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摘 要 针对目前我国各油田为数不少的套管损坏井需要修复和一些套管井正遭受不同程度的损坏，对套管损坏机理进行全面探讨。认为套管损坏的原因可归纳为物理、化学及人为等3方面因素。其中，套管的物理损坏包括地层力对套管的破坏和施加外力对套管的损坏； 套管的化学损坏包括套管闲置被锈蚀和套管使用过程中被腐蚀； 套管的人为破坏因素包括设计不当、制造不当和施工不当。
主题词 套管 套管井 套管损坏 机理 探讨
【中图分类号】G307
针对目前我国各油田为数不少的套管损坏井需要修复和一些套管井正遭受不同程度的损坏。为此，笔者基于有关套管损坏原因研究成果， 归纳出套管损坏的物理、化学及人为因素， 以便为寻求相应的防治方法提供理论依据。
1 套管物理损坏机理
这里所说的套管物理损坏，是指井中套管柱某处受一种或多种直接力和间接力（包括热力）作用的强度超过套管本身的极限强度而造成的损坏。一般来说，套管组合设计和套管寿命设计是考虑了套管在井中可能受到的各种直接力和间接力（包括热力） 的作用的，具有一定的安全可靠性。但是，由于地下条件的复杂性和不可预知性因素对套管产生较大的外力，加上钻井、固井和完井过程中管壁与管壁、管壁与井壁之间的相互碰撞等偶发事件， 致使套管在下井过程或在套管井生产过程中造成不同程度的损坏。
111 地层力对套管的破坏
在钻遇地层活动较为多变的井段或因钻井、注水井开发使地层变得活跃的井段， 地层诸力对套管会产生不同程度的破坏。具体表现有以下几种情况：
一是盐层塑性流动形成对套管的外挤压力而造成套管变形与损坏。在盐层或盐膏层发育井段，多套有砂、泥交替韵律层，这些盐层在地下高温、高压及外界压力波动较大的条件下，蠕变而发生塑性流动，于是形成对套管的外挤压力。这种压力在2000 m以下井段中可达190 M Pa以上，远远超过上覆地层的压力，足以使套管变形甚至完全被挤毁。对于有水泥封固的组合套管，虽然这种地层压力传到内层套管外壁的压力大大减少，但在这种非均匀地层载荷作用下，经固体介质传到内层套管外壁的载荷也为非均匀地层载荷，也将导致套管塑性变形或破坏。此外，盐膏层倾角及厚度增大对套管的外挤载荷也增大，从而导致变形量增加，套管损坏加重。这一推断已被实验和事实所验证。
二是盐层溶解使井眼扩大或使盐层坍塌对套管产生冲击力或外挤压力而使套管挤压变形甚至挤毁。在损坏处往往有结盐，压裂放压即出盐水，严重时套管和油管被结盐卡死而无法进行大修。
三是断层区间套管受非均质力作用导致套管变形损坏。在钻遇泥页岩层段时，断层的存在使断层区间压力不平衡，且使岩层之间发生水串， 从而使套管受力的非均质性加重，致使套管损坏。现场计算表明，非均匀载荷所产生的位移是均匀载荷的7～8倍， 可见非均质力对套管的破坏作用较大。
四是泥岩蠕动及断層滑移产生强大的剪切力导致套管破坏。在高压注水开发过程中，高压水可能侵入到泥岩层段里，引起泥岩膨胀蠕动，对套管构成挤压；当高压水侵入断层时，断层侧面被“润滑”而发生侧移，对套管产生剪切作用，使套管遭到破坏。这种套管损坏的现象大都是从构造顶部和陡坡肩部开始，而后逐渐向低处扩展。一般地， 注水井套管的这种损坏早于油井套管。
112 施加外力对套管的损坏
一是摩擦力对套管的磨损。一般来说， 套管的挤毁强度随磨损部壁厚的减少而降低。若未磨损套管的挤毁强度处于塑性挤毁范围内，磨损就会引起开始屈服，从而降低挤毁强度。特别是当下套管遇到“狗腿度”严重的井段时，强大的摩擦力会阻止下套行进，若强行下套，套管则一方面是遭遇重大磨损，另一方面是套管柱失稳弯曲而变形损坏。
