（地质工程专业论文）套管损坏机理模型分析计算.pdf

摘要 油田生产中套管可以保护井壁，分隔油气层，分层开采油层，并可以采用注水开 发措施，保持油井正常生产。套管在生产中的变形损坏会影响油田的正常生产。油田 生产中采用强化采油措施造成地层岩体运动地应力发生变化，套管的工作环境变化地 层应力产生较大变化，地应力作用于套管造成套管变形损坏。油田生产中套管损坏主 要发生在岩盐层段。地层蠕变，构造运动和生产层段的压裂酸化措施会造成大量套管 损坏。随着油田开发，套管损坏影响了油田的经济效益。因此，研究套管损坏机理对 提出有效的施工方案有重要理论意义。 岩层在油井生产中，其孔隙压力发生变化，改变了地层的应力状态，岩层发生变 形产生非均匀地应力挤压套管，造成套管应力增加变形损坏。油井生产中，非均匀地 应力作用于套管，造成套管应力增加产生变形。套管在无水泥环作用下，力学性质和 水泥环作用下的力学性质变化较大。建立套管的平面应变的有限元模型，计算分析套 管在均匀载荷下的应力应变大小和套管在非均匀载荷下的应力大小和变形特征，可以 较好的分析套管的力学性质，提出增加套管强度的理论方法。 本文应用套管损坏机理，结合岩石力学理论，对套管损坏井受力分析，并且建立 套管的力学模型。计算分析表明油井长期开采会造成地层应力发生较大变化，套管受 到水泥环外壁地应力的挤压和轴向地层压力作用产生较大应力造成套管变形损坏。在 分析套管力学模型的理论上，建立套管和套管水泥环组合的有限元平面和空间模型。 应用水泥环套管有限元模型的计算结果，分析套管和套管水泥环组合在外压作用下应 力应变大小，提出有效的套管损坏防治方案，提高套管的抗挤强度。 关键词：水泥环套管损坏地应力有限元抗挤强度 t h ea n a l y s i so fc a s i n gf a i l u r em e c h a n i s mm o d e lf i g u r i n g l im a o h u a ( 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 x us h o u y u a b s t r a c t t h ee a s i n gc a np r o t e c tb o r e h o l ew a l l ，s e p a r a t et h eh y d r o c a r b o nr e s e r v o i r ，p r o d u c ef r o m s e p a r a t ez o n e s a d o p tf l o o dd e v e l o p m e n tm e a s u r ea n dm a i n t a i no i lw e l lp r o d u c t i o n t h e c a s i n gf a i l u r ew i l la f f e c tt h er e g u l a rf i e l dp r o d u c t i o n t h ew e l ls t i m u l a t i o nc a nr a i s et h e p r o d u c t i o n t h a tw i l lb r i n ga b o u t s t r a t u mr o c km a s st og e n e r a t em o v e m e n ta n dm a k et h e c r u s t a ls t r e s sc o m i n gt oa l t e r a t i o n t h ec a s i n gw o r k i n ge n v i r o n m e n tt h a ti sa l t e r n a t ew i l l b r i n ga b o u tb i g g e ra l t e r i n gt ot h et h ec r u s t a ls t r e s s w h e nt h ea l t e r i n gc r u s t a ls t r e s sa c t so n c a s i n g ，i tw i l lc a u s et h ec a s i n gd a m a g e t h ec a s i n g - f a i l u r ec h i e f l yo c c u r so nt h er o c ks a l t f o r m a t i o n t h a tr e s u l t sf r o ms t r a t u mc r e e p a g e ，t e c t o n i cm o v e m e n t ，f r a c t u r ea c i d i z i n g m e a s s u r e si n p r o d u c i n g ，i tw i l lc a u s eag r e a tq u a n t i t y o fe a s i n gc o m i n gi n t or e g i o n a l b r e a k d o w n a l o n gw i t ht h ef i e l dd e v e l o p m e n t ，c a s i n gf a i l u r ea f f