葛明君，呂拴錄，謝俊峰，戴永鵬

(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.中國(guó)石油大學(xué) 北京 102249；3.中國(guó)石油塔里木油田公司油氣工程研究院 新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

油氣田的油氣井固井作業(yè)是向井內(nèi)下入套管，并向井眼和套管之間的環(huán)形空間注入水泥的施工作業(yè)，該作業(yè)是鉆完井過程中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它包括下套管和注水泥。固井技術(shù)是多學(xué)科的綜合應(yīng)用技術(shù)，具有系統(tǒng)性、一次性和時(shí)間短的特點(diǎn)。固井的主要目的是保護(hù)和支撐油氣井內(nèi)的套管，封隔油、氣和水等地層。套管在石油工業(yè)中大量使用，套管起到支撐井壁、封固地層和防坍塌的作用，套管在使用過程中通常承受較大的內(nèi)壓或者外壓，還需承受高溫及嚴(yán)酷的腐蝕介質(zhì)作用。固井質(zhì)量差會(huì)使套管外壁所受到的載荷顯著增加，導(dǎo)致套管受到擠壓、剪切和彎曲的載荷作用，從而使套管損壞失效。

某油田YM21-2X油井在固井過程中發(fā)生了套管斷裂事故，為了確定套管斷裂原因，對(duì)YM21-2X井的現(xiàn)場(chǎng)井況、井下套管狀態(tài)和套管服役情況等進(jìn)行了全面調(diào)查和分析研究，以確定該井套管斷裂的原因。

1 套管斷裂失效概況

YM21-2X井設(shè)計(jì)井深為7 944 m，二開井深為5 602 m，井斜、方位和全角變化率如圖1所示。二開鉆進(jìn)期間在4 600～5 317 m井段漏失5次，采取吊灌起鉆靜止堵漏成功。

2018年5月20日20:00二開下244.48 mm套管(鉆井液密度1.25 g/cm3)，下套管至井深1 150 m循環(huán)30 min，然后繼續(xù)下套管至井深2 062 m，環(huán)空液面上升至井口，最后下套管至井深5 601.46 m，懸重由2 940.6 kN下降到2 719.3 kN，接循環(huán)頭、灌滿鉆井液，上提大鉤負(fù)荷上升至2 955.1 kN，再次下放套管，大鉤負(fù)荷降至2 767 kN，于是進(jìn)行了坐吊卡操作。

套管柱組合為：浮鞋(0.56 m)+244.48 mm×11.99 mm 110 BC套管111.311 m+浮箍0.38 m+244.48 mm×11.99 mm 110 BC套管5 490.899 m。

該井5月24日采用正注和反注固井。正注水泥排量30～55 L/s，泵壓4～8 MPa。反注泵壓為2～4 MPa，排量為25～40 L/s。

5月27日23:00采用215.9 mm牙輪鉆頭下鉆至井深5 473 m探至塞面，開始正常鉆塞。鉆塞參數(shù)鉆壓為40～50 kN，轉(zhuǎn)速為55～60 r/min，排量為34 L/s，泵壓為13 MPa。5月28日8:00鉆塞至井深5 486.6 m時(shí)進(jìn)尺緩慢，鉆具發(fā)生了蹩跳。繼續(xù)鉆塞至井深5 488.5 m時(shí)扭矩平穩(wěn)，但無進(jìn)尺。循環(huán)起鉆發(fā)現(xiàn)鉆頭內(nèi)排齒磨損嚴(yán)重，如圖2所示；同時(shí)鉆頭帶出一金屬殘片，可以用磁鐵吸附，如圖3所示。在此期間井下返出了斷裂金屬殘片。根據(jù)處理事故的磨鞋磨損特征判斷，井下套管是處于不連續(xù)狀態(tài)。

圖2 牙輪鉆頭磨損形貌

圖3 鉆頭帶出的金屬殘片

2 理化檢驗(yàn)

2.1 井下返出的金屬殘片化學(xué)成分分析

對(duì)井下返出的金屬殘片進(jìn)行化學(xué)成分，分析結(jié)果見表1。從表1可見，其成分與該廠244.48 mm×11.99 mm 110 BC套管一致，說明該金屬殘片來源于斷裂失效的套管。

