 占套损井比例( )4 5 38 52 7 81 8 5 从表2 i 看出，套管弯曲、套管破裂是孤岛油( 水) 井套管损坏的 主要类型，两者合计占套损井总数的7 3 1 。用井壁超声成像测井检测 到的套管破坏形态。g n 2 4 7 0 井是一口长期停产井，在进行通井、验套 作业中发现井内有水泥块，通井遇阻深度为2 1 0 6 8 m 。对该井2 0 8 0 2 0 2 0 m 井段进行井壁超声成像测井，检测，解释结果分析，该井套管在 9 中国石油大学( 华东) 硕上论文第2 章套管损坏类型分析 2 1 0 5 8 2 1 1 0 4 m 处损坏形态主要是：弯曲、破裂变形和密封性破坏( 见 图2 2 图2 3 ) 。 2 1 0 9 2 ( a ) 套管纵剖面示意图：纵剖面 线不对称，肓错断显示套管破损 t 2 1 2 0 厂、 0j 1 2 0 ( b ) 套管横截面示意图；横截面 线不对称说明套管有严重酸裂 1 2 0 图2 - 2g n 2 4 7 0 井声波成像、浸4 井技术检测和解析套管破损( 2 1 0 5 0 0 - 2 1 0 8 2 4 m ) 2 i t 04 ( a ) 套管纵削面示意图：纵剖面线 半径大于套管半径。显示套管破裂 1 2 0 1 2 0 j j 、 l。夕 1 2 0 1 2 0 ( b ) 套管横截面示意图：横截面线不对称 显示套管破损其中凹陷处套管为正常位置 图2 3g n 2 4 7 0 井声波成像测井技术检测和解析套管破损( 2 1 0 8 8 0 2 1 1 0 4 2 m ) l o 中国石油大学( 华尔) 硕士论文第2 章套管损坏类型分析 2 2 套管损坏分布规律 经分析大庆、吉林和玉门油田套管损坏与注水有密切关系；大港、 胜利和辽河油田套管损坏与油层出砂有密切关系；中原和江汉油田套管 损坏与盐层“塑性流动”有关：长庆油田。套管损坏与浅层水腐蚀有关； 美国蒙塔那塞达克背斜油田套管损坏也与盐层有密切关系。上述说明各 油田套管损坏都有一定起因，在油田开发时间、注水压力，不同岩性构 造区域、平面和井深剖面等四个方面套损的规律明显，下面分别讨论。 ( 1 ) 套管损坏井在油田开发时间上的规律 随注水开发的深入， 套管损坏不断加剧。研究 发现孤岛油田套损井与 开发年代关系密切，不同 开发年代的套损情况不 同，从图2 _ 4 可以看出 自油田开发到1 9 8 6 年， 发现的套损井数逐年增 加，1 9 8 7 年到1 9 9 1 年套 损井数趋于平稳。 年骨 图2 _ 4 孤岛油田投产井、套损井与开发年代关系 1 投产井：2 套损井 ( 2 ) 套管损坏速度与注水压力关系 注水开发油田套管损坏并发生在油田注水开发以后，非注水开发的 油田和区块套变井发生较少。吉林，大庆和玉门三油田生产资料表明， 注水压力越高，套管损坏并越多；若注水压力超过井口压力界限，套管 损坏速度会明显加快。据扶余油田研究统计，6 l l 口套变井中，8 8 1 的 井注水压力高于3 4 3 m p a ，当注水压力高于3 4 3 m p a 后套变井明显增多 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章套管损坏类型分析 【1 刖。玉门油田也是如此，表2 2 列举了该浊田l 层中部注水压力与套管损 坏率的关系【1 7 】。 表2 2 老君庙油田套管损坏率与注水压力关系 年份 1 9 7 4 1 9 7 5 1 9 7 61 9 7 71 9 7 81 9 7 91 9 8 0 注水压力( m p a ) 1 6 8 71 8 0 41 9 11 8 3 51 8 ，2 i1 8 2 71 8 8 2 套管损坏率( ) 2 2 72 6 66 0 65 6 l4 7 l4 i6 o ( 3 ) 套管损坏并在不同岩性、构造区域上的规律 套管损坏主要分布在泥岩发育的区域 统计分析表明，大庆油田和吉林油田套管损坏绝大多数发生在泥岩 层。