套管强度余量在油气井固井中的应用.pdf

第2 8 卷第3 期 天然气工业 套 管强度余量在 油气 井 固井 中的应用 * 王建东 林 凯 赵 克枫 王新虎 王建军 中国石油天然气集 团公司管材研究所 王建东等． 套管 强度余 量在 油气井 固井 中的应用． 天 然气工业， 2 0 0 8 ， 2 8 3 7 5 7 7 ． 摘 要 套管强度性能 受多种 因素的影响 ， 如何确定 套 管强度余 量及 其大 小， 是 一个 难题。通过 对近 几年 国 产套管 实物试 验数据的统计 ， 采用与 AP I 套管强度额定值 相 比较 的方 法， 对套 管强度余 量 的主要影 响因素钢 级和 壁厚进行 了分 析。统计检验分析表 明， 国内主要套 管生产厂 的 AP I 套 管 强度性 能趋 于稳定 达到 较高水 平， 存在 高 于 AP I 额定值 的强度 余量。现场应用表 明， 采用套管 强度 余量设计管柱 时， 应对套管进行全 面的实物试验 评价 。 主题词 完井 固井 套管 强度余 量 A P I 额定值 统 计检验 现行 的管 柱设 计是 以 AP I 额 定值作 为标 准 。 AP I 值是 在 对 大 量 的 套 管 实 物 试 验 数 据 统 计 基 础 上 ， 采用数学 回归的方法得 出。该标准 自2 0世纪 5 0 年代 推 出 以来 ， 历 经 多 次 修 改 ， 但 变 化 较 小 ， 尤 其 是 AP I B UL 5 C 。推 荐 的套 管 额 定 强 度性 能 ， 至今 仍 然 是 管柱设 计 的标 准 ， 但 反 映 的 是 当 时 的 冶 炼 、 轧 制 、 热 处理 的水 平 。随 着 时 代 的发 展 ， 生 产 水 平 有 了极 大 的 提 高 ， 套 管 实 际 检 测 强 度 远 高 于 AP I额 定 值 。 此外， 套管强度性能受多种因素的影响 。因此 ， 如何 确定套管强度余量及其大小 ， 是一个难题。为此 ， 通 过 统计 近年来 的套 管 实物 检测 数据 与 AP I 额 定 值进 行 比较分析， 反映 了套管强度余量 的存在及 主要影 响 因素 ， 为经济 、 可靠 的设计管柱提供了有力参考 。 一 、套管强度余量统计分 析 对 近几 年 国 内主要 生产 厂 及其 他 一 些 石 油 套 管 生 产 厂 的 3种常 用规 格 1 3 9 ． 7 r n r n 、 1 7 7 ． 8 r n r n 、 2 4 4 ． 5 ram 的套管抗挤 、 抗拉 、 抗 内压强度试验数 据进行 了统计 ， 采用与 AP I 套管强度额定值相 比较 的方法 ， 化成无量纲 的量， 分析强度余量。笔者从生 产 年 份 和 强 度 两 方 面 展 开分 析 ， 以反 映 近 年来 套 管 强度性能是否稳定及稳定的强度余量是否存在 。 1 ． 不 同年 份套 管 强度余 量试 验 数据 统计 分 析 从 2 0 0 0 ～2 0 0 4年 ， 5年 共 统 计套 管 强 度 实 物 试 验数据约 2 3 0个 。尤其对 近几 年的情况做 了详 细分析说 明， 具体情况见图 1 ～3所示 。 统 计 结 果 表 明 ， 不 同 生产 厂 的套 管 在 不 同年 份 的 强 度 略有 差 异 ， 由AP I S p e c 5 B、 5 C T标 准 可 以看 一 JI}{ 卜 图 1 2 0 0 4年套管强度试验值 与 A P 1 名义值 比的分布 图 区间值 0 ． 0 5 E 懈 l置 uz 1 雌 惭 壹 Ul 1 6 惟 偏 茬 均 值 1 4 0 均值 l 加 值 l 样本数1 3 3 0 样本 数2 3 羊 本数 2 O 2 O _ 1 O ● 1 O 8 ． ． l 抗挤强度比 抗拉强度比 抗 内压强度 比 图 2 2 0 0 3年套管强度试验值 与 AP 1 名义值比的分布图 区间值 0 ． 