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1、华北油田套损现状及油层套管上窜机理探讨,汇报人：王海军,中国石油华北油田采油工艺研究院,目 录,概况套变、套损分析套管上窜分析结论,截止到2002年底，据不完全统计，华北油田共发现套变、套损和上窜井779口，占油田总井数的12.9%。套损形式包括套管上窜、变形、错断、缩径、破裂及漏失等。其中套变、套损井442口，占总套损井的56.7%；套管上窜井337口，占总套损井的43.3%。同时，华北油田油井套管损坏程度要比水井套管损坏程度严重，油井套损643口，占总套损井的82.5%，水井套损136口，占总套损井的17.5%。,1.概况,华北油田各采油厂套损井比例,从已发现的套变套损井的情况来看，除近几
2、年新投入开发的断块外，各油田都有一定数量的套变套损井，前期开发的老油田情况更为严重，套变、套损井主要集中在采油四厂的京11断块，采油五厂的晋45断块，二连阿南油田的阿3、阿11、阿31断块和哈南油田的哈301、哈24断块。,2.套变、套损分析,油田分布特点,华北油田部分断块套损状况图,由此可见，华北油田套管损坏井段大多发生在泥岩地层和砂岩地层，部分发生在膏盐地层。,2.套变、套损分析,套损井岩性分布,通过对华北油田440口套损井统计，套损形式主要有套管变形、弯曲、错断及破裂漏失等四种。,2.套变、套损分析,套变套损形式,二连：95年36口，01年25口五厂：93年16口，94年15口四厂：97
3、-98年10口/年，01年16口,2.套变、套损分析,套损发现时间,由于套变套损井都是在作业中发现的，所以套变套损井井数与每年的作业次数也有直接的关系。以二连油田为例，9496年发现套变井数占作业井数的比例分别为12.8%、15.2%和12.6%，0102年发现套变井数占作业井数的比例分别为8.0%和8.9%，均高出其他年份，即出现了两个相对高峰值。,2.套变、套损分析,套损发现时间,2.套变、套损分析,套损完好时间,根据对采油三厂、采油四厂、采油五厂和二连公司的351口井统计，从油水井投产、投注到发现套变、套损时间最长的是采油三厂，套管平均完好时间为12.1a，时间最短的为采油五厂，平均完好
4、时间为3.6a，总平均7.8a。,原因1：膏盐层的“塑性”流动造成套管损坏 采油五厂荆丘油田的晋45断块膏盐地层主要成份为膏岩、盐岩和页泥岩。在钻井过程中，膏盐层井径扩大率过大，井眼曲率过大，造成井径不规则使固井形不成均匀水泥环，这样地层“塑性”流动就会对套管柱施加非均匀“点载荷”，从而对套管局部的挤压力超出套管的抗挤压力，造成钢级为P110、壁厚为10.54mm的高强度套管发生变形，甚至挤毁。,2.套变、套损分析,套损原因分析,原因2：油田“双高”注水导致套管损坏 1)泥岩蠕变造成套管损坏 注水开发后，注入水通过断层、岩层界面、窜槽等侵入非注入泥岩层。泥岩属于不稳定岩体，被水润湿后胶结强度大
5、大降低。随着水的继续入侵，胶结力逐渐消失，其内聚力随泥岩含水增多而下降，改变了泥岩的力学性质和应力状况，使泥岩层产生位移和变形从而挤压套管，造成套管的错断或变形。,2.套变、套损分析,套损原因分析,2)断层的存在导致套管损坏 位于断层附近的注水井在高注水压力的作用下，部分注入水通过断层面导流到其它中、高渗透层，或渗透到泥岩层，致使部分断层表现出明显的“导水”现象，注入水沿断层面窜流，而侵入到上下泥岩层中，引起泥岩的膨胀蠕变，产生非均匀载荷挤压套管；另一方面，断层导水使断层侧面被“润滑”，磨擦角变小，容易发生侧移，对套管产生剪切作用，而使套管遭到破坏，破坏特征为弯曲变形。因此，断层导水造成断层附
