注水井套管损坏原因分析及预防措施

摘要：根据某油田地质特征和注水开发套管损坏的特点，从泥岩吸水蠕变、砂岩膨胀等方面分析油田套损形成的原因，并提出了综合预防及治理措施。实际表明，注入水进入地层后，在砂岩垂向膨胀、轴向拉应力和泥岩径向挤压载荷的作用下，使套管发生变形损坏。采取合理注入压力、选择合适套管等级、调整注采井网、控制注水压力和工艺措施是预防套损的有效手段。

关键词：套管损坏注水开发蠕变砂岩膨胀

某作业区从2007-2011年共发现注水井套损井70口，套损井主要为水井。从现场验证的情况来看，其中套损形式以变形为主共有49口，占70%，其次是错断17口井，占24.3%，其次还有套管破裂、外漏、拔不动。大部分套损井为多变点、长井段损坏，其中断层附近的套损井所占比例较大，且套损程度比较严重，大部分套损点位于射孔井段内夹层部位或顶界附近。

1原因分析

1.1泥岩段套管损坏分析

（1）注水诱发泥岩段套管损坏的基本原因。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，挤压造成套管损坏。当注水井在接近或超过底层破裂压力注水时，大量高压水便窜入泥岩隔层、地层界面引起物质、地层因素变化，对套管产生破坏力。不平稳注水使地层经常性张合，导致套管周围的水泥环松动、破裂，注入水得以沿破裂的水泥环窜至泥岩层，使注入水与损坏段外泥岩充分接触。

（2）由于地下岩层非均匀地应力存在，当注入水进入泥岩层，破坏了其原始的含水状态，使泥岩层出现侵水软化，产生了蠕变变形，从而在套管周围形成了随时间变化而增大的类似椭圆型的径向分布非均匀外载，要忽略水泥环的作用时，这种载荷在最大地应力方向将超过该深处的最大主地应力值，而在最小地应力方向低于该深处的最小主地应力值。

套管周围蠕变外载的分布形式用椭圆形表示，一般情况下，套管周围椭圆形蠕变外载的分布规律可表示为：

，（1）

套管外载的最终值与地应力成正比，比值以K1、K2表示：

； ，（2）

式中： ―套管所受的径向蠕变外载力，MPa； ―与最大水平地应力方向的夹角；S1、S2―与试验条件与岩石性质有关的常数，MPa； 、 ―最大、最小水平主应力，MPa； 、 ―与最达主应力成00方向900方向的套管外载的最终稳定值，MPa。

，（3）

公式表明，这种载荷载在最大地应力方向将超过该处的最大主应力值，而在最小地应力方向低于该处的最小地应力值。与均匀外压相比各种套管抗非均匀外压的强度要低得多。“等效破坏载荷”是在椭圆形外载条件下，当外力达到某一临界值时，套管发生弯曲变形被挤扁。套管强度降低的程度取决于椭圆形载荷的比值K，K值越小，强度降低得越多。

1.2砂岩段套管损坏分析

高压注水时，如油层物性差，油水井间连同性不好，就会在油层附近蹩起高压。蹩压作用使岩石骨架膨胀，吸水层厚度增加，引起砂岩层局部发生垂向膨胀。对倾角很小的砂岩层来说，厚度变化量可用美国学者根据含油砂岩室内试验推导的理论公式来描述。

，（4）

式中： ―砂岩吸水前后地层压力变化量值，MPa； ――吸水砂岩厚度，m； ―砂岩的体积压缩系数，1/MPa； ―砂岩原始空隙度，无因次。

对于注水后砂岩的厚度变化为

，（5）

式中：P0―砂岩层原始地层压力，MPa；P1―砂岩层吸水后空隙压力，MPa。

一般认为，长时间大面积注水，井底周围空隙水压等于注水压力。在高压下，岩石骨架膨胀，当水泥环胶结良好时，穿过该油层的套管随之伸长，因而对套管产生了较大的附加拉应力。假设套管的伸长量等于砂岩的厚度变化，根据材料力学理论，可求出相应的拉应力

，（6）

式中： ―材料的应变，无因次；E―杨氏模量，MPa。

将（5）式代入（6）式，得

，（7）

在附加拉应力作用下，对套管柱进行受力分析时，应取管体抗拉强度和接箍抗拉强度的较小者作为抗拉强度极限。当岩石骨架膨胀对套管产生的附加拉应力超过所用套管强度时，套管将被拉断。在实际注水井中，由于射孔井段一般都是砂岩和泥岩的混层，注入水进入地层后，引起砂岩垂向膨胀，使套管承受附加拉应力，降低了套管的抗挤毁强度，在泥岩蠕变引起的径向挤压载荷的作用下，套管发生变形损坏。

2综合治理

2.1防止注入水窜入弱夹层

注入压力限制在地层微裂缝以下。注入压力应以满足注水量，防止套管损坏为合理注入压力。加强注入水质配伍研究，控制注入压力过高。定期对高压注水井采取洗井、防膨及解堵措施，防止各种因素造成地层污染。

2.2提高套管抗挤强度

完井采用高钢级、大壁厚的套管。对容易发生变形的岩层段，普通N80/139.7难以承受不均匀地应力的挤压。油田开发前要准确测定地应力值，选择合适的套管等级和壁厚。在易发生套管损坏的泥岩带下双层组合套管，或下入壁厚大、强度高的套管。

2.3调整注采井网、控制注水压力

当现有的注采井网注入水压力达到一定值，无法满足油田配注要求时，可以通过调整注采井网，加密注水井来控制降低注入水压力，防止高压注水导致的套管损坏现象。

2.4工艺措施

对于套损井，加强新工艺研究，提高小套管、套管补贴等工艺的研究力度，找到能够满足油田需要的成套技术，延长已套损井的生产寿命，达到更好的经济效益。

3结束语

套管损坏多发生在注水井，泥岩层吸水蠕变与砂岩层发生垂向膨胀，使得套管难以承受较大的非均匀挤压力，导致套管损坏。研究新工艺，对现有的工艺进行改造，以达到适用于油田具有经济效益的工艺措施。

参考文献：

[1] 王仲茂.油田油水井套管损坏的机理及防治[M].北京：石油工业出版社，1994-04：61～84.

[2] 胡博仲，徐志良.大庆油田油水井套管损坏机理及防护措施[J].石油钻采工艺，1998，24(5)：95～98.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。