丘陵油田套损机理及套损井治理的研究.doc

丘陵油田套损机理及套损井治理的研究 单位代码:中图分类号:学 号:寸阂石浊六学工程硕士学位论文丘陵油田套损机理及套损井治理研究石油与天然气工程工程领域:油气田开发工程研究方向:赵继业作者姓名:校内导师: 崔传智副教授现场导师: 王扩军高级工程师二。一二年五月 :.: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己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: 日盘垒硅业 日期:?,年刷学位论文使用授权书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、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。学位论文作者签 日期:?,年 月 日指导教师签名:日期:沩年月厂日摘 要套管在钻井和采油过程中起着保护井眼、加固井壁、隔离油、气、水层及封固各种复杂地层的作用。然而随着生产时间的不断延长,开发方案的不断调整和实施以及地质、工程和管理条件的不断变化,如:射孔、出砂、高压注水、压裂、大型酸化、腐蚀等,使套管的工作环境不断恶化,大量的油水井套管发生了变形和损坏,严重影响了油田的稳产和高产。现场实际情况表明,常规钻完井套管强度设计的基本理论和方法都是以正常完井施工作为主要考虑因素,极少对采油、注水措施、地应力变化等一系列异常因素加以考虑。因此,油水井投产一段时间后,由于地质、工程因素影响,套管承受的外载比完井时增加了很多,在外力不断挤压下,最终造成套管变形、损坏。目前,油水井套管破损日趋严重,已经成为制约油田发展及提高开发效益的一大难题,而且也是国内外各油田普遍存在的难题。因此认真分析和综合研究套管损坏的因素和机理,改进套管设计方法,满足长期采油需要,是一个亟待解决的问题。由于套损井的大量存在,不仅造成固定资产的闲置浪费,还会导致一些单元注采井网不完善,注采对应关系破坏,地层压降逐渐加大,储量控制程度变差,进而造成油田水驱储量、可采储量不同程度的损失。因此,套管损坏是各油田存在的共性问题,套损井是制约油田稳产的瓶颈问题,开展套损预防与治理技术的研究应用,对提高老油田整体开发效益意义重大。本文针对丘陵油田的特点,开展了套损机理和套损井治理的研究。丘陵油田属于典型的低渗透砂岩断块油藏。油层埋藏深,裂缝发育,在开发过程中,针对储层物性差的特点,普遍采用了高压注水和压裂酸化等增产增注措施,在减弱套管承载能力的同时,增加了套管外载,极易造成泥页岩蠕变、地层滑动,断层活动等多种成因的套管损坏。进行套变机理和套管保护的研究,有助于预防和延缓套管变形的发生,延长油水井使用寿命,对于低渗透油藏开发中的套管保护和套损井治理具有重要的指导意义。关键词:丘陵油田,套损机理,套损井,低渗透?. ? , , , :,?,., .,., ,., .,? , , , , . ,. . ,., . ,., ,:目 录第一章 丘陵油田套损现状及危害?.油田套损现状?.套损对油田开发造成的危害?.第二章套损机理研究.套损原因?.地质因素?.工程因素?.丘陵油田套损机理?.地应力影响?.注水造成套管损坏?.固井质量造成套损?.射孔造成套管损坏?.地层出砂造成套管损坏?.增产增注措施与套损的关系?.套管抗外挤强度组合不合理导致套管损坏?.环空处套管失稳造成套管损坏饥.注水开发条件下断层的影响?.第三章套损井预防及保护技术研究?.套损井预防方案?.新建井套损预防方案?.套管保护及套损预防技术.注水井套管保护技术.顶封保护技术.断层附近注水井控制?.水井带压不压井作业技术?.井下工具应用与改进.第四章套损井治理技术.套损井治理思路:?.修复治理方案?.套管修复治理技术?结论?.参考文献.攻读硕士学位期间取得的学术成果?.致谢?.中国石油大学华东工程硕士学位论文第一章丘陵油田套损现状及危害.油田套损现状套管损坏严重影响了油水井的正常生产,制约了油田补、改层,稳油控水等开发方案的实施,是制约油田开发的重大技术难题。吐哈油田公司丘陵油田统计结果,至年月,丘陵油田口井其中油井口,水井口中共发现套损井口其中油井口,注水井口,占油田油水井总数的.%,注水井套损率高达.%。由于套管损坏年损失产能近.万吨,影响原油产量/,注水/,影响储量动用.表.。近几年套损井数及历年新增情况见图.。