e c tt h ee n o n o m ya n d p r o d u c t i v i t y h e n c e ，s t u d i n gt h ee a s i n gp r o d u c i n gm e c h a n i s mw i l lp r o p o s eb e r e rb u i l d i n g m e a s u r e st or a s i et h ec a s i n gi n t e n s i t y t h ep o r ep r e s s u r eo fr o c kf o r m a t i o nw i l lb ea l t e r a t i o ni nt h ep r o d u c t i o na n di tw i l l a l t e rt h es t r e s sc o n d i t i o no ft h ef o r m a t i o n t h er o c kf o r m a t i o n 、析l lb ed e f o r m e da n d c o m p r e s s e sc a s i n g ，i tm a k e st h es t r e s so fc a s i n gr i s i n g t h ec e m e n ts h e a t hh a sa ni m p o r t a n t c o n t r i b u t i o nt ot h ee a s i n gm e c h a n i c sp r o p e r t y e s t a b l i s h i n gt h ec a s i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l w i l lh a v eag o o da r i t h m e t i c a ls o l u t i o nt oa n a l y s et h ec a s i n gs t r e s sa n dd e f o r m a t i o na n di t c a np r o p o s et h em e a s u r e st oe n h a n c et h ec a s i n gc o l l a p s i n gs t r e n g t h t h i sa r t i c l ei sa c c o r d i n gt oc a s i n gf a i l u r em e c h a n i s ma n dc o m b i n e sr o c km e c h a n i c s t h e o r yt oa n a l y s et h ec a s i n gs t r e s s a c c o r d i n gt ot h e o r ya n a l y s i s ，t h i st h e m ew i l le s t a b l i s h c a s i n gm e c h a n i c a lm o d e l f r o mc o m p u t a t i o n a la n a l y s i s ，t h ec r u s t a ls t r e s sv a r i e sal o t o w i n gt oal o n gp r o d u c i n gt e r m t h ec a s i n gt h a ta f f e c t sb yt h ec e m e n ts h e a t hi nt h el a y e r a n db ee x e r t e db yt h ec r u s t a ls t r e s sa n da x i a lf o r m a t i o np r e s s u r ew i l lb e c o m ed e f o r m e d t h a tc a u s e sc a s i n gf a i l u r ea n dd e c r e a s ec a s i n gc o l l a p s i n gs t r e n g t h a c c o r d i n gt oa n a l y s i so f c a s i n gm e c h a n i c a lm o d e lt h e o r yt o e s t a b l i s hc a s i n ga n dc a s i n g - c e m e n ts h e a t hf i n i t e e l e m e n tm o d e lt h a ti si nt h ep l a n ea n da i rs p a c e f r o mf i n i t ee l e m e n tm o d e lc a l c u l a t i o n ， t h e r ew i l lb ea n a l y s i so fd e f o r m a t i o na n ds t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i po fc a s i n go nw h i c ht