注水井套損成因及防御管治

注水井套損成因及防御管治

摘要:由于注水井套管的工作環(huán)境不斷惡化，所受的負(fù)載不斷增加，造成套管出現(xiàn)不同程度的損壞。為此通過(guò)套管縮徑變形及套管漏失損害等機(jī)理分析，找出預(yù)防治理泥巖層套管變形和防止上部套管腐蝕漏失的方法，防止或減少高壓注水井的套管損壞，為低滲透油田正常的注水開(kāi)發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:套管;注水;腐蝕

1、引言

對(duì)于低滲透油田一般采用高壓注水的開(kāi)發(fā)方式，高壓注水開(kāi)發(fā)雖取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，但也使注水井套管的工作環(huán)境不斷惡化，套管所受的負(fù)載不斷增加，造成套管出現(xiàn)不同程度的變徑甚至破裂，部分井還出現(xiàn)了淺層套管漏失竄槽的情況。為此迫切需要找出引起這些油田套管損壞的主要原因，并采取相應(yīng)的措施，防止或減少高壓注水井的套管損壞，這對(duì)今后低滲透油田正常的注水開(kāi)發(fā)具有著重要意義。

2、高壓注水井套管損壞特征

低滲透油田高壓注水井套管損壞以套管漏失、縮徑變形為主，變形嚴(yán)重的發(fā)生破裂現(xiàn)象。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，%的套管損壞井套損出現(xiàn)的時(shí)間一般在轉(zhuǎn)注后5年以?xún)?nèi)。套管漏失主要發(fā)生在套管上部未固井井段，縮徑變形主要位于射孔部位附近的夾層及射孔井段，且縮徑變形水井注水壓力一般都比較高，射孔部位出現(xiàn)套管變形的注水井大都存在出砂情況。

3、高壓注水井套管損壞原因分析

對(duì)套管損壞問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者進(jìn)行了多方面研究，主要有以下觀(guān)點(diǎn)：地質(zhì)因素：主要包括構(gòu)造應(yīng)力、層間滑動(dòng)、蠕變、注水后引起地應(yīng)力變化等；鉆井因素：主要包括井眼質(zhì)量、套管層次與壁厚組合、管材選取和管體質(zhì)量；腐蝕因素：主要有高礦化度的地層水、硫酸還原菌、硫化氫和電化學(xué)腐蝕等；操作因素：主要有下套管時(shí)損壞套管、作業(yè)磨損、高壓作業(yè)、掏空射孔等。

套管縮徑變形損壞機(jī)理分析

泥巖段套管損壞機(jī)理

注水誘發(fā)泥巖段套管損壞的基本原因是：注入水進(jìn)入泥巖層，改變了泥巖的力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)，從而使泥巖產(chǎn)生位移和變形，擠壓造成套管損壞。

油水井完井一段時(shí)間內(nèi)，套管通過(guò)水泥環(huán)與地層緊緊結(jié)合為一體，套管不受地應(yīng)力作用，僅承受管外水泥漿柱壓力。這對(duì)于一般按水泥漿柱設(shè)計(jì)下入的套管，不會(huì)發(fā)生套變。

但油田注水開(kāi)發(fā)后，情況發(fā)生了變化。當(dāng)注入水進(jìn)入砂巖層時(shí)，水在孔隙中滲流，巖石骨架沒(méi)有軟化，地應(yīng)力作用也沒(méi)有變化。當(dāng)注水井在接近或超過(guò)地層破裂壓力注水時(shí)，大量高壓水便竄入泥巖隔層、地層界面引起地質(zhì)、地層因素變化，對(duì)套管產(chǎn)生破壞力。不平穩(wěn)注水使地層經(jīng)常性張合，導(dǎo)致套管周?chē)乃喹h(huán)松動(dòng)、破裂，注入水得以沿破裂的水泥環(huán)竄至泥巖層，使注入水與損壞段外泥巖充分接觸。