据大庆油田统计的7 2 2 口套损井，有5 1 6 口井在泥岩段，占总套损 井的7 1 5 1 9 1 。吉林新立油田也是如此，据统计新立油田2 9i ：1 套损井 的9 3 个变形点，有7 3 个变形点分布在地层泥岩段，占变形点总数的 7 8 5 1 2 0 j 。 孤岛油田套管损坏在泥岩层段的也较多因为孤岛油田岩性以粉、 细砂岩为主，油层顶部的泥岩盏层及下覆泥岩隔层的粘土矿物总量较 高，且含有见水易膨胀的高岭石，蒙脱石、伊利石等矿物，因而在这一 位置的套损情况较其它部位严重。 对于地下储存有盐层的油田套管损坏位置集中在盐层段 中原油田，江汉油田和华北荆丘油田套管损坏在盐层井段居多，据 1 9 9 8 年统计江汉油田1 6 0 口套管损坏井，在盐层段损坏达9 3 口井，占 总损坏井数的5 8 t 引1 。 从各种资料显示，我国套管损坏井段大多发生在泥岩和盐岩地层。 套管损坏井集中在断层两侧 根据国内外油田套管损坏井统计资料看钻遇断层的井和在断层两 侧的井套管损坏比例较高。孤东油田的6 4 1 2 1 套管损坏井中有3 5 口分布在 断层附近，约占5 4 8 t 22 1 。前苏联的巴拉哈内一萨布其一拉马宁油田及 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章套管损坏类型分析 美国密西西比的南帕斯油田都有大量的套管损坏井与断层活动有关。 套管损坏井在构造高点处及翼部地层倾角较大的区域发生多 大庆萨尔图和杏树岗油田，套管损坏在构造高点多而集中。如在萨 5 5 井构造高点处附近1 3 5 k i n 2 内，套损井占总井数的4 5 。萨尔图油田 南区构造西翼地层倾角约1 0 0 3 0 。，南二、三区西块套管损坏率分别为 4 7 3 和7 2 ，而东翼地层倾小于5 0 ，南二、三区东块套管损坏率仅为 i 7 脚j 。 ( 4 ) 套管损坏井段在井深剖面的分布规律 套管损坏点位置集中在层间交界处 扶余油田主力油层为扶余油层泉头组第四段( 简称a 层) ，油层盖 层为青山口组( 简称b 组) ，岩性为泥岩，其两层交界面为泥岩破碎带。 根据5 2 4 口井资料发现5 3 9 个套变点，其套变点在b a 界线上下6 0 米 范围内有4 3 6 个，占总套变点8 t ，见图2 5 。 窑主 t h ( q - j 图2 - 5 套变位置分布图( 据刘春鸿，1 9 9 1 ) 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章套管损坏类型分析 套管损坏位置在射孔部位附近相对较高 大庆油田统计3 4 1 口套管损坏井资料表明，套管损坏位置在射孔段 占5 9 8 9 昭2 4 i ，据孤岛油田1 1 2 2 口套损井资料分析，几乎所有套损井， 损坏的部位都在射孔的油层井段套管处，套损位置在射孔井段中上部的 套损井是8 6 9 口占套损井总数的7 7 5 ，详见表2 3 。 表2 3 孤岛油母套损位置统计表 射孔井段射孔井段射孔井段 损坏位置 顶以上 上部中部下部 底以下 口数1 5 0 5 2 63 4 37 62 7 占总套损井( ) 1 3 44 6 93 0 66 82 4 套管损坏位置在出砂层位相对较多 胜利孤岛和埕东两油田主力油层为馆陶组。该油层胶结疏松。生产 时出砂严重，大大降低了套管井壁的稳定性。据统计孤岛油田4 8 1 口套 损井，在馆陶组损坏井达4 7 l 口占总套损井数的9 6 9 l 。 