淺析注水井套損原因及預防治理
General 更新 2024年11月24日
摘要:由於注水井套管的工作環境不斷惡化，所受的負載不斷增加，造成套管出現不同程度的損壞。為此通過套管縮徑變形及套管漏失損害等機理分析，找出預防治理泥岩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發提供堅實的基礎。
關鍵詞:套管;注水;腐蝕
1、引言
對於低滲透油田一般採用高壓注水的開發方式，高壓注水開發雖取得了明顯的經濟效益，但也使注水井套管的工作環境不斷惡化，套管所受的負載不斷增加，造成套管出現不同程度的變徑甚至破裂，部分井還出現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，並採取相應的措施，防止或減少高壓注水井的套管損壞，這對今後低滲透油田正常的注水開發具有著重要意義。
2、高壓注水井套管損壞特徵
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，變形嚴重的發生破裂現象。經統計，86.2%的套管損壞井套損出現的時間一般在轉註後5年以內。 套管漏失主要發生在套管上部未固井井段，縮徑變形主要位於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
對套管損壞問題，國內外不少學者進行了多方面研究，主要有以下觀點：地質因素：主要包括構造應力、層間滑動、蠕變、注水後引起地應力變化等；鑽井因素：主要包括井眼質量、套管層次與壁厚組合、管材選取和管體質量；腐蝕因素：主要有高礦化度的地層水、硫酸還原菌、硫化氫和電化學腐蝕等；操作因素：主要有下套管時損壞套管、作業磨損、高壓作業、掏空射孔等。
3.1套管縮徑變形損壞機理分析
3.1.1泥岩段套管損壞機理
注水誘發泥岩段套管損壞的基本原因是：注入水進入泥岩層，改變了泥岩的力學性質和應力狀態，從而使泥岩產生位移和變形，擠壓造成套管損壞。
但油田注水開發後，情況發生了變化。當注入水進入砂岩層時，水在孔隙中滲流，岩石骨架沒有軟化，地應力作用也沒有變化。當注水井在接近或超過地層破裂壓力注水時，大量高壓水便竄入泥岩隔層、地層介面引起地質、地層因素變化，對套管產生破壞力。不平穩注水使地層經常性張合，導致套管周圍的水泥環鬆動、破裂，注入水得以沿破裂的水泥環竄至泥岩層，使注入水與損壞段外泥岩充分接觸。
由於地下岩層非均勻地應力存在，當注入水進入泥岩層，破壞了其原始的含水狀態，使泥岩層出現侵水軟化，產生了蠕變變形，從而在套管周圍形成了隨時間而增大的類似橢圓型的徑向分佈非均勻外載，要忽略水泥環的作用時，這種載荷在最大地應力方向將超過該深處的最大主地應力值，而在最小地應力方向低於該深處的最小地應力值。
3.1.2砂岩段套管損壞分析
高壓注水時，如油層物性差，油水井間連通性不好，就會在油層附近蹩起高壓。蹩壓作用使岩石骨架膨脹，吸水層厚度增加，引起砂岩層局部發生垂向膨脹。
在實際注水井中，由於射孔井段一般都是砂岩和泥岩的混層，注入水進入地層後，引起砂岩垂向膨脹，降低了套管的抗擠毀強度，在泥岩蠕變引起的徑向擠壓載荷的作用下，套管發生變形損壞。
3.2套管漏失損害機理分析
套管漏失主要發生在套管固井水泥返高介面以上。據調查，引起井下套管腐蝕的因素很多，通過對低滲油田注入水常規離子化驗資料及水質指標監測結果進行分析發現，汙水回注區引起腐蝕的主要因素是水中的溶解氧（在0.05-0.40 mg/l，超標2-8倍）、硫酸鹽還原菌SRB（25-1100個/ ml）及高礦化度（30000 mg/l以上）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。另據有關報道油層採出水中較高的H2S也是造成套管腐蝕的主要因素。
通常情況下，油套環空長期處於封閉狀態，因此起腐蝕作用的主要因素將是SRB菌及H2S氣體。
4、 預防治理套損井的幾點認識
4.1預防治理泥岩層套管變形