二是流体动静力对套管的破坏。在钻井和固井过程中，套管内外壁难免要遭到流体的冲击。一般地，这种冲击产生的力的强度在套管的设计范围内，因而不会对套管造成什么破坏。但在高压措施下，如环空压裂或注水、光油管压裂或注水，强大的流体会使套管承受高压差和高温差。这种压力和温度的显著变化通过流体传播将在套管柱中产生强大的附加轴向力，使套管发生变形损坏。
2 套管化学损坏机理
这里所说的套管化学损坏，是指套管金属材料在一定化学条件下与其他物质发生化学反应生成另一种物质而脱离套管本体的一种化学腐蚀现象。如果套管表面没有涂镀保护膜或保护措施不利，不论它在什么地方，都有可能发生化学腐蚀。
211 什么情形下套管会腐蚀
从理论上或凭经验来预测套管的什么地方会发生腐蚀。一般来说，套管的腐蚀情形：一是闲置被锈蚀；二是使用过程中被腐蚀，主要是指已磨损的部位、金属组织被破坏的部位、处在水中的部位、处在盐层中的部位易腐蚀，此外还有套管内下入涂（镀）过外保护层的油管后易腐蚀。
212 什么物质对套管具有腐蚀作用
1）硫酸盐还原菌对套管的腐蚀在一定温度的油田地下水中，普遍存在多种由硫酸盐生成的还原菌。在缺氧条件下，硫酸盐还原菌生成代谢产物， H2S 参与阴极去极化过程且使该电化学过程大大加快， 从而使套管腐蚀加剧。
2）二氧化碳对套管的腐蚀在油田水中如果溶有二氧化碳，就可能形成垢物，而且可能与水层中的套管、水及一些金属离子构成电化学反应体系，当体系达到一定压力和温度时，电化学反应便可发生，结果是铁离子脱落而使套管表层遭到腐蚀破坏。
3）硫化氢对套管的腐蚀在没有硫酸盐还原菌或没有条件存在硫酸盐还原菌的油田水中也可能溶有硫化氢，它对套管的腐蚀与硫酸盐还原菌对套管的腐蚀结果相同。
4）盐性物质对套管的腐蚀盐对金属的腐蚀是众所周知的。地下盐层中含有多种盐性物质，其中主要的是氯化钠。这些盐性物质在地层中少量水的溶解下，在一定温度下，套管腐蚀将更加严重，腐蚀速度加快，铁锈、盐垢、凝固水泥等物质固结在一起堵塞通道。
3 套管的人为破坏因素
这里所说的套管人为破坏，是指套管因设计、制造和施工不当而造成的损坏。
311 设计不当
主要表现在以下3 个方面： ①套管的产品设计不当。②套管的组合设计不当。套管产品有不同的规格， 每个规格有各自的材质和承压强度，适应不同地层固井的需要。如果考虑的地层影响因素不充分，设计出来的组合套管柱就可能不合理。将不合理的套管柱下放到井中，就可能因某些部位强度不够而遭到挤毁。③套管的井身设计不当。套管井的井身设计要以能顺利下套管为前提， 如果对所钻遇的地层了解不够或不透， 或者对套管规格不了解， 设计出来的井身就会不合理。将套管下到这样的井中， 就可能出现套管卡住、不居中或套管固井不便， 使套管受力不均匀而遭到破坏。
312 制造不当
主要表现为：①管壁同圆度差或椭圆度偏移； ②壁厚不均匀； ③加工有微小裂痕或内部组织被破坏；④连接螺纹间隙大； ⑤没有良好的保护膜。如果将具有上述一种或多种制造不当的套管用于固井，可能发生的情况是，连接不好，密封不严，有液体渗漏，管柱失稳等等；更严重的是出现套管脱扣、断裂。套管的制造不当还表现在现场的加工处理不当。为了套管柱连接和下放，有时要做一些必要的加工处理。如果处理不当，不仅达不到预期的效果，反而破坏了套管本身的结构，使套管在使用中更易遭到损坏。
313 施工不当
在下套管和完井、固井过程中，施工不当主要表现有：①下套遇阻或卡死时，强行下套管，造成套管磨损或挤毁；②完井、固井质量差， 水泥环不连续，水泥返高不够，串槽，上扣不紧，井口焊接质量差，套管质量不合格等，造成套管变形损坏；③压裂措施不当，压裂时未下套管保护封隔器，破裂压力控制不当，高能气体压裂时没考虑套管钢级等， 造成压坏套管；④作业施工时，使用下井工具不当，大力解卡，猛提猛放刮伤、顿伤或挤伤套管；⑤生产管理不严或措施不当时，造成井下落物事故，破坏套管或影响套管井生产。