套管损坏位置在未封固浅水层位置机率较大 长庆、大庆、江汉油田套管损坏位置基本集中在未封固高矿化度有 浅水层的位置。根据长庆油田统计，到8 6 年底共计有8 5 口井套管损坏， 其中处于洛河层水泥未封固段有8 0 口。占总损坏井数的9 4 1 蜡 l 。 上面所讲的套管损坏分布规律是根据国内外油田套管损坏位置统 计归纳出来的，对于某些特殊油田，套管损坏位置可能不适合这四点， 因此要具体分析，得出其规律。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕上论文第3 章套管损坏的地质因素 第3 章套管损坏的地质因素 在油田开发过程中，油水井套管承受着静水压力，上覆地层压力以 及泥质岩，盐类岩层蠕变产生的异常压力的作用遭受着地层的、注入 的腐蚀性介质的侵蚀，这些作用都会引发套管损坏。油水井套管损坏与 地应力有着直接或间接的关系，引起套管损坏的地质因素主要包括套管 所处地层的岩性条件变化和处地层的构造特征。 岩性是套管损坏的重要地质因素，不同岩性对套管损坏的影响不同。 本文研究的岩性因素主要包括塑性岩层、易溶性岩层的蠕变、滑移和坍 塌等：构造因素主要指地层倾角和断层等对套管的影响。 3 1 泥质岩的膨胀与蠕变 泥岩蠕变是导致长期注水开发油田套管损坏的重要因素之一。油田 注水开发后，注入水进入泥页岩，泥岩被水润湿，胶结强度降低。随着 继续水浸，泥岩的胶结力受到破坏，逐渐消失，形成不断扩大的浸水域 2 5 1 ，从而减小岩层的摩擦系数降低岩层的原始抗剪强度，使原始相对 平衡的地应力场失去平衡。地应力场的变化增加了套管的外部载荷，对 套管产生横向和纵向载荷作用，使套管受弯曲、拉伸等多种复杂载荷， 并且这些非均匀挤压载荷会随着时间延长而增大，当外部载荷超过套管 的抗压强度时，套管就被挤压变形。 泥岩吸水膨胀与蠕变对套管外载的影响不同，套管变形形态也不同。 3 1 i 泥质岩膨胀 泥质岩在水浸入时极易造成粘士成分膨胀。当含有伊利石和蒙脱 石、高岭石的泥岩吸水后就膨胀，泥岩膨胀倍数与含有这三种岩石含量 和含水量有关。实验证明，泥岩浸水后膨胀倍数最大为8 5 倍，最小2 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章套管损坏的地质因袭 倍，一般为5 倍【2 6 1 。泥质岩的膨胀改变了其力学性质和应力状态，使泥质 岩产生位移和变形( 图3 i ) 。膨胀后 所聚积的体积，产生强大的挤压力 能够促使套管变形。 前苏联格罗兹内石油学院在室 内所作的泥岩膨胀和套管损坏关系 的试验( 2 7 】表明，当泥岩含水达到 1 0 以上时，泥岩拥有较高的塑性， 几乎将全部上覆岩层面压力转移至 套管，使其变形损坏。 3 i 2 泥质岩蠕变 圈砂岩目泥岩 图3 - i 泥质岩膨胀引起套管变形 泥岩吸水蠕变改变了岩层的应力状态，从而使泥岩产生位移和变 形，对套管产生挤压力。在非均匀地应力作用下。泥岩蠕变将对套管产 生一个非均匀的外挤力，使套管周围围岩产生椭圆形的蠕变外载。泥岩 蠕变多造成套管弯曲变形( 图3 2 ) 和套管缩径( 图3 3 ) 。 图3 2 套管弯曲现象图3 - 3 套管缩径现象 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 荜套管损坏的地质因素 据不完全统计胜坨油田约i 3 的套管损坏与泥岩蠕变密切相关。 5 - 0 3 7 井1 9 9 2 年8 月投产，1 9 9 5 年1 2 月检测出1 9 1 4 m 处套管缩径，缩 径部位是厚度仅1 s m 的泥岩夹层，上下砂岩层均为水淹层。