塔里木盆地玉科区带石炭系膏盐岩地层套管变形原因分析及应用

安琪，尹国庆，琚岩，范坤宇，陈培思，韩兴杰

1.四川蜀渝石油建筑安装工程有限责任公司（四川成都610017）2.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院（新疆库尔勒841000）

塔里木盆地玉科区带石炭系膏盐岩地层套管变形原因分析及应用

安琪1，尹国庆2，琚岩2，范坤宇2，陈培思2，韩兴杰2

1.四川蜀渝石油建筑安装工程有限责任公司（四川成都610017）2.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院（新疆库尔勒841000）

通过地应力突变、膏盐岩蠕变、固井质量等多因素分析，确定塔里木盆地塔北玉科区带石炭系膏盐岩地层套管变形主要原因为在岩性界面岩石力学参数差异导致剪切错动；区域上发育的膏盐岩互层发生蠕变，从而致使套管严重变形；已完钻井固井质量较差也使得套管外受力不均匀而产生变形。提出了将区域上原来使用的2层套管结构优化为3层；将石炭系膏盐岩地层封固之后再进行下步钻进；适当提高套管抗外挤强度。解决了区域上的石炭系膏盐岩段套管严重损坏问题，确保顺利钻进，为后期作业提供了井筒条件保障。

套管变形；岩石力学参数差异；膏盐岩蠕变；井身结构优化

玉科区带位于塔里木盆地塔北隆起轮南低凸起哈得逊鼻状隆起东翼，它是轮南低凸起向南倾入满加尔凹陷的斜坡部位。主要目的层奥陶系一间房组，但在石炭系标准灰岩段地层岩性变化较为复杂，上部为巨厚层状泥晶灰岩，中部为厚层状盐岩，下部为巨厚层状大段石膏，是区域上石炭系的标志层，另外该区域奥陶系断层发育。该区目前已完钻井5口，其中YK3、YK 5、YK6等井在钻遇下部地层时，钻具通过已封固的石炭系膏盐岩地层多次遇阻，证实该层段套管变形严重，而较这2口井提前半年完钻的YK1井却没有发现套损现象，搞清楚套管变形的主控因素，对于区域下步钻完井作业十分关键。为此，对可能存在的原因进行分析，确定主控因素，提出相应的措施建议，以保障顺利钻进。

玉科区带钻遇石炭系的井有5口，从YK3井钻井井史看出，该井在钻遇石炭系地层时遇阻3次，循环泥浆，进行多次划眼操作。该井钻至奥陶系灰岩地层顶部时，下套管至6 876 m，将包含石炭系的上部地层同时封固，但在钻遇奥陶系灰岩地层起下钻过程中，在石炭系地层（4 463~5 213 m）遇阻挂卡现象严重，进行反复划眼方能通过。根据此种现象怀疑该段套管变形，于是对该段地层4 850~5 053 m进行了60臂井径测井（图1），图中蓝色代表套管内径变小，红色表示套管内径变大，可以看出该段套管发生了不同程度的井径变化，测量结果证实套管变形严重。

图1 YK3井4 850~5 053 m井段60臂井径成像

1 套管变形原因分析

研究认为套管变形主要机理为几种情况引起的套管产生剪切作用，分别是作用强烈的地应力释放、膏盐岩蠕变及泥页岩吸水膨胀、断层剪切滑动、固井质量差、频繁修井作业和施工不当、地面沉降及储层压实、射孔、地震作用、岩石力学参数分层差异等。通过对区域上的地质特征及勘探开发历程分析，认为地质力学参数的分层差异和膏盐岩蠕变剪切是该区套管变形的主要原因[1-2]。

1.1 地质力学参数分析

图2为过YK1、YK3、YK6井地质力学参数处理剖面，从图中看出，YK3井主要的套管变形层段为5 010~5 082 m，尤其在已证实的变形段5 030 m上下。杨氏模量为15 000~48 000 MPa；泊松比为0.2~ 0.25；岩石强度为20~300MPa；水平最大主应力梯度2.1~2.8 MPa/100m。如此强烈的地应力、岩石力学参数的非均质性，使得该段地层固井后，套管所承受的外力在纵向上存在严重的非均质性。由于套管承受的外力一旦超过了套管的抗内压强度，产生变形。YK3井该段地层固井实际使用的套管抗外挤额定强度仅为50 MPa，YK6井也是类似，而YK1井膏盐岩段表现地质力学参数较均匀，该井套管未发生变形，因此地质力学参数的非均质性是套管变形的主要原因之一。