表丘陵油田套损井影响措施及储量动用数据统计表.鹤油井 水井影响分层改造 影响卡封水 影响分层改造 影响分注井数 层数 厚度 储量万 井数 层数 厚度 井数 层数 厚度 储量万 井数 层数 厚度吨 吨口 个 米 口 个 米 口 个 米 口 个 米. . .图套损井数柱状图 .图.中可以看出,自年油田开展注水工作以来,注水井套管损害情况呈逐年增加趋势;年,油田实施大规模酸化增注、高压注水措施后,注水井的套管损坏数量达到了一个新的高峰;年,注水油藏油层大面积见水后,油井中的套损现象逐年增多。第一章 丘陵油田套损现状及危害丘陵油田油水井套损原因复杂,主要特征为:总套损井数口,其中水井口,油井口,水井占总注水井数的.%。套损井主要位于构造高部位,附近断层分布多。在陵二区域,套损井在构造断层区域集中,且从高部位沿断层延伸分布。根据统计,距离断层以内的套损井数为,占套损总井数.%。纵向上套损井段主要发生在砂岩段、生产段上下岩性界面及泥岩夹层。砂岩段发生套损口,占全部套损井的.%。其中油井口,水井口。口井中有在射孔段及岩性界面套损,占%,只有口井是射孔段下部套损,都为水井,套损段为未射开的高压水层,占%。发生在地层泥岩段的套管损坏井有口油水井分别为口和口,占套损井总数的.%。在口套损油井中,有口井在射孔段内的泥岩夹层,口井在距射孔段内的泥岩段中,口井在岩性界面间;此外,有口井套损部位在水泥返高以上区域,口井层间存在裂缝沟通。在口油井套损井中,采用/./.套管的井有口,占总井数的.%。在口注水井中,有口井的套损部位在射孔段内的泥岩夹层,口井在距射孔段的上下泥岩段,口井在岩性界面间。由此可以看出,油、水井上的套管损坏部位分布规律基本一致。另外,有口井发生在水泥返高上部,口井有裂缝沟通现象。口注水井中套损发生在/./.套管井中的有口,高达.%。表丘陵油田套损井分类统计表. 合计 比例 比例套损分类 分类标准 /”套管 井别 井数% %井数通径 水井 .的单点简单.轻微变形变形.油井.水井通径.明显变形油井 .通径 的多点、复 水井.严重变形杂变形 油井 .套管轴向发生断裂脱开 水井.错断、破裂或破裂.油井调查显示,有井套变发生在岩性界面泥岩砂岩交界左右范围内处,占套损井的.%。由此可见,泥岩段和岩性界面是套管变形主要发生区域。中国石油大学华东工程硕士学位论文表丘陵油田套损井分区分布表.水井 油 井 合 计区块套损率 套损井数 套损套损率% 井数 套损 总井数 套损%率%陵二西 .陵二东 .陵二中.陵二北 .陵三块 .陵四块西山窑 .合计.套损对油田开发造成的危害调查发现,套损井况逐年恶化给丘陵油田开发生产带来的危害越来越大,破坏注采井网和注采平衡,制约增产增注措施的实施,使已控制的储量和产量损失,同时加大了层间矛盾和自然递减,增加油田稳产难度,加重了成本负担。主要表现在以下几个方面:套管变形损坏严重,造成井网不完善,分注率下降,低效、关停井越来越多,开井率越来越低,已不能有效控制整个油藏注采系统。套损影响油井分层改造口井个层,影响卡封水口井个层;影响注水井分层改造口井个层,影响分注口井个层。套变井逐年增多,年开始年新增套损井口,造成储量严重损失,增大了井网和注采结构调整难度。油管、抽油杆腐蚀严重,油管穿孔,抽油杆断脱,造成检泵、冲检工作量增多,年水井因油管腐蚀穿孔造成的冲检有口井,占年冲检井数的三分之一,抽油井杆管柱结垢腐蚀越来越严重,抽油井油管破和腐蚀杆断故障检泵次数急剧上升。年.月份检泵井次,其中油管破检泵井次,占总井数的%,抽油杆腐蚀断检泵井次,占总井数的.%,给油井正常生产造成了极大的困难。造成注采井网失调不完善,开采水平下降。随着油田套管损坏井数量的增加,油田正常生产的注采井网遭受破坏。降低了油田开发效率。套损数量增加,造成地层压力系统的极大破坏,使得动态监测资料如地层压力、产液剖面、动液面等录取工作更加困难,地下油水运动规律难以掌握,进而影响第一章丘陵油田套损现状及危害.因套管变形导致注采管柱被卡而大修的作业量增加了%以上。套管损坏年损失产能近.万吨,影响原油产量/,注水/,影响储量动用.。由第二章套损机理研究.套损原因导致油水井套管技术状况变差,甚至损坏的原因是多方面的。大量资料和研究表明套管损坏主要是由地质、工程因素,高压注水及腐蚀等因素造成的。.地质因素油水井套管发生损坏的地质因素很多,主要有以下几个方面:泥岩吸水膨胀和蠕变、地层出砂、地层滑动、断层位移等。