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中图分类号：TE34 文献标识码：A 文章编号：1671-864X（2015）03-0069-01
文明寨油田位于東濮凹陷中央隆起带北端，是一穹隆背景下被断层复杂化的极复杂断块油田，含油面积10.8Km2，石油地质储量2900×104t，主要地质特征：断层多、断块小、构造极复杂，构造复杂程度居国内复杂断块油田前列；储层物性较好，层间非均质性严重；油藏埋藏浅，含油井段长，含油丰度高。总之，文明寨油田是一个埋藏较浅、常温常压、多油层、非均质较严重的中高渗透极复杂断块油藏。由于开采时间较长，井况恶化、事故损坏加剧，导致局部注采井网，事故井损坏速度大于事故井修复速度。本文以明一块为例对文明寨油田套损原因进行分析，提出解决方案。
一、明一块套损井情况
明一块有事故井45口，其中：套变12口；套破漏15口；套管错断4口；套损+落物6口。通过对明1块套损井套损点位置、岩性和服役年限的综合对比分析发现位于射孔段砂岩处的套管平均服役年限为9.4年，低于总平均年限9.5年；位于水泥返高上处的套管平均服役年限为9.3年，低于总平均年限9.5年；位于水泥返高至油层顶处的套管平均服役年限为9.9年，高于总平均年限9.5年；位于射孔段以下处的套管平均服役年限为7.7年，低于总平均年限9.5年。
二、套损原因分析
（一）出砂是造成套损的主要原因：统计的明一块37口套损井中有18口井出砂，占总套损井的48.6%。油层出砂首先在炮眼附近形成空洞，空洞将会造成局部应力集中，对油层结构造成进一步的破坏。在固定产液速度下，油层结构的破坏将被控制在一定半径范围内。深层油层承受的垂向应力大，油层大量出砂后，上覆岩层失去支撑，打破原有平衡，将产生垂向变形，甚至坍塌，使上覆层产生拱形剖面。油层少量出砂时空洞只存在于各炮眼附近，大量出砂后形成的空洞只存在于油层顶部的一部分，并占据油层的整个厚度，但随着空洞的增大，空洞占据的油层顶部也相应增多。如果上覆地层产生坍塌，空洞将存在于上覆层内。当上覆地层压力大大超过油层孔隙压力和岩石骨架结构应力时，相当一部分应力将转嫁给套管，当套管强度偏低，转嫁到套管的压力大于套管的极限时，套管失稳出现弯曲、变形或错断。
（二）出砂井段完井套管强度偏低：明一块发现的37口套损井中，套损点主要发生在J55×7.72和N80×7.72这两种套管上，合计占套损比例的72.9%。
三、套损井预防措施
（一）新钻井套管设计
1.地应力研究计算
根据1997年古地应力研究结果，将该区块划分为以下裂缝发育区：
北部一级裂缝发育区，位于工区北部，面积0.21km2。区内应力差异大、分布不均匀，最大应力达36MPa，应力最集中地位置基本上处于几个断层地交汇处。
东南角一级裂缝发育区，位于工区东南角，明14断层与南部断层交汇处，面积仅0.07 km2。工区内应力较大，最大可达33MPa，一般为20 MPa，应力方向主要为北西—南东向，少数点为近南北向。
根据古代地应力和现代地应力计算结果，在模拟层平面构造图上将明一块划分为危险应力区和一般应力区。危险区的井有M1-29、M55、M190、M131、M87、M18、M133、M1-7、M1-8、M1-6、M140、M70等。
2.套管强度设计
套管强度设计包括以下几个步骤：
（1）运用空间力学模型分别计算出区块的最大水平地应力和最小水平地应力。参考该区块最大水平地应力方位，利用有限元方法计算得到区块内各点的地应力；
（2）根据地应力研究成果计算外挤力，初步选择不同层段的套管钢级和壁厚；
（3）考虑出砂、射孔等因素的影响，合理选择安全系数，确定最终的套管钢级和壁厚；
（4）应用有限元技术计算套管等效应力情况，判断套管是否满足强度设计要求。
在运用有限技术计算套管等效应力时，借用前期地应力的研究成果来确定有限元分析的边界条件。由于井眼几何形状和边界条件的对称性，只考虑井眼计算模型的1/4部分进行计算。在条件假设、单元类型选择、模型参数及边界条件设置的基础上，应用ANSYS结构化网格划分技术，最终形成了出砂段套管—水泥环—岩层组合系统的有限元计算模型。
