中原油田高壓注水誘發(fā)的油水井套管損壞原因分析

劉偉，李紅南，安天下

(1.中國石化中原油田采油二廠，河南濮陽 457532;2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029; 3.中國石油大學(xué)(華東)地球資源與信息學(xué)院，山東東營 257061)

中原油田高壓注水誘發(fā)的油水井套管損壞原因分析

劉偉1，2，李紅南3，安天下3

(1.中國石化中原油田采油二廠，河南濮陽 457532;2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029; 3.中國石油大學(xué)(華東)地球資源與信息學(xué)院，山東東營 257061)

中原油田高壓注水開發(fā)35年，套管損壞嚴(yán)重，嚴(yán)重的影響了油田的開發(fā)效果。據(jù)研究，油田水井套管損壞主要有錯斷、變形及破漏等三類，平面上主要分布在斷層發(fā)育區(qū)、高地層水礦化度區(qū)、泥巖層和鹽膏層發(fā)育區(qū)，剖面上主要分布在鹽膏層段和主力生產(chǎn)井段。提出斷層活動、地應(yīng)力非均質(zhì)演化、鹽巖蠕變、油田開發(fā)歷程和開采方式及油氣流場、化學(xué)場演化是中原油田套損的主要控制因素，建立油田油藏油井多參數(shù)動態(tài)模式，優(yōu)選與油藏模式匹配的開采方式及增產(chǎn)措施，改造套管動力學(xué)環(huán)境和化學(xué)環(huán)境將能防治套損地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

油田開發(fā);套管損壞;地質(zhì)災(zāi)害;斷裂活動;鹽巖蠕變;中原油田

中原油田長期高壓注水開發(fā)35年，套損嚴(yán)重，井況不斷惡化，影響了增產(chǎn)增注措施的實施，修復(fù)事故井的成本昂貴，套損已成為困擾油田原油開采中增儲上產(chǎn)的一大難題。故研究長期注水開發(fā)歷程中誘發(fā)的套損地質(zhì)災(zāi)害類型及其控制因素，提出防治套損的措施，對降低油田開發(fā)成本、提高開發(fā)效益具有重要的理論和實用價值。

1 中原油田地質(zhì)概述

中原油田位于渤海灣盆地南部的東濮凹陷，長期的勘探開發(fā)實踐已證實該油田為多種油氣藏類型的復(fù)雜斷塊油田［1－6］。東濮凹陷的地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要受一系列NNE向的張性正斷層控制，斷層傾角較大，常超過60°，延伸長度、切割深度和斷距大小各不相同。蘭聊斷層是控制東濮凹陷形成演化的東部邊界斷層，屬于Ⅰ級斷層，長百余公里，斷距為5000～9000m，切割至中下地殼。Ⅱ級斷層控制凹陷內(nèi)的二級構(gòu)造帶或凹陷帶，如馬廠斷層、杜寨斷層、濮城斷層、宋廟—長垣斷層系、觀城—衛(wèi)西斷層系、黃河斷層等，長約20～80km，斷距為500～3000m，切割至結(jié)晶基底。Ⅲ級斷層多發(fā)育在沉積蓋層中，常僅切割古近系沉積蓋層，長約5～20km，斷距為100～500m，多屬Ⅰ－Ⅱ級斷層活動誘導(dǎo)的調(diào)節(jié)斷層，如梁莊斷層、徐樓斷層、徐東斷層、新東斷層、馬東斷層、文東斷層和衛(wèi)東斷層等，僅控制某一時期的沉積作用。此外，Ⅰ—Ⅲ級斷層常伴生或派生了大量斷距小、延伸較短的低級序斷層，使該區(qū)構(gòu)造面貌復(fù)雜，形成復(fù)雜的不同級序的斷塊群構(gòu)造，不僅控制該區(qū)油氣藏形成、分布和富集，還控制該油田各類開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的形成和演化。