这些因素导致的地层应力变化非常大的,严重损害油、水井套管结构,影响油田稳定生产,给各种井下作业施工带来极大困难。泥岩吸水膨胀和蠕变大量研究表明,泥岩吸水后其膨胀倍数可达.倍,当注入水进入泥岩地层后,泥岩吸水膨胀,膨胀的体积应力作用在套管外壁,挤压套管外壁,造成套管缩径。若体积应力作用在射孔段套管外壁,则应力通过射孔孔眼得到释放,一般不会造成套管损坏。因为地层埋藏深度越大,上覆岩石压力越大,泥岩发生膨胀后体积应力越大,所以对套管造成的损坏越大,套管缩径越明显。地层出砂目前油田开发的强度较高,采油速度高,一般注水跟不上,注采比达不到平衡状态,通过地层内流体的流动,对地层结构造成破坏,近井地段由于压差大,在比较疏松的地层,容易出现近井地带出砂,在射孔空眼附近形成空洞,直接造成局部应力集中,对油层结构进一步的破坏。当地层大量出砂后,破坏了岩石骨架原有应力平衡状态。上覆岩石压力一部分应力作用至套管上,导致出现弯曲、变形或错断。岩层滑动丘陵油田油层较薄,且分布不均匀,油层中间存在泥岩夹层,泥岩夹层具有较强的吸水能力,在压裂液或注入水进入泥岩夹层后,导致泥岩吸水,破坏了夹层的结构,降低了夹层的强度,使夹层失稳而滑动,作用在套管上,损坏套管。断层运移伴随着油田开发进程,原始地层压力发生变化,原本处于平衡状态的断层重新被激活,断层上、下盘产生滑移,剪挤套管,对套管产生剪切破坏。一旦断层发生运移,则第二章套损机理研究断层附近井的套管将出现成片损坏,造成的损坏程度比较严重,多数损坏为套管错断类型,其损坏位置和断层深度基本一致。.工程因素注水、压裂酸化、套管本身材质、固井质量等工程因素是诱导地质因素产生破坏性地应力的主要原因。套管材质丘陵油田大量使用套管,且大部分井无技术套管。固井质量由于影响固井质量的因素比较多,固井质量很难达到全优效果。固井质量的好坏,直接影响到套管完井质量与寿命。射孔根据油田统计资料,在射孔井段发生套管损坏的井占相当大的比例。射孔弹发射时,瞬间的爆炸,产生巨大的冲击波作用在套管内壁上,引起套管损坏、变形。注水在注水过程中,由于地层的非均质性,注入水作用于地层空隙的压力分布不均匀,从而引起孔隙骨架不均匀缩胀,增大岩体不稳定性,从而造成作用于套管上的应力发生变化,使套管变形、损坏。酸化压裂措施压裂过程中,支撑剂如石英砂、陶粒砂等在强大压力的驱动下通过套管孔眼进入地层,造成孔眼不规则扩大,降低套管抗挤压强度。井下工具影响井下作业过程中,磨鞋、套铣筒、修井钻头等井下工具的钻磨,损坏套管,严重时造成套管开窗。在斜井中,对套管造成的危害更严重。.丘陵油田套损机理丘陵油田套损规律:年注水开发前只有油井发生套损,其中口井应力异常未压开,井套损在未固井段。注水开发后一年,注水井套损出现了第一次高峰,年实施增注措施,分层注水、高压注水后,年调整井网时出现了大中国石油大学华东工程硕士学位论文面积水井套损的第二次高峰,期间油井套损不明显,每年仅以口井的速度增加。油井大面积见水后到年年二次井网层系调整开始,油井出现了大范围套损,呈逐年上升趋势,年达到峰值,有口井发生了套损。其损坏时间一般在油井转注或大幅度提高注水压力后及油井大面积见水后的年左右,这一规律与泥岩蠕变应力载荷从零上升到最大的稳定值时间相吻合。从现场统计结果来看,发生套管损坏的井中有大约%的套损部位发生在距射孔段内的泥岩夹层和岩性界面,并且主要集中在注水井上。而砂岩段的套管损坏部位,绝大部分发生在射孔段和岩性界面。分析认为造成这种情况的原因与压裂酸化、高压注水、地层出砂等因素有关。平面上,陵二西区、陵三区、陵二东区、西山窑为重点套损区,套损率分别达到了.%、.%、.%和.%。水井严重套损区域为陵二西、西山窑、陵三、陵二东、陵二北,套损率分别为:.%、.%、.%、.%和.%,而陵二中、陵四区套损率则相对较低。并且,套损井主要集中在断层附近:范围内口,占.%;范围内口,占全部套损井的.%。图丘陵油田开发阶段划分图. 纵向上,套损主要发生在砂岩段、生产段上下岩性界面及泥岩段。七克台组有口井套损,套损段为 其中在水泥返高以上;三间房组中主力层套损井最多,有口井,占全部套损井的.%;层套损最少,仅为口井。另外,西山窑组有井套损,其中油井口,水井口。通过统计分类、研究分析,确认造成丘陵油田油水井套管损坏的主要原因有以下几.种:第二章套损机理研究.地应力影响仁?,占掣掣从式.