综合分析 认为长期注水使得泥岩层软化产生蠕变导致套管缩径。 又如5 - 9 3 3 井2 0 0 0 年3 月检测到1 8 8 9 1 9 8 8 m 共有8 根套管弯曲， 套损部位大部分为泥岩夹水淹砂岩，厚层泥岩吸水软化产生巨大的侧向 推挤力使得处于其中的套管弯曲变形。 坨z 8 断块套管损坏资辩表明，泥岩蠕变导致的套管损坏往往发生 在未射孔井段且随井深增加套管损坏程度增加。因此。防止开发流体窜 入泥岩是防止该类套管损坏的根本途径。 乾安油f 9 1 8 6 年投入的4 1 2 1 水井和一口高含水油势。8 7 年7 9 l 就全部发 现套管变形，经井径测量共发现变形段2 2 处，其中椭圆变形2 0 处，变形 井段长1 6 5 4 6 m ，其中非射孔井段1 5 4 1 6 m ，占9 3 2 0 , 4 射孑l 段1 1 3 m 。占 6 8 。椭圆长轴在1 6 8 0 m 处为1 2 7 5 r a m ；1 7 8 0 m 处为1 3 0 m m ，1 8 8 0 m 处为 1 3 3 m t l 7 3 4 1 。这些数据表明泥岩见水蠕变引起非均匀地应力作用在套管 上，造成套管发生椭圆变形。 泥岩蠕变对套管外载的影响主要跟泥岩含水量和地应力的大小有 关。首先，分析泥岩含水量对套管外载的影响。作用在套管上岩石蠕变 外载随时间的变化与泥岩的含水量密切有关，泥岩的含水量增加，会加 大泥岩的流变速度，从而使作用在套管上酌岩石蠕变外载的增长速度增 大，缩短其达到稳定载荷值的时问，但含水量不会影响到并筒周围岩石 蠕变外载的最终稳定值及其分布规律。 其次，套管外载是由于缝应力作用于泥岩产生蠕变造成的，因而地 应力的大小必然影响到套管的外载。实验数据回归分析表明【”1 ，地应力 的大小会影响套管岩石蠕变外载的最终值的大小，但不会影响套管外载 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章套管损坏的地质因素 的分布及其达到稳定值所需时间。图3 4 所示为两种地应力( 其它计算参数 相同) 下的套管蠕变外载随时间变化曲线，从图中可以看出，地应力较大 时，套管外载亦较大，但它们随时间的变化趋势基本相同，达到稳定值 的时间亦相近。 言 主 柱 辎 制 蠼 o 。一 1 5 9 0 9 0 t o t o o 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 时h 1 ( h 图3 4 地应力对套管岩压外载的影响( 据王仲茂，1 9 9 4 ) 1 2 3 一地应力0i = 8 0 m p a o2 = 6 0 m p a l 2 j 一地应力0t = 1 2 0 m p a oz = 6 0 m p a 3 2 盐类岩层蠕变滑移 盐类岩层的不稳定蠕动、变形严重威胁着油水井的使用寿命。盐类 岩层常是较软弱地层，它们在构造应力、岩石自重、压力和温度等诸多 因素的作用下，易发生溶解、蠕动和滑移。这些都可以造成井眼条件改 变，导致岩石破碎，井壁坍塌，对套管形成巨大的外挤载荷。套管在非 均匀外挤作用下，受力状况恶化，产生弯曲、变形，甚至错断。 在有盐层地区套管损坏有一个共同特点是在盐层部位损坏较集中， 有一些井钻穿多层盐岩时在盐层部位出现多处套管损坏现象。从损坏 时间看，从下套管到损坏的时间从几天到几年不等。损坏深度一般在 1 0 0 0 m 以下的盐层部位，而且不论盐层段有没有固井都出现套管损坏。 我国江汉，中原和青海等油田地下岩层中均有大段盐层。如江汉油田在 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 葶套管损坏的地质因素 第三系潜江组地层中沉积了大量巨厚盐岩地层，单层厚达8 0 余米，累 计厚度t 8 0 0 m 左右，属纯盐或盐丘盐【2 引。 