李萌
大庆油田第四采油厂第五油矿
摘要：套管在保护井壁稳定性及保证油气井正常生产中发挥重要作用，由于套管长期埋藏于地下极为恶劣的工作环境，容易发生物理、化学损坏，一旦发生严重的损坏就不得不停产修复，甚至报废，给油田带来巨大的经济损失。因此，加强对油井套管损坏原因分析，做好套损预测，以便采取有效措施降低套损，对于保障油田正常生产意义重大。
关键词：油井；套损；原因分析；对策
1 前言
套管是保护井壁及井内设备隔开各层流体，保证油、气、水井生产活动正常进行的钢材管道。随着生产活动的进行，长期埋藏于地下套管处于极为恶劣的工作环境，套管将迅速地发生物理、化学损坏，一旦发生严重的损坏就不得不停产修复，甚至报废，给油田带来巨大的经济损失。油田投入开发以后，随着生产时间的延长，开发方案的不断调整和实施，特别是注水开发的油藏，由于地质、工程和管理等方面的原因，油、水井套管技术状况不断变差，甚至损坏，造成油井产量降低，严重的导致油井报废，加强对油井套管损坏原因分析，做好套损预测，以便采取有效措施降低套损，对于提升油井产量具有重要意义。
2 套损原因分析
2.1 地质因素
地质因素是造成套损的主要原因，它包括构造应力、层间滑动、泥岩膨胀、盐岩层蠕动、油层出砂、地面下沉及油层压实等。
（1）围岩压力。钻后井眼周围的岩石中出现了临空面，原来的平衡状态遭到了破坏。当应力集中处的应力达到围岩的屈服极限，就有塑性变形发生，这种变形受到套管和套管外水泥壳的限制，同时套管也受到围岩的反作用而产生变形损坏。
（2）泥岩膨胀和蠕变。岩石具有蠕变和应力松弛的特征，岩石种类不同，其蠕变程度也不同，即使在自然地质条件下，岩石也会发生蠕变。泥岩中的粘土矿物尤其是蒙托石、伊利石、高岭石，它们遇水会膨胀并发生蠕动。由于套管阻挡了这种蠕变和膨胀，就使套管外部负荷增加，随着时间的增长，该负荷会增大，当套管的抗压强度低于该外部负荷时，套管就会被挤压、挤扁乃至错断。
（3）现代地壳运动、地震和滑坡。现代地壳运动是指地壳升降运动能导致套管损坏。地震新的构造运动可能产生新的构造断裂和裂缝，也可能使原有的构造断裂和裂缝活化。
（4）油层出砂。油井生产过程中出砂会在下衬管层段形成空洞和坑道，在油层压实和地层压力下降的情况下，使围岩应力发生变化，由于形成空洞，就产生了一种力图恢复空洞上部衬管带以下已破坏的应力平衡，在空洞区和空洞上面地区之间的界面上产生切线应力区。
如这些切线应力高于岩石破裂强度，空洞上的已泄压岩石就会坍塌，形成对套管的作用载荷，导致套管破损。
（5）断层。在钻至泥页岩层段时，断层的存在使断层区间压力不平衡，岩层之间发生水窜?致使套管，损坏高压注水、超高压压裂、注蒸汽等生产因素都可能引起旧断层复活，使套管受力的，非均匀性加重导致套管变形损坏。
（6）地应力变化。地壳运动及各种开采活动造成油藏体积发生变化，使得地应力发生变化?，从而在地层中形变性质有明显差异的层面产生应力集中，使地层的迭片构造分层，并产生剪切滑移，导致邻井套管遭受非均匀外挤力而发生挠屈变形，甚至错断。
2.2 井身质量问题
（1）套管材质缺陷。材质缺陷是指在套管加工制造时存在微孔、微缝?螺纹不符合要求，抗剪、抗拉强度低等质量问题出现壁厚不均匀、同圆度差或椭圆度偏移、加工微裂痕或内部组织被破坏、连接螺纹间隙大、没有良好的保护膜等。这种套管下入井后，可能发生连接不好、密封不严、管柱失稳、渗漏等问题，严重者会发生脱扣和断裂。
（2）井眼不规则.由于地下岩层软硬程度不同和地层倾角的原因造成井眼不规则和倾斜，尽管多数井完钻后井斜多在规定范围之内，但井总不是垂直的，从每口井的井投影图上可看出，大多数井是呈不同方位或者从总趋势上想某一方位内倾斜时方位也有变化。这就造成套管在井内不居中，即多处形成“狗腿”井段?这样就会造成套管弯曲。在向井中下套管时，套管外表面难免与坚硬岩层产生剧烈摩擦，特别是遇到“狗腿度”严重的井段时若强行下入，套管一方面遭遇重大磨损，另一方面套管柱容易失稳弯曲而变形损坏。
另外?套管磨损后?内表面积增大，与腐蚀介质的接触面增大，并使套管内壁表面加工钝化层消失，内层金属直接与腐蚀介质接触，加速套管的腐蚀速度。
