高溫高壓等苛刻井套管優(yōu)化設(shè)計與現(xiàn)場應(yīng)用

1、高溫高壓等苛刻井套管優(yōu)化設(shè)計與現(xiàn)場應(yīng)用,主要內(nèi)容★套管柱優(yōu)化設(shè)計問題概述★常規(guī)套管強(qiáng)度和載荷計算★溫度對套管設(shè)計的影響★磨損對套管強(qiáng)度的影響★高溫高壓井套管密封設(shè)計★苛該的腐蝕環(huán)境中套管材料的選取★套管接頭在壓縮載荷下的試驗研究★套管選擇方面的試驗研究★水泥環(huán)對套管強(qiáng)度的影響,問題的工程背景我國西部鉆了相當(dāng)數(shù)量的高溫高壓井，發(fā)生多起套管事故。海洋石油在鶯瓊盆地已鉆探高溫高

2、壓井共8口。高溫超壓地層，地層壓力可達(dá)100MPa，地層溫度200℃，地層含氣、油、水、H2S及CO2復(fù)雜流體，氣產(chǎn)量高達(dá)1百萬m3/d。,套管柱的主要類型,必須保證套管柱安全?。?！,套管柱優(yōu)化設(shè)計問題概述,,套管柱安全的必要條件,RCg為套管的廣義額定載荷FDg 為廣義設(shè)計系數(shù)Lg 為廣義載荷z 為任意的井深t為套管使用期間任一時刻,套管柱優(yōu)化設(shè)計問題概述,套管柱載荷的特點,套管柱優(yōu)化設(shè)計問題概述,,,井深,載荷,,

3、,,內(nèi)壓分布,外壓分布,軸向力分布,如何使套管柱總費用 最低？？？( min C ),套管柱優(yōu)化設(shè)計問題概述,,組合套管柱總費用的組成,C為套管柱的總費用(或總質(zhì)量)ci為第i段套管的費用(或質(zhì)量)fi為第i段套管的單價(或線密度)Si為第i段套管的長度n 為套管的實際段數(shù),套管柱優(yōu)化設(shè)計問題概述,t為套管的壁厚J為套管的接箍類型G為套管的鋼級,套管柱優(yōu)化設(shè)計問題概述,限定套管的選擇范圍,段數(shù)越

4、多越費用越低,m 為允許的最大套管段數(shù)n 為套管的實際段數(shù),套管柱優(yōu)化設(shè)計問題概述,Ddrift為套管的通徑Ddrift_min為允許的最小通徑,套管柱優(yōu)化設(shè)計問題概述,通徑受實際條件限制,Si為第i段套管的長度Smin為允許的最小套管段長度,套管柱優(yōu)化設(shè)計問題概述,段長受實際條件限制,采用數(shù)據(jù)庫查詢語言（SQL）和排序篩選法實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計,,套管柱優(yōu)化設(shè)計軟件介紹,軟件的主要功能模塊,套管柱優(yōu)化設(shè)計軟件介紹,套管柱

5、設(shè)計程序框圖,套管柱優(yōu)化設(shè)計軟件介紹,套管強(qiáng)度校核步驟包括：抗拉強(qiáng)度校核、雙軸強(qiáng)度校核、三軸強(qiáng)度校核（可選）。,輸入輸出支持任意單位,套管柱優(yōu)化設(shè)計軟件介紹,單位換算數(shù)據(jù)庫,,,設(shè)計人員,API抗擠強(qiáng)度計算公式,屈服強(qiáng)度擠毀公式塑性擠毀公式塑彈性擠毀公式彈性擠毀公式,常規(guī)套管強(qiáng)度計算,API抗擠強(qiáng)度公式計算結(jié)果,外徑為127.0 mm、N-80鋼級套管的抗擠強(qiáng)度,常規(guī)套管強(qiáng)度計算,常規(guī)套管強(qiáng)度計算,管體抗拉強(qiáng)度計算,TR為