東濮凹陷是以古-中生界為基底，新生界為蓋層的斷陷盆地［4－6］。新生界地層總厚度為8000m以上，僅古近紀(jì)沙河街組厚達5000m，是中原油田主要勘探開發(fā)目的層。沙河街組地層屬鹽湖沉積，發(fā)育多套鹽巖層，沙一下鹽巖厚50～240m，分布面積5413km2;沙三3(文9鹽)鹽巖層埋深2300～3540m，厚70～400m，大面積分布于文留、濮城油區(qū);沙三4鹽巖層埋深2150～5460m，厚400～1100m，分布面積469km2。鹽巖層為油氣圈閉提供了良好蓋層，但也給鉆井工作及后期開采帶來了困難。該區(qū)主力儲層主要為低滲透粉、細砂巖，物性差，非均質(zhì)性強，區(qū)域地應(yīng)力異常高，如文南油田文79塊3000m井深處的地應(yīng)力為205～66.8MPa，理論計算的套管設(shè)計相當(dāng)?shù)貞?yīng)力為117MPa，比P110×10.54mm套管抗擠強度大14.77MPa。

中原油田自1975年發(fā)現(xiàn)以來，相繼投入注水開發(fā)，歷經(jīng)初建產(chǎn)能、增儲上產(chǎn)、產(chǎn)量遞減、調(diào)整治理和增儲穩(wěn)產(chǎn)等5個開發(fā)階段，分區(qū)分類實施了優(yōu)化注水、壓裂、深抽等提高采收率措施。35年的高壓注水開發(fā)及多種開發(fā)工藝措施的實施，導(dǎo)致油藏地質(zhì)模型的各類宏觀、微觀參數(shù)發(fā)生了高度非均質(zhì)動態(tài)演化［7］，使得地下油水關(guān)系復(fù)雜化，影響各類油田開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的形成演化。

2 套損地質(zhì)災(zāi)害的主要類型

據(jù)研究，截止2003年5月底全油田累計發(fā)現(xiàn)事故井3066口，其中落物1371口，套損1695口，油水井套損井?dāng)?shù)呈現(xiàn)逐年遞增趨勢(圖1)。據(jù)文明寨、衛(wèi)城及馬寨等油田油水井的套管損壞類型研究(表1)，水井套損比油井多33口，套損類型主要為錯斷、變形及破漏等三種類型，其中套管錯斷井26口，為套損井?dāng)?shù)的8.9%，套損變形井192口，為套損井?dāng)?shù)的66%，套管破漏井73口，為套損井?dāng)?shù)的25.1%。上述表明，文明寨、衛(wèi)城及馬寨等油田歷年開發(fā)誘發(fā)的套損變形地質(zhì)災(zāi)害最多，為歷年套損井的66%，次為誘發(fā)套損破漏，為25.1%;套管錯斷方式破壞最少，僅有8.9%。

表1 文明寨、衛(wèi)城及馬寨等油田套損井主要類型統(tǒng)計表Table 1 Statistics of type of casing damage wells in Wenmingzhai，Weicheng and Mazhai oil field

圖1 中原油田注水開發(fā)過程中套管損壞井?dāng)?shù)歷年變化規(guī)律Fig.1 Regularity of number of casing damage wells in the process of high－pressure waterflooding over the years in Zhongyuan oil field

中原油田至今仍有事故井1467口，其中油井810口，氣井16口，水井641口。據(jù)事故類型可分為小件落物井132口，一般落物井163口，大修落物井282口等三種類型，其中套損井596口，套損+落物井294口，套損類井(套損井、套損+落物井)為事故井的60.67%，為目前研究區(qū)事故井的主要類型(圖2)。在套損類井中，油井為444口，為49.9%;氣井為5口，為0.6%;水井為441口，為49.5%，表明中原油田在35年長期高壓注水開發(fā)中油水井的套損較氣井更多、更嚴(yán)重。

