盧小慶，呂慶鋼，張 永，李 征

（1.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900；2.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011）

1 井身結(jié)構(gòu)及鉆完井施工基本情況

某超深復(fù)雜井是部署在塔里木盆地的一口四開(kāi)評(píng)價(jià)井，于2018年4月27日開(kāi)鉆，到2019年2月25日四開(kāi)完鉆，歷時(shí)11個(gè)月，鉆井周期超過(guò)330天，其中二開(kāi)下完套管、固完井以后的鉆井時(shí)間達(dá)到250天，該井裸眼完井，完鉆井深8 024 m。該超深復(fù)雜井各開(kāi)次的開(kāi)完鉆日期及鉆井周期見(jiàn)表1。

該超深復(fù)雜井二開(kāi)在二疊系發(fā)生井漏、卡鉆，導(dǎo)致鉆具斷裂并掉入井內(nèi)，無(wú)法打撈，隨后采取先回填、后側(cè)鉆的方式繼續(xù)鉆進(jìn)，二開(kāi)側(cè)鉆深度為4 240 m。根據(jù)鉆井設(shè)計(jì)，井眼最大造斜率為4°/30 m。該井三開(kāi)、四開(kāi)共出現(xiàn)15次井漏，起下鉆次數(shù)近百次。

該超深復(fù)雜井完井期間組下酸壓管柱，分隔器坐封后環(huán)空驗(yàn)封時(shí)發(fā)現(xiàn)無(wú)法穩(wěn)壓，2018年4月27—28日下RTTS封隔器對(duì)二開(kāi)技術(shù)套管進(jìn)行驗(yàn)漏，初步確定泄漏點(diǎn)位置在2 895～3 041 m處，后經(jīng)注入剖面測(cè)井和噪聲測(cè)井，最終確認(rèn)泄漏點(diǎn)在2 964.6 m的管體上，距上接箍6.3 m，距下接箍4.7 m。

表1 某超深復(fù)雜井各開(kāi)次的開(kāi)完鉆日期及鉆井周期

該超深復(fù)雜井的井身結(jié)構(gòu)和套管柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某超深復(fù)雜井的井身結(jié)構(gòu)和套管柱結(jié)構(gòu)示意

2 套管井下泄漏原因分析

2.1 套管泄漏時(shí)間推定

該超深復(fù)雜井二開(kāi)套管柱在2018年7月23日一級(jí)固井，注完替漿后，投重力開(kāi)孔塞，開(kāi)孔壓力8 MPa；2018年7月24日，進(jìn)行二級(jí)固井，碰壓壓力11 MPa，正常關(guān)孔，固完井放回水無(wú)回流；2018年7月29日，探塞面，探得下塞塞面深度為5 116.28 m。從固井和掃塞情況可以推定，二開(kāi)套管在固井過(guò)程中未出現(xiàn)泄漏，套管正常工作［1］。

表2 二開(kāi)套管固井掃塞完成至酸壓以前包含疑似泄漏點(diǎn)的套管柱試壓情況

2.2 套管坐掛時(shí)套管柱受力狀態(tài)分析

根據(jù)該超深復(fù)雜井的鉆井日志記載，二開(kāi)套管在2018年7月24日二級(jí)固井后，進(jìn)行井口安裝（套管坐掛，坐掛噸位105 t）。根據(jù)固井質(zhì)量測(cè)試報(bào)告，1 000～3 800 m為水泥空段，考慮到坐掛時(shí)反擠水泥還未進(jìn)行；因此，可以認(rèn)為，坐掛時(shí)套管自由段長(zhǎng)度3 800 m。套管坐掛時(shí)自由段套管情況見(jiàn)表3，坐掛后自由段套管柱的受力狀態(tài)分析見(jiàn)表4。

從表3～4可以看出，套管柱坐掛以后，中和點(diǎn)1 123 m以下的套管處于壓縮狀態(tài)。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］的研究成果，水泥未封固段套管柱發(fā)生彎曲失穩(wěn)的臨界軸向壓縮載荷F臨和套管柱發(fā)生失穩(wěn)的臨界半波長(zhǎng)度Lcr的計(jì)算公式為：