可以知道,当口和处于相对稳定状态时,泥岩变形量主要由地层的吒屯式中:吒是套管所受到的径向蠕变外部载荷,;是外部载荷与最大水平地应力方向之间的夹角,;,:与泥岩性质及地应力大小有关的折算外载,;计算墨垃笋飘:笙鱼二竺互。.,玉乏:兰三.二。.。一。.。中国石油大学华东工程硕士学位论文式中:,吒分别是最大和最小水平地应力,:,是与成。和。方向时套管外部载荷的稳定值,。在最大水平地应力。方向,套管损坏形式主要为压缩变形;在最小水平地应力。方向,套管损坏形式主要为拉伸变形。也即在岩石蠕变载荷的作用下,处于最大水平地应力方向的套管,其直径变小;处于最小水平地应力方向的套管,其直径变大见图.。图.岩石蠕变造成的套管周围外载分布示意图.?、压?. .乡图受岩石蠕变载荷作用后套管变形示意图.与均布载荷相比而言,套管抵抗非均布载荷强度的性能较低。为定量比较和评价这两种载荷的影响,采用了“等效破坏载荷”这个概念。假设均布载荷为半径厂的圆形,其面积为:刀,.假设非均布载荷为长轴、短轴的椭圆形,其面积为:第二章套损机理研究厂。、/, 、 ? .;悄 一 ; 。 一/乡图. 搿等效破坏载荷”概念示意图. ”假定作用在套管上的各种外挤载荷的图形面积与套管的变形特性相一致,即图形面积相等,则对应的套管变形特性相同。则“等效破坏载荷理论为:套管变形量取决于各种外挤载荷的图形面积大小,即不管外挤载荷的图形如何,只要面积相等,套管就会具有相同的抵抗外挤载荷的能力。由此可定义在椭圆形外载的条件下,套管产生变形被挤扁时的外载值:拦届式中:为等效破坏载荷;口;:%;为椭圆形载荷图形面积,加。各种外挤载荷形式的“等效破坏载荷”见表.。表各种外挤载荷形式的搿等效破坏载荷”. ”载荷形式 均布载荷 椭圆载荷 对径载荷图形面积蚴疗,等效破坏载荷/万注:,.?彳用的抗挤强度;长轴、短轴;、分别为对径载荷、管径、管长。研究发现,套管强度降低的程度取决于椭圆形载荷的比值载荷椭圆形的轴比:鱼:?.值越小,强度降低的越多。当时,意味着椭圆分布载荷变为均匀外压载荷,此时的“等效破坏载荷等于套管的抗挤强度值,。根据水力压裂过程中获取的相关参数可计算地应力。表.所示为陵二西区井的中国石油大学华东工程硕士学位论文地应力计算值以及用于蠕变计算的原始参数。根据式、和的取值范围以及式.可知:若取其下限值,取其上限值,则泥岩吸水蠕变所产生的应力分布相对均匀一些,也即蠕变作用对套管的影响最小,因此文中取.、.对套管进行强度校核计算。以.井为例,进行注水泥岩蠕变以后的强度载荷校核。表泥岩蠕变计算原始数据.蟾/井号深度 小. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .表中:为套管的最小屈服强度:为套管的外径;为套管的厚度;/为套管的径厚比;为套管的等效破坏载荷。.,如.,.,等效破坏载荷忍万.忍/匕./.根据肿套管外挤毁压力计算斌当孚冲孚孚玎时,塑性挤毁压力忉,式中:、为常数,贼.所耳币勃一艿一.表 公式的/分界值及其系数. /范围钢级, / /. . . . . . . . . . . . 第二章套损机理研究表中:/伊屈服与塑性挤毁分界点的/值;/塑性与塑性挤毁分界点的/值;/塑性与弹性挤毁分界点的/值。通过计算可得出均匀载荷下套管塑性挤毁压力为.,低于此时的等效破坏载荷.,因此套管发生椭圆变形损坏。根据套管的等效强度同屈服强度比与径厚比关系:,专.矿”弱引取径厚比为.的套管计算,由于受到非均匀力的影响而承受椭圆载荷作用,取该载荷椭圆形轴比.时,套管所承受的载荷比为/.,也即套管仅能承受相当于的椭圆形载荷。而该井若受泥岩蠕变应力影响,此时套管的等效破坏载荷为.,远大于套管的承受能力,原有套管因不能承受现有载荷作用而将发生椭圆变形损坏。图?为作用在套管个方向上、和的径向挤压载荷随时间的变化过程。从图中可以看出,蠕变载荷从零上升到稳定值的时间与泥岩蠕变特性有关,一般为个月,该时间与丘陵油田从油井转注和提高注水压力到出现套损现象的时间相吻合。再厶穴链才闯/月图套管蠕交外挤载荷变化规律. .井年月转注,注水半年时间后,套管在部位处发生严重缩径变形,其位于射孔部位附近的泥岩夹层处。丘陵油田的两向水平地应力差值比较大,而油水井的套管损害部位与地应力的分布密切相关。一方面,套损井主要集中在应力异常断层附近;另一方面,在纵向上,大部中国石油大学华东工程硕士学位论文分处于泥岩中部附近的套损点,其对应的岩性均反映出灰质含量较高、刚度较大、构造应力分量较高等特点。通过多口井的通井规变形资料、铅印和多臂井径测试资料证实,丘陵油田许多套损井在套损井段的套管已呈椭园形。