6、套管的管體抗拉強(qiáng)度do為套管的公稱外徑di為套管的公稱內(nèi)徑Y(jié)P為套管的最小屈服強(qiáng)度,常規(guī)套管強(qiáng)度計算,管體抗內(nèi)壓強(qiáng)度計算,piR為最小內(nèi)部屈服壓力do為套管的公稱外徑t為套管的壁厚YP為套管的最小屈服強(qiáng)度,常規(guī)套管強(qiáng)度計算,套管雙軸強(qiáng)度計算,計算軸向應(yīng)力,,計算折減屈服強(qiáng)度（用于替換API抗擠強(qiáng)度公式中屈服強(qiáng)度）,由API抗擠強(qiáng)度公式計算抗擠強(qiáng)度,,套管三軸強(qiáng)度設(shè)計,? r為徑向應(yīng)力? t為

7、周向應(yīng)力? z為軸向應(yīng)力,套管中任一點處應(yīng)力狀態(tài),套管三軸強(qiáng)度設(shè)計,套管中任一點處應(yīng)力強(qiáng)度計算,?e為應(yīng)力強(qiáng)度? r為徑向應(yīng)力? t為周向應(yīng)力? z為軸向應(yīng)力,套管三軸強(qiáng)度設(shè)計,套管三軸強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則,?e為應(yīng)力強(qiáng)度FTR為三軸應(yīng)力設(shè)計系數(shù)YP為材料屈服強(qiáng)度,套管單軸、雙軸和三軸強(qiáng)度比較,套管強(qiáng)度概念,套管單軸、雙軸和三軸強(qiáng)度比較,套管強(qiáng)度概念,滿足三軸應(yīng)力設(shè)計準(zhǔn)則的套管柱不一定安全，但不滿足三軸應(yīng)力

8、設(shè)計準(zhǔn)則的設(shè)計肯定是有問題的。雖然此方法替代不了單軸和雙軸強(qiáng)度模型，但它是套管柱強(qiáng)度設(shè)計的有益發(fā)展和補充，給套管柱安全增加了一道防線。,套管強(qiáng)度概念,常規(guī)的載荷計算：內(nèi)壓,內(nèi)壓力計算模型有預(yù)設(shè)井涌量法、Prentice方法、Kastor方法、簡化內(nèi)壓設(shè)計法、司鉆法和等候加重法。這些方法對于深井需要修正。,常規(guī)的載荷計算：外擠,套管外壓一般假設(shè)等于地層壓力，對于表層套管一般假設(shè)管內(nèi)全掏空，技術(shù)套管一般假設(shè)部分掏空，掏空的程度由實際情況定，

9、生產(chǎn)套管一般假設(shè)全掏空。,常規(guī)的載荷計算：軸向力,在計算軸向力時，主要考慮的因素有自重、動載、泥漿的浮力和溫度等。,溫度對套管強(qiáng)度設(shè)計的影響,溫度通過以下幾個途徑影響套管設(shè)計：影響壓力載荷（氣體的PVT性質(zhì)）削減管材的額定載荷（屈服強(qiáng)度是溫度的函數(shù)）導(dǎo)致軸向伸長，它導(dǎo)致未注水泥段屈曲影響水泥漿的設(shè)計導(dǎo)致環(huán)空壓力升高影響腐蝕 鉆井、完井、生產(chǎn)和修井作業(yè)期間的井眼溫度可能明顯不同于原始溫度分布。,不同溫度下材料屈強(qiáng)度變化

10、率,溫度對套管強(qiáng)度設(shè)計的影響,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,P110套管強(qiáng)度隨溫度的變化,溫度對套管強(qiáng)度設(shè)計的影響,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,RCgt為高溫時實際套管強(qiáng)度；RCg為室溫時實際套管強(qiáng)度；K為強(qiáng)度下降率，等于高溫套管材料屈服強(qiáng)度/室溫套管材料屈服強(qiáng)度。,高溫條件下套管強(qiáng)度的計算,溫度對套管強(qiáng)度設(shè)計的影響,套管磨損缺陷的形狀,磨損對套管強(qiáng)度的影響,力學(xué)模型(平面問題),磨損對套管強(qiáng)度的影響,力