h e e x t e r n a lp r e s s u r eb ea c t e d a c c o d i n gt ot h ea n a l y s i so fe a s i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l c a l c u l a t i o n ，i tc a nb ep r o p o s e dt oe f f e c t i v em e a s u r e st oe n h a n c ee a s i n gc o l l a p s i n gs t r e n g t h k e yw o r d s ：c e m e n t s h e a t h ，c a s i n gf a i l u r e ，c r u s t a ls t r e s s ，f i n i t ee l e m e n t ，c o l l a p s i n gs t r e n g t h 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取 得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注 和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人 为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：绰 学位论文使用授权书 日期：硼年r 月弓f 日 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于 其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家 有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允 许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：铆子年 日期p 础年 f 月弓日 爹月? 日 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 第一章绪论 1 1 套管损坏问题的提出 油田生产中，套管可以保护井壁，分隔油气层，并可以分层开采，注水的作用。 油井长期开采过程中，套管要承受地层压力，高压注水，压裂酸化作用。油田现场开 采实际情况表明，油气井生产中套管承受的外压高于完井套管受到的地层压力，油井 长期开采地层压力发生变化，在地层压力作用下套管发生变形损坏【1 刮。油田经过长 期开发，油气井会出现大量套管变形损坏。 套管为油气运输提供通道，影响着油田开发的经济效益。近年来，油田为提高产 量采用强化采油措施，如高压注水，注气【7 】，压裂酸化，造成地层应力变化，而套管 强度设计较少考虑地层发生变化产生的压力对套管抗挤强度的影响。对于套管材料机 械性能，几何参数和井下受力不同，套管的抗挤强度会有较大差别。因此，套管在长 期开采中由于受到压力的作用会发生变形损坏。国内外油田套管损坏呈上升趋势【8 】， 套管损坏较为严重的地区有中国，美国，俄罗斯，套管的损坏严重妨碍油田的正常生 产，造成油田经济损失。因此，研究套管损坏机理，分析造成套管变形力学因素，可 以提出有效的套管损坏防治方案，提高套管的抗挤强度，以提高油田经济效益。 1 2 国内外套管损坏情况和研究现状 1 2 1 国内外套管损坏情况 国外油田的开采已进入高成熟期，套管损坏非常严重。如前苏联的萨布奇一拉马 宁油田从1 9 3 7 年到1 9 8 2 年间，由于地应力场变化而造成的套损井达3 2 0 0 余口，美 国威明顿油田由于地震引起断层活动1 9 4 7 1 9 5 0 年3 年间套损井数达到3 0 0 0 口。前 苏联的西西伯利亚油田、北高加索油气田、土库曼地区，美国德克萨斯州油田、墨西 哥湾油田、苏伊士湾油田等，都存在严重的套管损坏问题【9 1 。 在美国套管损坏井发生在加州的贝尔利吉油田、威利斯顿油田、密西西比河口南 水道区2 7 号油田、蒙大拿州附近的塞达克利克油田、小奈夫油田等。贝尔利吉油田 在2 0 年内发现1 0 0 0 多口套损井，是由于7 0 年代过量开采造成地层压实，每年有1 0 0 多口井发现套管损坏，套管损坏形式为轴向挤压和剪切。威利斯顿油田有3 0 0 多口井 发生了套管损坏，在油田边缘有几百口井发现套管剪切损坏，套管损坏发生在4 8 8 m 深上覆地层【1 2 - 1 4 1 。塞达克利克油田套损井占油井的1 0 。小奈夫油田套管损坏井占 3 6 ，套管损坏为岩盐层挤毁。 第一章绪论 在北海白垩纪盆地的油田套管损坏的原因主要是由于高孔隙度油藏再压实造成 的。埃克菲斯克油田在1 9 7 8 年首次发现套管损坏，到1 9 8 9 年己有2 3 的井发生套管损 坏，7 0 套损发生在距油层15 0 m _ l 覆地层【1 5 】。 国内油田长期开采地层应力发生变化，每年套管损坏井数量和速度有明显上升的 趋势。套管损坏严重地区有大庆油田、吉林油田、中原油田、和胜利油田【17 1 。