油管与套管抗内压强度研究

在深井、超深井钻井过程中,由于钻杆与套管长时间的接触会造成上层套管受到不均匀磨损,导致套管抗内压强度降低,给安全钻井带来隐患.文中针对API 5C3模型已不能准确预测套管实际抗内压强度的问题,研究了材料的屈强比对油、套管爆裂强度的影响规律,给出了具有更高精度的油、套管抗内压爆裂计算新模型.结果表明,该模型计算出的油管套...     

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随着石油工业的不断发展，深井、超深井、水平井和大位移井越来越多，而这类井由于其自身的特殊性，在钻井过程中钻具在井中旋转及起下钻对套管内壁造成磨损，导致其抗挤强度、抗内压强度等使用性能降低，对油气井的安全构成威胁，因此，套管设计时应当考虑磨损对抗挤强度的降低问题。API Bul 5C3挤毁压力公式没有考虑磨损对套管抗挤强度的影响。章主要通过有限元法并辅以理论分析，深入研究套管内壁磨损对其抗挤毁性能的影响规律，分别详细比较“月牙形”磨损模型与偏心筒近似磨损模型、最小壁厚均匀磨损模型之间的差异，并从挤毁强度降低的机理上阐述导致这些差异的原因所在。     

SK1井套管磨损剩余强度安全评价研究

深井超深井钻井过程中,受井眼狗腿度、机械钻速、顶驱转速等因素影响,技术套管的磨损问题不容忽视,严重时将会导致其抗外挤、抗内压强度明显降低,对井筒完整性造成极大隐患。为此,结合SK1井?244.5 mm技术套管磨损原因深入分析,利用套管“磨损-效率”理论模型,建立了套管磨损量及剩余壁厚的预测方法,指出套管磨损严重位置通常发生在狗腿度较大的井深处,且随顶驱转速增加和机械钻速降低,套管的磨损量明显增大。通过将磨损套管分别简化成具有内壁不圆、不均度的含缺陷套管及“矩形槽”套管,建立了磨损套管的剩余抗外挤、抗内压强度计算方法及全井段剩余强度安全系数计算方法。分析表明,当顶驱转速高于100 r/min、机械钻速低于0.87 m/h时,SK1井?244.5 mm套管的抗外挤最小安全系数将会低于1.0,需采取合理的钻井提速及防磨措施,以保证技术套管的强度安全。研究成果对于今后深井超深井的套管柱安全设计具有重要的指导意义。     

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油气井钻井过程中，由于钻具和套管相互摩擦，造成套管内壁磨损并引起磨损套管抗挤强度降低，直接后果是：降低油气井寿命，严重时将导致某段油气井报废或整口油气井报废。因此，套管柱设计尤其是水平井、大位移井、深井、超深井钻井必须考虑磨损对抗挤、抗内压强度的影响，而现有计算方法在计算磨损套管抗挤强度时通常忽略了制造缺陷对挤毁强度的影响，计算值与实测值差异较大。为此，文章研究了磨损套管的挤毁机理，认为计算磨损套管的抗挤强度应重点考虑磨损对抗挤强度的影响，同时考虑制造缺陷对套管抗挤强度的影响。基于此，文章进行了大量研究，应用叠加原理，建立了计算磨损套管抗挤强度的新算法。通过对此算法和其它算法的计算结果与试验数据比较分析表明，新算法优于其它算法并与试验数据更接近，能较好满足工程要求，为磨损套管柱设计提供了理论依据。     

深井套管柱安全可靠性影响因素分析

套管挤毁给油田造成了巨大的经济损失。采用弹性力学解析及有限元方法,给出了考虑磨损时套管剩余抗挤强度、抗内压强度以及非均匀地应力作用下套管外壁等效外挤载荷的计算方法,分析了非均匀地应力作用下不同套管磨损量对套管强度以及不同地层性质对套管地应力外挤力的影响。研究表明,当磨损度为109／6时,套管的剩余抗外挤强度和剩余抗内压强度降低约30％;套管内壁的Mises应力和套管外壁地应力外挤力随地层弹性模量的增大均明显减小,说明地层越硬,套管将偏于安全。     

不均匀磨损深度对套管应力的影响研究

为研究套管内壁不均匀磨损深度对套管抗挤强度和套管应力的影响,建立了磨损套管-水泥环-围岩组合体力学模型,应用有限元分析软件和ISO 10400推荐的套管抗挤强度计算模型对不同磨损深度下的套管应力和抗挤强度进行计算。计算结果表明:套管最大外挤力和套管抗挤强度与不均匀磨损深度之间均呈线性关系,随着不均匀磨损深度的增加,套管最大外挤力缓慢增大,而套管抗挤强度显著降低;随着不均匀磨损深度的增加,最大磨损深度处套管内壁应力显著增加,而未磨损处套管内壁应力几乎不受影响;随着不均匀磨损深度的增加,最大磨损深度处套管外挤力逐渐减小,而磨损边缘处套管外挤力显著增大;当套管内壁不均匀磨损深度达2.4 mm时,套管抗挤强度降幅达26%,此时套管存在挤毁风险。研究结果可为页岩气藏开发中磨损套管应力分析提供参考。     