3 套損井地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律

中原油田文、衛(wèi)、濮等46個含油區(qū)塊長期的研究表明，研究區(qū)996口套損井分布具有明顯的規(guī)律性。套損井區(qū)在平面上主要發(fā)育分布在復(fù)雜斷塊群的控油斷層發(fā)育區(qū)或多組斷裂交匯部位、高地層水礦化度區(qū)、泥巖層厚度大的區(qū)域和鹽膏層發(fā)育區(qū)的主力油氣生產(chǎn)區(qū)塊內(nèi)。如文南油田的文33塊，低級序斷層發(fā)育，地層水礦化度高達20×104mg/L以上，該塊套損井有96口，為總井?dāng)?shù)的43.6%，主要沿斷層走向排列(圖3)。據(jù)單井剖面套損分布研究表明，該區(qū)塊套損井段主要發(fā)育分布在鹽巖層段和油氣主力生產(chǎn)井段(圖4)，為該塊套損井?dāng)?shù)的70.9%，其它井段僅為套損井?dāng)?shù)的29.1%，套管平均使用壽命僅為6.92年。其中，套損井段深度范圍在1600～2200m的套損井占文33塊套損總井?dāng)?shù)的20.3%，在2400～3000m的套損井則占文33塊套損總井?dāng)?shù)的46.2%。文33塊2400～3000m井段，不僅是鹽巖層發(fā)育、泥巖層厚度大、不同級序斷層發(fā)育，也是中原油田主要的油氣生產(chǎn)井段。上述諸因素的作用，常在2400～3000m井段導(dǎo)致地應(yīng)力場非均質(zhì)演化并集中，誘發(fā)該井段油氣水井套損地質(zhì)災(zāi)害，給文33塊油氣開采造成了極大的損失。

圖2 中原油田35年高壓注水開發(fā)誘發(fā)的事故井分類圖Fig.2 Classification of current accident induced by high-pressure waterflooding over 35 yearsin Zhongyuan oil field

圖3 中原油田文33塊西部套損并地質(zhì)災(zāi)害平面分布規(guī)律圖Fig.3 Lateral distribution of geologic hazards of casing damage wells in the west of Wen-33 block in Zhongyuan loil field

4 套損地質(zhì)災(zāi)害的主要控制因素

4.1 油田開發(fā)套損地質(zhì)災(zāi)害主要受斷裂活動控制

圖4 中原油田套損地質(zhì)災(zāi)害剖面分布規(guī)律示意圖Fig.4 Distribution of casing damage in a single well section in Zhongyuan oil field

不同級序的斷裂是不同級序應(yīng)力場的產(chǎn)物，故斷層帶是地層成巖較薄弱的地帶，也是油區(qū)、油田和油井及其附近地應(yīng)力相對集中的地帶。在強應(yīng)力作用下，斷層周圍的巖層常易發(fā)生變形甚至滑移，從而會導(dǎo)致油氣水井套管損壞。若油田長期高壓注水開發(fā)，隨著油層和油井注水開發(fā)的不斷深化，將會導(dǎo)致斷層面的破碎帶充水，潤滑斷層面，使應(yīng)力場非均質(zhì)演化而應(yīng)力集中，誘發(fā)斷層“復(fù)活”，導(dǎo)致斷層兩盤的巖塊活動，極易誘發(fā)斷層兩盤或斷層帶內(nèi)油氣水井的套管損壞。此類套損地質(zhì)災(zāi)害，主要沿不同級序的控油斷層帶發(fā)育分布。如圖3中，文33斷塊套損井主要沿NNE向不同級序的控油斷層和斷層復(fù)合部位分布，表明這些地區(qū)為巖層薄弱的地帶，也是地應(yīng)力非均勻集中的地帶。