大 庆油田出现第一套管损坏高峰是在1 9 8 6 年，年套管损坏井数超过5 0 0 口；1 9 9 9 年出现 了第二次套管损坏高峰，年套管损坏井数达至t j 7 0 0 口，到目前已超过8 5 0 0 口【1 8 】，套管 损坏比例1 7 。吉林油田从1 9 7 3 年注水开发以来，累计油气井已有1 4 0 0 多口油水井出 现了套管变形和损坏【1 9 】。胜利油田套损井3 0 0 0 口，套损l k 侈l j 2 0 2 0 1 。中原油田套损井 1 6 0 0 多口，套损比例3 6 ；大港油田套损井1 0 0 0 口，套损比例3 0 。江汉油田套损井 3 4 8 口，套损比例2 4 2 1 1 。套管损坏给油田造成巨大的经济损失。 1 2 2 国内外套管研究现状 油井套管损坏主要是地层应力和流体压力对套管的挤压造成套管变形损坏的。国 外对套管应力的研究方法【2 2 1 较为成熟，已形成了力学模型，数学计算，套管强度试验， 数值模拟相结合的方法。 苏联3 0 年代由布尔卡柯夫首次考虑到套管本身存在椭圆度这一问题，1 9 3 3 年铁木 辛哥( t i m o s h e n k n o ) 从另外的途径也得到了与前者相同的公式。4 0 年代苏联国家石油 研究所将布尔卡柯夫公式作为套管抗挤强度的计算公式。5 0 年代开始，苏联国家标准 采用了萨尔奇索夫( r m c a p k c o s ) 公式作为抗挤强度的计算标准 2 3 , 2 4 】。萨氏公式不但 考虑了套管椭圆度的影响，而且同时考虑了壁厚不均匀的影响。 7 0 年代初，苏联n m 依辛科采用级数迭加方法对套管外壁非均匀载荷作用理论研 究。7 0 年代末苏联h m 依辛科和谢利瓦休克对套管强度试验研究。随后8 0 年代初期依 辛科又重新建立了套管外壁受非均匀载荷作用的力学模型，通过应力叠加的办法得到 了套管内部的应力变化理论公式。至l j 9 0 年代初期苏联学者，建立了模拟套管外壁受岩 石粘弹性流动挤压套管的实验装置，并给出了管壁应力随不同时刻岩石发生粘弹性膨 胀而变化的曲线。其实验结果对复杂地质条件下，套管破坏机理研究具有重要的意义。 但实验装置的局限性是不能模拟整个地层结构复杂力学系统套管破坏过程。 美国7 0 年代中期以后，采用a p i 规范作为套管的抗挤强度计算标准，a p i 的套管 挤压计算己处于相对稳定状态，但是研究工作仍然未停止。受阿莫柯公司( a m o c o ) 委托的n c h a n g 等人应用塑性增量理论对套管的抗挤强度进行了理论研究。德国的 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 c k r u g 和c m a r x 2 4 】对a p i 公式作过一些批判性讨论。8 0 年代初期a m o c o 公司的 p a t t i l o 和p a n k i n 在苏伊士湾应用双层组合套管结构，成功地防止了深部盐岩层的径向 超高外压的破坏作用，提供了许多成功的经验。8 0 年代中期，k f h a l 脏文献中比较详 细地实验研究了深部粘塑性盐岩层塑性流动破坏套管的机理研究，但这仅仅是空间复 杂力学系统的一种特例，因此具有其局限性。加拿大滑铁卢大学m b d u s s e a u l t 2 5 1 教授 对套管破坏机理研究的最新成果及国外的研究动态，仅仅对地层剪应力、地层错动及 油藏应力等对套管破坏进行了初步定性的分析。 我国油田7 0 年代出现套管损坏，国内学者在借鉴国外研究成果和理论上对套管损 坏机理进行研究。8 0 年代初龚伟安，郝俊芳【2 6 ，2 7 】教授己做了基础理论研究。在这些理 论上，西安石油学院窦益华、石油大学黄荣蹲、周祖辉、邓金根等学者运用岩石流变 理论对套管变形机理进行了大量的理论和试验研究，并取得了一些有益成果【2 8 , 2 9 】。西 南石油学院练章华，刘绘新，张效羽等学者对油田岩盐蠕变特性试验研究上，应用数 值模型分析方法进行大量理论研究。随着计算机和非线性粘弹塑性有限元理论的发 展，采用计算机模拟方法，建立套管复杂力学系统模型，并将模型输入计算机模拟套 管生产中变形、错断和弯曲等破坏过程，取得了创新性成果【3 0 1 ，为套管抗挤强度设计 提供了理论方法【3 1 , 3 2 1 。 1 2 3 套管受力计算方法 套管抗静水外压的挤毁能力是套管设计中一项非常重要的指标，由于人们早已认 识到由于探井和油井的套管耗资巨大，套管的任何设计和计算上的疏忽均会造成油田 生产中后期油井套管发生严重变形，甚至破裂的后果。 从世界范围来看，当今已成为规范或标准的套管设计只有两种方法，一种是美国 石油学会( a p i ) 标准，另一种是苏联国家标准( f o c t ) 。尽管人们对套管损坏机理的认 识基本一致，但在研究的方法上存在差异。泥岩蠕变的研究主要基于试验的方法和理 论计算方法。套管受力的研究方法为有限元法和断裂力学方法。 套管均匀外载研究代表性方法是泥岩蠕变的载荷计算和受均匀挤压的套管的弹 塑性稳定计算方法。泥岩蠕变载荷计算方法应用实验确定蠕变与轴向应力成非线性关 系，运用非线性最小二乘法对蠕变实验数据进行曲线拟合，得到泥岩蠕变模型，可计 算出围岩蠕变产生的挤压载荷 3 3 3 l 。套管的弹塑性稳定计算方法考虑套管失稳破坏的 性质，依据弹性稳定理论，推导出均匀外压套管的弹塑性稳定公式，计算得到套管的 弹塑性失稳临界外压值。 