11、學(xué)模型(空間問題),磨損對套管強(qiáng)度的影響,套管抗擠強(qiáng)度和磨損缺陷深度的關(guān)系,磨損對套管強(qiáng)度的影響,平面應(yīng)力和平面應(yīng)變的分析結(jié)果比較,磨損對套管強(qiáng)度的影響,強(qiáng)度損失比的定義,PL為由于磨損而損失的強(qiáng)度，等于套管原有強(qiáng)度減去磨損后的強(qiáng)度PY為套管原有的強(qiáng)度FL為強(qiáng)度損失比,磨損對套管強(qiáng)度的影響,套管的抗擠強(qiáng)度損失比和壁厚的關(guān)系,磨損對套管強(qiáng)度的影響,套管的抗擠強(qiáng)度損失和壁厚的關(guān)系,套管的無量綱抗擠強(qiáng)度損失等于抗擠強(qiáng)度損失除以套管材

12、料的最小屈服強(qiáng)度,磨損對套管強(qiáng)度的影響,套管抗擠強(qiáng)度和柱面缺陷長度的關(guān)系,磨損對套管強(qiáng)度的影響,套管抗擠強(qiáng)度和套管長度的關(guān)系,磨損對套管強(qiáng)度的影響,因次分析的結(jié)果,Pw為套管磨損后的抗擠強(qiáng)度YP 為套管材料的最小屈服強(qiáng)度r1o為套管外壁圓半徑t 為套管的壁厚r2o為磨損缺陷半徑tw為磨損缺陷的最大深度,磨損對套管強(qiáng)度的影響,用最小二乘法回歸經(jīng)驗公式,式中a0、a1、a2和a3等為通過最小二乘回歸求得的系數(shù),磨損對套

13、管強(qiáng)度的影響,修正設(shè)計系數(shù)法,PL為由于磨損而損失的強(qiáng)度PY為套管原有的強(qiáng)度FL為強(qiáng)度損失比FDC為抗擠強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)FDC1為修正后的抗擠強(qiáng)度設(shè)計系數(shù),磨損對套管強(qiáng)度的影響,結(jié) 論一、分析了套管磨損后抗擠強(qiáng)度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)實際問題可按平面問題處理。二、提出了建立經(jīng)驗公式的回歸方法，減少了計算工作量，便于在設(shè)計中應(yīng)用。三、提出了修正抗擠強(qiáng)度設(shè)計系數(shù)法，有效地縮短了套管柱優(yōu)化設(shè)計時間。,磨損對套管

14、強(qiáng)度的影響,磨損對套管強(qiáng)度的影響,其它觀點 《鉆井手冊（甲方）》按均勻磨損并采用API公式計算套管的強(qiáng)度。石油管材研究所實驗結(jié)果表明不均勻磨損擠毀壓力的下降率與套管壁厚的減薄率成線性關(guān)系，但大大高于同等磨損量均勻磨損套管的擠毀壓力，但沒有給出其損壞準(zhǔn)則和重復(fù)實驗次數(shù)。,在開發(fā)高壓氣藏的深井、超深井中，要求管柱具有高的密封性。石油管材研究所研究了用于高壓氣井(70Mpa以上)的高強(qiáng)度特殊螺紋接頭密封性及密封完整性問題，提出了高壓

15、氣井油套管柱密封性考慮與密封設(shè)計的觀點。,高溫高壓井套管密封設(shè)計,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,,密封設(shè)計中套管選擇程序,高溫高壓井套管密封設(shè)計,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,苛該的腐蝕環(huán)境中套管材料的選取,試驗條件：溫度140℃，CO2分壓4atm，CL-含量45000ppm。測定的平均腐蝕速率如下：,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,不同材料在相同條件下的耐腐蝕性,試驗室結(jié)果表明，鉆井液處理劑磺化高分子化合