4.2 油田開發(fā)套損地質(zhì)災(zāi)害主要受地應(yīng)力場非均質(zhì)演化的控制

現(xiàn)今地應(yīng)力場的高值區(qū)易對套管產(chǎn)生大的外擠力，若地層傾角較大時，還會伴生或派生較大的剪切力，從而擠毀或錯斷油水井套管。在高應(yīng)力區(qū)，鹽巖、泥巖等軟弱地層的穩(wěn)定性較低應(yīng)力區(qū)差，容易發(fā)生塑性流動和滑移，增加套管的非均勻外擠載荷，使套管變形。

古地應(yīng)力場的應(yīng)力集中區(qū)，斷層或裂縫相對發(fā)育，注入水極易沿斷層破碎帶或裂縫帶進入鹽巖或泥巖等塑性地層中，必將加速斷層破碎帶和裂縫帶內(nèi)鹽巖和泥巖層等塑性巖層的蠕變，塑性流動或滑移，從而誘發(fā)斷層破碎帶和裂縫發(fā)育帶展布區(qū)的油水井套管損壞。

據(jù)衛(wèi)95塊S34－7中層的應(yīng)力場數(shù)值模擬研究表明，油區(qū)的古地應(yīng)力分布是非均質(zhì)的，在斷層附近和裂縫相對發(fā)育的區(qū)域，特別是在不同走向斷層或裂縫的交匯復(fù)合聯(lián)合的地區(qū)應(yīng)力相對集中，在遠離斷層的斷塊內(nèi)應(yīng)力相對分散且較小。在現(xiàn)今地應(yīng)力高值區(qū)與古地應(yīng)力集中區(qū)相互重疊的地區(qū)是油區(qū)極危險應(yīng)力區(qū)，套損井有13口，為總套損井的68.4%，而在其他應(yīng)力區(qū)的套損井僅有6口，為總套損井的31.6%。

4.3 油田開發(fā)套損地質(zhì)災(zāi)害主要受泥巖和鹽巖蠕變的控制

中原油田的油氣儲集層發(fā)育段或緊鄰儲集體的地區(qū)，常發(fā)育有不同厚度、不同規(guī)模的泥巖或鹽巖層，其中的粘土礦物具有遇水膨脹、分散、運移的特性，而鹽巖和石膏常具有溶于水的特性，它們與周圍巖層相比，硬度小、塑性較大。若上述巖層埋藏到一定深度或上覆地層達到一定厚度時，其溫度和壓力將會升高，原有的剛性流動將會演化為非均質(zhì)塑性蠕動或流動，在蠕動或流動剪切區(qū)內(nèi)形成不均勻的外擠力，對阻礙鹽巖和泥巖層運動的套管施加強度極大的非均質(zhì)的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，當(dāng)超過了套管鋼材的強度時，油氣水井的套管將會產(chǎn)生彎曲、變形、破裂和錯斷等多種方式的破壞。

油田長期注水開發(fā)過程中，注入水有時串入鹽巖層的破碎帶，導(dǎo)致注入水、塑性巖碎塊及一些硬透鏡體巖塊沿水流方向發(fā)生滑移并形成高壓水，這種高壓水將推動滑移面附近的鹽巖層，擠彎、擠扁甚至錯斷油氣水井套管。

據(jù)文13塊東區(qū)的鹽巖蠕變數(shù)值模擬研究表明，在文13塊油田注水開發(fā)中，鹽巖蠕變明顯。以鹽巖為中心，分布在鹽巖之上或之下的巖層所承受擠壓力常大于鹽巖層，此時油水井套管在鹽巖層上下邊界處會承受較大的非均勻應(yīng)力作用(圖5)。據(jù)鹽巖層套管非均勻載荷計算，套管承受非均勻外載的能力僅為其抗衡均勻外載能力的1/8～1/20［8］，表明油田注水開發(fā)時，鹽巖流變形成的非均勻外載是導(dǎo)致套管損壞的重要因素。