由于地下巖層非均勻地應(yīng)力存在，當(dāng)注入水進(jìn)入泥巖層，破壞了其原始的含水狀態(tài)，使泥巖層出現(xiàn)侵水軟化，產(chǎn)生了蠕變變形，從而在套管周?chē)纬闪穗S時(shí)間而增大的類(lèi)似橢圓型的徑向分布非均勻外載，要忽略水泥環(huán)的作用時(shí)，這種載荷在最大地應(yīng)力方向?qū)⒊^(guò)該深處的最大主地應(yīng)力值，而在最小地應(yīng)力方向低于該深處的最小地應(yīng)力值。

砂巖段套管損壞分析

高壓注水時(shí)，如油層物性差，油水井間連通性不好，就會(huì)在油層附近蹩起高壓。蹩壓作用使巖石骨架膨脹，吸水層厚度增加，引起砂巖層局部發(fā)生垂向膨脹。

在實(shí)際注水井中，由于射孔井段一般都是砂巖和泥巖的混層，注入水進(jìn)入地層后，引起砂巖垂向膨脹，降低了套管的抗擠毀強(qiáng)度，在泥巖蠕變引起的徑向擠壓載荷的作用下，套管發(fā)生變形損壞。

套管漏失損害機(jī)理分析

套管漏失主要發(fā)生在套管固井水泥返高界面以上。據(jù)調(diào)查，引起井下套管腐蝕的因素很多，通過(guò)對(duì)低滲油田注入水常規(guī)離子化驗(yàn)資料及水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，污水回注區(qū)引起腐蝕的主要因素是水中的溶解氧、硫酸鹽還原菌SRB及高礦化度等。各種因素下的腐蝕率又受到溫度、PH值、水流速等外部條件的影響。另?yè)?jù)有關(guān)報(bào)道油層采出水中較高的H2S也是造成套管腐蝕的主要因素。

通常情況下，油套環(huán)空長(zhǎng)期處于封閉狀態(tài)，因此起腐蝕作用的主要因素將是SRB菌及H2S氣體。

4、預(yù)防治理套損井的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

預(yù)防治理泥巖層套管變形

防止注入水竄入軟弱夾層

a注入壓力限制在地層微裂縫以下

注入壓力應(yīng)以滿(mǎn)足注水量，防止套管損壞為合理注入壓力。如果這兩項(xiàng)發(fā)生矛盾時(shí)，應(yīng)以后者來(lái)確定，注水量則通過(guò)調(diào)整注采井網(wǎng)，增加注水井?dāng)?shù)來(lái)滿(mǎn)足。在生產(chǎn)中，注水、壓井時(shí)，井底壓力都不得高于地層最小水平地應(yīng)力，以免形成注入水竄入軟弱夾層。因此，一個(gè)油田開(kāi)發(fā)前，應(yīng)開(kāi)展地層地應(yīng)力測(cè)試，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)得結(jié)果，按開(kāi)發(fā)方案要求，把注入壓力控制在最小地應(yīng)力以下。

b加強(qiáng)注入水質(zhì)配伍研究，控制注入壓力過(guò)高

定期對(duì)高壓注水井采取洗井、防膨及解堵措施，防止各種因素造成地層污染；避免注水壓力超高。同時(shí)加強(qiáng)注水配伍方案研究，對(duì)已污染地層可采用低傷害酸預(yù)處理后再投注

c提高固井質(zhì)量，保證層間互不相竄

采取有效措施提高固井質(zhì)量，防止注入水沿水泥膠結(jié)不好層帶竄入泥巖層，如下套管扶正器使套管居中；調(diào)整好水泥漿性能；控制水泥漿上返速度和高度等，使第一、二界面結(jié)合牢固。