深井内壁磨损套管剩余抗内压强度研究

深井钻井过程中,钻柱对套管内壁造成磨损多为"月牙形"磨损。在弹塑性力学分析的基础上,应用长槽形磨损模型分析磨损套管的抗内压强度变化规律。采用有限元数值模拟计算分析了磨损套管剩余强度的变化规律。根据磨损位置产生的附加弯曲应力,对原有的长槽形磨损模型进行了改进,并与试验结果进行了对比分析。分析结果表明,套管接头直径对套管抗内压强度影响较小。使用目前套管柱强度设计中常用的均匀磨损模型进行套管强度设计,偏于安全。改进后建立的磨损套管抗内压计算模型能更准确地描述磨损套管的剩余强度,与试验值更为接近,可为套管柱强度设计提供更为合理的理论参考。     

固井缺陷对磨损套管抗内压强度的影响

套管磨损和固井缺陷是钻井过程中必然存在的现象。应用相似准则设计出磨损套管的相似模型,对不同固井质量缺陷和不同磨损情况的套管进行组合实验,将实验结果与有限元分析相结合来研究模型套管在不同固井缺陷和不同磨损量下的抗内压强度。将模型套管推广到原型,利用有限元方法分别计算了水泥环—套管—地层系统在不同水泥环缺失范围、不同套管磨损程度下的抗内压性能。研究结果表明:当水泥环有缺损时,不但不能增强套管的抗内压能力,反而降低了套管的抗内压强度。水泥环的缺失范围越小,应力集中现象越严重。     

超深高温弯曲井眼套管抗挤强度模型研究及应用

在定向井或水平井开发深层盐下油气资源时,套管柱在盐膏层的造斜段中受非均匀外挤载荷、井眼弯曲载荷及高温综合效应影响下易发生失效,严重影响井筒管柱完整性和生产安全。文章基于非均匀载荷下套管抗挤强度计算模型,引入井眼弯曲载荷和高温效应对套管屈服强度折减影响,建立了超深高温弯曲井眼套管抗挤强度评价模型,用以评价超深井中套管柱在盐膏层造斜段的抗挤强度可靠性。结果表明：井下套管剩余抗挤强度系数随套管外挤力非均匀系数增加呈近似抛物线型降低,随井眼曲率和井筒温度升高呈近似线性降低;套管外径和壁厚越大,井眼曲率和井筒温度对其抗挤强度折减越明显,而非均匀外挤载荷对三种规格套管抗挤强度影响相当。该研究成果在某盐膏层斜井中进行了现场应用,很好指导了该井套管的选型,并为同井型的套管实际抗挤强度评价及套管选型提供了技术支撑。     

三高气田套管磨损研究及应用分析

依据套管磨损相关理论,给出了套管磨损深度预测模型,开展了模拟现场钻井条件下气田在用套管磨损室内试验。分析了三高气田套管磨损后带来的问题,用编制的套管磨损预测软件并结合试验测得的套管磨损参数和实钻井史资料,对龙岗气田部分井在用的244.5 mm技术套管的磨损情况和强度进行了计算。计算结果显示,技术套管普遍存在磨损情况,平均磨损率在10%左右,套管磨损后抗挤强度和抗内压强度都显著降低。探讨了影响套管磨损的主要因素,提出了考虑磨损后套管强度满足要求的三高气田套管柱设计安全系数。研究结果对提高三高气田钻完井安全性有一定的指导作用。     

井下套管磨损深度及剩余强度分析

为了了解井下套管磨损深度及剩余强度,为后续钻进及试采作业提供依据,文中从方便、实用的角度出发,根据国内油田钻井井史所能提供的数据,用磨损效率模型分析了套管月牙形磨损的磨损深度;给出了井下套管磨损深度的计算方法和计算公式。用弹性力学中的双极坐标法将偏心磨损套管强度计算这一具有2个非同心圆边界的问题转变为轴对称同心圆问题,从而便于解析分析;经过推导,得到在内外压作用下磨损套管内的环向应力表达式,以磨损套管最薄处内壁环向应力达到管材屈服极限为判断条件,得到磨损套管剩余抗挤强度和剩余抗内压强度。上述磨损深度、剩余强度计算方法在羊塔8井、牧7井等深度在5000 m以上的重点探井中得到了实际应用,为安全试油提供了依据。     

