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1、注水开发油田套管损坏 机理及防治措施,报告人：张 士 诚,汇 报 内 容,套管损坏形态套管损坏机理套管损坏保护措施对套管损坏的认识套管损坏预测方法,一、套管损坏形态,1、套管变形2、套管破裂3、套管错断4、腐蚀穿孔5、套管密封性破坏,套管变形,套管受不均匀外挤力造成椭圆变形示意图,套管变形,径 向 凹 陷 示 意 图,套管变形,严重弯曲变形示意图,套管错断型,套 管 错 断 示 意 图,套管错断型,坍塌型套管错断示意图,二、套管损坏机理,（一）地质因素（二）工程因素（三）腐蚀造成套管损坏,1、泥岩吸水蠕变和膨胀造成套管损坏2、油层出砂造成套管损坏3、岩层滑动造成套管损坏4、断层复活造成套管损坏
2、5、盐岩蠕变、坍塌和塑性流动引起套管损坏6、地震活动造成套管损坏7、地层压实造成套管损坏,（一）地质因素,1、泥岩吸水蠕变和膨胀造成套管损坏,泥岩特点：不稳定的岩类，当注入水进入泥岩层后，改变了岩石的力学性质和应力状态，抗剪切强度和内摩擦系数大幅度降低，使岩石产生变形和位移。原因：泥岩吸水软化，成岩的胶结力逐渐消失，吸水后体积膨胀2.58.5倍（平均为5倍），在非均质地应力作用下，岩石蠕变对套管产生一个非均匀的外挤力，使套管变形或错断。,泥岩吸水蠕变和膨胀造成套管损坏,泥岩吸水蠕变和膨胀造成套管损坏特 点,主要发生在泥岩段在未射孔段套管椭圆形变形多表现为零星井套管损坏（注水井为主）,2、油层出
3、砂造成套管损坏,原因：油层出砂后，在炮眼附近地层形成空洞，出砂严重时将会在整个射孔段形成空洞或坑道，随开采强度增加空洞的半径也增加。而油层上覆地层的压力主要靠油层来承担，当上覆层压力大于油层孔隙压力时，地层应力平衡破坏，有相当一部分应力将转移到套管上，造成套管损坏。,油层出砂造成套管损坏特 点,弯曲、变形、错断主要发生在射孔段（出砂段）或以上的地层内 阿塞拜疆石油研究所研究结果：80口出砂套损井，其中40口在衬管部分、36口在衬管上部，仅有4口在衬管下部。,3、岩层滑动造成套管损坏,原因：（1）层理发育的页岩层浸水后，由于进水阻力小，很快形成浸水域，在区块压力差或地层倾角产生的地势压差等作用下
4、，岩层成片滑动，剪切套管。（2）注采压差推动岩层滑移：对低渗透或注水井周围地层堵塞情况，注采井间压力差距大，可能会导致局部地层在孔隙压力作用下向油井方向滑动，损坏套管。,岩层滑动造成套管损坏特 点,套管损坏以剪切错断破坏为主套管损坏成片发生低压区的油井比高压区更易损坏相邻套损井发生在同一层,4、断层复活造成套管损坏,断层复活原因：地层升降、地震、高压注水 高压注水：一方面使地层孔隙压力提高，改变了原始地应力场，引起地应力不平衡；另一方面注入水进入断层接触面，造成接触面泥化，致使层面胶结力和内摩擦力趋于零，大大降低抗剪切力，在上下盘压差或重力作用下，断层滑动，剪挤套管。,断层复活造成套管损坏特
5、点,断层一旦复活，断层附近的井将出现成片套管损坏，而且损坏程度严重；一般以错断、坍塌为主套管损坏位置与断层深度基本一致,断层复活造成套管损坏,巴拉哈内萨布奇拉马宁油田套管损坏情况,5、盐岩蠕变、坍塌和塑性流动引起套管损坏,盐岩造成套管损坏的原因：盐岩层的蠕变、坍塌、塑性流动（1）盐岩是一种晶体，在深层高温高压下会发生塑性流动，甚至会发生连续流动，对套管产生挤压和剪切；（2）注入水进入盐层后，对盐层的浸泡溶蚀形成空洞、坍塌，对套管产生挤压。,6、地震活动造成套管损坏,特点：在时间上，套管损坏数量与地震频次表现为同步增长，套损数量随地震强度增加而增多。,地震活动造成套管损坏,7、地层压实造成套管损
6、坏,原因：高压异常油层在开采过程中，油层压力的大幅度下降，将导致开采层和相邻泥岩和油层的骨架变形，地层压实，使套管发生严重变形。特点：多发生在油井，以弯曲、错断为主,（二）工程因素,1、管材质量问题2、固井质量问题3、射孔对套管损坏的影响4、井位部署问题5、注水不平衡6、大型增产措施造成套管损坏,1、管材质量问题,套管本身存在的微孔、微缝，螺纹不符合要求，以及抗剪、抗拉强度低等质量问题都会导致开采过程套管损坏；套管管体尺寸精度，如：套管圆度、壁厚不均匀等不合格也会影响套管强度。当套管不圆度达1.442.0%时，其抗挤临界压力降低2236%；壁厚不匀度达1020%时，抗挤临界压力降低815%。,