0 5 *本文为 中国石油天然气集 团公司应用技术开发项 目 编号 0 4 B 2 1 0 1 4 0 2 的研 究成果 。 作者简介 王建东 ， 1 9 7 2年生 ， 高级 工程师 ， 硕 士； 2 0 0 4年毕业 于兰州 大学 固体 力学专业 ； 从 事石油管柱 力学行为研究工 作 。地址 7 1 0 0 6 5 陕西省西安 市。电话 0 2 9 8 8 7 2 6 0 8 6 。E ～ ma i l w j d 2 3 3 1 6 3 ． c o IT l 7 5 5 O 5 O 一 一 斛 维普资讯 天然气工业 2 0 0 8 年 3 月 O O 、 一 l 0 l 5 20 抗挤强度比 l O l 5 2O 抗拉强度比 。 ．f 图 3 2 0 0 2年 套 管 强 度 试 验 值 与 AP1 名 义 值 比的 分 布 图 区 间值 0 ． 0 5 出套 管 的螺 纹单 项参数 、 几 何尺 寸 、 屈 服和 抗 拉强 度 极限公差是给定的 ， 如果在大量数据统计下 ， 试验值 与 AP I 额定值 比的方 差 应 在 总体 上 相 等 ， 符 合 方差 分析 的假设 。 近几年 套管 强度余 量 的方差 分析 ， 结 果见 表 1 。 表 l 近几年套 管强 度余量 的方差分析表 计 算 的 F 均 小 于 F a 0 ． 0 5 ， 无 显 著 差 异 ， 说 明近 3年 国产套 管强度 性能 趋 于稳 定 。 2 ． 套 管强度 余量试 验数 据统 计分析 统 计 国 内套 管 主要 生 产 厂 家实 物 试 验数 据 1 7 0 个 ， 由分析 可知 ， 国 内主要生 产 厂家 的套 管 实 物强 度 性能都大于 1 ． 0 ， 绝大部分在 1 ． 1以上 。抗挤强度余 量频率 大 于 1 0 的值约 占 5 2 ， 平 均值 比 AP I 值 高 3 3 ， 低 于 1 ． 1的值约 占 8 ； 抗 拉强 度余 量 频率 大 于 l 0 的值 约 占 5 0 ， 平 均值 比 AP I 值 高 2 0 ， 低 于 1 ． 1的值约占 1 8 ； 抗内压强度余量都在 1 ． 1以 上 ， 大 于 1 。 4的 值 约 占 9 0 ， 平 均 值 比 AP I值 高 7 3 。各项强度余量均值达到较高水平， 平均值 比 AP I 额 定值 高 出 2 0 以上 。 二、 套管强度余量主要影响因素 影响套管强度余量的因素较多， 通过国产套管 实物强度余量与 AP I 额定值强度 比差的正态分布 比 较 ， 反 映两 个主要 影 响因素 即套 管 钢级 与 壁厚 ， 为管 76 柱的经济、 可靠优化设计提供依据 。从 以下 2个方 面对 AP I B UL 5 C 2提供 的 3种 规 格 套 管 1 3 9 ． 7 mm、 1 7 7 ． 8 mm、 j 2 『 2 4 4 ． 5 mm 强 度 AP I 额 定 值采 用 强度 比差进行 分 析 ① 3种 不 同规 格 套 管 的长 圆、 偏 梯形螺 纹 ， 同壁 厚 、 不 同钢 级 的 3项 强 度 。 2 9 3种 不 同规格 套 管 的长 圆 、 偏 梯 形 螺 纹 ， 同钢 级 、 不 同壁 厚 的 3项强 度 。 强度 比 差 的 概 念 ， 强 度 比差 一 高 一 级 套 管 强 度／ 低一级套管强度 一1 ； 例如 高一级套管强度指 钢 级 N8 0 或壁 厚 9 ． 1 7 mm ； 低一级 套管强 度 指钢 级 C 7 5 或 壁厚 7 ． 7 2 mm 。 国产套管强度余量与 AP I 额定值强度 比差的均 值 、 标准 差见 表 2 。 