这种在盐层段出现套损较集中的现象不仅国内有，而且国外也是如 此。美国c e d e rc r e e k a n t i c l i n e 油田，在盐岩段也出现大量的套管损坏， 该油田所属塞达河和b e a v e r 油田其盐岩发育较好，而且盐岩层倾角较 大，因而在这个区域套管损坏集中。而在盐岩层埋藏深度较浅的，但盐 岩发育好的p e n n e l 油田和盐岩发育不好且含杂质较多的g a s c i t y 油田， 没有发生套管损坏现射2 9 1 。 由此可见，在盐层段大量的发生套管损坏的问题与盐岩的物理性质 有关。盐岩影响套管损坏的原因有三种：一是盐岩的蠕变：二是盐层坍 塌；三是盐岩塑性流动。下面就分别讲述这三种原因对套管损坏的影响。 3 2 i 盐岩蠕变 盐岩是一种晶体，它是一种蠕变很高的岩石。据开采盐矿资料统计， 在常温常压下蠕变使开采的巷道完全闭合是一种常见的现象。在深部的 盐岩层中，高温高压更容易造成蠕变。钻井资料表明，有的油田盐层被 钻穿后，盐层的蠕变使井眼缩径，时常造成卡钻现象，甚至完全闭合， 特别是用低相对密度泥浆钻进时，更容易发生这种现象。井眼越深，盐 层的蠕变速度越快。德国泽兹斯坦盐盆地研究表明，埋藏在1 0 0 0 m 以 下厚度3 0 0 m 以上的盐岩会发生蠕变：埋藏在2 1 0 0 m 以下的盐岩蠕动变 得很显著：埋藏在2 7 5 0 m 以下的盐岩还会发生连续流动【3 0 1 。 图3 5 曲线可看出温度和差应力升高能加大盐岩的蠕变速度 t 7 , 3 1 1 。 从图中可看出，在l o 3 m p a 的差应力下，温度低于1 1 5 时。蠕应变是 很小的，全属于过渡蠕变：在较高温度下，应变量明显增大并从过渡蠕 变转入到稳态流动，例如在2 0 0 时，在过渡蠕变大约进行4 0 小时后 就到稳态蠕变。这说明温度对蠕变速率以及从过渡蠕变到稳态蠕变的转 1 9 中国石油大学( 华东) 硕上论文 第3 章套管损坏的地质因素 变都有很大影响。 时间( 1 0 4 s ) 图3 5 盐岩的蠕变曲线( 据王仲茂。1 9 9 4 ) ( 差应力1 0 3 m p a 和2 0 7 m p a ，围压3 5 m p a ) 差应力加大一倍也对蠕变特性有很大的作用，在8 0 c 和士o 3 m p a 差应力下完全属过渡蠕变，而在2 0 7 m p a 下。大约经过2 天后在应变 量达到9 时进入稳态流动阶段。在i 1 5 ( 2 和差应力为2 0 7 m p a 时，蠕 应变非常大，并且稳态流动是在试验经过i 5 天，应变达到l i 时出现 的p ”。因此，差应力对蠕变特性的影响是和温度影响类似的高的差应 力产生高的蠕变速度。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章套管损坏的地质因袭 由此可知，盐岩具有高蠕变性，尤其是高温高压更是如此。因而可 以认为盐岩层围压迟早要作用在套管上，只不过是在较深的盐岩层快 点，浅层慢点而己。其蠕变后围岩形成一个非均匀的地应力作用在套管 上，当“等效挤压力”大于套管抗挤强度时，套管就发生损坏，见图3 6 。 初始载荷变形 图3 6 盐岩层蠕变 如中原油田盐层埋藏深度均在2 0 0 0 m 以下【”1 ，盐层完全具备蠕变 条件。当完井一段时间后，围岩紧紧抱住套管或水泥环，形成非均匀地 应力挤压套管。由计算可知【m ，在2 4 0 0 m 处“等效挤压载荷”为5 5 5 m p a ， 据统计，中原油田濮城油区1 7 口井在2 4 0 0 m 处套管发生变形均是k 5 5 t 或j - 5 5 。