以.井为例,该井是年月投产,同年月转注,年月实施高压注水的注水井,年下分注管柱遇阻,通过多臂井径测井检测,证实.井段有处套管变形呈椭圆形,每一处都有一最大内径和最小内径,最大内径比原套管内径扩大至和,最小内径比原套管内径缩小至和,原因是地应力的作用将套管挤扁,这种现象在丘陵油田套损井中普遍存在,有口井,占套损井总数的.%。可用测方位井径的方法找出该井套管的受力方向。.注水造成套管损坏注水及高压注水对低渗透、裂缝发育的复杂断块油田套管的影响是巨大的。主要表现在以下五个方面:一注水井作业的影响在注水井作业过程中,向地层挤入流体和突然的放喷排液,压力分别作用于套管内壁和外壁,多次作业会使套管变形损坏。注水井开始注水和突然放喷,使地层压力梯度瞬间再分布的结果是使局部压力梯度更大,系统应力状态被打破,更增加了套管损坏的可能性。二泥岩吸水膨胀及搿水楔一作用影响当注入水进入油层的项部或进入底部的泥岩层中时,蒙脱石等水敏性强的组份发生水化膨胀,泥岩层中原生的裂纹及裂缝被压开,在“水楔”作用下形成对套管的挤压作用,从而挤坏套管。三岩层滑动影响低渗透油田采取注水措施后,注水井中的注水压力将逐步上升。注入水进入两种岩性之间的界面后,摩擦角滑动摩擦系数减小,削弱其结合力,促使局部地层从高处向低处发生滑移,加速套管损坏。这种类型的套管变形多发生在注采井间压差大和地层倾角大的地方,纵向上多出现于泥岩/砂岩界面附近。第二章套损机理研究图浸水作用岩层滑动示意图 .丘陵油田属于地层倾角较大的背斜构造油藏。当岩石摩擦角小于地层倾角时,地层在重力作用下沿地层倾角具有下滑趋势。岩石摩擦角是岩石固有属性,与岩石结构、胶结力相关。岩石的摩擦角可用下式计算:姻叫/毒式中,是地层的自锁摩擦角,;是地层的孔隙压力,:是地层的垂向压力,;由式.可知,地层的孔隙压力越大,其地层的自锁摩擦角则越小。当地层的孔隙压力随注水压力而升高并与。相等时,也即岩石的摩擦角等于零。在这种情况下,倾斜的地层在重力作用下将沿着地层倾角发生下滑图.。地层发生下滑时,其剪切力为:式中,是地层下滑时的剪切力,;是地层的倾角,;是滑动地层的长度,;是滑动地层的厚度,;是地层的密度,/;是重力加速度。由式.可以看出,当地层倾角越大时,其剪切力越大,地层越容易发生滑动。假设注水井和注水井之间的距离为,注水井/与采油井之间的距离为,油层的厚度为,地层的倾角为口,地层由注水井向采油井方向发生“蠕动时,采油井中套管所受的剪切应力考为:%:一:? 一?矿式中,为套管外径,;,为井排距离,。中国石油大学华东工程硕士学位论文注水井 注水井采油井图.在重力作用下地层沿斜面下滑. 四注水压力增加注采压差、减小岩石抗剪强度岩石剪切强度表达式为:. 式中,为岩石剪切强度,;为岩石固有的剪切强度常数,;口为岩石的内摩擦系数;口为岩石受的垂向应力,。在注水过程中,注入压力升高导致地层孔隙压力升高,而岩石剪切强度则随着孔隙压力升高而降低。?%一式中,是地层的孔隙压力,。由式?可知,当地层的孔隙压力等于岩石的垂向应力时,岩石的剪切强度很小,在外力作用下很容易发生剪切破裂。综上所述,由于注入水的作用,在一定条件下造成套管变形的诱因主要有地应力、重力、孔隙压力以及泥岩膨胀体积力。在不同的区块、不同的开发阶段以及不同的油水井工作制度下,作用在套管上并使其发生变形的力是不同的,但只要其中一种力超过套管的强度,那么套管将会变形损坏,其变形方向为合力作用方向。丘陵油田所进行的压裂开发,产生多条大裂缝,加之自然的裂缝发育,产生注入水通过岩性界面窜入泥岩的通道并将储层切割为多个离散块体。油田注水开发后,主要是泥岩吸水膨胀造成套管变形和损坏。丘陵油田在泥岩段和岩性界面发生套管变形损坏的第二章套损机理研究井有,占全部套损井的.%。主要有三种类型:一是注入的高压水沿管外串通或浸人断层面并沿断层破碎带窜入泥岩使泥岩吸水膨胀蠕变,挤坏套管,有口井;二是高压注入水沿压裂酸化形成的通道通过岩性界面窜入射孔段附近的泥岩层而导致套管损坏,有口井;三是高压注入水进入生产层段后沿压裂酸化形成的通道窜入岩性界面,岩性界面的泥岩吸水蠕变膨胀后向射孔段释放应力过程中挤坏射孔段顶部或底部套管,有口井。丘陵油田有口套损井、个套损段在岩性界面发生,除了泥岩膨胀因素外,也可能与上下盘岩石滑动有关。在现场调查中发现,丘陵油田套损井主要集中在断层附近,陵二西区局部实施高压注水,加快了注水井套损速率,目前高压注水区套损率高达%,高于常压注水区套损率近倍。.