3 第一章绪论 套管受力计算机仿真研究建立了套管变形的空间有限元力学模型及数学模型，可 对套管空间问题进行受力加载，对套管弯曲、扭转、内外压等组合作用下进行仿真分 析，其研究结果可为研究套管力学系统提供有参考价值的理论方法。 1 3 研究内容和方法 预防或减缓套管损坏的主要途径：一是采取相应的措施控制套管载荷，改变温度 场，流固载荷作用于套管上的分布；二是工程设计上采用高强度套管，施工中提高固 井质量，生产中优化注采工艺，以延长套管使用期限，提高套管抗挤强度。 分析计算套管受力是制定防治套管损坏措施的关键，计算给定的开发地质条件下 套管的载荷，才可能控制载荷不超过套管的屈服强度，从而可能确定满足工程要求的 套管钢级。从整体上，全面地、系统地认识分析套管损坏机理，计算套管在地层中受 力产生的应力应变是本论文的关键。套管损坏的机理和力学理论相结合，并采用现场 实际资料建立套管模型是分析套管受力变形和提供有效的防范措施的理论基础。 一、套管损坏机理的研究 分析套管损坏机理的文献资料，认真阅读和总结，根据国内外对套管损坏的机理 研究，分析地质、工程因素的套管损坏机理。地质因素分析盐岩层活动造成套管损坏 的原因，油藏开采地面下沉对套管损坏的影响，注水开采引起地层回弹对套管损坏的 影响，油层出砂对套管损坏的影响，围岩蠕变对套管损坏的影响。分析工程因素中钻 井过程中对套管损坏的影响，套管本身材质对套管损坏的影响。 二、岩石力学和套管力学模型的分析 根据岩石力学方法和力学理论的研究成果，分析岩石力学性质和套管力学模型， 并且分析地应力的计算方法。应用材料力学，弹塑性力学理论的平面应力、应变和空 间力学的方法，分析套管垂向和水平方向受到的应力。分析围岩蠕变、高压注水、油 井出砂对套管受力损坏的影响。 分析围岩蠕变载荷、地层出砂的套管损坏的机理。总结套管受力分析方法、力学 模型和套管设计理论成果，并应用岩石力学理论、材料力学和弹塑性力学理论，建立 套管和套管水泥环组合力学模型，计算套管在非均匀载荷下的力学性质，分析不同外 载性质对套管受力变形的影响，提出有效的预防方法。 三、套管平面和空间有限元模型的分析计算 根据套管损坏的机理分析，应用胜利油田套管损坏井资料，确定套管受力变形的 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 力学性质和套管的损坏类型。分析套管损坏井数与套管损坏时间、套管损坏层位或套 管损坏深度的分布、套管损坏点的岩性分析、套管损坏形态分析、注水压力与套管损 坏，岩层蠕变与套管损坏，断层滑移与套管损坏，油层出砂与套管损坏以及地层倾角 与套管损坏的关系，以得出有效的结论。 采用胜利油田套管损坏井的资料，确定套管损坏井的地层应力、油井套管和水泥 环材料的各项参数，应用a n s y s 有限元分析软件建立套管平面和空间力学仿真模型， 分析计算套管在地层中的受力变形过程，并分析套管受力变形的力学性能。分析地层 压力对套管损坏的影响，确定套管变形的应力和应变关系。应用平面和空间有限元力 学模垂蚴计算分析结果，确定外压作用下套管最大应力与套管损坏的关系，提出有效 的套管损坏防治方案，以提高套管的抗挤强度。 本文研究方法主要是分析岩石力学模型的基础上，结合套管力学模型和有限元模 型分析，应用套管损坏井资料，在岩盐蠕变，高压注水和油井出砂条件下，根据套管， 水泥环和地层的材料力学参数，建立套管和套管水泥环组合的力学模型和有限元分析 模型。采用a n s y s 有限元分析软件对模型计算分析，应用计算结果分析套管损坏的应 力应变关系，以得出全面认识。 5 第二章套管损坏机理影响因素分析 第二章套管损坏影响因素分析 套管损坏是外压作用于套管上产生的应力超过了套管在地层中承载能力造成的。 根据国内外套管损坏研究，套管损坏的因素主要分为两类：一是地质因素，另一个是 工程因素。化学腐蚀因素也会造成套管损坏。 2 1 套管损坏的地质因素影响分析 地层的非均质性，地层倾角，岩石性质，地层断层活动，地下地震活动，地壳运 动等地质因素是造成油气井套管应力变化的客观条件。地层错动、断层活动、构造运 动、构造应力、岩石粘弹塑性流动、岩石蠕变、岩石遇水膨胀及上覆岩层重力等所产 生的空间三维力学系统【2 0 1 作用于套管上，造成套管应力超过了套管的强度极限而发生 变形损坏。套管损坏的地质因素包括：地层应力、泥岩吸水膨胀和蠕变、断层活动、 地壳运动和地震、油层出砂、储集层沉积压实、盐岩层塑性流动对套管损坏的影响【3 。 2 1 1 围岩应力对套管损坏的影响 钻井造成井眼周围岩石原来的应力平衡状态发生变化【3 6 1 ，岩石在井眼周围的应力 重新分布，岩石应力作用于套管达到力学系统的平衡。地层破裂压力公式【3 7 】如下： 驴洲尚卜吨。蝎 p ， 式中，p ，p 。，钆分别为地层破裂压力，地层孔隙压力和上覆岩层压力，单位 m p a ；口为有效应力系数( b i o t 系数) ；，为地层静态泊松比，s 为岩层抗拉强度， m p a ；k 为构造动力系数，由试验确定，h 为井深，m 。 当钻井完成地层应力集中部位的应力达到围岩的强度极限，地层岩石会发生塑性 变形或发生地层破裂，这种变形和破裂作用于套管外水泥环，由水泥环产生的应力作 用于套管上，套管为抵抗外压会产生应力发生变形。 2 1 2 泥岩吸水膨胀和蠕变对套管损坏的影晌 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。