套管损坏原因分析及防治技术的研究

套管损坏原因分析及防治技术的研究

李,阳

大庆油田第六采油厂工艺研究所

摘要： 随着钻井技术的发展，深井、超深井、复杂地层井、含腐蚀介质油气井的开采不断增加，随之而来的是套管的损坏率不断提高，影响了油气井的开采寿命，经分析研究认为套管的损坏原因主要由地质因素、工程技术因素、油气井开发方式等构成，针对不同的套损原因和机理，当前各国钻井界已采用了多种防治措施，通过综合利用这些技术，对延长套管寿命、进行套损修复、增加油气井的开采，均有很大的帮助。

关键词： 套管损坏  损坏原因  机理  防治技术

一、 套管损坏原因

1.1变形和挤毁

套管的变形和挤毁这两种损坏方式主要是由地质因素造成，油气井随着油气的开采，地层压力迅速释放，特别是油井出砂，使得储集层砂岩疏松，形成空洞，当上部覆盖地层和下部支撑地层的应力向储集层释放时，储集层就可能发生弹性变形和塑性变形，整个地层的应力变化，导致套管受挤压破坏，这种破坏形式在各大油田均有存在。

巨厚盐膏层的蠕变同样会产生套管的变形和挤毁破坏，这种现象在新疆塔河油田、江汉油田等地区普遍存在[2]。在钻井和开采过程中，随着水分子对盐膏层的侵蚀，盐膏层的压力体系会产生变化，盐膏层发生蠕动变形，这在钻井过程中非常明显，其蠕变速度之快可导致下套管和固井作业的时间不够，在套管下入后，进行固井作业准备期间，盐膏层的蠕动就可能使套管变形。并且，经验显示盐膏层厚度越大，蠕变速度越快。

1.2 错断

套管的错断大多数由地层的断层滑移变形等造成，也可由盐膏层的蠕变造成，其对油气井的危害程度大于套管的变形和挤毁破坏，一旦形成错断，油气井就会报废，无法进行修复。

错断的产生往往在地层倾角较大的地区，由于对油气储层的开采，破环了原始地层的应力平衡，打破了原始地层结构力的相对静止状态，造成地层的蠕动，使地层的上下层面发生相对位移，对穿过地层的套管形成剪切，造成套管错断。

1.3 磨损

套管的磨损大多由工程技术因素造成的，磨损方式可以分为纵向磨损和横向磨损。纵向磨损主要由起下钻具、起下采油管具等施工引起，套管内管柱与套管之间的纵向相对运动造成这种磨损现象；横向磨损主要是由钻柱旋转，与套管之间形成相对转动引起，这些磨损方式在定向井、水平井等斜度较大的井或者是狗腿度严重的井，存在较为严重。

磨损形式主要是接触磨损和磨粒磨损两种，其他如冲蚀磨损、疲劳磨损等影响较轻。随着井深的增加，钻柱与套管的接触时间越来越长，长时间的相对旋转运动对套管会造成严重的磨损。目前随着泥浆密度的加大，磨粒磨损的现象更加特出，国内部分地区的泥浆比重达到1.8~1.9克/厘米3，为了达到这一要求，往往在泥浆中加入大量的铁矿粉，铁矿粉硬度较高，粒度较粗，成为一种研磨介质，介于钻杆接头和套管之间，造成严重的磨损。

1.4 破裂和漏失

套管的破裂和漏失受工程技术因素和开发方式的影响较大，首先是腐蚀介质对套管的长期侵蚀会造成套管锈蚀，造成漏失，腐蚀介质的来源既可能是油气中含有的硫化氢、二氧化碳等，也可能是压裂、酸化等工程施工中的介质。

其次是套管连接螺纹的损坏，也会造成漏失。常见的热采井，受高温的影响，井内套管会产生变形，或是井身曲率变化较大，井内套管同样会变形，在套管接箍和本体处，连接螺纹是薄弱点，形成应力集中，在长时间的作用下，套管材料产生蠕变，导致连接螺纹密封失效，自由段套管脱扣，引起漏失。

压裂和射孔过度，也是套管破裂和漏失的原因，油田开发中，为了增储上产，对低渗透油藏中往往采用压裂作业，压裂作业中所选的最高压力多以地层的破裂压力为依据，而对套管的抗内压的能力考虑较少，套管在井内受到径向拉伸、轴向挤压的作用，其抗内压得能力已大大下降，在压裂最高压力的作用下，很容易造成损坏。射孔次数多，孔密度较大，则使生产段的套管更加易于损坏，造成漏失。