6、近油水井套变、套损。,2.套变、套损分析,套损原因分析,原因3：射孔削弱套管强度导致套管损坏 射孔完井是油田重要的完井工艺，但射孔对套管强度有很大影响。由于射孔后套管强度降低，导致油井套管损坏。一是由于射孔后，套管孔眼周围将产生不同长度的纵向裂纹，裂纹将产生应力集中，又加快裂纹的发展，同时，裂纹区易加快套管腐蚀，也严重降低了套管强度。二是设计套管柱时，忽略了生产层射孔的问题。因此，在套管柱强度设计本来就不富余的情况下，因射孔对套管带来一定的伤害，加速了套管的损坏。,2.套变、套损分析,套损原因分析,1、采油五厂荆丘油田的膏盐地层，采用双层组合套管工艺缓解非均匀载荷对套管产生的外挤作用力，预防套
7、管损坏见到了明显效果。2、针对高注采比、高压注水引起的构造断层复活、移动及泥岩层的蠕变、滑移造成的油水井套管损坏现象，进一步调整开发方案，降低注采比，使注采趋于平衡，逐步降低地层压力，将注水压力控制在原始地层压力水平附近，以减缓套管损坏速度。,2.套变、套损分析,套损防治与治理,3、采用小直径工具应用于套变井分注 由于套变套损井的存在，许多水井的常规分注工作无法开展，严重影响了区块整体开发效果。为此，在套变井段（大于100mm）应用小直径分注工具进行分注，改善了分层治理效果。在对套变、套损的治理上，针对套管损坏形态，研究应用了成熟的修复工艺技术。这些技术主要包括套管整形技术、加固技术、贴补技术
8、、取套换套技术和侧钻技术等。,2.套变、套损分析,套损防治与治理,华北油田共有套管上窜井337口，占套损井总数的43.3%。主要分布在采油一厂和采油三厂。采油一厂有套管上窜井176口，占采油一厂套损井的84.2%，上窜最高达到1.20m。采油三厂共有套管上窜井161口，占采油三厂套损井总数的75.6%，上窜最高达到0.63m。,3.套管上窜分析,套管上窜分布,采油一厂和三厂部分断块上窜井柱状图,部分断块套管上窜高度对比,油层套管将与表层套管焊接的环形钢板顶开后上窜，导致井口抬升，造成抽油机悬绳器碰井口盘根盒或采油树拉偏地面管线，影响油田生产。少部分井由于环型铁板未开焊或油套环行空间有水泥帽，套
9、管上窜所产生的弹力无法释放，导致油层套管在水泥返高以上某部位发生弯曲变形，甚至由于弯曲变形严重把油管挤断，造成油井的大修。同一断块不是所有的油水井都存在油层套管上窜现象，上窜井分布不均，没有规律性，并且上窜高度也存在一定的差异。,3.套管上窜分析,套管上窜表象,任39井套管上窜井口图片,任39井悬绳器与盘根盒相对位置图片,任49井油层套管顶出地面 环形板裂开现场图片,路27-8井套管上窜引起的地面管线弯曲,根据套管上窜井调查统计数据及上窜的表象特征，认为套管上窜与水文地质、油田开发和现今地应力的变化有一定的关系，特别是水文地质的变化有可能是引起套管上窜的主要原因。,3.套管上窜分析,套管上窜原
10、因分析,自新生代以来，由于华北平原长期处于下降趋势，致使本区堆积了厚约30004000m的新生界地层。其中第四系厚度达400450m，自下而上分为下更新统、中更新统、上更新统及全新统。,3.套管上窜分析,水文地质条件,第四系含水组,浅层含水层组,深层含水层组,第四系含水层的第一含水组全部和第二含水组上部，底板埋深6070m，属微承压水类型，含水砂层岩性以粉细砂为主,深层含水层组分为上下两段，上段相当于第二含水组的下部和第三含水组，底界埋深300320m；下段相当于第四含水组，底界埋深400450m。深层含水组上段含水砂层岩性以细砂，粉细砂为主。,地下水位下降形成降落漏斗导致地面沉降 由于沧州地
11、区广泛分布着巨厚的第四纪和晚第三纪松散岩类地层，近年来由于过量超采深层承压水和地热能源的开发利用，地下水位持续大幅度下降，形成地下水位降落漏斗。华北地区普遍发生了地面沉降现象，使其成为沉降速度最快、沉降面积最大的重灾区。初步调查结果显示，沧州地区地面沉降已相当严重，城市、县城乃至一些集中采水点均成为当地地面沉降中心，尤以沧州市、任丘、河间、黄骅为最，而沧州市乃是最大的沉降中心。,3.套管上窜分析,套管上窜原因分析,沧州市区水井井口抬升图,地面沉降引起套管上窜 如前所述，由于沧州地区广泛分布着巨厚的第四纪和晚第三纪松散岩类地层，过量超采深层承压水，导致地下水位持续大幅度下降，水头压力降低，引起地