固井质量造成套损现场统计结果发现,陵二西区套管损坏十分严重,套管损坏率高达.%。分析认为高压注水是主要诱发因素,但注入水从深部地层窜到上部七克台、三间房组地层界面泥岩段,则是固井封固质量差造成的。、.等三口井的套管变形部位发生在未射开的高压水层,这也是由于固井质量差引起的。.射孔造成套管损坏射孔会降低套管强度,从而加速套管损坏过程。射孔造成的套管损坏主要以抗外挤失稳强度降低系数和套管强度降低系数两个参数来进行衡量。抗外挤失稳强度降低系数套管射孔后在外挤压力作用下易发生失稳破坏,常以抗外挤失稳强度降低系数来进行衡量。射孔后套管临界挤毁压力为:盯 ?式中, 磁为射孔套管抗外挤失稳强度降低系数;为射孔套管临界挤毁压力,;盯为无孔实际套管临界挤毁压力,。不同布孔方案下的失稳强度降低系数?孔,仁四毯十乃?南悟“铆中国石油大学华东 工程硕士学位论文六孔布孔.愕岛豫.八孔布孔?十爿南心式中,为由塑性区影响折算为沿管长度方向孔眼尺寸增加系数;为孔直径,;为套管半径,;为两孔在母线上的距离,。研究表明:在相同射孔密度下,八孔及六孔布孔方案具有较高的;常规孔密孑/情况下,其磁值一般为.仙.;随孔数增加,系数降低;孔/时磁值为.,孔/时值为.。套管强度降低系数一般用强度降低系数酶来衡量射孔套管的剩余强度。酶等于有孔套管临界载荷与无孔套管临界载荷之比。套管在内压力和轴向力作用的剩余强度可用下式计算:内压作用?巧匕/?暝轴力作用 /?疋式中,正为套管屈服应力;、为两孔间距离在轴、轴的投影长度。当套管含有裂纹时,由裂纹也会造成套管强度降低,其降低系数值等于有孔无裂纹时临界应力与有孔含有裂纹时临界应力之比。由此,有孔、有裂纹时套管总的强度降低系数为:?.酶。式中,为射孔对套管强度的影响;为有裂纹存在对套管强度的影响。与未射孔管柱相比,套管射孔后强度平均降低.%.%,增效弹射孔后强度降低.%.%。丘陵油田采用增效弹射孔的井基本上都发生了套损,如井射孔投产后即发生了套损,.井射孔投产后半年套管变形。丘陵油田压力系数低,储层岩石具有强亲水性,水敏性较强,潜在裂缝发育,油层污染严重,井底积水是油井不能自喷和低产低效的主要原因之一,因此丘陵油田的射孔工艺主要是枪配弹深穿透射孔,注重解除污染、获得更高的产率比。射孔参数:负压值气举掏空井筒,灌油形成负压,相位角,螺旋布孔。弹孔密孔/,弹孔密孔/。丘陵油田投产射孔全部选择相位角,螺旋布孔。这是因为非均质系数/.第二章套损机理研究时,相位角和的产率比最高,见图.。.孔密孔/图孔密、相位角与产率比关系曲线 .另外,采用螺旋布孔格式时,油井的产率比最高,见表.。表布孔格式对油井产能的影响.孔/ 孔/门简单平面布 螺旋布孔格 简单平面布 螺旋布孔格孔滦参数相位角 相位角孔格式 式 孔格式 式。 . . 。 . .。 . 。 . .。 . . . . . 。 . .相关理论研究结果表明,孔眼格式、射孔相位角是影响射孔套管抗外挤强度的主要因素。在相同射孔密度、相同孔眼直径情况下,采用或相位角螺旋布孔方式对套管抗外挤强度的影响最小。采用相位角射孔时,孔眼直径、孔眼密度对套管抗外挤强度的影响在%以内图和图.。中国石油大学华东工程硕士学位论文套管抗挤强度降低系数孔密孔/米图孔密与套管抗挤强度降低系数关系曲线. 藿孔密孔/米图.套管抗挤压力与孔密关系曲线.丘陵油田口射孔段套损井全部采用相位角螺旋布孔射孔。丘陵油田在射孔井段和射孔段附近发生套损的油水井较多,有口井,占%。口井为/.套管,抗外挤强度为.,射孔后抗外挤强度降为.,增效射孔后降为. 。排除地层出砂因素外,射孔时固井质量好损坏小,固井质量差损害大;射孔时射孔弹药量多损坏大,药量少损坏小;射孔时孔数多损坏大,孔数少损坏小,尤其射孔成直线排列损坏更大。丘陵油田射孔投产时由于主要考虑解除污染、获得较高产率比,因此选择了相位角第二章套损机理研究。螺旋布孔,而未选择对套管抗外挤失稳强度和抗内压强度影响较小的。螺旋布孔。.地层出砂造成套管损坏地层出砂后在套管外壁形成空洞结构,在外力作用下向下滑塌形成不规则斜壁,使得由空洞处地层所承受的原始上覆地层压力部分或全部转移到套管上。该附加压力可能对套管造成强度破坏;另外,处于空洞位置的套管成为一根压杆,套管受力超过临界值时将失去平衡,使原本强度削弱的套管极易发生损坏。臀趟 与强 求慰 髭滑蓐秘闻敷力瞄蠡抄图套管受力示意图.。尚“竽产层娴式中,为产层压实量,;为套管应变。从图.