高溫高壓等苛刻井套管優(yōu)化設計與現(xiàn)場應用

1、高溫高壓等苛刻井套管優(yōu)化設計與現(xiàn)場應用,主要內(nèi)容★套管柱優(yōu)化設計問題概述★常規(guī)套管強度和載荷計算★溫度對套管設計的影響★磨損對套管強度的影響★高溫高壓井套管密封設計★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)對套管強度的影響,問題的工程背景我國西部鉆了相當數(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100MPa，地層溫度200℃，地層含氣、油、水、H2S及CO2復雜流體，氣產(chǎn)量高達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)化設計問題概述,套管柱載荷的特點,套管柱優(yōu)化設計問題概述,,,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)化設計,,套管柱優(yōu)化設計軟件介紹,軟件的主要功能模塊,套管柱優(yōu)化設計軟件介紹,套管柱

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

6、套管的管體抗拉強度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度,常規(guī)套管強度計算,管體抗內(nèi)壓強度計算,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度,常規(guī)套管強度計算,套管雙軸強度計算,計算軸向應力,,計算折減屈服強度（用于替換API抗擠強度公式中屈服強度）,由API抗擠強度公式計算抗擠強度,,套管三軸強度設計,? r為徑向應力? t為

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

8、設計準則的設計肯定是有問題的。雖然此方法替代不了單軸和雙軸強度模型，但它是套管柱強度設計的有益發(fā)展和補充，給套管柱安全增加了一道防線。,套管強度概念,常規(guī)的載荷計算：內(nèi)壓,內(nèi)壓力計算模型有預設井涌量法、Prentice方法、Kastor方法、簡化內(nèi)壓設計法、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,套管外壓一般假設等于地層壓力，對于表層套管一般假設管內(nèi)全掏空，技術(shù)套管一般假設部分掏空，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。,溫度對套管強度設計的影響,溫度通過以下幾個途徑影響套管設計：影響壓力載荷（氣體的PVT性質(zhì)）削減管材的額定載荷（屈服強度是溫度的函數(shù)）導致軸向伸長，它導致未注水泥段屈曲影響水泥漿的設計導致環(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度變化

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

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

12、料的最小屈服強度,磨損對套管強度的影響,套管抗擠強度和柱面缺陷長度的關系,磨損對套管強度的影響,套管抗擠強度和套管長度的關系,磨損對套管強度的影響,因次分析的結(jié)果,Pw為套管磨損后的抗擠強度YP 為套管材料的最小屈服強度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、管強度的影響,修正設計系數(shù)法,PL為由于磨損而損失的強度PY為套管原有的強度FL為強度損失比FDC為抗擠強度設計系數(shù)FDC1為修正后的抗擠強度設計系數(shù),磨損對套管強度的影響,結(jié) 論一、分析了套管磨損后抗擠強度的變化規(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，便于在設計中應用。三、提出了修正抗擠強度設計系數(shù)法，有效地縮短了套管柱優(yōu)化設計時間。,磨損對套管

14、強度的影響,磨損對套管強度的影響,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則和重復實驗次數(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計的觀點。,高溫高壓井套管密封設計,摘自石油管材研究所技術(shù)報告，特此致謝！,,密封設計中套管選擇程序,高溫高壓井套管密封設計,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應力腐蝕開裂，應在鉆井和固井中采取措施預防。,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，不同的不銹鋼適應的環(huán)境是不同的，選擇不當會造成嚴重的坑蝕。,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變的變化小于管體部分應變的變化；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度比管體低6.7%～7.7%。N80、P110鋼級材料的壓縮屈服強度高于拉伸屈服強度。,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！,在預計到套管將受到較大的壓縮載荷時，應該考慮接頭極限承載能力。管體壓縮強度的校核可按抗拉強度進行；要根據(jù)螺紋連接的實際抗壓縮強度進行校核。 在進行下套管作業(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、抗壓縮強度比管體低，密封性也較低。這需要在管柱設計時根據(jù)具體工況和工廠保證值選擇，最好是進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計中，有時為解決強度不足，使用厚壁套管，如使用110KSI鋼級以上的7″套管，壁厚達到12.65mm，13.72mm。由于僅增大管體壁厚，接箍仍為同鋼級、標準外徑接箍，故接箍的強度轉(zhuǎn)換為管柱的薄弱環(huán)節(jié)，在強度校核中若仍以管體或外螺紋連接強度來考慮，則設計偏于危險。,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、，采用標準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，載荷達到6842kN時，試樣從接箍斷裂，失效載荷達到管體拉伸強度的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度；另一方面管柱設計中套管選擇時應注意接箍和管體不等強度的問題。,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度(管材屈服強度≥125KSI，如140KSI、150KSI等)的套管鋼級。強度越高，其韌性要求越高，但實際上，隨著

25、強度的提高到140KSI，韌性不容易增加。超高強度套管的缺點就是對表面缺陷(如裂紋)和H2S應力腐蝕較敏感。,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)對套管強度的影響,美國Evans，Harriman等人研

26、究認為，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)無增強作用)，而當水泥環(huán)偏心時，套管的徑向應力將不均勻分布，最大和最小之比為0.74。認為水泥環(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)對套管強度的影響,

27、不同厚度水泥環(huán)分擔內(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)對套管強度的影響,純管體與帶水泥環(huán)套管抗外壓強度試驗結(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)對套管的抗擠強度略有提高，但考慮到理論分析和