表 2 国产套管强度余 量与 A P I 额定值强度 比 差 均 值 及 标 准 差表 由分 析可 知 ①实 际套 管强度 余量 均值 大 于 AP I 不 同钢级 、 壁厚 的强度 比差 的均 值 ， 说 明存 在用 低一级 钢级 、 壁厚 的套管 代替高一级套 管趋势。 实际套管强度余量标准差大于 AP I 不同钢级 、 壁厚 的强度比差 的标准差 ， 说 明实际套管强度余量分散 性较大。② 实际套管强度余量分布与 AP I 不 同钢 级 、 壁厚 的强度 比差 的分布 相互有 干涉 。 上述 分析表 明 ， 按 套 管 AP I 额 定 值 进行 管 柱 设 计 可适 当降 低设 计 安 全 系数 优 化 管 柱 当抗 挤 是 主 要情 况 ， 可采 用 低钢 级 套 管 ； 当抗 拉 是 主 要情 况 ， 可 采用低壁厚套管； 当抗 内压是主要情况 ， 可采用低规 格 钢级 、 壁厚 套管 。 三、 套管强度余量应用实例 阿莫 科公 司在 1 9 9 2年 对 中 国南 海 油 田进 行 开 发 。对套 管抗 挤 压性能 进行 了优选 ， 采 用标准 的 AP I 管材 ， 并做 挤毁试 验建 立符 合 实 际 的挤毁 压 力 。 为 了检验 1 7 7 ． 8 mm L 8 0 1 3 C r 套 管 的挤 毁 压 力性 能 ， 从 3个不 同炼炉 ， 随意 选取 了 1 2个规 格 的接 头 ， 并从 每 一 个 接 头 取 4个 挤 毁 试 验 试 样 共 4 8件 ， 长 度 、 外 径 之 比为 8 ． 0 4 ， 超 过 有效 挤 毁 试 验 的临 界 点 。 试验 的 挤 毁 压 力 均 值 为 6 2 ． 9 MP a ， 变 化 范 围 为 6 0 ． 3 3 ～6 6 ． 3 MP a ， 差值 为 5 ． 9 MP a ， 全部 试 验 分布 加 m 5 如 ∞ 如 加 m O 维普资讯 第2 8 卷第3 期 天然气工业 的标准方差为 1 ． 5 3 MP a 。挤毁压力依据均值减去 3 倍 的方差给出试验挤毁压力为 5 8 ． 2 MP a ， 试验结果 提供 了 9 9 ． 8 1 9 ／ 6 的成功机会 ， 即性能满足或超过了这 个挤压载荷 。同样 方法， 每根母管 的承 载力范 围为 5 7 ． 1 ～6 1 ． 8 MP a ， 平均值为 5 9 ． 7 MP a 。在单根母管 内的挤 毁 压 力 变 化 是 明显 的 ， 从 1 ． 3 7 ～ 4 ． 1 2 MP a ， 是整体试 验 的 2 3 9 ／ 6 ～ 7 0 。目标性能 设计 承载力 5 3 ． 3 MP a和 试 验 承 载 力 5 8 ． 2 MPa之 间 的 差 是 1 0 9 ／ 6 ， 而其抗挤性能超过 AP I 额定值 2 0 。另外通 过耐腐蚀试验、 螺纹密封和结构完整性试验 ， 成功地 用 于尾 管和 油层 套管 的设 计 ， 降 低 了成本 ， 单 井 大 约 节 约 了 1 5 万 美元 。 四、 结论与建议 国内套 管 主要生 产 厂 的套 管 强度 性 能 已趋 于稳 定 ， 高于 A P I 额定值 的强度余量。管柱设计 时根据 具体情况要求 ， 可选择低壁厚或低钢级套管 ， 合理发 挥套管强度余量 。采用套 管强度余量设计管柱 时， 应对该批套管进行全面的实物试验评价 。 参 考 文 献 [ 1 ]武清 玺． 结构可靠 性及 随机有 限元法 [ M] ． 北京 机 械工 业 出 版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] KL E ME NTI CH E F ， J E L L I S O N M J ．A s e r v i c e l i f e mo d e l f o r c a s i n g s t r i n g s E J ] ． D r i l l i n g E n g i n e e r i n g ，S P E， l 9 86 4 22 - 26 ． 