可以看出,在段的套管轴向应力远小于套管屈服临界应力,由于水泥环、地层的横向支撑作用,套管在该部位基本上不会发生弯曲。在段的套管由于受横向力的作用而会发生弯曲变形图.,并且在中间位置套管弯曲变形达到最大值。中国石油大学华东工程硕士学位论文基毯型燃图.套管弯曲程度与横向载荷关系 .对套管组合应力的分析表明,套管应力在套管中间位置取得最大值和最小值。弯曲套管主轴到个外边缘变化为:一侧一直受压,另一侧由受压转为受拉,并且都呈线性变化图.。套管的局部拉应力已经超过其最小抗拉强度,考虑到射孔等因素的影响,套管即使不被拉断,其强度也大大降低,很容易发生变形和损坏。芒要文刨雹霹横訇均奄羧衙/?。图.套管两外侧点应力值与均布载荷的关系量。?至年月丘陵油田共发现口油井套管损坏,其中口井套损位置在.井段,该段对应层系是至的易出砂层,研究分析认为,这是由于生产压差过大造成地层大量出砂,导致套管损坏。另外,水井出砂情况也不容乐观,西山窑、陵二东、陵二中区为重点出砂区域,有口套损井出砂。井是一口典型的由于地层出砂造成套管损坏的井。该井由于大量出砂导致井壁坍塌,吐出大量砾石,造成.井段严重变形,套管缩径至,后用复式铣锥磨铣变形段.套管,尾管悬挂固井完井。.增产增注措施与套损的关系油水井增产增注措施是造成套管损坏的重要工程因素第二章套损机理研究丘陵油田为典型的三低油气田,实行的是整体压裂开发,压裂有效期一般为一天,随着油田开发的深入,生产井大多进行了重复压裂,并且大部分井进行的是大液量、高砂比水力压裂,压裂压力过高,达到或超出了套管的承受能力,造成套管损伤,压裂液到达泥岩层,造成泥岩吸水膨胀,膨胀后的体积应力作用于套管,也容易造成套管变形。在统计的口套损井中,有口井进行过压裂酸化措施,占套损井总数的.%。另外,统计发现,陵二西实施高压注水的注水井和其相对应的油井大部分发生了套管变形其中高压注水井套损 :。.套管抗外挤强度组合不合理导致套管损坏丘陵油田油层套管常采用./.组合形式。从统计的口套损井来看,其中有口井的套管变形损坏发生在采用套管的井中,占套损井总数的.%。陵二西区块三间房组地层的最大地应力为 ,最小地应力为 ,按照套,而.管设计原则,计算出的相当地应力为“.套管组合的抗外挤强度只有.,远远小于套管设计相当地应力。此外,在套管设计过程中忽略了泥页岩、盐膏岩、断层、高压异常区等地层产生的非均匀外挤力的影响,只考虑了垂向岩压的作用。丘陵油田所处的泥岩层纵向深度相对集中,岩层蠕变、滑移对套管产生的非对称挤力是上覆地层压力的?.倍。西.套管组合的抗外挤强度虽然达到了.,但也难抵抗非均匀载荷产生的外挤力作用,从而导致套管发生损坏变形。.环空处套管失稳造成套管损坏丘陵油田油层部位一般在之间,固井水泥返高在?,水泥返高以上套管外部无水泥环,在这种情况下,极易产生失稳造成套管破坏。由于套管失稳造成的套管变形位置大多在外部无水泥环处,所以以错断为主。表.为几口典型井的统计结果。井年投产后即发生套管错断,其它井套损时间分别为年、生个月、年和年个月。中国石油大学华东工程硕士学位论文.注水开发条件下断层的影响丘陵油田是一个复杂的断块油气田,丘陵构造为被断层复杂化了的不对称短轴背斜。背斜长轴近东西向展布,轴部较平缓,两翼呈南陡北缓不对称形态,南翼地层倾角度,北翼地层倾角度,由于受南北方向压扭应力作用,背斜轴部发生偏转,其轴线形如拉长的“形。丘陵构造断层十分发育,断裂纵横交错切割,正断层、逆断层和平移断层共存,且断距普遍较小,延伸长短不一,全油田共发育断层条。随着油田注水开发尤其是高压注水井的增多,套管损坏加快上升的趋势,断层的存在起到了决定性作用:一是当地层倾角较大时,注入水窜入岩层界或断层带,加大了上覆岩层对套管的外挤力;二是注入水进入断层界面后,使断层复活,造成岩层滑动而挤坏套管。表环空套管失稳套损典型井统计表.井号 井别 区块 套变层位 套损井段 井段岩性 水泥返高 套管级别 套损类型. 油井 . /. 错断陵二西 泥岩上. 油井 陵二中 . 泥岩 /. 椭圆变形上.,.油井 陵三 泥岩 严重变形上西山窑 上 . /. 破裂水井 泥岩. 水井 陵三 . 泥岩 /. 错断项丘陵油田口套损井统计资料表明,断层对丘陵油田套损造成的影响是巨大的,油水井套管损坏与其处于断层附近有直接关系。套损发生在断层附近内的套损井数有口,占统计套损井总数的.%,距离断层以内套损井有口,占统计套损井总数的%,只有口套损井距离断层以外。