3.出砂段套管的选择
地层出砂导致出砂区域局部套管管体有效应力明显增大，并且随着出砂量的增加套管一直处于较高的应力状态下，同时在上覆地层压力和地层扰动力的作用下，极易使套管发生强度破坏，使得按照常规地层设计的套管损坏概率增加。这就要求在设计套管时要充分考虑出砂区域附近套管的钢级或壁厚，避免由于出砂引起套管的有效应力升高而导致套管损坏。
采用有限元分析的方法，分别对钢级P110、壁厚9.17mm的套管和钢级P110、壁厚10.54mm的套管出砂后的等效应力进行了计算。
由于出砂形成空洞后，当最小水平地应力为15MPa，最大水平地应力为36MPa时，钢级P110、壁厚9.17mm的套管受到的最大Von-Misses 等效应力为824.81MPa。应力值明显高于套管材料的屈服极限758MPa，已经处于塑性变形范围内，套管极易出现损坏现象。
当最小水平地应力为15MPa，最大水平地应力为36MPa时，钢级P110、壁厚10.54mm的套管最小Von-Misses 等效应力为1.32MPa，最大Von-Misses 等效应力为701.45MPa。而钢级P110、壁厚10.54mm的套管屈服强度为758MPa，最大等效应力值低于套管屈服强度，套管尚处于弹性变形范围内，套管能满足使用要求。
出砂井段选择钢级P110、壁厚10.54mm或更高钢级的套管。
（二）生产井套管出砂预防
防砂是确保疏松砂岩油水井正常生产的主要措施，且合理控制生产压差，也是减缓套管损坏的重要手段。
悬挂滤砂管防砂：将树脂滤或金属滤悬挂在油层射孔井段形成挡砂屏障，减缓地层出砂。
充填防砂：包括地层挤填和绕丝管环填两种，地层挤填防砂是将具有一定强度、粒度的砾石（陶粒、石英砂、腹膜砂等）挤入地层，填实地层孔隙和亏空带（空洞），加固地层和井壁，形成挡砂屏障，防止地层出砂；绕丝管环填是先将绕丝管等机械防砂管下入井内正对油层射孔井段，然后通过正循环（或反循环）携砂液，将砾石（陶粒、石英砂等）填充在绕丝管与套管之间的环形空间，形成二级挡砂屏障，阻止地层砂进入井内。
复合防砂：是机械防砂和化学防砂（充填防砂）的有机结合，以形成三级挡砂体系。
文明寨油田位于東濮凹陷中央隆起带北端，是一穹隆背景下被断层复杂化的极复杂断块油田，含油面积10.8Km2，石油地质储量2900×104t，主要地质特征：断层多、断块小、构造极复杂，构造复杂程度居国内复杂断块油田前列；储层物性较好，层间非均质性严重；油藏埋藏浅，含油井段长，含油丰度高。总之，文明寨油田是一个埋藏较浅、常温常压、多油层、非均质较严重的中高渗透极复杂断块油藏。由于开采时间较长，井况恶化、事故损坏加剧，导致局部注采井网，事故井损坏速度大于事故井修复速度。本文以明一块为例对文明寨油田套损原因进行分析，提出解决方案。
一、明一块套损井情况
明一块有事故井45口，其中：套变12口；套破漏15口；套管错断4口；套损+落物6口。通过对明1块套损井套损点位置、岩性和服役年限的综合对比分析发现位于射孔段砂岩处的套管平均服役年限为9.4年，低于总平均年限9.5年；位于水泥返高上处的套管平均服役年限为9.3年，低于总平均年限9.5年；位于水泥返高至油层顶处的套管平均服役年限为9.9年，高于总平均年限9.5年；位于射孔段以下处的套管平均服役年限为7.7年，低于总平均年限9.5年。
二、套损原因分析
（一）出砂是造成套损的主要原因：统计的明一块37口套损井中有18口井出砂，占总套损井的48.6%。油层出砂首先在炮眼附近形成空洞，空洞将会造成局部应力集中，对油层结构造成进一步的破坏。在固定产液速度下，油层结构的破坏将被控制在一定半径范围内。深层油层承受的垂向应力大，油层大量出砂后，上覆岩层失去支撑，打破原有平衡，将产生垂向变形，甚至坍塌，使上覆层产生拱形剖面。油层少量出砂时空洞只存在于各炮眼附近，大量出砂后形成的空洞只存在于油层顶部的一部分，并占据油层的整个厚度，但随着空洞的增大，空洞占据的油层顶部也相应增多。如果上覆地层产生坍塌，空洞将存在于上覆层内。当上覆地层压力大大超过油层孔隙压力和岩石骨架结构应力时，相当一部分应力将转嫁给套管，当套管强度偏低，转嫁到套管的压力大于套管的极限时，套管失稳出现弯曲、变形或错断。