泥岩是不稳定的岩类，泥岩中的粘土矿物尤其是 蒙托石、伊利石、高岭石遇水会膨胀并发生蠕动。当温度升高或注入水进入泥岩层时， 会改变泥岩的力学性质和应力状态，使泥岩产生位移、变形和膨胀，增加对套管的外 部载荷。当套管的抗压强度低于外部载荷时，套管就会被挤压变形发生错断。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 泥岩蠕变主要是油田开发注水造成的，由于注入水进入泥岩层，改变了泥岩的力 学性质和应力状态，从而使泥岩产生位移和变形。这主要是由于泥岩被水润湿后，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。这个“软化”区域， 相当于用钻头扩大成一个“新井眼”。在新井眼周围的地层中产生地应力集中，形成周 向应力。泥岩蠕变产生地应力作用使套管发生椭圆形变形有3 个特点：一是未射孔段 椭圆形变形多，二是射孔段变形小，三是随着井深的增加，套管变形程度越大。 o 0 2 图2 - 1 围岩蠕变套管外载分布 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椭圆分布的外挤 力，如图2 一l 所示。其中，仉最大应力，m p a ：0 - 2 最小应力，m p a 。在非均匀地应 力作用下，泥岩层蠕变造成套管产生一个非均匀的变形，随油井开发时间的延长，套 管的变形量逐渐变大。套管在最大水平地应力方向为压缩变形，最小水平地应力方向 为拉伸变形，套管发生椭圆变形，如图2 2 所示。 ol 图2 - 2 非均匀载荷下套管椭圆变形 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【2 3 1 ，当泥岩吸 水大于1 0 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，会造成区域性套管损坏。 2 1 3 岩层滑动对套管损坏的影响 地层岩石有软夹层，当软夹层不吸水在原始地应力作用下岩层保持稳定。但软夹 7 第二章套管损坏机理影响因素分析 层有较强的吸水能力，注水开发，当注入压力达到定值，注入水通过裂缝进入软夹层， 使夹层吸水改变其物理性能，降低其强度。当浸水域形成后，在地层倾角产生的地势 压差等作用下，浸水域上下界面发生相对位移，造成岩层滑动【3 8 】。油田生产中很多油 水井在一定层位上发生套管错断和出现了大段套管轴线偏移现象，分析认为这些套管 变形、错断和弯曲损坏是由地层滑动造成的【3 9 | 。 岩体结构面决定岩体的稳定，直接制约岩体变形、破坏的发生和发展过程。在外 载作用下，变形、破坏往往发生在岩体中强度最薄弱部位。泥化结构面的强度低先变 形破坏【4 0 】，说明岩层滑动是由于岩层中有软弱结构面和结构面有一定的泥化程度。 油田注水开发是造成地层滑动的主要原因。高压注水使岩层滑动造成套管损坏有 三个特点【1 1 】：一是低压区块的油井比高压区块的水井套管损坏发生时间提前；二是相 邻井套管损坏点位置发生在同一层位；三是低压区块的相邻井同时发生套管损坏。 2 1 4 断层活动对套管损坏的影响 油田开发中地壳升降、地震和高压注水作用，使原始地层压力发生变化，岩体力 学性质和地应力发生变化，造成断层活动。油田开发大面积高压注水，地层孔隙压力 增加，原始地应力发生变化并重新分布，区块孔隙压差增j j n 4 。当注水进入断层接触 面，使接触面泥化，内摩擦系数减小，断层密封性不好造成注入水沿断层面推移，对 接触面起了润滑作用，降低两层间抗剪强度。断层在重力作用下滑动剪切套管，使断 层附近的套管成片损坏。多数套管发生错断，其损坏位置和断层深度基本一致。 我国胜利、大庆和吉林油田由于断层活动，部分套管损坏集中在断层附近。美国 密西西比南帕斯油田近2 5 0 口生产井钻遇4 条主要断层【1 8 1 ，断层活动使套管变形发生 偏移达到3 m 。1 9 7 1 年南帕斯油田5 4v i 钻遇断层的油井套管损坏【1 2 】，其中2 1 口报废。 2 1 5 地震活动对套管损坏的影响 地球是运动的天体，地质活动从未间断，地震是地壳运动地应力变化，原有地应 力重新分布，释放能量的结果。严重的地震可以造成新的构造断裂和裂缝，也可以使 原生构造断裂和裂缝活化，地震造成套管损坏在国内外油田大量存在h 2 4 4 】。 美国威明顿油田1 9 4 7 年地震后，发现1 0 01 ：3 井的套管在井深4 7 0 5 2 0 m 处损坏【2 l 】。 1 9 4 9 和1 9 5 1 年的两次地震使成片油水并套管损坏，直接原因是岩层水平位移剪切套 管使套管剪切错断，严重弯曲变形。 我国大庆油田套管损坏与地震存在一定关系1 4 5 1 。时间上，套管损坏数量与地震频 次同步增加，套管损坏数量与地震震级有关，震级越大，套管损坏数量越多。 8 中国瓢油大学( 华农) 硕上学位论文 2 。 。6 油层出砂对套管损坏的影响 油田开发中，油井出砂引起套管损坏的现象经常发生。油井生产中出砂，在下衬 管层段形成空洞和坑道，在油层压实和遗层蘧力下降的情况下，使圈岩应力发生变纯， 由于形成空洞，就产生了种力图恢复空洞上部已破坏的应力，在空洞区和空洞上部 地层闻的界面上产生切线应力区。