壁厚7 7 2 m m 的5 ”套管( 抗挤强度3 4 m p a 小于等效挤压载 2 荷) ，说明该地区套管损坏是由于盐岩蠕变给套管施加不均匀地应力的 结果。 但是在实际中，有些在盐层段的套管抗挤强度大于其蠕变产生的非 均匀作用力，但仍发生变形。如中原油田统计有1 5 处盐层损坏点的套 管强度高于其蠕变后产生的“等效挤压力”，但是仍发生套管变形，这显 然说明还有其它的原因。通过分析认为盐层坍塌给套管施加非均匀力 ( 或点载荷) 和塑性流动是损坏套管的另外两种原因。 2 i 中国石油大学( 华东) 顾上论文第3 章套管损坏的地质因素 3 2 2 盐层坍塌 钻井时由于钻井液对盐层的冲刷和溶解作用造成盐层的井壁坍塌 而形成不规则井眼，使得固井时水泥未充满空间，或固井第二界面胶结 不好，从而使注入水或地层水窜入盐岩层( 或未封固盐岩井段) ，长期 浸泡溶蚀后形成一个空洞，随着溶蚀空洞增大，上覆岩层在重力作用下 就发生坍塌，特别是地下盐岩溶于低含盐量的地下水及注入水后使井径 扩大得厉害，井径扩大的上覆岩层在重力作用下坍塌。使盐层与套管产 生点接触，形成点载荷或非均匀外载，特别是坍塌岩块，强烈地撞击套 管，形成点冲击载荷( 图3 7 ) ，这种载荷作用在套管上是非常危险的， 只须很小冲击力就可使套管损坏。 一il 一一l l 一 冒坦皇目li n 辎一 图3 7 盐岩层坍塌 3 2 3 盐岩塑性流动 由于盐岩在比较高的温度和压力下具有塑性流动特征，因此当在盐 岩能发生塑性流动的井段，环空水泥充满程度差( 或未固井) ，盐流向无 水泥空间运动，即发生单向流动，尤其当盐层的厚度不规则而且具有大 的倾角时，危险性更大会使套管弯曲，产生横向推力和轴向的拉伸载 荷，这时套管的横向外载不仅是非均匀，而且又是非对称的，见图3 8 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章套管损坏的地质因素 图3 - 8 盐岩层塑性流动 盐层厚度越大，盐岩的塑性流动使套管所受外挤力越大，越易挤毁 套管p u 。损坏率随盐层倾角增大和厚度增大而增大，套管变形量也相应 增大。从表3 1 可以看出在相同深度、厚度的盐层随盐层倾角的增加，套 管所受到的外挤力以及最大应力均相应增大：在相同倾角下，随盐层厚 度和深度增大，套损率增加。 表3 1不同盐层套管受到外挤力的情况( 据陈红伟2 0 0 2 ) 盐层深度 盐层厚度岩层倾角最小挤压最大挤压力最大应力 ，mm ，( o ) 力m p a ，m p a，m p a 2 0 0 04 021 9 01 2 4 7 7 2 2 8 2 0 0 0 4 0 62 0 41 3 4 27 3 9 9 2 0 0 04 0 1 22 1 41 4 9 47 6 7 0 2 5 0 08 0 62 9 ，31 5 5 ，67 5 5 ，8 因此，在盐类岩层较发育的区块，将技术套管下至盐岩段以下，减 弱盐岩段应力变化对油层套管的直接挤压，增强套管的综合抗挤压强度。 盐岩层井段的套管，应按实测上覆地层压力作为抗挤外载荷计算的依据。 3 3 地层倾角 在相同注采条件下，地层倾角的大小不同，套管损坏的状况不同。 如孤岛油田开发层系的地层倾角殷较小( 0 5 0 1 5 0 ) 而中二中馆3 - 4 地层倾角达7 3 。左右。经计算知，地层倾角达7 3 0 的地层所承受的水平方 中国石油大学( 华东) 硕上论文第3 章套管损坏的地质因素 向的挤压力。是地层倾角为i 5 0 的地层所承受的水平方向的挤压力的5 倍 左右，这说明水平地应力不均匀地层会比水平地应力均匀的地层造成更 为严重的套管破坏。 地层倾角大的区域，套损井多并且发生得早