（二）出砂井段完井套管强度偏低：明一块发现的37口套损井中，套损点主要发生在J55×7.72和N80×7.72这两种套管上，合计占套损比例的72.9%。
三、套损井预防措施
（一）新钻井套管设计
1.地应力研究计算
根据1997年古地应力研究结果，将该区块划分为以下裂缝发育区：
北部一级裂缝发育区，位于工区北部，面积0.21km2。区内应力差异大、分布不均匀，最大应力达36MPa，应力最集中地位置基本上处于几个断层地交汇处。
东南角一级裂缝发育区，位于工区东南角，明14断层与南部断层交汇处，面积仅0.07 km2。工区内应力较大，最大可达33MPa，一般为20 MPa，应力方向主要为北西—南东向，少数点为近南北向。
根据古代地应力和现代地应力计算结果，在模拟层平面构造图上将明一块划分为危险应力区和一般应力区。危险区的井有M1-29、M55、M190、M131、M87、M18、M133、M1-7、M1-8、M1-6、M140、M70等。
2.套管强度设计
套管强度设计包括以下几个步骤：
（1）运用空间力学模型分别计算出区块的最大水平地应力和最小水平地应力。参考该区块最大水平地应力方位，利用有限元方法计算得到区块内各点的地应力；
（2）根据地应力研究成果计算外挤力，初步选择不同层段的套管钢级和壁厚；
（3）考虑出砂、射孔等因素的影响，合理选择安全系数，确定最终的套管钢级和壁厚；
（4）应用有限元技术计算套管等效应力情况，判断套管是否满足强度设计要求。
在运用有限技术计算套管等效应力时，借用前期地应力的研究成果来确定有限元分析的边界条件。由于井眼几何形状和边界条件的对称性，只考虑井眼计算模型的1/4部分进行计算。在条件假设、单元类型选择、模型参数及边界条件设置的基础上，应用ANSYS结构化网格划分技术，最终形成了出砂段套管—水泥环—岩层组合系统的有限元计算模型。
3.出砂段套管的选择
地层出砂导致出砂区域局部套管管体有效应力明显增大，并且随着出砂量的增加套管一直处于较高的应力状态下，同时在上覆地层压力和地层扰动力的作用下，极易使套管发生强度破坏，使得按照常规地层设计的套管损坏概率增加。这就要求在设计套管时要充分考虑出砂区域附近套管的钢级或壁厚，避免由于出砂引起套管的有效应力升高而导致套管损坏。
采用有限元分析的方法，分别对钢级P110、壁厚9.17mm的套管和钢级P110、壁厚10.54mm的套管出砂后的等效应力进行了计算。
由于出砂形成空洞后，当最小水平地应力为15MPa，最大水平地应力为36MPa时，钢级P110、壁厚9.17mm的套管受到的最大Von-Misses 等效应力为824.81MPa。应力值明显高于套管材料的屈服极限758MPa，已经处于塑性变形范围内，套管极易出现损坏现象。
当最小水平地应力为15MPa，最大水平地应力为36MPa时，钢级P110、壁厚10.54mm的套管最小Von-Misses 等效应力为1.32MPa，最大Von-Misses 等效应力为701.45MPa。而钢级P110、壁厚10.54mm的套管屈服强度为758MPa，最大等效应力值低于套管屈服强度，套管尚处于弹性变形范围内，套管能满足使用要求。
出砂井段选择钢级P110、壁厚10.54mm或更高钢级的套管。
（二）生产井套管出砂预防
防砂是确保疏松砂岩油水井正常生产的主要措施，且合理控制生产压差，也是减缓套管损坏的重要手段。
悬挂滤砂管防砂：将树脂滤或金属滤悬挂在油层射孔井段形成挡砂屏障，减缓地层出砂。
充填防砂：包括地层挤填和绕丝管环填两种，地层挤填防砂是将具有一定强度、粒度的砾石（陶粒、石英砂、腹膜砂等）挤入地层，填实地层孔隙和亏空带（空洞），加固地层和井壁，形成挡砂屏障，防止地层出砂；绕丝管环填是先将绕丝管等机械防砂管下入井内正对油层射孔井段，然后通过正循环（或反循环）携砂液，将砾石（陶粒、石英砂等）填充在绕丝管与套管之间的环形空间，形成二级挡砂屏障，阻止地层砂进入井内。
复合防砂：是机械防砂和化学防砂（充填防砂）的有机结合，以形成三级挡砂体系。