如果切应力高予岩石破裂强度，空漏上的已卸压岩 石就会坍塌，坍塌岩石与套管点接触，形成非均匀外载，使套管损坏。油层出砂形成 空洞，当岩石不坍塌，上覆地层压力超过油层藐隙悉力和岩石骨架结构应力时，岩石 骨架和原来油层空洞中流体承担部分重力外，相当一部分压力转加到套管上，造成 套管损坏。 胜利孤东、大港港西油田由于生产出砂造成套管损坏。根据胜利孤岛油田对出砂 量与套管损坏井数的统计资料得濑，出砂量增加，套管损坏井数随之上升豳】。港谣、油 田在1 9 8 0 至1 9 8 3 年间单井平均出砂量为0 4 m 3 ，套管损坏井每年l o 口。1 9 8 4 年后， 单井平均出砂量增加到o 8 m 3 ，套管损坏井数随之增加2 奠。说明出砂量与套管损坏有 直接关系。 2 1 7 油层压实对套管损坏的影晌 储油层中原油大量开采，必然造成岩层孔袭流体压力的下降。这种压力的变化会 使储油层有效应力变化，储油层和上覆岩层发生变形，造成地面下沉f 4 3 】，增加作用于 油井套管上的应力，加剧套管的变形损坏。在套管下部，最初外压可能稍高于内压， 当油层能量渐渐枯竭时，压差随着有效应力增加而增大，使套管的周向应力逐渐增加， 套管受到较大应力两发生变形损坏。 超离压油层一般是欠压实的，孔隙度和渗透率在同一深度比正常压实油层高。当 开发超高压油藏时，随着开采时间延长，使油层和相邻砂岩中的流体压力大幅度下降， 原来由孔隙流体承受的上覆岩层压力转加到岩层骨架，使粒间压力增大，引起地层变 形，超高压油层枯竭过程中，地层在垂直方向上发生变形。由于套管水泥环圆结在井 筒中，所以上覆岩层外载会集中在套管上，套管随固井水泥环和压实的地层一起变形。 美国人以三维固结理论为基础，对地层压实进行了数值模拟，研究地层压实对套管变 形的影响。得出的结论是开采欠压实高压油藏时，不但在油藏内，而且在相邻的粘土、 泥岩地层中也会产生严重的压实，从含油砂岩层以上4 6 m 到含油层底部层段，因地 层压实，套管可能承受很大的挤压应力而产生变形【4 4 】。 油匿大量开采引起地萄沉降的现象很多。北海e k o f i s k 油圈皇1 9 7 0 年发现，1 9 7 7 9 第二章套管损坏机理影响因素分析 年投产，1 9 7 8 年就首次由修井而发现有套损，从1 9 7 8 年到1 9 8 9 年的1 2 年间就有2 3 的投产油井套管损坏【2 ”，部分套管己报废，究其原因，主要是地面下沉及油层压实所 致。美国w i l m i n g t o n 油田【4 7 】因开采沉降在中心处最深达9 m 多，水平向的位移最大 有3 7 m ，沉降使2 k m 2 内数万口油井损坏。在国内，如玉门老君庙油田，大庆油田都 有因油藏开采引起地面沉降造成套管损坏的现象【4 8 】。 2 1 8 岩盐蠕变和塑性流动对套管损坏的影响 岩盐是蠕变很高的岩石，常温常压下岩盐蠕变使开采巷道闭合是一种常见的现 象。深部岩盐层中，高温高压造成岩盐蠕变会更大。钻井资料表明，有些油田岩盐层 钻穿后，盐层蠕变使井眼缩径，时常造成卡钻。井眼越深，盐层蠕变速度越快。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 以上的岩盐会发生塑性流动， 埋藏在2 1 0 0 m 以下的岩盐蠕变很明显，埋藏在2 7 5 0 m 以下的岩盐会发生连续流动【2 。 对于岩盐的蠕变主要起作用的是在2 1 0 0 m 以下的盐层蠕变。岩盐蠕变是岩盐的 晶体发生变形，而晶体变形的机理是滑移，多边化扩散及沿晶体的滑移。根据这个机 理w e e r t m a n 等人提出了岩盐蠕变计算公式 4 9 】： n 占= c e x p ( 弓筝) s i n h ( b a o - ) ( 2 - 2 ) u l 式中，占一稳态蠕变速率，s 。b ，c 一常数。q 一有效激能。r _ 一理想气体常数， 1 9 8 7 k m 0 1 。c 。t _ 一温度，k 。a o 一差压力，m p a 。 我国江汉、中原和青海等油田地下岩层中均有大段盐层【5 0 】，江汉油田在第三系潜 江组地层中沉积了大量巨厚的盐岩地层，单层厚达8 0 余米，累计厚度1 8 0 0 m 左右。 在岩盐层地区套管损坏有一个共同特点是在盐层部位损坏集中，有一些井钻穿多层岩 盐时，出现多处盐层套管损坏的现象。 根据江汉油田6 2 口套管井分析【l6 1 ，其中岩盐层未封和封固不好使盐岩产生蠕变 造成4 8 口井套管损坏，占套管损坏井的7 7 4 。这种岩盐层段出现套管损坏集中的 现象不仅国内有，国外也很普遍。如美国的c e d e rc r e e ka n t i c l i n e 油田【4 0 1 ，在盐岩层 出现大量的套管损坏，该油田所属的b e a v e r 油田盐岩发育较好，而且盐岩层倾角较 大，因而在这个区块套管损坏集中。而在盐岩层埋藏深度较浅但盐岩发育较好的 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【2 4 】，没有发生套管损坏现象。 盐层地区套管损坏有一个共同的特点，就是在盐层部位套管损坏较集中，有一些 井钻穿多层盐岩时，出现多处在盐岩层段套管损坏现象。从损坏时间上看，下套管到 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 损坏从几天到几年不等，损坏深度多处在盐层部位【4 7 1 ，而且不论盐岩层段有没有固井 都出现套管损坏。