图2 为过YK1、YK3、YK6井地质力学参数处理剖面

1.2 膏盐岩蠕变剪切分析

通过已钻地层的岩石组分精细分析可知，YK3在石炭系膏盐岩段钻遇较厚石膏、盐及泥岩的交互混合岩性，YK6井钻遇了较厚的石膏和盐层，而YK1井仅钻遇了15m的纯石膏层，采用不同岩性的蠕变指数分析方法[3]对YK1、YK3、YK6 3口井进行蠕变指数分析（图3）。图3表明，不同岩性的蠕变指数差异较大，纯石膏层蠕变程度较大、混合岩性次之、泥岩最低[4-5]。由于纯石膏或纯盐层整体蠕变指数差异不大，钻进中和完钻下套管后的遇阻情况较少。但如果岩性变化频繁，石膏、盐层及混合岩性交替出现，相应的蠕变指数也呈层状频繁交替出现，则钻进中和完钻固井后遇阻现象严重，如YK3井。这与实际钻井表现一致，因此可以判定膏盐岩蠕变时，不同岩性间蠕变特性的差异是玉科构造石炭系膏盐岩段套管变形的又一原因。

图3 YK1-YK3-YK6井石炭系膏盐岩层段蠕变特性分析

1.3 其他原因分析

一般断层剪切错动也是套管变形的主要原因之一。从区域上的地震剖面看出，目前所分析的井中，断层仅在奥陶系，没有断穿石炭系的断层，因此排除断层错动剪切原因；该构造尚处于勘探阶段，不存在地层沉降和储层压实、也没有进行射孔和修井作用，未发生过地震，因此这些原因也被排除。

复查3口井的石炭系膏盐岩地层固井质量，YK1井整个层段声幅、地层波响应清楚，固井质量较好；YK3井则表现为整个井段固井质量较差；YK6井5 110~5 130 m地层固井质量较差，5 130~5 180 m地层固井质量较好。固井时水泥胶结程度的好坏直接影响套管受力，固井质量较差的井段套管受力严重不均匀而导致套管发生剪切变形作用[6]，据此分析，固井质量较差也是该地层套管变形的另一重要原因。

2 现场应用效果

根据上述分析，针对该段地层的套管变形问题，提出除了加强该层段的固井质量外，最有保障性的做法就是优化该构造后续钻井的井身结构，钻遇膏盐岩复合岩性复杂层段时，增加一层套管，封固该层，同时增加套管的抗外挤强度。该区块新开钻的YK101、YK301等井均采纳了该方案，采用了新的井身结构，并将套管的额定强度提高至180 MPa，目前正在顺利钻进，为后期作业提供了井筒条件保障。

3 结论

1）从地质力学、地层蠕变、固井质量等分析，确定玉科区带石炭系膏盐岩地层套管变形的主要原因有3个地质力学参数纵向非均质性，石膏、盐岩、膏盐岩、泥岩等混合岩性蠕变特性的不同；局部固井质量差，导致了套管受力不均匀，产生的剪切作用超过了套管本身的抗外挤强度。

2）通过套管变形原因的分析，提出了该区域钻井时，将原来使用的2层套管解构优化成3层结构，封固石炭系膏盐岩地层；提高套管的强度，确保不发生变形，加强固井质量检测，为下步钻完井作业提供完整性井筒。

[1]张根德,何鲜.油井套管变形损坏机理[M].北京:石油工业出版社,2005．

[2]陈明.普光气田套管变形原因分析及技术对策[J].特种油气藏,2010,17(6):110-112．

[3]陈胜,张辉,尹国庆,等.膏盐岩蠕变缩径卡钻时间预测研究[J].石油工业技术监督,2014,30(10):32-35．

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[5]曾义金,王文立,石秉忠.深层盐膏岩蠕变特性研究及其在钻井中的应用[J].石油钻探技术,2005,33(5):48-51．

[6]王秀文,刘巨保,黄金波,等.固井过程套管串屈曲变形分析[J].石油矿场机械,2011,40(4):17-21．

Through the analysis of crustal stress mutation,gypsum salt rock creep and cementing quality,it is held that the main causes of the casing deformation are the difference of rock mechanical parameters in lithologic interface leading to shear dislocation,the creep of the regional developed gypsum salt rock layers resulting in the serious deformation of the casing,and the poor well cementing quality leading to the uneven stress and deformation of the casing.The countermeasures are proposed:changing the original two-layer casing structure into three-layer structure;cementing the Carboniferous gypsum salt rock formation and then drilling lower formation;appropri⁃ately increasing casing strength.The above measures can solve the problem of serious damage to the casing of the Carboniferous gypsum salt rock in the area,and ensure the smooth drilling,and provide good wellbore condition for the later work.

casing deformation；difference in rock mechanics parameters；creep of gypsum rock；optimization of well structure

尉立岗

2017-04-08

安琪（1988-），女，现从事石油工程预算工作。