表3 套管坐掛時(shí)自由段套管情況

表4 套管坐掛后自由段套管柱的受力狀態(tài)分析

式中qs——單位長(zhǎng)度套管的質(zhì)量，kg/m；

C——單位長(zhǎng)度套管所受浮力，kN/m；

I——套管慣性矩，mm4；

E——彈性模量，GPa，取206 GPa。

避免側(cè)滑的發(fā)生要做到正確熟練操作，例如: 不急轉(zhuǎn)彎、不突然加速等。與此同時(shí)，對(duì)于車輛的日常檢測(cè)與維護(hù)也顯得尤為重要。目前我國(guó)主要應(yīng)用滑板式側(cè)滑試驗(yàn)臺(tái)來(lái)檢測(cè)車輛車輪外傾與前束的匹配情況，進(jìn)而得出車輪的側(cè)滑量數(shù)據(jù)。側(cè)滑檢測(cè)時(shí)，汽車以3km/h～5km/h的速度垂直側(cè)滑板駛向側(cè)滑試驗(yàn)臺(tái)，使前輪(或后輪)平穩(wěn)通過(guò)滑動(dòng)板，在行進(jìn)過(guò)程中，不允許轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，轉(zhuǎn)向輪通過(guò)臺(tái)板時(shí)，測(cè)取橫向滑動(dòng)量[9]。根據(jù)機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件(GB7258-2017)的規(guī)定，用側(cè)滑試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)側(cè)滑量不應(yīng)超過(guò)5m/km[10]。

套管柱實(shí)際所受的軸向壓縮載荷F實(shí)為：

式中F壓——作用在套管柱上部的軸向壓縮載荷，kN；

F浮——水泥未封固段套管浮重，kN。

由于該超深復(fù)雜井二開(kāi)套管泄漏點(diǎn)在2 964.6 m的Φ244.48 mm×11.99 mm規(guī)格110S套管上，為了簡(jiǎn)化，僅計(jì)算Φ244.48 mm×11.99 mm規(guī)格110S套管柱發(fā)生彎曲失穩(wěn)的情況。將井口1 506.89 m的Φ250.83 mm×15.83 mm規(guī)格110S套管柱的質(zhì)量減去105 t的坐掛噸位，剩余的載荷作為Φ244.48 mm×11.99 mm規(guī)格110S套管柱頂部所受的軸向壓縮載荷。泥漿密度按1.24 g/cm3計(jì)算，則可以得到F臨=79 981 kN，F(xiàn)實(shí)=1 676 588 kN，Lcr=134.53 m。由于F實(shí)遠(yuǎn)大于F臨，二開(kāi)套管柱在二級(jí)固井套管柱坐掛105 t時(shí)，Φ244.48 mm×11.99 mm規(guī)格套管柱將發(fā)生嚴(yán)重彎曲失穩(wěn)，失穩(wěn)的臨界半波長(zhǎng)度為134.53 m。

2.3 試壓時(shí)泄漏點(diǎn)處套管應(yīng)力分析及泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

該超深復(fù)雜井在二開(kāi)固井以后，共進(jìn)行了6次套管柱試壓，其中5次與泄漏點(diǎn)（2 964.6 m）套管相關(guān)。為了評(píng)估這5次試壓是否對(duì)泄漏點(diǎn)處套管造成損壞，采用文獻(xiàn)［3］中的管體應(yīng)力計(jì)算公式，計(jì)算2 964.6 m處套管材料在內(nèi)壓、外壓、軸向載荷及環(huán)境溫度和壓縮及彎曲等復(fù)合載荷下套管應(yīng)力水平。計(jì)算時(shí)套管按公稱外徑和壁厚考慮，材料的最小屈服強(qiáng)度按81℃環(huán)境溫度下下降3%（735.26 MPa）考慮［4-5］，彎曲按鉆井設(shè)計(jì)時(shí)井眼的理論造斜率考慮，并未考慮套管柱的實(shí)際彎曲變形情況。試壓過(guò)程中疑似泄漏點(diǎn)處套管的應(yīng)力水平見(jiàn)表5。

