地层出砂对套损的影响机理浅析
【摘要】随着油田进入高含水期而采用大排量提液后，套损井逐年增多。
这是因为加大采液强度后，在较大生产压差条件下开采，井底油层产生较大激动，结构易被破坏而引起油层严重出砂。
【关键词】复杂断块；文中油田；油层出砂；上覆岩层；套管损坏
东濮凹陷文中油田为典型陆相沉积复杂断块，主力开发层系为ES2下、ES3上和ES3。
其中ES2下属于河流相沉积，油层埋藏较浅（1900-2530米），成岩作用差，胶结疏松，泥质含量较多（6-11%），渗透率高，易出砂。
该油田投入开发以来，随着出砂的加剧和地层压力变化，套损井逐年增加，对典型的143口套损井统计，其中84口井为弯曲破坏，占58.7%，31口井为套管变形，占21.7%，还有22口为套管错断，占15.4%，其它损坏情况的占4.2%；套管的损坏严重影响采油井正常生产及措施实施。
本文主要根据井下工具的受力状态进行疏松砂岩地层出砂因素对套管损坏机理探讨。
1 开发因素变化对油层出砂的影响
1.1 采液强度对油层出砂的影响
随着油田进入高含水期而采用大排量提液后，套损井逐年增多。
这是因为加大采液强度后，在较大生产压差条件下开采，井底油层产生较大激动，结构易被破坏而引起油层严重出砂[1]。
1.2 注水压力对油层出砂的影响
从文中油田开发历史看，随着井口注水压力较大幅度的提高，套损速度随之增加。
注入压力从注水开发初期的25.6MPa提高到28.5MPa，其中六年内油井年套损井数从初期的17口增到62口，说明在井口注入压力高于合理极限注水压力的状态下开发，因压差变化大，损坏胶结疏松地层的结构，加剧油层出砂，改变套管的受力，引起套管的变形和破坏[2-5]。
2 油井出砂时的套管受力分析
2.1 岩层骨架失去支撑作用加给套管的轴向力
2.1.1 套管、水泥环与上覆夹层固结良好的情况下
砂层骨架失去支撑作用时，上覆岩压对砂层的压缩使砂层发生变形，砂层顶部若产生一沉陷Δ，上覆夹层相应产生向下位移，当套管、水泥环与上覆夹层固结良好，无滑动，砂层段套管将产生一压缩变形或造成侧向失稳。
附加给套管的轴向力及破坏情况则取决于套管的材料、截面尺寸以及砂层厚度和变形量（极限
量即为沉陷Δ）。
在已破坏骨架的砂层区域内，如忽略水平地应力及砂层中流体的作用，把问题简化为半空间体受重力及均匀分布压力的情况。
顶部沉陷：
2.1.2 当套管及上覆岩压有滑动时
砂层发生垂向变形，套管与上覆岩层之间有滑动时，岩层通过摩擦对套管施加力，作用于上覆夹层段套管及水泥环上的摩擦力
2.2 出砂形成空洞时套管的受力与变形分析
2.2.1 出砂空洞形态分析
当油层出砂时，液流把地层砂带出，骨架砂需要承受较大的载荷，即有效应力增加，可能导致砂层骨架破坏。
遭到破坏的砂层，远处的砂粒会不断地补充到井筒周围。
若设砂岩地层骨架仅在油井周围区域被破坏，而在此区域以外的砂粒流入到井筒周围的比较少。
随着出砂量的增多，井筒周围地层砂不断产出，加剧地下亏空，逐渐形成空洞。
空洞上方岩石、疏松砂层由于缺乏支撑而塌落，当塌落到一定程度后，岩体进入新的平衡状态，形成一自然拱。
拱的形状、拱高、跨度与岩石的特性和砂层骨架破坏区域的大小有关。
当空洞达到一定、尺寸后，拱的参数与出砂量无关，岩体进入新的平衡状态，油井可能继续出砂，砂子来源于空洞中、下部，如地层砂没有补充过来，随着出砂量的增多，空洞尺寸向下延伸，直至出现如下情况。
这是出砂引起套管弯曲变形最严重的情况。
2.2.2 砂层段套管周围全部掏空时套管的受力与变形
套管周围砂岩成为空洞，套管在砂层段外部约束减弱，若忽略井筒周围油、水对套管的约束作用，套管受力有轴向载荷P和套管自重q，套管可能发生失稳破坏。
空洞沿套管轴向贯穿整个疏松砂层段，而套管柱与上下夹层处仍保持固结良好，力学模型近似简化为两端固定约束。
自重的影响近似处理成平均加到两个端点上。
套管失稳破坏的临界压力：
空洞一端在疏松砂岩中，其约束减弱，可简化为铰支座约束；另一端在夹层中，简化为固定端约束。
套管失稳破坏的临界压力：
套管发生失稳破坏取决于两个因素：套管轴向载荷P和出砂形成的空洞高度l，对生产中的实际油井，估算其套管变形长度，计算临界压力与套管可能受到的轴向载荷P相比，以判断是否会发生失稳破坏。
3 几点认识
3.1 用单轴力学模型计算采油井出砂时套管的矢量力学特征，不能解释油田现场许多套损现象，以此作为套管柱设计依据，科学性较低，套管柱使用寿命的得不到可靠保证。
3.2 按三轴应力模型定量研究表明，考虑接箍和水泥环台肩的相互作用，对套管柱进行比较切合实际的受力和变形分析，才能掌握比较先进的注采井套损机理。
3.3 油层和盖层部位套管损坏原因在于油层和盖层处管体应力和恶性局部应力双重作用，及时消除或者加以控制恶性局部应力，套管使用寿命可以大幅度延长。
【参考文献】
[1]陆诗文，刘玲，杨明生，等.复杂断块油田套管损坏机理分析[J].内蒙古石油化工，2008，34（9）.
[2]张清兵，赫娟，任强燕，等.油水井套管损坏的原因及预防措施[J].油气田地面工程，2011，30（2）.。