套管损坏机理及预防措施研究

套管损坏机理及预防措施研究

【摘要】套损相关理论研究对油气田开采有重要作用，通过调研国内外相关文献，总结出了套损的机理，并在套损成因的基础上提出了多种预防措施，指明了套损井研究的不足与今后发展方向。【关键词】套管损坏预防措施发展方向

多年来国内外很多学者都开展了套管损坏的机理研究，而国内外油田开发实践表明，套损现象非常普遍。由于油藏自身地质情况不同，不同井的钻井情况及后期开采工艺不同，导致套管损坏的形式及机理具有复杂性和多样性。国内外套管损坏严重，如美国贝尔利吉油田1000多口套损井，大庆油田累计发现万余口套损井，套管损坏带来巨大经济损失，影响油气开发后续工程，套损问题已成为国内外油田开采过程中急需解决的问题。

1 套管损坏的原因

导致套损现象有多方面的原因，比如岩石自身的化学、物理变化，层间滑动或沿结合面滑动，套管材料或套管固井质量，施工质量以及开发管理的规范与否等。主要包地质因素、工程因素、腐蚀因素等。

（1）泥页岩中浸水区域：若当注水压力较高时，注入水一方面从泥岩或者页岩的裂缝（原生和次生）浸入，另一方面从砂泥岩交界面浸入。如果泥页岩浸水，抗剪强度、摩擦系数都会大幅度降低，并且泥页岩本身富含吸水矿物如蒙脱石等，这样会导致岩体体积发生膨胀，泥岩处于塑性变形状态，若此时具备一定倾角，岩体会发

生蠕动或者塑性流动，最终挤压套管，导致套损现象发生。

（2）流固-耦合作用：指渗透性岩石中自身的流体和岩石本身骨架之间发生的相互作用。岩石中孔隙压力和流体的改变会引起储层所处应力场的改变，进一步使流场特征发生变化。若流体在岩体流动，岩石骨架应力变化会随着孔隙压力的变化而变化，从而引起地层的变化（压实或膨胀），此时储层的物性（孔隙性和渗透性）将发生变化。套损现象的发生是岩石中流体，地应力以及岩石特性相互作用导致的。

（3）不同区块间孔隙压差：造成区块间孔隙压差的原因主要包括平面上的不均衡注水和钻井的调整。处于高孔隙压力的区域有效应力减小，反之增大，从而产生差异应力场。若应力差异是水平的，泥页岩就会发生较大规模的滑动，从而引发套管损坏。

（4）高压注水时砂岩的垂向变形：通过分析计算在高压注水的条件下，砂岩垂向变形特征以及在拉应力作用下套管性能变化，分析表明：砂岩层段，高压注水时使砂岩出现垂向膨胀，套管承受更多附加拉应力，附加应力增加必然导致套管自身抗压强度的降低，平面上差异应力使得套管损坏。

（5）注水条件下有效地应力的减少：研究表明只要岩石中有连通的孔隙系统，岩石中也适用太沙基有效应力定律。岩石孔隙中的流体降低了岩石抗剪强度。若为砂岩油气层，注水导致孔隙压力增加，流体所产生的孔隙压力越大，岩石骨架所处的有效应力变小，从而降低岩石的抗剪切强度，油气层更易产生局部滑动，套损的几

率越大。若注水沿裂缝浸入至泥岩，或泥岩吸水产生憋压，这样一方面导致泥岩骨架的有效应力减少，另一方面会导致泥岩的内摩擦系数以及内聚力迅速减小，使得泥页岩层的抗剪强度大幅下降，从而产生剪切滑动。

（6）地应力集中：任一物体内，某点所处三维应力远远大于相邻点，这种现象就是应力集中。应力集中主要发生在受力物体力学性质或者形状变化的地方。很显然，套损现象最容易发生在应力集中区，套管损坏的井实际上就是应力集中点，套损层位也可以认为是应力集中层位。针对同一油气田开发区块，随着开发后期注水程度的增大，应力集中现象更加普遍，主要发生在：构造结合点；断层两端以及尖灭处；断层的转换带；断层的交叉部位；地层较软区域；岩体尖灭处以及裂缝发育部位等等。若为高压异常层或者憋压地层，亲水矿物会导致地层岩性强度的变弱，此时围岩封堵产生应力集中，应力集中达到套管所能承受的临界值就会发生结构性破坏。一般情况下，注水井处应力集中现象先于采油气井，因此注水井先发生套损。

研究表明：套管所能承受的应力极限大约为40mpa左右。套损发生的主要原因是套管外壁的应力集中。我们把地层骨架应力集中称一次应力集中，而套管周围产生的应力集中称为二次应力集中。二次应力集中的原因是岩石与套管一级管外水泥环三者之间的力学性质不同。他是应力不断传导、不断加强，最后作用于套管外壁的必然结果。二次应力集中强度和岩石剪切模量一级套管剪切模量之

比μ/μ1成正比关系，套管外壁应力集中更大，一般达到地应力的四倍以上，通过分析我们知道若应力集中达到12mpa，作用在套管上的应力可能大于48mpa。

（7）孔隙压力差作用：注水井的井底周围的孔隙压力要高于生产井，从而形成孔隙压力差。如果储层为低渗透储层或者注水井周孔隙被堵塞，注入水很难渗透到油井，导致注水井井底压力要高于油井，形成孔隙压力差，作用在岩石骨架上，当孔隙压力与上覆层压力接近时，这个作用力一旦大于岩石剪切强度时，局部的地层将在孔隙压力差的推动下从注水井或高压块向着低压块或油井方向

滑动，处于滑动地层中的那部分套管将被推挤损坏。

（8）层间滑动：层间滑动产生的剪切作用导致油水井套管损坏。剪切滑动引起套管损坏是由成层岩体的自身力学结构所决定的，变形、破坏往往发生在岩体中强度最薄弱的部位，该部位是软弱力学结构面发育的地方。

2 套管损坏预防措施

由于套管的损坏对石油行业有很大的影响，所以对于套管的损坏，对应的预防措施很多，主要有以下几个方面的措施：

钻井过程套管保护技术：

（1）搞好套管柱结构设计，抗拉、抗挤强度设计时注意满足复杂井段的抗挤强度的需要；应用特殊厚壁套管或双层套管来提高复杂井段套管的抗挤强度。

（2）提高钻井工程质量，减少井眼狗腿脚和井径扩大率；严格

控制套管上扣的扭矩。

固井过程套管保护技术：选用高强度优质水泥；合理设计注水泥参数。射孔过程套管保护技术：优化射孔参数，采用双复射孔器。井下套管检测技术：超声波井下电视仪、磁记忆检测技术。油水井套管防腐技术：应用杀茵剂和缓蚀剂；采取阴极保护技术。

3 结束语

套损机理主要包括：泥页岩浸水域引发套损；流固-耦合作用引发套损；区块间孔隙压力差异引发成片套损；高压注水时砂岩垂向形变导致油层部位套损；注水条件下有效地应力减少导致套损；地应力集中导致套管损坏；层间滑动导致套管损坏；孔隙压力差作用导致套管损坏。从钻井、固井、射孔等方面得到了套损的防护措施。