4 结 语
套管损坏的现象是多方面的， 其原因也是多方面的， 而且与套管固井质量有关，因而采取的防治手段也应是多样的。面对目前众多急待维修的套管损坏井，只有找到损坏的原因，才能“对症下药”解决实际问题。
主题词 套管 套管井 套管损坏 机理 探讨
【中图分类号】G307
针对目前我国各油田为数不少的套管损坏井需要修复和一些套管井正遭受不同程度的损坏。为此，笔者基于有关套管损坏原因研究成果， 归纳出套管损坏的物理、化学及人为因素， 以便为寻求相应的防治方法提供理论依据。
1 套管物理损坏机理
这里所说的套管物理损坏，是指井中套管柱某处受一种或多种直接力和间接力（包括热力）作用的强度超过套管本身的极限强度而造成的损坏。一般来说，套管组合设计和套管寿命设计是考虑了套管在井中可能受到的各种直接力和间接力（包括热力） 的作用的，具有一定的安全可靠性。但是，由于地下条件的复杂性和不可预知性因素对套管产生较大的外力，加上钻井、固井和完井过程中管壁与管壁、管壁与井壁之间的相互碰撞等偶发事件， 致使套管在下井过程或在套管井生产过程中造成不同程度的损坏。
111 地层力对套管的破坏
在钻遇地层活动较为多变的井段或因钻井、注水井开发使地层变得活跃的井段， 地层诸力对套管会产生不同程度的破坏。具体表现有以下几种情况：
一是盐层塑性流动形成对套管的外挤压力而造成套管变形与损坏。在盐层或盐膏层发育井段，多套有砂、泥交替韵律层，这些盐层在地下高温、高压及外界压力波动较大的条件下，蠕变而发生塑性流动，于是形成对套管的外挤压力。这种压力在2000 m以下井段中可达190 M Pa以上，远远超过上覆地层的压力，足以使套管变形甚至完全被挤毁。对于有水泥封固的组合套管，虽然这种地层压力传到内层套管外壁的压力大大减少，但在这种非均匀地层载荷作用下，经固体介质传到内层套管外壁的载荷也为非均匀地层载荷，也将导致套管塑性变形或破坏。此外，盐膏层倾角及厚度增大对套管的外挤载荷也增大，从而导致变形量增加，套管损坏加重。这一推断已被实验和事实所验证。
二是盐层溶解使井眼扩大或使盐层坍塌对套管产生冲击力或外挤压力而使套管挤压变形甚至挤毁。在损坏处往往有结盐，压裂放压即出盐水，严重时套管和油管被结盐卡死而无法进行大修。
三是断层区间套管受非均质力作用导致套管变形损坏。在钻遇泥页岩层段时，断层的存在使断层区间压力不平衡，且使岩层之间发生水串， 从而使套管受力的非均质性加重，致使套管损坏。现场计算表明，非均匀载荷所产生的位移是均匀载荷的7～8倍， 可见非均质力对套管的破坏作用较大。
四是泥岩蠕动及断層滑移产生强大的剪切力导致套管破坏。在高压注水开发过程中，高压水可能侵入到泥岩层段里，引起泥岩膨胀蠕动，对套管构成挤压；当高压水侵入断层时，断层侧面被“润滑”而发生侧移，对套管产生剪切作用，使套管遭到破坏。这种套管损坏的现象大都是从构造顶部和陡坡肩部开始，而后逐渐向低处扩展。一般地， 注水井套管的这种损坏早于油井套管。
112 施加外力对套管的损坏
一是摩擦力对套管的磨损。一般来说， 套管的挤毁强度随磨损部壁厚的减少而降低。若未磨损套管的挤毁强度处于塑性挤毁范围内，磨损就会引起开始屈服，从而降低挤毁强度。特别是当下套管遇到“狗腿度”严重的井段时，强大的摩擦力会阻止下套行进，若强行下套，套管则一方面是遭遇重大磨损，另一方面是套管柱失稳弯曲而变形损坏。
二是流体动静力对套管的破坏。在钻井和固井过程中，套管内外壁难免要遭到流体的冲击。一般地，这种冲击产生的力的强度在套管的设计范围内，因而不会对套管造成什么破坏。但在高压措施下，如环空压裂或注水、光油管压裂或注水，强大的流体会使套管承受高压差和高温差。这种压力和温度的显著变化通过流体传播将在套管柱中产生强大的附加轴向力，使套管发生变形损坏。