综上所述,丘陵油田套损的主要原因是地应力变化,而导致地应力变化的因素则是高压注水、泥岩蠕变膨胀、地层出砂、断层的存在等。另外油田大部分井采用套管强度低也是导致套管变形损坏的一个基本因素。第三章套损并预防及保护技术研究第三章套损井预防及保护技术研究.套损井预防方案.新建井套损预防方案提升套管钢级和增加壁厚预防套管损坏是最直接有效的方法,但还存在以下问题:成本增加;使用后套管还会不会损坏;不同钢级的高强度套管到底能抵抗多大的位移载荷。通过对套管柱在地层位移载荷作用下的受力和变形情况研究,根据现场套管的变形量可以确定地层的位移量,通过位移量可以计算出针对不同套管的载荷。反之也可以根据不同套管钢级的强度算出能承受地层的位移量。将地层位移载荷划分成三个阶段,在这三个阶段浸水域中的套管分别处于弹性变形状态、弹塑性变形状态及多种塑性破坏的状态,从而推导出以下两个近似公式:弹性极限点:“。.扣。.畸仃,积/., 忉.塑性极限点:甜,.万倒。.硝./,吒.,忉.通过对不同钢级套管的极限变形和能够承受的极限载荷进行计算得出下表数据。表不同材质的套管所能承受的位移载荷极限值. . .套管壁厚套管钢级 . . . . . .岩石参数位移载荷极限矿. . . . . .奶/. . . . . . . . . . ./. . . . .基于丘陵油田口套损注采井的统计结果,在固井封固段内套管变形量,其平均值大约为.左右,只有小部分到达了?的变形量。通过表.可以发现,若取中国石油大学华东工程硕士学位论文.的套管变形量,则丘陵油田采用 /.套管就可满足%的套管能够承受地层位移载荷的要求。对于位移较大的地层,考虑到非均匀外挤力以及井下作业措施压裂酸化的影响,建议采用 /.或套管。表 套管与././.套管强度对比././. 型号 外径 内径 壁厚 扣型 抗拉 屈服 抗内压 抗挤强度衄 强度 。强度 强度小 渊. . . 长圆扣. . . . .长圆扣. . . .偏梯扣套管是非标准套管,目前国内套损严重的油田如大庆、中原等已将其用于新建井而作为一项重要的套损预防措施。.套管保护及套损预防技术通过丘陵油田套管损坏原因的分析,针对不同因素如腐蚀、注采不平衡、酸化压裂、完井方式、地层出砂等对套管损坏的影响程度和规律,选择适合于不同油藏类型和不同开发阶段的套管管理技术。钻井过程中的套管保护技术有针对性选择套管,针对各种地层,选择合适钢级的套管,而不是一口井选择一种套管。套管接箍保护。使用套管接箍保护环和扭矩监控技术,以保护套管接箍。固井过程中的套管保护技术采用高强度水泥固井,提高凝固后水泥环强度,严格施工监控,保证高质量固井。采用新的完井、固井技术,解决漏失、地层压漏等问题。采用套管外封隔器,防止注水泥后因水泥候凝失重时高压流体向低压层的倒灌。优选压裂酸化措施在进行压裂酸化过程中,为减少套管受施工压力高、酸液腐蚀等因素的影响,可采用外加厚油管/.、 型可洗井式压裂封隔器,控制施工排量在./左右,施工压力最大不超过,采用油套环空注清水维持平衡压力措施,套压控制在第三章套损井预防及保护技术研究左右,从而有效防止压裂过程中对套管造成的损坏。酸化过程中防止酸液进入封隔器以上的油套环空,最大程度上减少酸液对套管的腐蚀。生产过程中预防套管损坏采用先进的防砂方法。对于出砂严重的油层,应做好前期人工井壁化学防砂措施,在生产过程中采用筛管防砂,防止油层出砂而造成套管损坏。控制注水压力。注水压力不高于地层最小水平主应力,应控制在原始地层压力以上.范围以内。在注入水中可添加粘土稳定剂,防止吸水膨胀。合理控制生产压差,保持注采乎衡,是预防套管损坏的关键措施之一。减轻修井作业造成的损伤。为减小修井作业过程中封隔器对套管的损坏,可采用小吨位封隔器;通过打丢手或桥塞等措施简化生产管柱减少坐封次数;通过联作工艺减少管柱起下次数,进而减少对套管的磨损。.注水井套管保护技术丘陵油田注水井套损率高达.%,根据高压注水井、断层附近注水井易套损的特点,合理的注水压力控制,合理布局注水井网分布是控制构造应力场的一个有效的方法,使断层作用力趋于平衡,避免由于注水引起的断层作用力不平衡而发生错动;控制注水压力,注水压力不得高于注水层的最小主应力。.顶封保护技术对注水井实施油层顶部封堵是注水井套管保护的有效措施。.封隔器水力锚可以有效控制由于虎克效应、压力效应、温度效应所产生的管柱伸缩蠕动,避免封隔器密封失效,甚至封隔器在井下自动解封的发生,有效保护射孔段以上套管。一般分注井工艺管柱:常采用.封