表5 試壓過(guò)程中疑似泄漏點(diǎn)處套管的應(yīng)力水平

從表5可以看出，2019年2月20日試壓時(shí)，套管所受的總應(yīng)力水平最高，也最有可能發(fā)生失效?，F(xiàn)重點(diǎn)對(duì)2019年2月20日試壓時(shí)套管發(fā)生失效的可能性及如何失效進(jìn)行計(jì)算分析。

根據(jù)訂貨技術(shù)協(xié)議及中國(guó)石油化工股份有限公司的招標(biāo)規(guī)格書(shū)要求，套管的最小壁厚允許是公稱壁厚的0.9倍，即10.79 mm；因此，在任何一支套管上，壁厚10.79 mm是有可能存在的。因此，從最小壁厚10.79 mm開(kāi)始，評(píng)估泄漏點(diǎn)處套管壁厚減薄對(duì)套管安全性的影響，具體見(jiàn)表6。

表6 泄漏點(diǎn)處套管壁厚減薄對(duì)套管安全性的影響

通過(guò)以上計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)套管的壁厚在允許最小壁厚的基礎(chǔ)上減少0.60 mm，套管的總應(yīng)力水平達(dá)到80.09%，套管開(kāi)始處于不安全狀態(tài)，在井內(nèi)壓力波動(dòng)及其他不可預(yù)見(jiàn)的載荷作用時(shí)，套管隨時(shí)會(huì)發(fā)生失效；在壁厚磨損減薄2.70 mm時(shí)，井口壓力達(dá)到32.1 MPa時(shí)套管會(huì)發(fā)生爆裂。

3 問(wèn)題討論

從二開(kāi)套管的固井及掃塞過(guò)程看，二開(kāi)套管在固井及掃塞過(guò)程中未見(jiàn)異常。從6次與套管泄漏點(diǎn)相關(guān)的井筒試壓結(jié)果看，只有第3次和第6次井筒試壓時(shí)，出現(xiàn)保不住壓、井筒發(fā)生泄漏的情況。第3次試壓時(shí)壓力明顯下降，主要是三開(kāi)套管固井質(zhì)量不好，無(wú)上塞所致，后通過(guò)擠水泥補(bǔ)上塞成功，再對(duì)井筒試壓，井筒未再出現(xiàn)泄漏，說(shuō)明此時(shí)套管正常。第6次試壓的目的是測(cè)試7 783 m處的地層破裂壓力，在井口套壓升高至32.1 MPa時(shí)，井口套壓明顯下降，當(dāng)時(shí)判斷地層發(fā)生破裂。通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在歷次試壓中，2019年2月20日井筒試壓時(shí)泄漏點(diǎn)處（2 964.6 m）套管的總應(yīng)力水平最高，此時(shí)發(fā)生套管泄漏的可能性最大。通過(guò)改變套管的壁厚再次計(jì)算泄漏點(diǎn)（2 964.6 m）套管的總應(yīng)力水平時(shí)，發(fā)現(xiàn)套管壁厚在訂貨允許最小壁厚的基礎(chǔ)上減少0.60 mm時(shí)，套管的總應(yīng)力水平超過(guò)80%，處于不安全狀態(tài)；套管壁厚在訂貨允許最小壁厚的基礎(chǔ)上減少2.70 mm時(shí)，套管的總應(yīng)力水平超過(guò)100%，套管隨時(shí)會(huì)發(fā)生爆裂、泄漏。

由于二開(kāi)套管固井時(shí)，井下水泥漿大量漏失，形成了從井口到井深3 800 m處的較長(zhǎng)水泥空段。由于二開(kāi)套管坐掛噸位（105 t）遠(yuǎn)小于水泥空段套管柱的質(zhì)量，導(dǎo)致1 123 m以下的套管處于壓縮狀態(tài)，理論計(jì)算表明，此時(shí)套管已發(fā)生彎曲失穩(wěn)［6］，套管柱坐掛以后井下彎曲狀態(tài)如圖2所示?？拷? 123 m處的套管，由于自重載荷小，彎曲程度相對(duì)較低，套管與井壁接觸產(chǎn)生摩擦力，支撐一部分套管質(zhì)量。接近3 800 m處的套管由于受已凝固水泥的約束，其彎曲變形程度也相對(duì)較小。在1 123～3 800 m井深中部2 000～3 000 m處的套管變形相對(duì)較大。

