左紅兵

【摘要】套管是油田勘探開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵重要物資，油田地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性對(duì)套管采購(gòu)質(zhì)量和性能指標(biāo)有很高的要求。套管采購(gòu)質(zhì)量的優(yōu)劣以及套管性能與井況的匹配性直接關(guān)系到鉆井作業(yè)的整體質(zhì)量。針對(duì)鉆井過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)套管失效或損壞的現(xiàn)象，如何運(yùn)用理論認(rèn)識(shí)和試驗(yàn)方法，客觀、理性的分析形成原因，對(duì)物資采購(gòu)部門(mén)提升套管采購(gòu)質(zhì)量具有現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】套管? 抗擠毀? 變形? 韌性

多采少注會(huì)造成油氣井內(nèi)縱向的壓力不平衡，油層頂部向下沉陷，使套管產(chǎn)生縮徑、彎曲錯(cuò)切變形。同時(shí)因油層孔隙壓力下降，管內(nèi)液面下降，區(qū)塊兩臨端注采壓力不一致等而造成橫向壓力不平衡，使套管承受的有效擠壓載荷加大。在鹽巖層埋藏達(dá)到一定深度時(shí)，在上覆地層壓力作用下，就會(huì)產(chǎn)生“塑性流動(dòng)”，使套管受到擠壓。由于地層出砂造成套管徑向非均勻外擠壓力，在地層上覆壓力的聯(lián)合作用下，套管將發(fā)生擠毀和錯(cuò)斷。

1、套管損壞的機(jī)理

從理論上講，在鹽巖層均勻載荷下，套管外壓力可增至與覆蓋層相等的壓力。當(dāng)這種壓力大于鹽巖層位套管的抗擠毀強(qiáng)度時(shí)，套管就會(huì)出現(xiàn)局部擠毀、彎曲變形、破裂，直至錯(cuò)斷等損壞。套管損壞與鹽巖、膏巖層的傾角、鹽層厚度、鹽層的溶解、鹽層的蠕動(dòng)及滑移有直接關(guān)系。鹽巖隨著溫度、壓力的增大，由剛性流動(dòng)變?yōu)樗苄粤鲃?dòng)，產(chǎn)生不均勻的外擠力，這種效應(yīng)更易使套管擠壞。

2、實(shí)例研究

根據(jù)某油田62 口套損井的統(tǒng)計(jì)，在鹽巖未封或封固不好時(shí)，井眼變化大于30 cm 的井有48口，占套管變形井的70.6%。下面以某油田2012年某區(qū)塊某井為例，對(duì)套管毀損原因進(jìn)行探析。

某井2012年3月7日開(kāi)鉆，4月9日完井，完鉆井深3840米。該井設(shè)計(jì)井深3800米，井身結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)下圖。

4月12日試油作業(yè)，4月15日下φ112mm×2M通徑規(guī)通井遇阻，遇阻深度：2948.61米，初步判斷是鹽巖層所引起的套管變形，4月16日40臂井徑全井段檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果如下：

經(jīng)對(duì)比鉆井設(shè)計(jì)證實(shí)變形套管鋼級(jí)為155抗擠毀套管，鹽層井段2925-2952米，155抗擠毀套管下深2799.83 -2962.06米。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查及對(duì)套管扭矩等有關(guān)環(huán)節(jié)施工資料復(fù)查，排除現(xiàn)場(chǎng)操作的因素。

3、材質(zhì)分析

為驗(yàn)證套管變形是否為鹽巖層段套管抗外擠強(qiáng)度不夠所致，委托國(guó)家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心及某鋼廠(chǎng)對(duì)該套管的化學(xué)成分、拉伸性能、夏比沖擊、洛氏硬度、金相分析、實(shí)物試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.1化學(xué)成分

在管體和接箍上分別取樣用ARL4460直讀光譜儀、LECO CS-444紅外碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A 751-2008，結(jié)果表明管體和接箍化學(xué)成分符合技術(shù)協(xié)議要求。

