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高抗挤毁套管基本知识
1、开发背景
自20世纪70年代以来,油田套管损坏问题十分严重。据统计到
2002年底,我国油田套管损坏井数已达两万多口,国外也存在同样问题。
一般来说,除套管设计和施工方面的原因之外造成上述大量套管非正
常损坏的主要原因有:高压注水造成断层或泥岩层进水,导致地应力异常及
地层位移变化,使套管错断或破裂;地层压力变化不平衡造成地层岩石骨架
变形,在进水的滑移面上产生错切位移;盐岩、泥岩吸水蠕变非均匀外挤应
力导致套管缩径或挤毁;疏松砂岩出砂造成套管围岩坍塌挤毁套管或使套管
弯曲变形;射孔、出砂、压裂等作业使套管破裂;热采井的高温循环载荷
使套管拉断或脱扣;弱胶结地层压实作用产生附加载荷使套管弯曲;地层矿
物、地下水或注入水使套管腐蚀穿孔甚至难以承受设计载荷而破坏等等。
统计资料表明,国内油田多数套损属于套管不能承受外挤力而产生损
坏。以国内某油田为例,截止2001年底,该油田统计套损井1599口,其
中套管被挤毁井1198口,占套损井总数的75%。并且多数套管损井的使
用寿命低于设计年限。井况的恶化不仅破坏了注采井网,影响了增产增注措
施的实施,而且还造成储量和产量的损失,从而严重影响着油田的稳定与发
展。
几十年来,生产厂家和油田用户在防治套管的被挤毁方面进行了不懈
的努力。在油田方,开发了双层复合套管,(两层套管之间填充高强度水
泥),以及增加套管外水泥强度和厚度等办法来提高下井套管的高抗挤毁强
度;而生产厂家则在提高套管的抗挤毁能力方面进行了深入的研究,在对
套管的抗挤毁强度影响因素的研究中发现,D/T、不圆度、壁厚均匀度、材
料强度、套管壁厚、残余应力等对套管的抗挤毁强度具有显著影响。在认
清了这些影响因素的基础上,通过对这些因素进行有效地控制,进而开发
了一系列的高抗挤套管。这类高抗挤毁套管,比同规格同钢级的API套管
的抗挤毁强度高出20%~60%,有些规格抗挤毁强度甚至较API更高一钢
级套管和更厚一级壁厚套管的抗挤毁强度还要高。API规格高抗挤毁套管
的研制,解决了部分常规的油田需要,但在一些油田对套管抗挤强度的特殊
要求,则仍然无能为力。20世纪90年代之前,尽管市场对高抗挤毁套
管有急切的需求,但由于各种条件的局限,在选用高抗挤毁套管方面,只
能局限在API规格范围内。这种解决方案在许多情况下并不能真正解决问
题。仍以前面提及的某油田为例,为解决油水井套管抗挤毁问题,将下井套
80Ksi110Ksi139.79.17mm
管从钢级提高到钢级高抗挤毁套管,将∮×
139.710.54mmAPI5CT
的壁厚提高到∮×的壁厚(规范中的最大壁
厚)。然而,这样做的结果也只能将油水井寿命由原来的平均6年提高到
7年。
如何防范盐膏层蠕变挤毁套管,是某油田长期攻关解决的重大技术
难题。通过对该油田现场统计分析与反演得出:盐膏层蠕变对生产套管产生
的最大等效外挤压力为167Mpa,而API标准套管(内径不低于118mm
的现有套管)的最大抗挤强度尚未超过120Mpa,因而无法克服如此巨大
的盐膏层外挤载荷。
目前国内各个油田套损情况都很严重。尤其是对含岩盐层、泥岩层
的油田以及实施注水、热采等工艺的油田。油田套损的主要原因基本上都可
以归咎于套管受到了非均匀载荷的影响。
2、挤毁失效机理
2.1、套管失效基本形式
套管的失效形式可用八个字概括:脱、漏、粘、挤、破、裂、磨、
蚀。
脱:管体螺纹从接箍内滑脱
漏:螺纹连接处失去密封
粘:螺纹粘扣
挤:管体挤毁
破:管体受内压爆破
裂:拉断、错断、纵裂、射孔开裂以及疲劳、应力腐蚀开裂等
磨:套管与钻柱互相磨损
蚀:腐蚀及应力腐蚀
2.2套管挤毁的失效机理。
高强度高抗挤套管主要用于深
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