4.1.1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
注入壓力應以滿足注水量，防止套管損壞為合理注入壓力。如果這兩項發生矛盾時，應以後者來確定，注水量則通過調整注採井網，增加註水井數來滿足。在生產中，注水、壓井時，井底壓力都不得高於地層最小水平地應力，以免形成注入水竄入軟弱夾層。因此，一個油田開發前，應開展地層地應力測試，根據地應力測得結果，按開發方案要求，把注入壓力控制在最小地應力以下。
b加強注入水質配伍研究，控制注入壓力過高
定期對高壓注水井採取洗井、防膨及解堵措施，防止各種因素造成地層汙染；避免注水壓力超高。同時加強注水配伍方案研究，對已汙染地層可採用低傷害酸預處理後再投注
c提高固井質量，保證層間互不相竄
採取有效措施提高固井質量，防止注入水沿水泥膠結不好層帶竄入泥岩層，如下套管扶正器使套管居中；調整好水泥漿效能；控制水泥漿上返速度和高度等，使第一、二介面結合牢固。
4.1.2提高套管抗擠強度
a完井採用高鋼級、大壁厚的套管
由上面的分析可以看到，對容易發生變形的岩層段，普通N80/139.7難以承受不均勻地應力的擠壓。在傳統保守設計套管抗擠強度時採用上覆岩層壓力來確定套管抗最大外擠力。事實上證明用這種方法確定最大外擠力是不合適的。應採用泥頁岩蠕變形成不均勻“等效外擠應力”作為套管最大抗擠強度。因此，油田開發前要準確測定地應力值，選擇合適的套管等級和壁厚。
b在易發生套管損壞岩層段下雙層組合套管
泥頁岩層在見水時易產生蠕變，在井壁周圍產生不均勻地應力擠壓套管，當其“等效破壞載荷”或地層出現施加套管側向力比較大時，用高強度套管滿足不了抗擠需要，這時，可採用雙層組合套管，並在環空加註水泥，其強度比原兩根套管的強度還要高出25％-70％。
4.2防止上部套管腐蝕漏失
通過上面的分析可知上部套管漏失主要是由於腐蝕造成的，因此在生產上必須從防止腐蝕入手保護套管，減少漏失的發生。
4.2.1提高注入水質量，減少腐蝕傷害
當發現井下套管漏失是由於腐蝕造成的，應根據化驗出的各種離子成分含量分析判斷是屬於那種腐蝕而採取相應的防腐措施。在生產實際中應對不同區塊的腐蝕損壞作出分析化驗，根據腐蝕型別和腐蝕速度進行防腐，殺菌措施。
4.2.2採用環空保護技術提高套管使用壽命
環空保護與軟密封隔離技術是一種用於注水井環空防腐的保護技術。它是在油套環空的水中加入保護劑，抑制細菌的繁殖，減輕腐蝕，同時在環套空間下部加入軟密封隔離塞，使保護液與注入水隔離，它的作用類似於封隔器，且不受套管變形限制。該技術可用於所有的合注井和分層注水井，特別是套管變形的合注井。
4.2.3鑽井完井時，提高水泥漿上返液麵，加強固井質量
針對套管漏失主要發生在套管未固井井段上部的現狀，完井時可考慮提高水泥環上返高度至地面，並採取措施保證固井質量，達到水泥漿硬化後在套管周圍形成一圈緻密連續的水泥環。
4.2.4針對注水壓力高，腐蝕性強的水井，採用封隔器卡封上部套管，既可有效保護上部套管，又可防止高壓注水對套管造成進一步損壞。
4.2.5採用陰極保護技術
套管的陰極保護原理是採用地面直流電源和輔助陰極，供給大量電子，使被保護金屬陰極化，當極化電位極化至被保護金屬腐蝕電池中陽極初始電位相等或負些時，腐蝕就被控制。
5、下步研究方向
5.1關於套管形態的監測
套管損壞的形態多種多樣，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、腐蝕穿孔及密封性漏失多種情況。尤其對套管變形的確定，採用打鉛印或通井的方式僅能確定一個位置，對於一口井有多處位置的情況就不好確定。建議下步應用彩色成像測井技術或微井徑儀對套損形態作深入研究，為套損的研究、預防和治理提供確鑿證據。
5.2關於變形機理的深入研究
目前根據有關的理論研究只能對地層非均勻應力對套管的擠壓作定性分析，高壓注水壓力強度的界定難以解決。下步建議採用ANSYS軟體對三維套管外擠進行大變形、非線形彈塑性應力應變強度進行防真研究。充分了解套管在雙向非均勻外擠條件下的應力場與位移場，以及套管的橢圓變形過程、外部載荷向量、管壁應力等高線分佈等。從而為確定合理的注水壓力界限等提供量化依據。