表1 井下返出的金屬殘片化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.2 測(cè)井檢查

對(duì)該井套管進(jìn)行60臂井徑及磁測(cè)厚工程測(cè)井，結(jié)果如下：

1)井深5 489.1 m處為浮箍位置，浮箍位置以下5 490～5 491.1 m井段244.48 mm套管不連續(xù)，如圖4所示，5 491.1～5 505 m井段套管處于正常狀態(tài)。

2)套管外徑為244.48 mm，內(nèi)徑為220.50 mm。井深5 490.2 m 處最大井徑值為256.3 mm，最小井徑值為223.1 mm，平均井徑值為244.5 mm；井深5 491.1 m 處最大井徑值為242.9 mm，最小井徑值為199.4 mm，平均井徑值為226.1 mm。

圖4 5 490～5 491.1 m井段套管破損位置三維成像圖

3 結(jié)果分析

3.1 套管損壞位置

YM21-2X井鉆塞至井深5 486.6 m遇阻，這是鉆頭與套管斷裂失效部位接觸摩擦的結(jié)果[1-5]。鉆塞井深和下套管井深與測(cè)井井深存在差異，雖然測(cè)井結(jié)果反映了鉆塞之后套管的形貌，并非套管失效后的原始形貌，但是測(cè)井深度可以確定套管失效位置與接箍相對(duì)位置[6-7]。因此，在確定套管失效位置時(shí)應(yīng)以測(cè)井深度為依據(jù)。

表2為YM21-2X井套管失效位置附近井段的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。根據(jù)表2的測(cè)井結(jié)果，在井深5 490～5 491.1 m井段位置的244.48 mm套管管體不連續(xù)。入井序號(hào)為10號(hào)(場(chǎng)地編號(hào)為498號(hào))的套管斷裂，套管斷裂位置上方緊鄰的浮箍(接箍)井深為5 489.1 m，套管管體斷裂位置在其接箍下方0.9 m處。

表2 套管失效位置附近井段鉆塞井深、下套管井深和測(cè)井井深 m

注：1)括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)是依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推算的。

2)依據(jù)測(cè)井結(jié)果，在井深5 490 m位置入井序號(hào)為10號(hào)(場(chǎng)地編號(hào)為498號(hào))的套管管體斷裂，斷裂位置在其浮箍下方0.9 m(5 490～5 489.1 m)處。

3.2 套管失效形式

YM21-2X井的測(cè)井結(jié)果表明，244.48 mm套管管體橫向斷裂。首次鉆塞的牙輪鉆頭內(nèi)排齒全部斷裂，這是牙輪鉆頭與套管斷口接觸摩擦導(dǎo)致的結(jié)果。

3.3 套管損壞時(shí)間

YM21-2X井2018年5月20日下套管作業(yè)懸重正常，說明下套管期間套管未發(fā)生斷裂。5月22日，固井正注水泥期間也沒有發(fā)現(xiàn)由于套管泄漏而短路。5月28日8:00鉆塞至井深5 486.6 m時(shí)鉆頭鉆遇斷裂套管，即在正注水泥固井期間套管斷裂。

3.4 套管斷裂原因分析

3.4.1 井眼軌跡對(duì)套管斷裂的影響

在井眼全角變化率大的井段套管會(huì)受到附加彎曲載荷，井眼全角變化率越大、套管受力條件越苛刻[8]。YM21-2X井套管斷裂位置測(cè)井井深為5 490 m，斷裂位置附近全角變化率僅0.12 °/30 m，符合設(shè)計(jì)要求(3°/30 m)，這說明井眼軌跡不是套管斷裂的原因。

3.4.2 鉆塞對(duì)套管斷裂的影響

鉆塞鉆頭尺寸偏大容易磨損套管，YM21-2X井鉆水泥塞采用215.9 mm(8in)牙輪鉆頭，244.48 mm×11.99 mm 110 BC套管內(nèi)徑為220.50 mm，通徑為216.53 mm，鉆頭外徑比套管內(nèi)徑小4.60 mm，比套管通徑小0.63 mm。因此，可以排除由于鉆頭外徑偏大將套管磨斷的可能性。即鉆塞鉆頭尺寸不是套管斷裂的原因。