7、2、固井质量问题,固井质量不合格将严重影响套管寿命,3、射孔对套管损坏的影响,原因：一是外挤力引起射孔套管失稳破坏；二是由轴向拉力和内压力引起的套管强度破坏。,射孔对套管损坏的影响特 点,多发生在射孔中部和与非射孔段相交处无枪身射孔损伤最大常规射孔密度10孔/米、12孔/米，套管抗挤压失稳强度降低45%，抗内压强度降低10%；射孔密度30孔/米时，抗挤压失稳强度降低10%。射孔成直线排列时强度降低最大，螺旋式排列时对强度影响不大。,4、井位部署问题,断层附近地区部署注水井，容易引起断层滑移，导致套管严重损坏；注水井成排部署，容易加剧地层孔隙压差的作用，增大水平方向的应力集中程度，会导致成片套损
8、井的出现。对策：将行列注水改成面积注水,5、注水不平衡,层间非均质导致高渗透层成为高压区，低压层成为低压区，层间压力差的加大导致地层变形和套管损坏；注水开发油田改变开采方式，导致地层压力大起大落，岩体出现大幅度升降，导致套管变形；高压注水导致泥、页岩层吸水，加快套管损坏。,大庆油田南二区西部套损与注水压力关系曲线,杏一至三区丙北块套损与注水压力关系曲线,6、大型增产措施造成套管损坏,压裂用支撑剂通过炮眼使射孔孔眼不规则扩大，降低套管强度；大型压裂施工，井底压力有时高达100多MPa，超过N80套管抗内压强度，导致套管破裂；酸化排液不彻底腐蚀套管。,（三）腐 蚀 造成套管损坏,套管腐蚀根源：套管
9、本身、活性介质、腐蚀条件套管本身：是由含Fe原子的金属组成，失去电子后变为Fe2+离子活性介质：原油中的硫、天然气中CO2、H2S、地层水中的盐类、结垢、溶解氧，酸化的酸液。腐蚀条件：温度、压力、Fe2+离子浓度、地层水中的还原菌等。,腐蚀造成套管损坏,1、电化学腐蚀2、化学腐蚀3、细菌腐蚀4、结垢腐蚀,1、电化学腐蚀,电化学腐蚀是油田套管损坏最普遍的腐蚀形式，电化学腐蚀是由内部离子交换引起的，需要具备两个条件：存在不同金属和电解质。不同金属：套管与套管、套管与接箍，甚至同一根套管不同成分 电解质：高矿化度水,电化学腐蚀主要因素,主要是溶解氧、CO2、H2S溶解氧：是最突出的套管腐蚀因素，Fe
10、的腐蚀大部分是由氧和水共同作用的结果。Fe的腐蚀速度随溶解氧含量的上升而成直线上升，而且对铁细菌、CO2和其它腐蚀因素的腐蚀有加速作用。,电化学腐蚀造成套管损坏,密封挂片水中的细菌腐蚀分析结果,电化学腐蚀造成套管损坏,CO2、O2含量与腐蚀率的关系,电化学腐蚀CO2腐蚀作用,当水中存在游离CO2则形成H2CO3，电离后生成极化剂H+，产生氢去极化反应。水中CO2含量越高对套管的氢极化腐蚀越强，特别是当CO2分压大于0.1MPa时，碳钢的坑腐将非常严重，腐蚀穿透率达10mm/年(气井)。,电化学腐蚀H2S腐蚀作用,原因：H2S在水溶液中电离生成H+，由于HS-，S2-及FeS的存在加速了H+放氢
11、，并加速H+吸附在金属表面，继而进入金属晶格内，在晶格间隙和夹杂物内原子氢聚集，结合成分子，体积增大很多倍，从而在金属内产生巨大应力。,电化学腐蚀H2S腐蚀作用,表现：（1）低强度套管：在管体夹杂物或缺陷处鼓泡产生氢诱发微裂缝或阶梯式的微裂纹，降低套管强度；（2）高强度套管：使金属晶格变形，产生硫化物应力腐蚀开裂，也就是使钢材变脆，断面裂纹为脆断氢脆。（3）酸蚀套管失重腐蚀,电化学腐蚀造成套管损坏,软钢在不同浓度H2S水溶液中的腐蚀速度套管失重腐蚀,套管失重腐蚀实验,当H2S浓度从2ppm增加到150ppm时，腐蚀速度迅速增加，到400ppm时达到最大值；当H2S浓度增大到600ppm后，腐蚀