16、物在加熱過程中有一個初始熱降解溫度，繼續(xù)加熱發(fā)生一次重要的分解并放出大量的H2S。SPI-H磺化褐煤樹脂的初始熱降解溫度為154℃。熱分解溫度為220℃；SMP-II磺化酚醛樹脂的初始熱降解溫度為144℃，熱分解溫度為246℃。所以，V150套管破裂原因還不能排除H2S應(yīng)力腐蝕開裂，應(yīng)在鉆井和固井中采取措施預(yù)防。,苛該的腐蝕環(huán)境中套管材料的選取,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,二氧化碳分壓越高，腐蝕速度越大。溫度越高，腐蝕速度越

17、大。流速越高，腐蝕速度越大。流體的pH越小，腐蝕速度越大。,苛該的腐蝕環(huán)境中套管材料的選?。篊O2腐蝕的一般規(guī)律,苛該的腐蝕環(huán)境中套管材料的選取,值得特別提出的是，不同的不銹鋼適應(yīng)的環(huán)境是不同的，選擇不當(dāng)會造成嚴(yán)重的坑蝕。,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,套管接頭在壓縮載荷下的試驗研究：API 8R和API BTC螺紋,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,圓螺紋接頭套管受壓縮載荷作用時可能出現(xiàn)整體彎曲和跳扣兩種失效形式。5

18、1/2″等外徑較小的套管會出現(xiàn)整體失穩(wěn)彎曲的情況，而9 5/8″等外徑較大的套管會出現(xiàn)跳扣的情況。,套管接頭在壓縮載荷下的試驗研究：API 8R和API BTC螺紋,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,圓螺紋接頭套管受壓縮載荷作用時，外徑較大的套管接箍外壁應(yīng)變的變化小于管體部分應(yīng)變的變化；而外徑較小的套管則正相反。圓螺紋套管的壓縮失效載荷比拉伸失效載荷高37%～43%。,套管接頭在壓縮載荷下的試驗研究：API 8R和API BTC螺

19、紋,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,偏梯形螺紋套管接頭的壓縮屈服強(qiáng)度比管體低6.7%～7.7%。N80、P110鋼級材料的壓縮屈服強(qiáng)度高于拉伸屈服強(qiáng)度。,套管接頭在壓縮載荷下的試驗研究：特殊螺紋接頭NSCC與3SB,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,特殊螺紋接頭抗壓縮強(qiáng)度與偏梯形螺紋接頭的相比僅大約高7%。 上扣是否到位，直接影響套管接頭部分的抗壓縮能力，特別是特殊螺紋套管接頭部分的抗壓縮性能。上扣不到位的特殊螺紋

20、套管接頭部分的抗壓縮性能甚至低于偏梯形螺紋接頭。,套管接頭在壓縮載荷下的試驗研究：主要結(jié)論,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,在預(yù)計到套管將受到較大的壓縮載荷時，應(yīng)該考慮接頭極限承載能力。管體壓縮強(qiáng)度的校核可按抗拉強(qiáng)度進(jìn)行；要根據(jù)螺紋連接的實際抗壓縮強(qiáng)度進(jìn)行校核。 在進(jìn)行下套管作業(yè)時，對于偏梯形螺紋或NK-3SB、NSCC之類的特殊螺紋接頭，套管柱的壓縮載荷應(yīng)控制在許可的極限拉伸載荷以內(nèi)。而對于圓螺紋接頭的套管柱，壓縮載荷

21、可以比其極限拉伸載荷大30%。,套管選擇方面的試驗研究：無接箍式套管,小間隙固井是深井工程的一個難題，合理選擇和使用無接箍連接套管，可有效地減少管柱的外徑，以增大固井間隙。 無接箍式接頭抗內(nèi)壓、抗拉伸、抗壓縮強(qiáng)度比管體低，密封性也較低。這需要在管柱設(shè)計時根據(jù)具體工況和工廠保證值選擇，最好是進(jìn)行實物評價試驗驗證，確定VME載荷范圍。,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,套管選擇方面的試

