套管損壞講座課件

注水開發(fā)油田套管損壞機理及防治措施報告人：張士誠匯報內容套管損壞形態(tài)套管損壞機理套管損壞保護措施對套管損壞的認識套管損壞預測方法一、套管損壞形態(tài)1、套管變形2、套管破裂3、套管錯斷4、腐蝕穿孔5、套管密封性破壞套管變形徑向凹陷示意圖套管變形嚴重彎曲變形示意圖套管錯斷型套管錯斷示意圖套管錯斷型坍塌型套管錯斷示意圖1、泥巖吸水蠕變和膨脹造成套管損壞2、油層出砂造成套管損壞3、巖層滑動造成套管損壞4、斷層復活造成套管損壞5、鹽巖蠕變、坍塌和塑性流動引起套管損壞6、地震活動造成套管損壞7、地層壓實造成套管損壞（一）地質因素泥巖吸水蠕變和膨脹造成套管損壞2、油層出砂造成套管損壞原因：油層出砂后，在炮眼附近地層形成空洞，出砂嚴重時將會在整個射孔段形成空洞或坑道，隨開采強度增加空洞的半徑也增加。而油層上覆地層的壓力主要靠油層來承擔，當上覆層壓力大于油層孔隙壓力時，地層應力平衡破壞，有相當一部分應力將轉移到套管上，造成套管損壞。油層出砂造成套管損壞

特點彎曲、變形、錯斷主要發(fā)生在射孔段（出砂段）或以上的地層內阿塞拜疆石油研究所研究結果：80口出砂套損井，其中40口在襯管部分、36口在襯管上部，僅有4口在襯管下部。3、巖層滑動造成套管損壞原因：（1）層理發(fā)育的頁巖層浸水后，由于進水阻力小，很快形成浸水域，在區(qū)塊壓力差或地層傾角產生的地勢壓差等作用下，巖層成片滑動，剪切套管。（2）注采壓差推動巖層滑移：對低滲透或注水井周圍地層堵塞情況，注采井間壓力差距大，可能會導致局部地層在孔隙壓力作用下向油井方向滑動，損壞套管。巖層滑動造成套管損壞

特點套管損壞以剪切錯斷破壞為主套管損壞成片發(fā)生低壓區(qū)的油井比高壓區(qū)更易損壞相鄰套損井發(fā)生在同一層4、斷層復活造成套管損壞斷層復活原因：地層升降、地震、高壓注水

高壓注水：一方面使地層孔隙壓力提高，改變了原始地應力場，引起地應力不平衡；另一方面注入水進入斷層接觸面，造成接觸面泥化，致使層面膠結力和內摩擦力趨于零，大大降低抗剪切力，在上下盤壓差或重力作用下，斷層滑動，剪擠套管。斷層復活造成套管損壞巴拉哈內－薩布奇－拉馬寧油田套管損壞情況5、鹽巖蠕變、坍塌和塑性流動引起套管損壞鹽巖造成套管損壞的原因：鹽巖層的蠕變、坍塌、塑性流動（1）鹽巖是一種晶體，在深層高溫高壓下會發(fā)生塑性流動，甚至會發(fā)生連續(xù)流動，對套管產生擠壓和剪切；（2）注入水進入鹽層后，對鹽層的浸泡溶蝕形成空洞、坍塌，對套管產生擠壓。地震活動造成套管損壞7、地層壓實造成套管損壞原因：高壓異常油層在開采過程中，油層壓力的大幅度下降，將導致開采層和相鄰泥巖和油層的骨架變形，地層壓實，使套管發(fā)生嚴重變形。特點：多發(fā)生在油井，以彎曲、錯斷為主1、管材質量問題套管本身存在的微孔、微縫，螺紋不符合要求，以及抗剪、抗拉強度低等質量問題都會導致開采過程套管損壞；套管管體尺寸精度，如：套管圓度、壁厚不均勻等不合格也會影響套管強度。當套管不圓度達1.44~2.0%時，其抗擠臨界壓力降低22~36%；壁厚不勻度達10~20%時，抗擠臨界壓力降低8~15%。2、固井質量問題固井質量不合格將嚴重影響套管壽命3、射孔對套管損壞的影響原因：一是外擠力引起射孔套管失穩(wěn)破壞；二是由軸向拉力和內壓力引起的套管強度破壞。4、井位部署問題斷層附近地區(qū)部署注水井，容易引起斷層滑移，導致套管嚴重損壞；注水井成排部署，容易加劇地層孔隙壓差的作用，增大水平方向的應力集中程度，會導致成片套損井的出現。對策：將行列注水改成面積注水5、注水不平衡層間非均質導致高滲透層成為高壓區(qū)，低壓層成為低壓區(qū)，層間壓力差的加大導致地層變形和套管損壞；注水開發(fā)油田改變開采方式，導致地層壓力大起大落，巖體出現大幅度升降，導致套管變形；高壓注水導致泥、頁巖層吸水，加快套管損壞。大慶油田南二區(qū)西部套損與注水壓力關系曲線 杏一至三區(qū)丙北塊套損與 注水壓力關系曲線6、大型增產措施造成套管損壞壓裂用支撐劑通過炮眼使射孔孔眼不規(guī)則擴大，降低套管強度；大型壓裂施工，井底壓力有時高達100多MPa，超過N80套管抗內壓強度，導致套管破裂；酸化排液不徹底腐蝕套管。（三）腐蝕