探討完善國務院黃河分水方案
淺析在開展水利普查具體過程中的難點和經驗
關鍵詞:套管;注水;腐蝕
1、引言
對於低滲透油田一般採用高壓注水的開發方式，高壓注水開發雖取得了明顯的經濟效益，但也使注水井套管的工作環境不斷惡化，套管所受的負載不斷增加，造成套管出現不同程度的變徑甚至破裂，部分井還出現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，並採取相應的措施，防止或減少高壓注水井的套管損壞，這對今後低滲透油田正常的注水開發具有著重要意義。
2、高壓注水井套管損壞特徵
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，變形嚴重的發生破裂現象。經統計，86.2%的套管損壞井套損出現的時間一般在轉註後5年以內。 套管漏失主要發生在套管上部未固井井段，縮徑變形主要位於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
對套管損壞問題，國內外不少學者進行了多方面研究，主要有以下觀點：地質因素：主要包括構造應力、層間滑動、蠕變、注水後引起地應力變化等；鑽井因素：主要包括井眼質量、套管層次與壁厚組合、管材選取和管體質量；腐蝕因素：主要有高礦化度的地層水、硫酸還原菌、硫化氫和電化學腐蝕等；操作因素：主要有下套管時損壞套管、作業磨損、高壓作業、掏空射孔等。
3.1套管縮徑變形損壞機理分析
3.1.1泥岩段套管損壞機理
注水誘發泥岩段套管損壞的基本原因是：注入水進入泥岩層，改變了泥岩的力學性質和應力狀態，從而使泥岩產生位移和變形，擠壓造成套管損壞。
但油田注水開發後，情況發生了變化。當注入水進入砂岩層時，水在孔隙中滲流，岩石骨架沒有軟化，地應力作用也沒有變化。當注水井在接近或超過地層破裂壓力注水時，大量高壓水便竄入泥岩隔層、地層介面引起地質、地層因素變化，對套管產生破壞力。不平穩注水使地層經常性張合，導致套管周圍的水泥環鬆動、破裂，注入水得以沿破裂的水泥環竄至泥岩層，使注入水與損壞段外泥岩充分接觸。
由於地下岩層非均勻地應力存在，當注入水進入泥岩層，破壞了其原始的含水狀態，使泥岩層出現侵水軟化，產生了蠕變變形，從而在套管周圍形成了隨時間而增大的類似橢圓型的徑向分佈非均勻外載，要忽略水泥環的作用時，這種載荷在最大地應力方向將超過該深處的最大主地應力值，而在最小地應力方向低於該深處的最小地應力值。
3.1.2砂岩段套管損壞分析
高壓注水時，如油層物性差，油水井間連通性不好，就會在油層附近蹩起高壓。蹩壓作用使岩石骨架膨脹，吸水層厚度增加，引起砂岩層局部發生垂向膨脹。
在實際注水井中，由於射孔井段一般都是砂岩和泥岩的混層，注入水進入地層後，引起砂岩垂向膨脹，降低了套管的抗擠毀強度，在泥岩蠕變引起的徑向擠壓載荷的作用下，套管發生變形損壞。
3.2套管漏失損害機理分析
套管漏失主要發生在套管固井水泥返高介面以上。據調查，引起井下套管腐蝕的因素很多，通過對低滲油田注入水常規離子化驗資料及水質指標監測結果進行分析發現，汙水回注區引起腐蝕的主要因素是水中的溶解氧（在0.05-0.40 mg/l，超標2-8倍）、硫酸鹽還原菌SRB（25-1100個/ ml）及高礦化度（30000 mg/l以上）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。另據有關報道油層採出水中較高的H2S也是造成套管腐蝕的主要因素。
通常情況下，油套環空長期處於封閉狀態，因此起腐蝕作用的主要因素將是SRB菌及H2S氣體。
4、 預防治理套損井的幾點認識
4.1預防治理泥岩層套管變形
4.1.1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