2 套管化学损坏机理
这里所说的套管化学损坏，是指套管金属材料在一定化学条件下与其他物质发生化学反应生成另一种物质而脱离套管本体的一种化学腐蚀现象。如果套管表面没有涂镀保护膜或保护措施不利，不论它在什么地方，都有可能发生化学腐蚀。
211 什么情形下套管会腐蚀
从理论上或凭经验来预测套管的什么地方会发生腐蚀。一般来说，套管的腐蚀情形：一是闲置被锈蚀；二是使用过程中被腐蚀，主要是指已磨损的部位、金属组织被破坏的部位、处在水中的部位、处在盐层中的部位易腐蚀，此外还有套管内下入涂（镀）过外保护层的油管后易腐蚀。
212 什么物质对套管具有腐蚀作用
1）硫酸盐还原菌对套管的腐蚀在一定温度的油田地下水中，普遍存在多种由硫酸盐生成的还原菌。在缺氧条件下，硫酸盐还原菌生成代谢产物， H2S 参与阴极去极化过程且使该电化学过程大大加快， 从而使套管腐蚀加剧。
2）二氧化碳对套管的腐蚀在油田水中如果溶有二氧化碳，就可能形成垢物，而且可能与水层中的套管、水及一些金属离子构成电化学反应体系，当体系达到一定压力和温度时，电化学反应便可发生，结果是铁离子脱落而使套管表层遭到腐蚀破坏。
3）硫化氢对套管的腐蚀在没有硫酸盐还原菌或没有条件存在硫酸盐还原菌的油田水中也可能溶有硫化氢，它对套管的腐蚀与硫酸盐还原菌对套管的腐蚀结果相同。
4）盐性物质对套管的腐蚀盐对金属的腐蚀是众所周知的。地下盐层中含有多种盐性物质，其中主要的是氯化钠。这些盐性物质在地层中少量水的溶解下，在一定温度下，套管腐蚀将更加严重，腐蚀速度加快，铁锈、盐垢、凝固水泥等物质固结在一起堵塞通道。
3 套管的人为破坏因素
这里所说的套管人为破坏，是指套管因设计、制造和施工不当而造成的损坏。
311 设计不当
主要表现在以下3 个方面： ①套管的产品设计不当。②套管的组合设计不当。套管产品有不同的规格， 每个规格有各自的材质和承压强度，适应不同地层固井的需要。如果考虑的地层影响因素不充分，设计出来的组合套管柱就可能不合理。将不合理的套管柱下放到井中，就可能因某些部位强度不够而遭到挤毁。③套管的井身设计不当。套管井的井身设计要以能顺利下套管为前提， 如果对所钻遇的地层了解不够或不透， 或者对套管规格不了解， 设计出来的井身就会不合理。将套管下到这样的井中， 就可能出现套管卡住、不居中或套管固井不便， 使套管受力不均匀而遭到破坏。
312 制造不当
主要表现为：①管壁同圆度差或椭圆度偏移； ②壁厚不均匀； ③加工有微小裂痕或内部组织被破坏；④连接螺纹间隙大； ⑤没有良好的保护膜。如果将具有上述一种或多种制造不当的套管用于固井，可能发生的情况是，连接不好，密封不严，有液体渗漏，管柱失稳等等；更严重的是出现套管脱扣、断裂。套管的制造不当还表现在现场的加工处理不当。为了套管柱连接和下放，有时要做一些必要的加工处理。如果处理不当，不仅达不到预期的效果，反而破坏了套管本身的结构，使套管在使用中更易遭到损坏。
313 施工不当
在下套管和完井、固井过程中，施工不当主要表现有：①下套遇阻或卡死时，强行下套管，造成套管磨损或挤毁；②完井、固井质量差， 水泥环不连续，水泥返高不够，串槽，上扣不紧，井口焊接质量差，套管质量不合格等，造成套管变形损坏；③压裂措施不当，压裂时未下套管保护封隔器，破裂压力控制不当，高能气体压裂时没考虑套管钢级等， 造成压坏套管；④作业施工时，使用下井工具不当，大力解卡，猛提猛放刮伤、顿伤或挤伤套管；⑤生产管理不严或措施不当时，造成井下落物事故，破坏套管或影响套管井生产。
4 结 语
套管损坏的现象是多方面的， 其原因也是多方面的， 而且与套管固井质量有关，因而采取的防治手段也应是多样的。面对目前众多急待维修的套管损坏井，只有找到损坏的原因，才能“对症下药”解决实际问题。