22、驗研究：厚壁套管,深井與超深井管柱設(shè)計中，有時為解決強(qiáng)度不足，使用厚壁套管，如使用110KSI鋼級以上的7″套管，壁厚達(dá)到12.65mm，13.72mm。由于僅增大管體壁厚，接箍仍為同鋼級、標(biāo)準(zhǔn)外徑接箍，故接箍的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為管柱的薄弱環(huán)節(jié)，在強(qiáng)度校核中若仍以管體或外螺紋連接強(qiáng)度來考慮，則設(shè)計偏于危險。,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,套管選擇方面的試驗研究：厚壁套管,177.8mm×l2.65mm NK-T140試驗發(fā)現(xiàn)

23、，采用標(biāo)準(zhǔn)外徑接箍的厚壁套管，在水壓爆破試驗中，試樣從螺紋連接處滑脫，壓力為138MPa，而未從管體爆裂。在拉伸至失效試驗中，載荷達(dá)到6842kN時，試樣從接箍斷裂，失效載荷達(dá)到管體拉伸強(qiáng)度的87.7%。 外徑為177.8mm、 鋼級為P110、接箍為 BCSG和壁厚分別為11.99mm、12.65mm、13.72mm的套管，均存在接箍強(qiáng)度低于螺紋連接和管體的問題。,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,套管選擇方面的試驗研究

24、：厚壁套管,研究結(jié)果表明，深井、超深井中單純依靠增加壁厚可提高抗擠毀強(qiáng)度，但并不能解決抗拉和抗內(nèi)壓的問題，主要是受制于接箍的強(qiáng)度；另一方面管柱設(shè)計中套管選擇時應(yīng)注意接箍和管體不等強(qiáng)度的問題。,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,套管選擇方面的試驗研究：超高強(qiáng)度套管,由于深井、超深井載荷條件的異?？量?，所以必須選擇超高強(qiáng)度(管材屈服強(qiáng)度≥125KSI，如140KSI、150KSI等)的套管鋼級。強(qiáng)度越高，其韌性要求越高，但實際上，隨著

25、強(qiáng)度的提高到140KSI，韌性不容易增加。超高強(qiáng)度套管的缺點就是對表面缺陷(如裂紋)和H2S應(yīng)力腐蝕較敏感。,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,套管選擇方面的試驗研究：超高強(qiáng)度套管,已使用的幾種Q125、140套管的材料和實物性能的試驗結(jié)果表明，日本廠家的Q125、140鋼級的套管具有良好的性能，基本能滿足我國深井、超深井的使用要求，但150鋼級韌性仍存在一定的問題。,水泥環(huán)對套管強(qiáng)度的影響,美國Evans，Harriman等人研

26、究認(rèn)為，管外水泥環(huán)使套管抗外擠提高23%，但如果水泥環(huán)沿軸向存在一個三倍于套管內(nèi)徑的空洞時，無助于提高。 前蘇聯(lián)有人認(rèn)為如果套管居中，作用于水泥環(huán)外壁的壓力，完全作用于套管(即水泥環(huán)無增強(qiáng)作用)，而當(dāng)水泥環(huán)偏心時，套管的徑向應(yīng)力將不均勻分布，最大和最小之比為0.74。認(rèn)為水泥環(huán)和巖石的彈性模量相近，有助于提高套管的抵抗變形能力，但水泥的蠕變性會惡化套管的工作條件。,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,水泥環(huán)對套管強(qiáng)度的影響,

27、不同厚度水泥環(huán)分擔(dān)內(nèi)外壓力百分比（解析解）,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,水泥環(huán)對套管強(qiáng)度的影響,水泥環(huán)卸載系數(shù)隨厚度變化（有限元）,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,水泥環(huán)對套管強(qiáng)度的影響,純管體與帶水泥環(huán)套管抗外壓強(qiáng)度試驗結(jié)果,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,水泥環(huán)對套管強(qiáng)度的影響,結(jié) 論 試驗結(jié)果與理論分析基本吻合。雖然，在研究中理想狀態(tài)下，水泥環(huán)對套管的抗擠強(qiáng)度略有提高，但考慮到理論分析和