提高套管抗擠強(qiáng)度

a完井采用高鋼級(jí)、大壁厚的套管

由上面的分析可以看到，對(duì)容易發(fā)生變形的巖層段，普通N80/難以承受不均勻地應(yīng)力的擠壓。在傳統(tǒng)保守設(shè)計(jì)套管抗擠強(qiáng)度時(shí)采用上覆巖層壓力來(lái)確定套管抗最大外擠力。事實(shí)上證明用這種方法確定最大外擠力是不合適的。應(yīng)采用泥頁(yè)巖蠕變形成不均勻“等效外擠應(yīng)力”作為套管最大抗擠強(qiáng)度。因此，油田開(kāi)發(fā)前要準(zhǔn)確測(cè)定地應(yīng)力值，選擇合適的套管等級(jí)和壁厚。

b在易發(fā)生套管損壞巖層段下雙層組合套管

泥頁(yè)巖層在見(jiàn)水時(shí)易產(chǎn)生蠕變，在井壁周?chē)a(chǎn)生不均勻地應(yīng)力擠壓套管，當(dāng)其“等效破壞載荷”或地層出現(xiàn)施加套管側(cè)向力比較大時(shí)，用高強(qiáng)度套管滿(mǎn)足不了抗擠需要，這時(shí)，可采用雙層組合套管，并在環(huán)空加注水泥，其強(qiáng)度比原兩根套管的強(qiáng)度還要高出25％-70％。

防止上部套管腐蝕漏失

通過(guò)上面的分析可知上部套管漏失主要是由于腐蝕造成的，因此在生產(chǎn)上必須從防止腐蝕入手保護(hù)套管，減少漏失的發(fā)生。

提高注入水質(zhì)量，減少腐蝕傷害

當(dāng)發(fā)現(xiàn)井下套管漏失是由于腐蝕造成的，應(yīng)根據(jù)化驗(yàn)出的各種離子成分含量分析判斷是屬于那種腐蝕而采取相應(yīng)的防腐措施。在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)對(duì)不同區(qū)塊的腐蝕損壞作出分析化驗(yàn)，根據(jù)腐蝕類(lèi)型和腐蝕速度進(jìn)行防腐，殺菌措施。

采用環(huán)空保護(hù)技術(shù)提高套管使用壽命

環(huán)空保護(hù)與軟密封隔離技術(shù)是一種用于注水井環(huán)空防腐的保護(hù)技術(shù)。它是在油套環(huán)空的水中加入保護(hù)劑，抑制細(xì)菌的繁殖，減輕腐蝕，同時(shí)在環(huán)套空間下部加入軟密封隔離塞，使保護(hù)液與注入水隔離，它的作用類(lèi)似于封隔器，且不受套管變形限制。該技術(shù)可用于所有的合注井和分層注水井，特別是套管變形的合注井。

鉆井完井時(shí)，提高水泥漿上返液面，加強(qiáng)固井質(zhì)量

針對(duì)套管漏失主要發(fā)生在套管未固井井段上部的現(xiàn)狀，完井時(shí)可考慮提高水泥環(huán)上返高度至地面，并采取措施保證固井質(zhì)量，達(dá)到水泥漿硬化后在套管周?chē)纬梢蝗χ旅苓B續(xù)的水泥環(huán)。

針對(duì)注水壓力高，腐蝕性強(qiáng)的水井，采用封隔器卡封上部套管，既可有效保護(hù)上部套管，又可防止高壓注水對(duì)套管造成進(jìn)一步損壞。

采用陰極保護(hù)技術(shù)

套管的陰極保護(hù)原理是采用地面直流電源和輔助陰極，供給大量電子，使被保護(hù)金屬陰極化，當(dāng)極化電位極化至被保護(hù)金屬腐蝕電池中陽(yáng)極初始電位相等或負(fù)些時(shí)，腐蝕就被控制。

5、下步研究方向

關(guān)于套管形態(tài)的監(jiān)測(cè)

套管損壞的形態(tài)多種多樣，套管變形中除縮徑變形外還有橢圓變形、彎曲變形、單面擠變變形等；套漏又有套管裂開(kāi)、腐蝕穿孔及密封性漏失多種情況。尤其對(duì)套管變形的確定，采用打鉛印或通井的方式僅能確定一個(gè)位置，對(duì)于一口井有多處位置的情況就不好確定。建議下步應(yīng)用彩色成像測(cè)井技術(shù)或微井徑儀對(duì)套損形態(tài)作深入研究，為套損的研究、預(yù)防和治理提供確鑿證據(jù)。

關(guān)于變形機(jī)理的深入研究

目前根據(jù)有關(guān)的理論研究只能對(duì)