12、层压缩（地面沉降），地面标高降低，而作为钢性体的油水井套管则不能随之压缩，从而造成油水井套管的相对抬升上窜。因此，地层压缩（地面沉降）是引起油水井套管上窜的主要原因之一。,3.套管上窜分析,套管上窜原因分析,3.套管上窜分析,套管上窜原因分析,采油三厂河间东营断块的16口套管上窜井，开发年限在15年以上的有13口；开发年限在10年以内的有3口。主要集中在河间东营三段砂岩地层。从采油曲线分析，各井从开发至今的生产情况基本平稳，日产液量的起伏只是由于调参、换泵等造成的。,油井开发数据分析,间124井采油曲线,根据开发生产需要，该井于1989年8月将原44mm泵换为56mm，1994年5月改回44m
13、m泵生产至今。,间133井采油曲线,该井于1986年9月将原44mm泵换为56mm，1989年9月改回44mm泵生产至今。,二是对油层以及油层附近的岩层开采前后的变化进行研究，主要结合油田开发的动、静态资料和开发数据进行研究；,三是对现今地应力的研究，地应力场它实际是“多场”的综合效应。,一是水文地质的研究，研究范围是距离地表400450米以内的浅层，主要结合水文地质的资料和数据及地面沉降进行研究；,3.套管上窜分析,下步研究方向,3.套管上窜分析,研究技术路线,1、套管上窜原因统计分析 1）套管上窜规律统计分析对提供的套管上窜数据进行统计分析，得出套管上窜在时间和平面上的分布规律。2）与油田
14、开采有关的套管上窜相关性统计分析 3）与地下水开采有关的套管上窜统计分析 4）对上述统计结果进行综合分析，确定产生套管上窜的规律及主要原因。,3.套管上窜分析,研究内容,2、建立套管上窜分析的数学物理模型 1)建立由于油藏开发引起套管上窜的数学和物理模型，确定随着油田开采及井下压力变化引起的地面下沉量。2)建立由于地下水过度开采引起的套管上窜的数学模型，定量计算由于一定的永久性水位降而引起的地面下沉量。3)将上述两种模型计算结果进行综合分析，将地层沉降量计算结果与套管上窜高度进行对比，分析套管上窜与上述因素存在的切实联系，确定影响套管上窜的主要因素。,3.套管上窜分析,研究内容,3、岩石物理力
15、学性质参数测试1）油层部位岩层岩石力学参数的测试由于油层开采后地层压力降低，引起有效应力增加，使地层压实，引起油层以上地层下沉，因此在数学和物理模型中需要岩石本身的力学参数。2）地表岩土物理力学指标室内实验 将地下水以上的岩土进行分层，实验测定不同性质岩土层的物理力学指标。,3.套管上窜分析,研究内容,1、采用地锚式套管预应力完井方法，在完井时，下入预应力套管串，根据地表沉降速率以及套管承受的最大拉力，设计提拉套管伸长量，使之具有预应力，以缓解地表下沉对套管上窜的影响。2、设计专用的井口套管伸缩装置，伸缩量根据地表沉降速率确定，当地表下沉时，伸缩装置随之下行，但不影响油井的正常生产。,3.套管
16、上窜分析,防治套管上窜的初步设想,1、油水井的套管损坏，是一个复杂的问题，往往是多种因素综合作用的结果。但是，任何一种因素，在特定条件下，都可能成为套管损坏的主要因素。就华北油田的实际状况来讲，泥岩、膏盐层的塑性流动压力超过套管的安全抗挤负荷，是造成套管过多、过早损坏的主要原因，但并不是唯一的原因。因此，对钻井、完井工艺、固井质量、套管设计与井身质量、油层出砂、高压井下措施作业和化学腐蚀等因素，都不能忽视。,4.结论,2、为防治套管过早损坏，延长油水井使用寿命，在华北油田，凡有膏盐、泥岩等可塑性岩类的井段，要对套管进行必要的强度设计，恰当、对症地选用套管。即在考虑套管柱经济性的同时，尽最大努力保证套管柱服役的安全可靠性，使其达到正常的设计寿命。,4.结论,3、华北油田采油一厂和采油三厂的部分断块出现大部分油水井油层套管上窜现象在国内实属罕见，研究过程涉及到油田开发、地质、钻井完井及水文地质等多学科内容。下步将重点研究水文地质、油田开发对油管上窜的影响，找出影响套管上窜的主要原因，同时进行经济合理的预防方法和治理措施研究。,4.结论,汇报完毕，请各位专家批评指正！,
