套管損壞講座課件

注水開發(fā)油田套管損壞機(jī)理及防治措施報(bào)告人：張士誠匯報(bào)內(nèi)容套管損壞形態(tài)套管損壞機(jī)理套管損壞保護(hù)措施對套管損壞的認(rèn)識套管損壞預(yù)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(cuò)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(yán)重彎曲變形示意圖套管錯(cuò)斷型套管錯(cuò)斷示意圖套管錯(cuò)斷型坍塌型套管錯(cuò)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(dòng)造成套管損壞4、斷層復(fù)活造成套管損壞5、鹽巖蠕變、坍塌和塑性流動(dòng)引起套管損壞6、地震活動(dòng)造成套管損壞7、地層壓實(shí)造成套管損壞（一）地質(zhì)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(yán)重時(shí)將會在整個(gè)射孔段形成空洞或坑道，隨開采強(qiáng)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(dān)，當(dāng)上覆層壓力大于油層孔隙壓力時(shí)，地層應(yīng)力平衡破壞，有相當(dāng)一部分應(yīng)力將轉(zhuǎn)移到套管上，造成套管損壞。油層出砂造成套管損壞

特點(diǎn)彎曲、變形、錯(cuò)斷主要發(fā)生在射孔段（出砂段）或以上的地層內(nèi)阿塞拜疆石油研究所研究結(jié)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(dòng)造成套管損壞原因：（1）層理發(fā)育的頁巖層浸水后，由于進(jìn)水阻力小，很快形成浸水域，在區(qū)塊壓力差或地層傾角產(chǎn)生的地勢壓差等作用下，巖層成片滑動(dòng)，剪切套管。（2）注采壓差推動(dòng)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(dǎo)致局部地層在孔隙壓力作用下向油井方向滑動(dòng)，損壞套管。巖層滑動(dòng)造成套管損壞

特點(diǎn)套管損壞以剪切錯(cuò)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(fù)活造成套管損壞斷層復(fù)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(yīng)力場，引起地應(yīng)力不平衡；另一方面注入水進(jìn)入斷層接觸面，造成接觸面泥化，致使層面膠結(jié)力和內(nèi)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(dòng)，剪擠套管。斷層復(fù)活造成套管損壞巴拉哈內(nèi)－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(dòng)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(dòng)（1）鹽巖是一種晶體，在深層高溫高壓下會發(fā)生塑性流動(dòng)，甚至?xí)l(fā)生連續(xù)流動(dòng)，對套管產(chǎn)生擠壓和剪切；（2）注入水進(jìn)入鹽層后，對鹽層的浸泡溶蝕形成空洞、坍塌，對套管產(chǎn)生擠壓。地震活動(dòng)造成套管損壞7、地層壓實(shí)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(dǎo)致開采層和相鄰泥巖和油層的骨架變形，地層壓實(shí)，使套管發(fā)生嚴(yán)重變形。特點(diǎn)：多發(fā)生在油井，以彎曲、錯(cuò)斷為主1、管材質(zhì)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(qiáng)度低等質(zhì)量問題都會導(dǎo)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(qiáng)度。當(dāng)套管不圓度達(dá)1.44~2.0%時(shí)，其抗擠臨界壓力降低22~36%；壁厚不勻度達(dá)10~20%時(shí)，抗擠臨界壓力降低8~15%。2、固井質(zhì)量問題固井質(zhì)量不合格將嚴(yán)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(nèi)壓力引起的套管強(qiáng)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(dǎo)致套管嚴(yán)重?fù)p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(yīng)力集中程度，會導(dǎo)致成片套損井的出現(xiàn)。對策：將行列注水改成面積注水5、注水不平衡層間非均質(zhì)導(dǎo)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(dǎo)致地層變形和套管損壞；注水開發(fā)油田改變開采方式，導(dǎo)致地層壓力大起大落，巖體出現(xiàn)大幅度升降，導(dǎo)致套管變形；高壓注水導(dǎo)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(guān)系曲線 杏一至三區(qū)丙北塊套損與 注水壓力關(guān)系曲線6、大型增產(chǎn)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(kuò)大，降低套管強(qiáng)度；大型壓裂施工，井底壓力有時(shí)高達(dá)100多MPa，超過N80套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度，導(dǎo)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(zhì)、腐蝕條件套管本身：是由含F(xiàn)e原子的金屬組成，失去電子后變?yōu)镕e2+離子活性介質(zhì)：原油中的硫、天然氣中CO2、H2S、地層水中的鹽類、結(jié)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(xué)腐蝕2、化學(xué)腐蝕3、細(xì)菌腐蝕4、結(jié)垢腐蝕1、電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕是油田套管損壞最普遍的腐蝕形式，電化學(xué)腐蝕是由內(nèi)部離子交換引起的，需要具備兩個(gè)條件：存在不同金屬和電解質(zhì)。