目前国内外认为盐岩影响套管损坏的原因有三种，一是盐岩的蠕变， 二是盐岩层坍塌，三是盐岩的塑性流动。 2 2 套管损坏的工程因素影响分析 套管损坏是地质因素和工程因素综合作用的结果。工程因素包括：套管钢材质量 的影响、固井质量的影响、射孔的影响、不合理的注水开发的影响、压裂和酸化等各 种施工作业的影响、套管强度计算及井身结构设计不合理的影响等多方面。 2 2 1 套管质量对套管损坏的影响 套管本身存在微孔、裂缝和抗剪、抗拉强度不均等质量问题。套管螺纹不密封， 采油生产压差和注水压差的长期影响，使管外气体和流体从螺纹不密封处渗流进入井 内或进入套管与岩壁的环空形成非均匀压力，造成套管损坏【5 1 1 。 套管质量问题对套管损坏的影响表现在以下几方面： 1 、套管本身存在微孔、微缝，螺纹不符合要求及抗剪、抗拉强度低等质量问题。 在长期注采中，将会出现套管损坏现象。 2 、套管螺纹加工不符合要求，或由于损伤而不密封。完井后，由于采油生产压 差或注水压差的影响，管外气体、流体从螺纹不密封处渗流进入井内，或进入套管与 岩壁的环空，分离后聚集在环空上部，形成腐蚀性很强的硫化氢气塞，逐渐腐蚀套管。 3 、套管管体尺寸的精度问题。套管的圆度、壁厚不均匀度对套管的抗挤压临界 压力的影响是不容忽视的。根据美国a p i 标准【2 3 1 ，套管外径允许误差为o 7 5 ，壁 厚公差为+ 1 2 5 ，即最大不圆度和壁厚不均匀度分别可达1 5 0 和2 5 。国外公司生 产的套管己严格控制其椭圆度不得超过o 3 或0 5 ，壁厚不均匀度不得超过1 0 。 长期以来，我国大部分油田对套管不进行探伤就下井使用，增加套管的损坏数量。 辽河、吉林油田都发生过固井碰压后，通径规下不去的现象【5 2 1 。目前，现场钻井一般 采用国产套管完井，部分套管存在质量问题，如套管管体存在外伤，套管接箍与本体 丝扣不匹配、粘扣等问题。例如，辛9 6 4 井2 0 0 3 年3 月投产，排液一个月后转水井， 注水生产过程中发现地面返水，将井内3 6 0 米油层套管取出，地面检查有7 根套管丝 扣粘扣( 1 5 】。套管质量影响套管的强度，必须采取有效检验措施提高套管使用期限。 2 2 2 固井质量对套管损坏的影响 固井是钻井完井前极其重要的工序【5 3 1 ，直接关系到井的寿命和以后的注采关系。 第二章套管损坏机理影响因素分析 固井施工由于受到各方面因素影响较多，固井质量难以实现最优状况，如钻井井眼不 规则，井斜、固井水泥不达标、顶水泥浆的顶液不符合要求，水泥浆的密度低或高， 或在固井过程中，钻井液泥饼问题、固井前冲洗井壁与套管外干净程度，注水泥后套 管拉伸载荷过小或过大等，都会影响固井质量，而固井质量的优劣会直接影响套管完 井质量与寿命。 在许多情况下套管损坏往往是由于固井质量问题造成的。具体有以下几种情况： 1 、固井封固质量。固井工程中，有时钻井液返高分两级，在大多数情况下，上 下两级之间的水泥连接不好。如果对固井封固质量的好坏只限于上不漏封、下不替空 油层，只规定管外不漏气、油、水的要求是很不够的。 2 、套管外水泥返高不够。长期以来，我国各油田在油、水井套管封固方面，由 于技术、经济和井深等原因，大多数井固井水泥浆不返到地面【5 4 1 。分段下套管时，有 时下一段套管的管外水泥返高达不到高度，在下部管段没有加固部分的压缩负荷中增 加一个补充负荷，温度的变化产生一个补充压力。 3 、套管内外压力不等。在封固井段，套管内为清水或泥浆，套管外为水泥浆， 内外流体密度不同。固井水泥一般比钻井中应用的钻井液密度大，而驱动固井水泥的 流体常常是低密度钻井液或清水，造成套管外部静压力大于套管内部静压力，套管外 流体的静压力在套管鞋上产生向上压力，套管内压力产生向下重力，当两个力差别很 大时，套管处于压缩状态【5 2 1 。当注水泥浆或清水碰压时，在套管内突然产生高压，此 时套管内壁压力大于套管外壁压力，在套管薄弱环节产生变形和破裂。 4 、井口固定不合理，油层套管封固高度过低。长期以来，我国井口固定使用两 种方法：一种是打水泥帽固定井口。如果水泥帽封固质量不好，则固井完成卸掉联项 节后，套管就会下沉。二是固井水泥封固高度的设计长期忽视了采油、采气及各种增 产措施井下压力、温度变化对未封井段套管受轴向拉、压力的作用，而造成套管损坏。 5 、固井水泥候凝时温度变化大。由于井眼不规则或固井存在混浆井段，在封固 井段内，水泥浆候凝时放热不均匀，温度的变化使套管热胀冷缩，造成套管变形损坏。 2 2 3 射孑l 对套管损坏的影响 大量实践表明，射孔对套管损坏有相当严重的影响，据胜利油田1 9 8 1 年报废井 资料统计【8 l 】，因套管损坏而报废的2 3i ：3 井中，套管损坏位置在射孔井段及其附近的 有1 8 口，占套管报废井的7 6 5 。 射孔造成套管损坏的主要原因：一是射孔时，十几发甚至几十发射孔弹在一瞬间 1 2 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 爆炸，对套管产生巨大冲击波，套管突然胀大，使套管在射孔井段中部或非射孔井段 相交位置产生剧烈变形，特别是射孔段上部或下部由于应力集中，造成套管抗挤压失 稳强度和抗内压强度降低，引