高压异常地层局部双层组合套管的设计与应用

中原油田的套管损坏问题，在全国各油田中是较为严重的，影响了中原油田稳定的战略目标。为此，中原石油勘探局与西南石油学院合作，开展了近１ａ多的联合攻关研究，在盐层高压的形成机理，超高压地层套管外挤力计算，局部双层组合套管的设计及套管寿命预测方法研究等方面，理论上获得重大突破。     

超高压地层局部双层组合套管的设计

通过大量的统计资料分析、理论分析和数值模拟计算,认清了盐层套管损坏的机理,定量计算了套管在盐层所承受的外挤压力,确定了超高压地层局部双层组合套管的设计方案。所设计的专用接头的主要零件是符合API标准的外螺纹接头和内螺纹接头。通过地面预制局部双层组合套管,可以象普通下套管作业与固井作业一样,在塑性地层上下各20～50m范围内下双层组合套管,达到抵抗塑性地层径向超高压之目的。     

双层组合套管在定向井盐层段的应用

中原油田在卫２８１井定向井段首次下入双层组合套管，以预防盐层套管的损坏。本文以弹性力学有关理论为指导，对盐层段双层组合套管强度进行了理论推导计算。实践表明，双层组合套管在盐层段和其它特殊层段的应用，对预防套管损坏是切实可行的。     

双层套管开窗工艺设计

双层套管开窗是在开窗点处存在两层套管（油层套管和技术套管）时进行的开窗侧钻工艺。为了在现有开窗工具的基础上提高双层套管开窗的效率和成功率,针对双层套管开窗井的特点进行了分析与总结,将双层套管开窗过程分为６个阶段,并对其进行了定性分析计算,开窗过程理论计算结果与现场实际应用基本吻合,对现场施工具有普遍的指导作用,并得出双层套管开窗过程中存在两个死点：“上死点”和“下死点”,特别对于“内软外硬”型双层套管组合,其关键点的转速和钻压应参照特殊井型钻压曲线制定。     

膏盐层局部双层组合套管固井技术

利用注水泥装置实现局部井段双层组合套管注水泥工艺，达到增加套管抗外挤强度的效果。双层组合套管由油层套管和外层套管组成，外层套管通过注水泥上、下阀与油层套管连接，而在套管之间注以零析水、微膨胀水泥浆。该技术已在华北油田荆丘地区现场应用１２井次，施工顺利，效果良好，解决了荆丘地区新钻井的套管变形损坏问题。     

欠位移水平井设计公式的推导

欠位移水平井轨道是一种由线段和圆弧的7段分段连续光滑曲线构成的二维井眼轨道,其特点是由一段反扣S型剖面和另一端双增剖面构成,文献中给出了这种类型的剖面设计的计算公式,但是没有给出得到公式的中间过程。利用二维圆弧型剖面设计问题通解方法对公式进行了推导,得到了与文献中给出的公式相同的计算公式,并指出了文献中的印刷错误,为正确使用这些公式进行欠位移水平井轨道设计提供了参考。     

荆丘地区双层组合套管的钻井液工艺

荆丘地区为了防止2750~3000m膏盐地层塑性蠕动挤毁套管,采用了双层组合套管新工艺。根据地层岩性和双层组合套管施工的特点,要求钻井液防卡、防塌及抗电介质污染。为此选用了PAC141-NPAN-SMP聚合物防塌钻井液体系。钻进中用液体润滑剂,完井时用固体润滑剂塑料小球;防塌剂用SBI-1。施工13口井,均未发生过压差卡钻;除2口井在上部地层因未灌浆井塌外,其它都未发生过井塌;一次电测成功率达84.6%;对油层还有保护作用。与32口井深相当的对比井相比,一次电测成功率提高31.5个百分点,处理复杂情况和事故时间减少9.6个百分点,钻井周期缩短35.47%,建井周期缩短28.44%。     

双层组合套管非对称挤压下的强度计算

本文重新探讨了双层组合套管载荷和力学模型问题。指出了当前研究双层组合套管载荷的不足之处,并提出双层组合套管和地层完全接触和对称挤压工况下的两个力学模型,进行了求解,和对求解结果进行了分析,得出一些重要结论。然后对双层组合套管的效益进行了讨论,提出了与双层组合套管等效的单层厚壁管及双层组合套管效益系数的概念、得出了只有在采用薄壁或中厚壁组成双层组合套管时,水泥环对组合管才有明显的效益的结论。这一结论在双层组合套管的研究上更进了一步。     

双层组合套管抗外挤强度影响因素研究

以外层套管为?339.72 mm×13.06 mm P110和内层套管?244.48 mm×11.99 mm TLM140、中间环空为水泥环的双层组合套管为研究对象,通过有限元模拟方法研究了水泥弹性模量及不同固井工况因素如水泥环偏心、水泥环缺失、混浆流动和水泥环破碎分布对双层组合套管的抗外挤强度性影响规律.模拟计算结果...     