造成套管損壞套管腐蝕根源：套管本身、活性介質、腐蝕條件套管本身：是由含Fe原子的金屬組成，失去電子后變?yōu)镕e2+離子活性介質：原油中的硫、天然氣中CO2、H2S、地層水中的鹽類、結垢、溶解氧，酸化的酸液。腐蝕條件：溫度、壓力、Fe2+離子濃度、地層水中的還原菌等。腐蝕造成套管損壞1、電化學腐蝕2、化學腐蝕3、細菌腐蝕4、結垢腐蝕1、電化學腐蝕電化學腐蝕是油田套管損壞最普遍的腐蝕形式，電化學腐蝕是由內部離子交換引起的，需要具備兩個條件：存在不同金屬和電解質。

不同金屬：套管與套管、套管與接箍，甚至同一根套管不同成分

電解質：高礦化度水電化學腐蝕主要因素主要是溶解氧、CO2、H2S溶解氧：是最突出的套管腐蝕因素，Fe的腐蝕大部分是由氧和水共同作用的結果。Fe的腐蝕速度隨溶解氧含量的上升而成直線上升，而且對鐵細菌、CO2和其它腐蝕因素的腐蝕有加速作用。電化學腐蝕造成套管損壞密封掛片水中的細菌腐蝕分析結果電化學腐蝕造成套管損壞CO2、O2含量與腐蝕率的關系電化學腐蝕—CO2腐蝕作用當水中存在游離CO2則形成H2CO3，電離后生成極化劑H+，產生氫去極化反應。水中CO2含量越高對套管的氫極化腐蝕越強，特別是當CO2分壓大于0.1MPa時，碳鋼的坑腐將非常嚴重，腐蝕穿透率達10mm/年(氣井)。電化學腐蝕—H2S腐蝕作用原因：H2S在水溶液中電離生成H+，由于HS-，S2-及FeS的存在加速了H+放氫，并加速H+吸附在金屬表面，繼而進入金屬晶格內，在晶格間隙和夾雜物內原子氫聚集，結合成分子，體積增大很多倍，從而在金屬內產生巨大應力。電化學腐蝕—H2S腐蝕作用表現：（1）低強度套管：在管體夾雜物或缺陷處鼓泡產生氫誘發(fā)微裂縫或階梯式的微裂紋，降低套管強度；（2）高強度套管：使金屬晶格變形，產生硫化物應力腐蝕開裂，也就是使鋼材變脆，斷面裂紋為脆斷—氫脆。（3）酸蝕—套管失重腐蝕電化學腐蝕造成套管損壞軟鋼在不同濃度H2S水溶液中的腐蝕速度—套管失重腐蝕套管失重腐蝕實驗當H2S濃度從2ppm增加到150ppm時，腐蝕速度迅速增加，到400ppm時達到最大值；當H2S濃度增大到600ppm后，腐蝕速度反而下降，大于1600ppm時腐蝕速度不變。電化學腐蝕實例大慶油田淺層套管損壞：明水組以上水中含有碳酸根離子，發(fā)生電化學腐蝕造成套管穿孔；長慶油田淺層套管損壞：淺層水中含有CO2等離子，掛片腐蝕最大速度為1.12mm/年。2、化學腐蝕化學腐蝕是指套管與腐蝕性物質之間發(fā)生化學反應，不產生明顯的電壓。腐蝕性物質主要是酸——酸化活酸和殘酸，腐蝕速度與酸濃度、酸液類型和溫度、壓力有關。發(fā)生在套管內壁化 學 腐 蝕溫度與腐蝕速度的關系曲線化 學 腐 蝕壓力與腐蝕速度的關系曲線化 學 腐 蝕實例江漢油田浩1-9-3井酸化后，由于殘酸未排盡，68天后井下21根油管及井下工具全部報廢，腐蝕井段長達250m。另外有很多井酸化后在射孔段出現套管損壞。