二、 套损防治技术的研究

2.1  高抗挤套管

为了提高套管的抗挤毁和抗变形的能力，国内外套管厂商纷纷开发高抗挤得套管，如日本住友、新日铁、德国VAM公司等、国内的天钢、宝钢等均相继研发了非API油井管钢级系列的套管，以满足现场要求。

提高套管的抗外挤强度有两个途径，一是提高套管的材料的强度，二是增加套管的壁厚，或者两者都采用，如天津钢管厂的TP110TT、TP125TT、TP130TT、TP140TT，既提高了套管材料的屈服强度，又增加了套管的壁厚，其中用于深井巨厚盐膏层的9  5/8″套管，就有TP125TT、TP140TT，外径为9  7/8″，壁厚为15.88，抗挤毁值大于90MPa。对于国外的高抗挤套管主要是增加套管材质的强度，特殊尺寸较少[8]。

2.2 防腐蚀套管材料

防腐蚀套管材料首先是单防硫化氢气体腐蚀的套管材料的研究开发，由于硫化氢破坏主要是应力破坏，对于抗硫化物应力脆断的材料要求是低碳、杂质含量少、热处理后形成均质马氏体、防止偏析，同时增加抗断裂的元素，如Cr、Mo、V等等，国内外已有住友、VAM、天钢、宝钢等厂家研制了TP90SS、TP110SS等高抗硫的套管。

防二氧化碳腐蚀的方法普遍采用Cr系列不锈钢，如13Cr系列、超级13Cr、22-25Cr等等，这些材料具有相当强的抗二氧化碳腐蚀的能力，同时也能抗其他各种电解质的腐蚀。

对于硫化氢、二氧化碳共存的腐蚀环境中，目前国外普遍采用的是Cr-Ni合金，如G3合金等等，由于这种材料非常昂贵，对于普通的开发井，影响经济效益，只能在硫化氢、二氧化碳共存严重的井段中，下入若干根管柱就可以，国内天钢、宝钢等大型钢管生产厂家，正在开展研究。

2.3  防腐涂层

套管内壁涂层是一种延长套管寿命，提高套管抗腐蚀能力的常用方法，也可以防治套管的结蜡、结垢等，目前套管涂层有金属镀层、化学镀层、有机材料涂层三种，镀层（涂层）的本身与套管体的材料不进行任何化学反应，金属镀层主要是镀铜、锌、铝等，用来耐磨、耐腐，起到阳极保护作用，化学镀层常用是外品态镍磷（Ni-P）合金镀层，具有结合力强、硬度高、耐蚀性好等优点起到一定的防腐作用，有机材料涂层是目前国内使用较多的一种，主要成分是环氧酚醛树脂，能在套管内壁形成一层致密的保护层，附着性好，能耐一定的高温，在套管弯曲、扭转变形中不损伤，有机化学涂层有成本较低的特点，有利于大规模的应用。

2.4  套管防磨技术

解决套管的磨损有多种技术和方法，首先是从材料上进行考虑，较大幅度的提高钻杆接头的硬度，拉大与套管硬度的差距，同时提高钻杆接头的表面光洁度，降低摩擦系数，从金属摩擦学来分析，两种材料的硬度越接近越容易产生磨损。其次降低材料中铬的含量，也是一种减少磨损的方法，由于金属铬是一种非常粘性的材料，相互摩擦，就可形成粘接，然后撕裂，加剧磨损。

近几年国内外兴起的防磨技术是将套管和钻杆接头之间隔开。采用钻杆防磨套，或是钻杆防磨短节等特殊工具，将钻杆接头和套管之间的相对运动分开，使钻杆接头不再摩擦套管。钻杆防磨套主要有套筒和接箍组成（图4），套筒是由特种高分子材料制成，耐磨性非常好，摩擦系数低，接箍是耐磨的铝合金材料，套筒通过接箍，固定在钻杆接头上，隔开套管和钻杆接头，钻杆接头旋转式只在套筒内转动，这样不摩擦套管，防止套管磨损。另一种防磨钻杆短节原理同钻杆防磨套一样，只不过将钻杆防磨套安装在钻杆短节上，钻杆短节接在两根钻杆之间，起到防磨作用[10]。

三、 结论

套管的损坏原因多种多样，防治套损的技术层出不穷，针对某一口井的套管来说，其损坏原因可能有多种因素造成，因此在防治套损的技术应用上，有一定的针对性。在钻井工程和井身结构设计中，充分利用这些防治技术来预防套管的损坏，达到延长油气井开采寿命的目的。

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