3.4.3 溫度變化對(duì)套管斷裂的影響

固井水泥候凝時(shí)溫度變化大，由于井眼不規(guī)則或固井時(shí)存在混漿井段，在水泥封固井段，水泥漿候凝期間放熱不均勻，溫度變化使套管熱脹冷縮，容易導(dǎo)致套管變形斷裂[9]。

不同井深位置溫度不同，套管屈服強(qiáng)度隨著溫度增加而降低。在套管生產(chǎn)過程中，冷加工增加了材料的強(qiáng)度，能量?jī)?chǔ)存于材料的位錯(cuò)和缺陷中，此時(shí)冷加工材料不穩(wěn)定，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間段將回到預(yù)變形的狀態(tài)，從而導(dǎo)致材料的能量降低。通過加熱，材料將恢復(fù)到更低能量狀態(tài)。在高溫井中，會(huì)導(dǎo)致材料屈服強(qiáng)度降低。不同溫度位置套管屈服強(qiáng)度降低程度不同。按照P110鋼級(jí)套管隨著溫度上升屈服強(qiáng)度降低比例為0.04%/ ℃計(jì)算，在套管斷裂位置(5 486.6 m)溫度升高會(huì)使套管材料屈服強(qiáng)度從758 MPa(110 ksi)降低到708 MPa(102.7 ksi)。

3.4.4 套管底部“口袋”深度對(duì)套管斷裂的影響

固井在套管底部預(yù)留的“口袋”是為了防止套管受熱伸長(zhǎng)而承受壓縮導(dǎo)致的彎曲載荷。YM21-2X井下套管過程正常，中完井深5 602 m，套管下深5 601.68 m，“口袋”深度0.32 m。一般井底會(huì)有沉砂，下套管過程從井壁刮下的泥沙等也會(huì)沉降到井底，使實(shí)際“口袋”深度變淺。該井下套管至井深5 601.46 m，大鉤負(fù)荷由2 940.6 kN下降到2 719.3 kN，上提大鉤負(fù)荷上升至2 955.1 kN，再次下放大鉤負(fù)荷下降至2 767 kN。說明套管鞋已經(jīng)與井底接觸，實(shí)際口袋為0，井底套管已經(jīng)承受了188.1 kN的壓縮載荷。壓縮載荷會(huì)使中性點(diǎn)以下的套管柱承受附加的彎曲載荷，在水泥凝固過程中套管受熱伸長(zhǎng)后該位置的彎曲載荷會(huì)增加，這就會(huì)使套管發(fā)生斷裂失效。

3.4.5 材料質(zhì)量對(duì)套管斷裂的影響

依據(jù)工廠提供的質(zhì)量證書，該批套管材料力學(xué)性能滿足用戶要求。P110鋼級(jí)套管對(duì)材料缺陷特別敏感[10]。如果套管材料存在原始缺陷，缺陷位置不僅會(huì)減小套管的承載面積，而且會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。在使用過程中很容易從缺陷位置發(fā)生斷裂[11-13]。

2013年該油田商檢發(fā)現(xiàn)該廠生產(chǎn)的一根244.48 mm×11.99 mm 140 BC套管外螺紋接頭存在一條縱向軋制裂紋。2018年7月26日，該油田在商檢時(shí)發(fā)現(xiàn)該廠生產(chǎn)的一根244.48 mm×11.99 mm 110S BC套管現(xiàn)場(chǎng)端外螺紋接頭存在裂紋。由此推斷，YM21-2X井套管斷裂位置可能存在原始裂紋缺陷。

4 結(jié)論及建議

1)2018年5月27日鉆塞之前，在測(cè)井井深5 490 m(鉆塞井深5 486.6 m)位置入井序號(hào)為10號(hào)的套管管體斷裂，斷裂位置在其浮箍下方0.9 m處。套管斷裂導(dǎo)致鉆塞遇阻。

2)套管斷裂位置可能存在原始裂紋缺陷。

3)建議下套管時(shí)井底預(yù)留的“口袋”深度不小于2.0 m。