圖2 套管柱坐掛以后井下彎曲狀態(tài)示意

二開(kāi)套管下完井以后直到該井完鉆用時(shí)近250天，鉆井進(jìn)尺非常緩慢。在此期間，由于井下地層頻繁發(fā)生漏失及取巖芯作業(yè)和遇阻，起下鉆頻繁，而且大量使用PDC鉆頭（Polycrystalline Diamond Compact bit，聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭）［7-8］；因此，套管的磨損導(dǎo)致壁厚減薄是客觀存在的。

由于坐掛噸位偏小，導(dǎo)致固井水泥空段套管發(fā)生側(cè)向彎曲，在三開(kāi)鉆進(jìn)的過(guò)程中，鉆桿接頭與彎曲內(nèi)側(cè)的套管內(nèi)壁接觸，在旋轉(zhuǎn)的情況下，鉆桿接頭會(huì)嚴(yán)重磨損套管。三開(kāi)鉆井過(guò)程中鉆桿接頭對(duì)套管內(nèi)壁的磨損作用如圖3所示。由于三開(kāi)鉆井周期長(zhǎng)，鉆速慢，導(dǎo)致鉆桿接頭長(zhǎng)時(shí)間在同一位置磨損套管。由于二開(kāi)套管為110鋼級(jí)抗硫套管，其設(shè)計(jì)的最大硬度為29 HRC，套管材料的硬度偏低，而鉆桿接頭上焊接有硬度超過(guò)40 HRC的保護(hù)鉆桿的耐磨帶。由于鉆桿接頭耐磨帶的硬度遠(yuǎn)大于套管，所以在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，套管的磨損量遠(yuǎn)大于鉆桿接頭。與此同時(shí)，三開(kāi)地層壓力高，需在鉆井液中添加重晶石等加重劑，這些加重劑也進(jìn)一步加劇了套管磨損。

圖3 三開(kāi)鉆井過(guò)程中鉆桿接頭對(duì)套管內(nèi)壁的磨損作用示意

材料力學(xué)中薄壁圓筒的抗內(nèi)壓強(qiáng)度P為：

式中U——薄壁圓筒材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；

Tmin——薄壁圓筒的最小壁厚，mm；

D——薄壁圓筒的外徑，mm。

從公式（4）可以看出，薄壁圓筒的抗內(nèi)壓強(qiáng)度與圓筒的最小壁厚成正比，最小壁厚越小，其抗內(nèi)壓強(qiáng)度越低。因此，無(wú)論是均勻磨損還是非均勻磨損，只要最小壁厚小到一定程度，圓筒都會(huì)發(fā)生爆裂失效。

4 結(jié) 論

（1）二開(kāi)套管固井時(shí)水泥漿大量漏失，雖然采取反擠水泥漿方式進(jìn)行補(bǔ)救，但仍在1 000～3 800 m井深形成水泥空段，為后面套管發(fā)生泄漏失效留下隱患。

（2）二開(kāi)套管柱的坐掛噸位（105 t）偏小，導(dǎo)致1 123～3 800 m井深處的套管處于壓縮狀態(tài)，在較大套管自重產(chǎn)生的壓縮力的作用下，事故段套管發(fā)生彎曲失穩(wěn)。

（3）井下連續(xù)多次發(fā)生泄漏和取巖芯作業(yè)，導(dǎo)致鉆井進(jìn)尺緩慢，引起鉆桿接頭長(zhǎng)時(shí)間在同一位置磨損套管內(nèi)壁，以及反復(fù)多次起下鉆過(guò)程中PDC鉆頭保徑齒刮削彎曲套管內(nèi)壁，導(dǎo)致套管壁厚減薄，當(dāng)減薄處套管的總應(yīng)力超過(guò)材料許用應(yīng)力，在井內(nèi)壓力波動(dòng)及其他不可預(yù)見(jiàn)的載荷作用下，套管隨時(shí)發(fā)生爆裂或泄漏失效。