3、細菌腐蝕以鐵細菌、硫酸鹽還原菌為主，在有氧條件下（40~60度），鐵細菌繁殖較快，鐵細菌有助于亞鐵鹽的接觸氧化，并促使電化學腐蝕；硫酸鹽還原菌在一定條件下產生H2S，加快套管腐蝕。吉林乾安油田在井底不加殺硫酸鹽還原菌藥品，通過掛片測定其腐蝕速度為0.52mm/年。4、結垢腐蝕結垢是指腐蝕產物如FeS、FeCO3、FeO等鐵化物，以及套管表面的沉積物CaCO3、MgCO3、CaSO4、BaSO4等，它們不均勻附著在套管表面，當有O2、H2S、CO2介質存在時，將在垢下形成電化學腐蝕。其腐蝕均為孔蝕，嚴重時穿孔。三、套管損壞防護措施1、提高套管抗擠壓強度2、防止注入水竄入軟弱地層3、防止油層出砂4、套管防腐1、提高套管抗擠壓強度嚴格套管檢查和地面保護采用高強度套管（易發(fā)生損壞的井段）改進套管設計（抗內壓、外擠壓強度計算）采用壁厚、小直徑套管采用雙層組合套管改善射孔工藝，減少射孔對套管抗擠壓強度的影響采用預應力套管完井（稠油熱采井）2、防止注入水竄入軟弱地層提高固井質量保證層間互不相竄固井時在油層頂部下管外封隔器避免高壓注水，保持地下壓力平衡（層間）壓裂改造時防止垂直裂縫延伸到軟弱地層合理設計注采井網維持合理注采壓差（層內）3、防止油層出砂繞絲篩管礫石充填防砂濾砂器防砂方法預膠結礫石尾管防砂絲篩管防砂不銹鋼棉防砂管內預充填礫石篩管防砂穩(wěn)定砂橋防砂熱力防砂正壓射孔樹脂充填防砂4、套管防腐方法陰極保護化學防腐涂層防腐石油專用套管低密度全返程水泥用高Ｐh值泥漿減少與腐蝕介質的接觸四、對套損機理的認識1、泥、頁巖大量浸水并形成浸水域是引起套管損壞的主要因素。泥巖浸水膨脹、蠕變造成的往往是單井套損；頁巖浸水后巖層成片滑動，造成的是成片套損。固井水泥返高一般應控制在泥頁巖層以下。

對套損機理的認識2、非均勻注水引起地層內孔隙壓力不均衡是套管損壞的主要條件之一。同一區(qū)塊平面上或縱向上出現高壓、低壓區(qū)，高壓區(qū)巖石骨架膨脹使外圍巖體受壓而上抬，低壓區(qū)巖石骨架收縮使外圍巖體受拉而下沉，這種巖體的垂向升降易造成套管拉斷。對套損機理的認識3、由于斷層部位穩(wěn)定性差，三向地應力集中，注入水易造成斷層兩側地應力失去平衡，應力集中加劇，導致斷層活動，使鉆遇斷層的油水井套管損壞嚴重。4、注水開發(fā)油田套管損壞與注水壓力關系密切，實際注水壓力上限不應超過射孔頂界上覆巖層壓力。五、套管損壞機理研究方法原則：四個相結合理論分析與礦場實際、地質條件與工程因素、點與面、層間與層內。研究思路1、套損井分類進行充分的礦場調研：套損井的類型、層位、井位、深度、完井方式、固井質量等，在此基礎上對套損井進行分類，以便確定合理的套損機理。研究思路2、套損機理研究根據不同的套管損壞類型，分別建立相應的預測模型（單井、平面），采用流固耦合方法對各類套損井的破壞時間、條件、類型等進行擬合預測，以便確定預測模型的科學性和適用性。研究思路3、套損井預測和預防措施（