深井盐层套管非均匀载荷计算与套管设计方法研究

深入分析复杂盐层奈件下套管承受的载荷是盐层套管安全设计的关键。结合中原油田第三系盐膏层地质条件，利用FLAC软件建立了高倾斜韵律盐层的套管载荷分析三维模型，改变套管外的水泥封固奈件，探讨了盐层套管承受的非均匀载荷和套管内的应力分布，提出了盐层套管的设计方法。研究表明：环空水泥胶结不良时盐层容易对套管产生非均匀的挤压载荷；在高倾斜韵律盐层中，套管受到的非均匀载荷更高；盐层的非均匀载荷使套管内切向应力和轴向应力的集中比均匀外挤载荷下高得多；非均匀载荷下套管抗挤安全系数可以依据von Mises屈服准则来确定。     

基于赫巴流变模式的旋转套管顶替效率计算

旋转套管是提高固井顶替效率的重要措施。为了定量计算注水泥时旋转套管的顶替效率,使用微元分析法,对旋转套管时水泥浆驱替钻井液状态进行了受力分析,建立了顶替界面达到平衡时的顶替效率计算模型,可以计算出不同旋转套管转速时的不同周向角顶替效率。计算表明,当旋转套管转速大于10 r/min时,会有效减小近井壁钻井液滞留层厚度,适当提高稠度系数,流性指数在0.4～0.7之间时,旋转套管能使顶替效率显著提升。      

套管膨胀后的抗挤强度计算

对膨胀套管膨胀后抗挤强度下降的原因进行了分析,考虑材料的包辛格效应及大的环向残余应力水平对套管抗挤强度的影响,对API屈服强度套管挤毁公式进行了修订,给出了膨胀后套管抗挤强度的计算方法,并对相关参数取值方法进行了讨论,以实测数据对理论计算结果进行了验证,证明修订后的公式具有高的计算精度。     

磨损套管抗挤强度计算模型

套管磨损后其承载能力降低,因此对磨损套管进行抗挤毁能力预测或评估就显得尤为重要。采用数值模拟和实物试验相结合的方法,系统分析了磨损套管的挤毁失效机理、影响抗挤强度的因素及影响规律。分析得出,月牙形磨损套管的挤毁属"三铰"失稳,严重磨损处首先屈服进入塑性区并产生很大变形,从而导致整体结构发生弹塑性失稳。磨损套管的抗挤强度随剩余套管壁厚、磨损半径和轴向载荷分别呈指数、幂函数和线性函数式变化。以此为基础,从未磨损套管实际抗挤强度计算入手,建立了完整的磨损套管抗挤强度计算模型,并对模型进行了试验验证,试验结果表明,模型计算值与试验实测值的相对误差在5%以内。所建立的磨损套管抗挤强度计算模型可用于磨损套管和未磨损套管抗挤强度的预测和评估。      

套管全管壁屈服挤毁压力计算

分析了API屈服挤毁公式和ISO全管壁屈服挤毁压力公式,认为:API Bulletin 5C3屈服挤毁设计的基本原理是管内壁屈服即失效,实际上,内壁开始屈服时套管还有很大的抗挤余量,对于D/t＜15的厚壁及特厚壁套管,若按API提供的这种最小屈服挤毁公式计算,会造成管材浪费或选择套管难的问题;而ISO全管壁屈服挤毁压力公式并非是全管壁屈服公式,可能并不适合所有壁厚段套管强度的计算。为此,根据弹塑性力学理论推导出了任意屈服半径处及全管壁屈服时的挤毁强度公式。通过计算对比可知,对于D/t≤15的厚壁管（API Bulletin 5C3用屈服公式计算套管强度）用von Mises屈服准则计算的套管内壁起始屈服挤毁强度值,要比现行的API Bulletin 5C3屈服挤毁值高15. 45%,而全管壁屈服挤毁值至少要比API Bulletin 5C3屈服挤毁值高出32. 78%。      

双层套管开窗侧钻水平钻井技术

介绍了吐哈油田红南ICP井双层套管侧钻水平井的设计与施工情况,重点分析了小眼井双层套管开窗及井眼轨迹控制的难点和成功经验,探讨了小眼井钻井液及固井等技术问题。     

大型外压球罐径向加强筋设计计算

对大型外压球罐可以通过设置径向加强筋来大幅度降低其主体壁厚,提高稳定性,从而获得一定的经济价值。通过应用实例,从强度与稳定性两方面提出了外压大型球罐径向加强筋的设置及计算方法,结果表明,稳定性满足要求,经济性十分明显。     

径向位移对井壁稳定性影响的分析方法

为研究地层岩石在弹性状态下载荷极限和径向位移对井壁稳定性的影响,引入地层弹性载荷系数λ,建立弹性载荷系数和径向位移定量分析模型。该模型证明在井周方位90°和270°处的弹性极限载荷系数和径向位移最小,井壁承载附加应力和抗压力激动能力弱。将该模型应用于蓬莱2井须家河组地层井壁稳定性评价,研究发现,该段地层附加应力场激动时的弹性载荷系数允值应小于1.54,若弹性载荷系数大于1.82则径向位移易发生突变,导致井壁失稳扩径;径向位移下限值自上到下依次增大,井壁抗压力激动能力依次较强;泥岩与砂岩硬夹层径向位移差异较大,两者易产生接触滑动,导致井壁掉块扩径或下钻遇阻。     

卫281井双层组合套管试验

针对地下盐膏层蠕变导致油层套管变形、破漏,造成井况恶化的特点,中原油田在卫２８１井首次采用了华北油田钻井工艺研究所设计的双层组合套管固井工艺,实践证明该工艺对防止井况恶化是行之有效的。文中主要介绍了卫２８１井双层组合套管的施工操作程序。通过这次成功的试验,总结了双层组合套固井施工的工艺方法。     

三铰链膨胀节角位移的计算

该文采用数学解析的方法,解决两维和三维管系中波纹管膨胀节的设计计算问题,美国膨胀节制造商协会标准(EJMA)采用的是平面几何法。二者相比,前者通用性强,尤其适合于计算机编程。