此外，在油田長期高壓注水開發(fā)歷程中，當(dāng)油藏流場中的固液介質(zhì)條件發(fā)生改變時，分布在儲集層及其周緣地層中的鹽巖或泥巖等塑性巖層還會發(fā)生溶解，溶解液隨地下流體運移或流失，使巖層的局部孔隙性增大，極易造成局部壓力場的非均質(zhì)演化而應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致油氣水井的套管變形或損壞等油田開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

4.4 油田開發(fā)套損地質(zhì)災(zāi)害主要受油田注水開發(fā)歷程和開采方式的控制

據(jù)套管、水泥環(huán)、地層封閉系統(tǒng)的有限元模型數(shù)值模擬研究，油藏溫度和注入水之間的溫差能夠明顯地降低地層內(nèi)部的地應(yīng)力，若注入水溫度足夠高，可使地層內(nèi)的地應(yīng)力呈增加趨勢。高壓注水能使泥巖產(chǎn)生微裂紋，擴大泥巖中浸入水的波及區(qū)域，形成“浸水域”，并使其在高壓沖水和泥巖軟化作用下發(fā)生蠕變，使油層套管承受側(cè)向非均質(zhì)載荷導(dǎo)致套管損壞。在超高壓注水井中，隨著井底壓力的升高，套管有效應(yīng)力也增大，若注水壓力過高，將導(dǎo)致套管的損壞。

隨著油田水驅(qū)開發(fā)歷程的增加，注入水將會逐漸被擠入油層頂部或底部的泥巖層中，泥巖層中的水敏性粘土礦物水化膨脹，導(dǎo)致井壁及其周緣應(yīng)力集中，誘發(fā)套管損壞。若注入水?dāng)D入兩種巖性的界面，可減小滑動摩擦角，使上下兩類巖層沿界面相對滑動，導(dǎo)致套管剪切破裂。若注入水進入斷層或地層的破碎帶，破碎帶的充填物質(zhì)被水化，將會導(dǎo)致斷層或地層破碎帶的“復(fù)活”，頻繁誘發(fā)“復(fù)活”區(qū)內(nèi)油氣水井的套管損壞。研究表明，隨著油田、油井、油層注水壓力和注水量的逐漸增加，套管損壞的速度也明顯增加［9］。

圖5 中原油田文13塊東區(qū)鹽巖蠕變數(shù)值模擬剖面圖Fig.5 Numerical simulation profile map of rock salt creep deformation in the east of Wen-13 block in Zhongyuan oil field

4.5 油田開發(fā)套損地質(zhì)災(zāi)害主要受油藏流場化學(xué)場非均質(zhì)演化控制

油田注水開發(fā)歷程中，油氣水井套管的化學(xué)腐蝕是多因素作用的結(jié)果，常形成點、坑蝕，若油氣水井套管受到長期較強腐蝕將會導(dǎo)致套管破漏損壞。據(jù)實驗室測試研究，聚合物鉆井液、鹽水飽和鉆井液及聚磺鉆井液作為油藏流場中的外來流體對套管具有輕微腐蝕性，腐蝕速率≤0.012mm/a，而注水開發(fā)地層中的油田水則高含CO2、Fe2+、SRB、Cl－等成分，具低pH值，對套管具有較強腐蝕性，腐蝕速率大于0.076 mm/a。若油藏開發(fā)流體中的pH值、溫度、含鹽度、CO2含量等各不相同，則對油氣水井套管的腐蝕性也是不同的。鉆井液中所含細菌含量及類型不同也會對套管腐蝕性具有不同的損壞。

此外，與鉆井、完井過程有關(guān)或與生產(chǎn)操作條件有關(guān)的諸多因素，如井筒結(jié)構(gòu)、固井質(zhì)量、套管質(zhì)量、射孔方式、酸化壓裂及各類開采措施等均會導(dǎo)致油氣水井套管的損壞。