3.2拉伸性能試驗(yàn)

在管體和接箍上分別取樣用UH-F500KNI＼CMT5150萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A 370-2010，結(jié)果表明符合技術(shù)協(xié)議要求。

3.3夏比沖擊試驗(yàn)

制備管體縱向拉伸、沖擊試樣以及橫向沖擊試樣。實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度大于1068MPa（155Ksi）;縱向沖擊功大于75J，橫向沖擊功大于48J，但橫向沖擊功/縱向沖擊功小于0.72。結(jié)果表明橫向、縱向沖擊功符合技術(shù)要求;但技術(shù)協(xié)議對(duì)橫向/縱向沖擊功沒(méi)有明確規(guī)定。

3.4洛氏硬度檢驗(yàn)

在管體和接箍上分別取樣用HR-150D硬度計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E 18-2008，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表，顯示硬度比較均勻

3.5金相分析

在管體和接箍上分別取樣用MeF3A金相顯微鏡，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13298-1991、ASTM E 112-1996，試驗(yàn)結(jié)果顯示非金屬夾雜過(guò)大，會(huì)降低鋼的機(jī)械性能，特別是降低塑性、韌性及疲勞極限;嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)使鋼在熱加工與熱處理時(shí)產(chǎn)生裂紋或使用時(shí)突然脆斷。

3.6外壓至失效試驗(yàn)：

取管體一段用壓潰爆破試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓潰試驗(yàn)，實(shí)測(cè)鋼級(jí)155 套管壓潰強(qiáng)度170MPa，但管體壓潰試樣縱向開(kāi)裂嚴(yán)重。

3.7結(jié)果分析及建議

根據(jù)API Spec 5CT-2005《油管和套管規(guī)范》、API RP 5C5-2003《套管及油管螺紋連接試驗(yàn)程序推薦做法》及雙方的技術(shù)協(xié)議，化學(xué)成分、拉伸性能、夏比沖擊、洛氏硬度等試驗(yàn)結(jié)果符合要求。從材料屬性來(lái)看，超過(guò)150鋼級(jí)的材料，要同時(shí)獲得高強(qiáng)度和高韌性是非常困難的;從生產(chǎn)實(shí)踐來(lái)看，油田用戶(hù)對(duì)油套管的韌性考慮不夠充分，必須針對(duì)斷塊油氣田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的特點(diǎn)，在鉆井作業(yè)過(guò)程中應(yīng)合理選擇管材的韌性指標(biāo)，保證套管不變形、不毀損;因此著眼于用戶(hù)使用的安全性，建議油田選用高鋼級(jí)高抗擠套管產(chǎn)品時(shí)，要針對(duì)性的制定管體韌性標(biāo)準(zhǔn);如要求套管產(chǎn)品0℃ 全尺寸縱向Akv≥80J，或橫向Akv≥60J。

4、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)套管在油田勘探開(kāi)發(fā)的重要性和關(guān)鍵性，油田用戶(hù)在套管選型上不僅要考慮生產(chǎn)工藝、技術(shù)要求，還應(yīng)該關(guān)注套管本身的質(zhì)量性能和對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。在工藝設(shè)計(jì)上，技術(shù)生產(chǎn)部門(mén)要根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)“量身定做”，提出套管設(shè)計(jì)方案;在套管采購(gòu)上，物資供應(yīng)部門(mén)要加強(qiáng)與技術(shù)生產(chǎn)部門(mén)的溝通對(duì)接，開(kāi)展技術(shù)評(píng)審，明確套管技術(shù)要求;要建立油田與套管生產(chǎn)企業(yè)合作研究機(jī)制，針對(duì)油田的不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮雙方的專(zhuān)業(yè)特長(zhǎng)，研究開(kāi)發(fā)適合油田地質(zhì)特點(diǎn)的套管，進(jìn)一步滿(mǎn)足油田生產(chǎn)使用需求。