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(zhì)：高礦化度水電化學(xué)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，F(xiàn)e的腐蝕大部分是由氧和水共同作用的結(jié)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(xì)菌、CO2和其它腐蝕因素的腐蝕有加速作用。電化學(xué)腐蝕造成套管損壞密封掛片水中的細(xì)菌腐蝕分析結(jié)果電化學(xué)腐蝕造成套管損壞CO2、O2含量與腐蝕率的關(guān)系電化學(xué)腐蝕—CO2腐蝕作用當(dāng)水中存在游離CO2則形成H2CO3，電離后生成極化劑H+，產(chǎn)生氫去極化反應(yīng)。水中CO2含量越高對套管的氫極化腐蝕越強(qiáng)，特別是當(dāng)CO2分壓大于0.1MPa時(shí)，碳鋼的坑腐將非常嚴(yán)重，腐蝕穿透率達(dá)10mm/年(氣井)。電化學(xué)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(jìn)入金屬晶格內(nèi)，在晶格間隙和夾雜物內(nèi)原子氫聚集，結(jié)合成分子，體積增大很多倍，從而在金屬內(nèi)產(chǎn)生巨大應(yīng)力。電化學(xué)腐蝕—H2S腐蝕作用表現(xiàn)：（1）低強(qiáng)度套管：在管體夾雜物或缺陷處鼓泡產(chǎn)生氫誘發(fā)微裂縫或階梯式的微裂紋，降低套管強(qiáng)度；（2）高強(qiáng)度套管：使金屬晶格變形，產(chǎn)生硫化物應(yīng)力腐蝕開裂，也就是使鋼材變脆，斷面裂紋為脆斷—?dú)浯?。?）酸蝕—套管失重腐蝕電化學(xué)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(shí)驗(yàn)當(dāng)H2S濃度從2ppm增加到150ppm時(shí)，腐蝕速度迅速增加，到400ppm時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)H2S濃度增大到600ppm后，腐蝕速度反而下降，大于1600ppm時(shí)腐蝕速度不變。電化學(xué)腐蝕實(shí)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(xué)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(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕是指套管與腐蝕性物質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不產(chǎn)生明顯的電壓。腐蝕性物質(zhì)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(guān)。發(fā)生在套管內(nèi)壁化 學(xué) 腐 蝕溫度與腐蝕速度的關(guān)系曲線化 學(xué) 腐 蝕壓力與腐蝕速度的關(guān)系曲線化 學(xué) 腐 蝕實(shí)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(bào)廢，腐蝕井段長達(dá)250m。另外有很多井酸化后在射孔段出現(xiàn)套管損壞。3、細(xì)菌腐蝕以鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌為主，在有氧條件下（40~60度），鐵細(xì)菌繁殖較快，鐵細(xì)菌有助于亞鐵鹽的接觸氧化，并促使電化學(xué)腐蝕；硫酸鹽還原菌在一定條件下產(chǎn)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(jié)垢腐蝕結(jié)垢是指腐蝕產(chǎn)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(dāng)有O2、H2S、CO2介質(zhì)存在時(shí)，將在垢下形成電化學(xué)腐蝕。其腐蝕均為孔蝕，嚴(yán)重時(shí)穿孔。三、套管損壞防護(hù)措施1、提高套管抗擠壓強(qiáng)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(qiáng)度嚴(yán)格套管檢查和地面保護(hù)采用高強(qiáng)度套管（易發(fā)生損壞的井段）改進(jìn)套管設(shè)計(jì)（抗內(nèi)壓、外擠壓強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度的影響采用預(yù)應(yīng)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(zhì)量保證層間互不相竄固井時(shí)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(shí)防止垂直裂縫延伸到軟弱地層合理設(shè)計(jì)注采井網(wǎng)維持合理注采壓差（層內(nèi)）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(yù)膠結(jié)礫石尾管防砂絲篩管防砂不銹鋼棉防砂管內(nèi)預(yù)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(hù)化學(xué)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(zhì)的接觸四、對套損機(jī)理的認(rèn)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(dòng)，造成的是成片套損。固井水泥返高一般應(yīng)控制在泥頁巖層以下。

對套損機(jī)理的認(rèn)識2、非均勻注水引起地層內(nèi)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(xiàn)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(jī)理的認(rèn)識3、由于斷層部位穩(wěn)定性差，三向地應(yīng)力集中，注入水易造成斷層兩側(cè)地應(yīng)力失去平衡，應(yīng)力集中加劇，導(dǎo)致斷層活動(dòng)，使鉆遇斷層的油水井套管損壞嚴(yán)重。4、注水開發(fā)油田套管損壞與注水壓力關(guān)系密切，實(shí)際注水壓力上限不應(yīng)超過射孔頂界上覆巖層壓力。五、套管損壞機(jī)理研究方法原則：四個(gè)相結(jié)合理論分析與礦場實(shí)際、地質(zhì)條件與工程因素、點(diǎn)與面、層間與層內(nèi)。研究思路1、套損井分類進(jìn)行充分的礦場調(diào)研：套損井的類型、層位、井位、深度、完井方式、固井質(zhì)量等，在此基礎(chǔ)上對套損井進(jìn)行分類，以便確定合理的套損機(jī)理。研究思路2、套損機(jī)理研究根據(jù)不同的套管損壞類型，分別建立相應(yīng)的預(yù)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(shí)間、條件、類型等進(jìn)行擬合預(yù)測，以便確定預(yù)測模型的科學(xué)性和適用性。研究思路3、套損井預(yù)測和預(yù)防措施（