5 油田開發(fā)套損地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防措施

(1)建立長期注水開發(fā)油田的油藏流場、物理場和化學(xué)場的動態(tài)演化地質(zhì)模型，揭示油藏宏觀、微觀參數(shù)的演化規(guī)律和演化機理，為預(yù)測和防治油田開發(fā)地質(zhì)災(zāi)害奠定基礎(chǔ)和科學(xué)論據(jù)，并加強套管強度，優(yōu)選與油藏匹配的開采方式和措施。

(2)針對油田不同開發(fā)歷程、不同開采方式，建立油田、油藏和油井規(guī)模的應(yīng)力場動態(tài)演化模型，揭示應(yīng)力場演化特征及演化規(guī)律。在鹽巖層發(fā)育區(qū)、不同級序斷裂發(fā)育或斷裂交匯部位、套損井發(fā)育的部位，將應(yīng)力場研究細化至小層、油砂體、韻律及流動單元規(guī)模，為預(yù)測和防治油田注水開發(fā)套損地質(zhì)災(zāi)害提供有效的科學(xué)依據(jù)。

(3)改善和優(yōu)化油水井套管的流場水化學(xué)環(huán)境，優(yōu)選與油藏流場水化學(xué)和動力學(xué)環(huán)境相匹配的最佳鋼材，加厚管壁，延長套管的壽命，將油氣水井套損地質(zhì)災(zāi)害抑制為最小的程度，以便降低油田開發(fā)成本，提高開發(fā)效益。

6 結(jié)論和認(rèn)識

(1)中原油田油水井套管損壞類型主要是錯斷、變形及破漏等三類。平面上套管損壞主要分布在斷層發(fā)育區(qū)、高地層水礦化度區(qū)、泥巖層厚度大的區(qū)域及鹽膏層發(fā)育區(qū)，剖面上主要分布在鹽膏層段和主力生產(chǎn)井段。

(2)斷層活動、地應(yīng)力非均質(zhì)演化、鹽巖蠕變、油田開發(fā)歷程和油藏流場、化學(xué)場演化等是誘發(fā)油水井套管損壞的主要外在因素，而油藏地質(zhì)模型多參數(shù)非均質(zhì)演化是套管損壞的內(nèi)在因素。

(3)優(yōu)選與油藏地質(zhì)模型最佳匹配的開采方式和增產(chǎn)措施，選取耐腐蝕、最佳厚度的鋼材，將能有效的制約油藏地質(zhì)模型的災(zāi)變，制約油水井的套管損壞地質(zhì)災(zāi)害。

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Abstract:Casing damages are severe during the 35 years of high pressure waterflood development in Zhongyuan oil field，which have a seriously effect on oil field development.The study indicates that casing damage has three types including break，deformation and leak，and the wells distribute laterally in the region of fault development，hypersalinity，thick mud and gypsum，vertically in salt-gypsum layer and production interval.The thesis points out that the control factors are fault activity，heterogeneous geo-stress evolvement，rock salt creep，long-term development history，mining mode and development of oil-gas flow field and chemical field，establishes dynamic pattern of parameters of oil field and well，optimizes exploitation model matching with reservoir pattern，stimulation treatment，and reforms casing dynamics environment and chemical environment to control geological disaster.

Key words:oil field development;casing damage;geological disaster;fault activity;rock salt creep;Zhongyuan oil field

Causal analysis of casing damage in oil-water wells induced by oil field development in Zhongyuan oil field

LIU Wei1，2，LI Hong-nan3，AN Tian-xia3
(1.No.2 Oil Production，Zhongyuan Oilfield Company，Sinopec，Puyang457532，China; 2.Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beiging100029，China; 3.College of Geo－Resources and Information，China University of Petroleum，Dongying257061，China)

1003-8035(2010)02-0094-06

TE931

A

2010-02-04;

2010-03-18

中國石油化工股份有限公司重點科技攻關(guān)項目(P04022)部分成果

劉偉(1974—)，男，高級工程師，博士，從事油田滾動勘探開發(fā)研究與管理工作。E-mail:lihn0611@163.com