南海西部地区异常高压气井套管防磨技术

南海西部地区高压区域分布广泛,高压井在各种工况下,内外压比常压井要高,对套管强度的要求更高。海上开发井主要采用定向井和水平井开发,套管磨损问题突出,加大了套管挤毁或破裂的风险。针对以上问题,通过不同磨损带磨损实验,得到不同工况下套管磨损系数,建立了考虑磨损的高压井套管强度校核方法。针对南海某D气田套管磨损问题,选取了井深最大的B井,根据其井身结构、井眼轨迹计算了钻井过程中钻具组合对套管的侧向力,评估了磨损对套管强度的影响。综合考虑钻井过程中磨损、抗内压和抗外挤安全系数,提出了基于磨损风险剖面和套管校核安全系数的配套防磨技术方案。该方案已经用于D气田的套管设计和招标采办中。     

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在大位移井、大斜度井、水平井和深井钻井中，或者在狗腿严重度较大的井段以及在技术套管下入后的长裸眼钻井过程中，常常出现套管磨损问题。由此而诱发的套管抗挤强度和抗内压强度降低问题影响了油气井的后续完井测试作业、降低了油气井寿命，严重时还会导致某段油气井报废或整口油气井报废。为此，文章提出分别以水基泥浆、油基泥浆、清水作为润滑介质，用实验手段分别研究了法向载荷、温度、转盘转速、摩擦副材料特性对套管磨损的影响。同时，在对国内外防磨措施进行研究后，指出敷焊耐磨带是一种经济可行的防磨措施，在深井钻井、大位移井钻井和大斜度钻井中应重点推广。     

套管钻井用套管外表面磨损后剩余强度分析

在分析讨论套管钻井管柱磨损形态的基础上,结合API5C5实物试验尺寸要求,通过有限元计算分析方法,对钻井套管完钻后含有外表面磨损缺陷的套管柱的极限剩余抗挤强度和极限剩余抗拉强度进行了研究,分别获得了均匀磨损和偏磨条件下,套管钻井套管柱外表面磨损缺陷的临界长度尺寸数值,以及不同破坏失效准则条件下的剩余抗挤强度和剩余抗拉强度的计算方程,为套管钻井中套管柱的设计、计算奠定了理论基础。     

一种新的深井套管磨损计算方法

根据深井、超深井钻柱的涡动特性提出了一种新的套管磨损计算方法。补充了磨损效率模型只能对狗腿处套管进行磨损预测的缺陷；并对套管和钻杆磨损进行了解析计算，可利用钻杆的实际磨损状况对计算参数进行调整。模型在塔里木油田多口油井的应用表明，钻柱涡动带来的套管磨损不容忽视，模型的计算结果与实际状况较符合，能为现场施工提供较好的预测数据。     

深井和大位移井套管磨损程度预测

为提高套管柱强度设计准确性,防止磨损失控情况发生,深入分析了套管磨损预测技术。结合定向井钻柱力学研究成果,考虑钻柱刚度和屈曲的影响,推导了深井和大位移井的钻柱拉力-扭矩方程,建立了基于能量原理的套管磨损程度预测模型,并编制了预测软件。该预测软件可以预测包括钻进、起下钻具等作业过程的,不同套管柱层次、钻具组合、井眼轨迹、钻井液类型和钻井参数等情况的全井段不同井深所对应的套管磨损量。实例计算结果表明,编制的预测软件减小了人为的估计误差,预测值更为准确可靠。研究成果为深井和大位移井安全高效钻进提供了新的技术支持。      

受套管磨损约束的深井钻井延伸极限预测模型

深井超深井的套管磨损问题十分严重，严重制约了深井超深井延伸极限的增加。为了提高深井超深井的延伸极限，需要研究深井超深井套管磨损和延伸极限的关系，并明确建立以套管磨损为约束条件的深井延伸极限模型。建立了套管磨损能量方程，基于套管磨损截面几何方程，引入套管截面磨损深度极限值，并考虑井下管柱在钻进过程中的载荷传递，采用迭代法反演出深井超深井在套管磨损条件下的延伸极限值，结合塔里木某超深井的数据资料进行实例计算，并通过和该井的井径测试数据进行对比，验证模型的合理性。研究结果表明，实测该塔里木超深井3 070 m处套管磨损最严重，磨损量为3.15 mm，将其代入建立的套管磨损延伸极限模型中，可得到该井的磨损延伸极限为7 812 m，这与该井实际井深7 500 m极为接近，验证了本文模型的合理性。该研究从套管磨损理论的角度，预测了深井超深井的延伸极限，并为深井超深井的安全作业和钻具选型提供了理论依据。