12、速度反而下降，大于1600ppm时腐蚀速度不变。,电化学腐蚀实例,大庆油田浅层套管损坏：明水组以上水中含有碳酸根离子，发生电化学腐蚀造成套管穿孔；长庆油田浅层套管损坏：浅层水中含有CO2等离子，挂片腐蚀最大速度为1.12mm/年。,2、化学腐蚀,化学腐蚀是指套管与腐蚀性物质之间发生化学反应，不产生明显的电压。腐蚀性物质主要是酸酸化活酸和残酸，腐蚀速度与酸浓度、酸液类型和温度、压力有关。发生在套管内壁,化学腐蚀,温度与腐蚀速度的关系曲线,化学腐蚀,压力与腐蚀速度的关系曲线,化学腐蚀 实 例,江汉油田浩1-9-3井酸化后，由于残酸未排尽，68天后井下21根油管及井下工具全部报废，腐蚀井段长达250
13、m。另外有很多井酸化后在射孔段出现套管损坏。,3、细菌腐蚀,以铁细菌、硫酸盐还原菌为主，在有氧条件下（4060度），铁细菌繁殖较快，铁细菌有助于亚铁盐的接触氧化，并促使电化学腐蚀；硫酸盐还原菌在一定条件下产生H2S，加快套管腐蚀。吉林乾安油田在井底不加杀硫酸盐还原菌药品，通过挂片测定其腐蚀速度为0.52mm/年。,4、结垢腐蚀,结垢是指腐蚀产物如FeS、FeCO3、FeO等铁化物，以及套管表面的沉积物CaCO3、MgCO3、CaSO4、BaSO4等，它们不均匀附着在套管表面，当有O2、H2S、CO2介质存在时，将在垢下形成电化学腐蚀。其腐蚀均为孔蚀，严重时穿孔。,三、套管损坏防护措施,1、提高
14、套管抗挤压强度2、防止注入水窜入软弱地层3、防止油层出砂4、套管防腐,1、提高套管抗挤压强度,严格套管检查和地面保护采用高强度套管（易发生损坏的井段）改进套管设计（抗内压、外挤压强度计算）采用壁厚、小直径套管采用双层组合套管改善射孔工艺，减少射孔对套管抗挤压强度的影响采用预应力套管完井（稠油热采井）,2、防止注入水窜入软弱地层,提高固井质量保证层间互不相窜固井时在油层顶部下管外封隔器避免高压注水，保持地下压力平衡（层间）压裂改造时防止垂直裂缝延伸到软弱地层合理设计注采井网维持合理注采压差（层内）,3、防止油层出砂,绕丝筛管砾石充填防砂滤砂器防砂方法预胶结砾石尾管防砂丝筛管防砂不锈钢棉防砂管内预
15、充填砾石筛管防砂稳定砂桥防砂热力防砂正压射孔树脂充填防砂,4、套管防腐方法,阴极保护化学防腐涂层防腐石油专用套管低密度全返程水泥用高h值泥浆减少与腐蚀介质的接触,四、对套损机理的认识,1、泥、页岩大量浸水并形成浸水域是引起套管损坏的主要因素。泥岩浸水膨胀、蠕变造成的往往是单井套损；页岩浸水后岩层成片滑动，造成的是成片套损。固井水泥返高一般应控制在泥页岩层以下。,对套损机理的认识,2、非均匀注水引起地层内孔隙压力不均衡是套管损坏的主要条件之一。同一区块平面上或纵向上出现高压、低压区，高压区岩石骨架膨胀使外围岩体受压而上抬，低压区岩石骨架收缩使外围岩体受拉而下沉，这种岩体的垂向升降易造成套管拉断。
16、,对套损机理的认识,3、由于断层部位稳定性差，三向地应力集中，注入水易造成断层两侧地应力失去平衡，应力集中加剧，导致断层活动，使钻遇断层的油水井套管损坏严重。4、注水开发油田套管损坏与注水压力关系密切，实际注水压力上限不应超过射孔顶界上覆岩层压力。,五、套管损坏机理研究方法,原则：四个相结合 理论分析与矿场实际、地质条件与工程因素、点与面、层间与层内。,研究思路,1、套损井分类 进行充分的矿场调研：套损井的类型、层位、井位、深度、完井方式、固井质量等，在此基础上对套损井进行分类，以便确定合理的套损机理。,研 究 思 路,2、套损机理研究 根据不同的套管损坏类型，分别建立相应的预测模型（单井、平
17、面），采用流固耦合方法对各类套损井的破坏时间、条件、类型等进行拟合预测，以便确定预测模型的科学性和适用性。,研究思路,3、套损井预测和预防措施（1）套损井预测：应用建立的单井和区块套损井预测模型，结合油田地质条件和现有的生产条件，对不同区块进行层间、层内地应力场、孔隙压力场的预测，确定发生套管损坏的生产条件、损坏时间和井位、井段等，为合理控制套管损坏提供科学依据。,研 究 思 路,（2）预防措施：对易发生套损区域内的生产井提出合理的开采方式和开采条件（注采压力差、各开发层地层压力保持水平、注水压力界限等）；对易发生套损的井段提出相应的保护措施，对待钻井提出合理的套管和固井、完井设计方案（局部加强）。,谢 谢 大 家！,