（3）固井质量。套管外水泥返高不够。长期以来，我国各油田在油、水井油层套管封固方面，由于技术、经济和井身等原因，大多数井固井时水泥浆不返到地面而是返到某一深度。固井水泥候凝时温度变化大。由于井眼不规则或固井时存在混浆井段，在封固井段内，水泥浆候凝期间放热不均匀，温度变化使套管热胀冷缩，导致套管变形破裂。固井封固质量的好坏只限于上不漏封、下不替空油层，试压合格，只规定管外不漏油、气、水的要求是很不够的。固井水泥不达标、水泥与岩壁胶结固化不好、注水泥后套管拉神载荷过大或过小等问题，都将影响固井质量，而固井质量的优劣将直接影响套管完井的质量与寿命。
2.3 工程因素
（1）射孔。射孔造成套管损坏的主要原因有三种：一是出现管外水泥环的破裂甚至出现套管破裂现象，特别是无枪身射孔对套管损坏程度更大；二是射孔时深度误差过大或者误射?这对于二次、三次加密井的薄互层尤为重要。误将薄层中的隔层泥岩、页岩射穿，将会使泥页岩受注入水侵蚀膨胀，导致地应力变化，最终使套管损坏；三是射孔密度选择不当，将会影响套管强度。对不同的套管及地层要选择不同的射孔枪及射孔弹以达到有的放矢
、减少不必要的套损诱发因素。
（2）注水。油田注水是二次采油的主要手段之一，它的目的是保持地层压力防止或减缓地面下沉及油层压实，而提高采收率。虽然它防止了地面下沉和油层压实进而减少了垂向或轴向应力，但却增加了侧向或水平方向的应力。虽然这样减少了由轴向应力引起的的套损，挤压型套损但增加了侧向应力引起的套损拉张、弯曲剪切套损。随着注水压力的升高，注水井与采油井间的注采压差加大，特别是低渗透油田更为明显。同时油层的孔隙压力也相应的升高，岩石骨架的剪切强度是随孔隙压力的升高而降低。当注采压差大于岩石的剪切强度时，岩石就会因剪切而滑向油井方向而挤毁套管。当地层中出现差油层时连续注水憋高压会导致注入水窜至泥岩交界处激发泥岩膨胀而使套管损坏。
（3）酸化压裂。酸化使油井附近的油层发生溶解作用，会产生溶洞或小洞，使套管周围受力不均，从而导致套损。酸化过程中由于排酸不及时造成套管腐蚀，部分井还多次进行酸化施工，从而加快了套管的腐蚀速度，造成套管穿孔、漏失。压裂则使地层压出裂缝，即超过地层破裂压力，这样会使油水井附近岩层受力不均，再者由于压裂的重新定向而使裂缝的方向偏离所设计方向，从而导致注水井进入其它层或泥岩层，使岩层受力遭到破坏，进而加快了套损。
3 套损预测方法
3.1 解析法
由于套管及水泥环都是圆形轴对称，在理想状况假定套管及水泥环都为理想圆形且
厚度均匀下，对井况进行简化，可以用解析方法得到一些理论解。在盐岩、砂岩、泥岩
蠕变地层，套管通常要承受非均匀挤压地应力，这是造成套管损坏的重要原因，故分析套
管在非均匀外载作用下的变形特征是对套损进行预测的一项重要工作。
3.2 数值分析方法
（1）有限元法。有限元法是目前岩土工程研究中最为常用的数值计算方法，它可以部分的考虑工程中的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、变形大小和分布，并近似地依据应力、应变规律去分析结构的变形破坏机制。对于大量油田井下套管损坏不仅仅是平面应变问题，而是在拉伸、压缩、弯曲、扭矩等多种力学组合作用下的空间复杂变形问题。
（2）边界元法。边界元法也称边界积分方程法。此方法求解时，根据积分定理，将区域内的微分方程变换成边界上的积分方程，在区域的边界上进行离散，划分单元再把积分方程离散成代数方程组求解。
（3）拉格朗日元法。拉格朗日元法在岩土工程、石油工程中有重要作用，它系按时步采用动力松弛的方法来求解非线性大变形问题，不需要形成刚度矩阵，不用求解大型联立方程组占用内存较少，便于微机求解。
3.3实测法
定期的对套管进行检测可以有效预测和防止油井发生质量事故。工程测井技术大多是通过检测到的物理信号来间接判断管内的缺陷情况，井径系列是油水井井身状况常规的检测手段，可以提供套管内径变化情况声波测井系列中井壁超声成像测井可以提供全面、直观的套损状况，噪声测井则用于检测已形成的管漏、窜槽方位系列用于确定套管变形的方位角度磁测井系列可检查套管变形、错断、内外壁腐蚀及射孔质量作为辅助的井温和注产系列可用于评价套管漏失和层间窜槽情况。
参考文献：
[1]向绪金，胡广正，戴恩汉等. 射孔对套管强度的影响研究[J].江汉石油学院学报
2002,24（2）：86-90.
[2]王旱祥，颜廷杰，李增亮. 射孔对套管强度的影响[J]. 石油机械，2000，28(5):24-26.