1- 3 3聂荣 国 ， 石 晓兵 ， 刘鹏 ， 等 ． 偏轴钻具组 合防斜打快的强度 分析 E J ] ． 西南石油大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 1 8 2 8 4 ． [- 4 3曾明友 ， 石 晓兵 ， 魏 民洁 ， 等． 屏蔽式暂堵技 术在狮子沟油 田的应 用E J ] ． 西南石油学 院学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 4 6 7 7 0 ． 收稿 日期2 0 0 7 1 2 1 9 编辑钟水清 上接 第 6 0页 四、 结论 与建议 1 煤储层不仅具有低渗 、 低压特点 ， 还具 有易 伤害性 ， 在煤层气钻完井、 开采过程中要坚持采取系 统 的保 护 煤 层 措 施 ， 保 护 煤 层 的 措 施要 贯 穿 于煤 层 气井的钻井 、 固井、 完井 、 压裂增产和抽采 的每一个 环节 ， 否则可能导致前功尽弃。 2 煤 层具 有较 强 的应 力 敏感 性 ， 煤 层 围压 和 有 效压力 的增大都会导致渗透率 的极大 降低 ， 渗透率 伤害 又 具 有 不 可 恢 复 性 ， 最 终 对 煤 层 气 产 能 也 有 较 大 的影 响 ， 认 识 煤 层 的应 力 敏 感 性 有 助 于 制 定 合 理 的煤 层气采 气 方案 。 3 通 过 直 井 的油 管 向另 一 水 平 井 环 空 注 气 实 现欠 平衡 钻井 工艺 是可 行 的 ， 能够 实现 及 时 、 平 稳 注 气 ， 有效地 减 小 了井 底 压力 波 动 ， 有 力 地保 护 了煤 层 并维 持 了井壁 稳定 。与常 规 的直 井 套 管 注气 工 艺 相 比， 油管注气压力 、 排 量更稳 定 ， 气体到达井 底 的时 间更 快 ， 欠 平衡 效 果更 好 。 4 煤层气水平井的双井筒结构尽管有诸多的 优势， 但在开发阶段也面临着布井 困难， 应加强单井 筒 水 平 井井 身 结 构研 究 ， 并 在煤 层 气 开 发 井 中继 续 推广欠平衡水 平井钻井技术 ， 还应研究更 为经济有 效 的欠 平衡 钻井 方式 。 参 考 文 献 E 1 ]鲜保 安 ， 高德 利 ， 陈彩红 ， 等． 煤层 气高效开发技术 E J ] ． 特 种油气藏 ， 2 0 0 4 ， 1 1 4 6 3 6 6 ． E 2 ]郭志勤， 韩振元． 国内外钻井与采油工程新技术[ M] ． 北 京 中国石 化出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 3 3鲜保 安 ， 高德 利 ， 李安启 ， 等． 煤层气定向羽状水平井开采 机理与应用分析 E J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 5 ， 2 5 1 1 1 4 1 1 6 ． [- 4 3聂荣 国， 石 晓兵 ， 刘鹏 ， 等． 偏轴 钻具组合防斜打快的强度 分析E J ] ． 西南石油 大学 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 1 8 2 8 4 ． E s ]曾明友 ， 石 晓兵 ， 魏 民洁 ， 等． 屏蔽式暂堵技术在狮子沟油 田的应用 E J ] ． 西南 石油学院学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 4 6 7 7 0 ． 收稿 日期 2 0 0 8 一 O 1 0 3编辑钟水清 7 7 维普资讯