注入壓力應以滿足注水量，防止套管損壞為合理注入壓力。如果這兩項發生矛盾時，應以後者來確定，注水量則通過調整注採井網，增加註水井數來滿足。在生產中，注水、壓井時，井底壓力都不得高於地層最小水平地應力，以免形成注入水竄入軟弱夾層。因此，一個油田開發前，應開展地層地應力測試，根據地應力測得結果，按開發方案要求，把注入壓力控制在最小地應力以下。
b加強注入水質配伍研究，控制注入壓力過高
定期對高壓注水井採取洗井、防膨及解堵措施，防止各種因素造成地層汙染；避免注水壓力超高。同時加強注水配伍方案研究，對已汙染地層可採用低傷害酸預處理後再投注
c提高固井質量，保證層間互不相竄
採取有效措施提高固井質量，防止注入水沿水泥膠結不好層帶竄入泥岩層，如下套管扶正器使套管居中；調整好水泥漿效能；控制水泥漿上返速度和高度等，使第一、二介面結合牢固。
4.1.2提高套管抗擠強度
a完井採用高鋼級、大壁厚的套管
由上面的分析可以看到，對容易發生變形的岩層段，普通N80/139.7難以承受不均勻地應力的擠壓。在傳統保守設計套管抗擠強度時採用上覆岩層壓力來確定套管抗最大外擠力。事實上證明用這種方法確定最大外擠力是不合適的。應採用泥頁岩蠕變形成不均勻“等效外擠應力”作為套管最大抗擠強度。因此，油田開發前要準確測定地應力值，選擇合適的套管等級和壁厚。
b在易發生套管損壞岩層段下雙層組合套管
泥頁岩層在見水時易產生蠕變，在井壁周圍產生不均勻地應力擠壓套管，當其“等效破壞載荷”或地層出現施加套管側向力比較大時，用高強度套管滿足不了抗擠需要，這時，可採用雙層組合套管，並在環空加註水泥，其強度比原兩根套管的強度還要高出25％-70％。
4.2防止上部套管腐蝕漏失
通過上面的分析可知上部套管漏失主要是由於腐蝕造成的，因此在生產上必須從防止腐蝕入手保護套管，減少漏失的發生。
4.2.1提高注入水質量，減少腐蝕傷害
當發現井下套管漏失是由於腐蝕造成的，應根據化驗出的各種離子成分含量分析判斷是屬於那種腐蝕而採取相應的防腐措施。在生產實際中應對不同區塊的腐蝕損壞作出分析化驗，根據腐蝕型別和腐蝕速度進行防腐，殺菌措施。
4.2.2採用環空保護技術提高套管使用壽命
環空保護與軟密封隔離技術是一種用於注水井環空防腐的保護技術。它是在油套環空的水中加入保護劑，抑制細菌的繁殖，減輕腐蝕，同時在環套空間下部加入軟密封隔離塞，使保護液與注入水隔離，它的作用類似於封隔器，且不受套管變形限制。該技術可用於所有的合注井和分層注水井，特別是套管變形的合注井。
4.2.3鑽井完井時，提高水泥漿上返液麵，加強固井質量
針對套管漏失主要發生在套管未固井井段上部的現狀，完井時可考慮提高水泥環上返高度至地面，並採取措施保證固井質量，達到水泥漿硬化後在套管周圍形成一圈緻密連續的水泥環。
4.2.4針對注水壓力高，腐蝕性強的水井，採用封隔器卡封上部套管，既可有效保護上部套管，又可防止高壓注水對套管造成進一步損壞。
4.2.5採用陰極保護技術
套管的陰極保護原理是採用地面直流電源和輔助陰極，供給大量電子，使被保護金屬陰極化，當極化電位極化至被保護金屬腐蝕電池中陽極初始電位相等或負些時，腐蝕就被控制。
5、下步研究方向
5.1關於套管形態的監測
套管損壞的形態多種多樣，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、腐蝕穿孔及密封性漏失多種情況。尤其對套管變形的確定，採用打鉛印或通井的方式僅能確定一個位置，對於一口井有多處位置的情況就不好確定。建議下步應用彩色成像測井技術或微井徑儀對套損形態作深入研究，為套損的研究、預防和治理提供確鑿證據。
5.2關於變形機理的深入研究
目前根據有關的理論研究只能對地層非均勻應力對套管的擠壓作定性分析，高壓注水壓力強度的界定難以解決。下步建議採用ANSYS軟體對三維套管外擠進行大變形、非線形彈塑性應力應變強度進行防真研究。充分了解套管在雙向非均勻外擠條件下的應力場與位移場，以及套管的橢圓變形過程、外部載荷向量、管壁應力等高線分佈等。從而為確定合理的注水壓力界限等提供量化依據。
淺析在開展水利普查具體過程中的難點和經驗