（材料加工工程专业论文）弯曲条件下套管的挤毁机理研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 弯曲条件下套管的挤毁机理研究 材料加工工程 丁学光( 签名) 史交齐( 签名) 摘要 在钻井和采油过程中，套管起着保护井眼、加固井壁及封固各种复杂地层的作用。 套管挤毁失效对油气井的钻井、完井和开采有较严重的影响，一般情况下会造成井眼报 废。影响套管抗挤强度的因素较多，准确地预测其理论强度较为复杂。水平井和大位移 井的经济效益是显而易见的，但由于井中的套管产生了弯曲内力，此时的套管承受外压 和弯曲应力的复合作用，更易发生挤毁。 本文通过理论解析、有限元分析和全尺寸试验的方法，研究了影响套管抗挤强度的 因素，重点研究了套管在弯曲条件下的挤毁机理，获得了外径不圆度、壁厚不均度以及 弯曲度对套管抗挤强度的影响规律，研究结论对工程中管柱设计具有指导意义。 在本次研究中，重点解决了非理想圆套管有限元分析模型的建立和失效判据问题， 全尺寸试验中实现高压水下应变测试、弯曲条件下套管抗挤强度公式的修正等技术难题， 理论计算结果和全尺寸试验结果吻合性较高。 关键词：套管，抗挤强度，弯曲，有限元，全尺寸试验 论文类型：应用研究 ( 本文得到“提高塔里木油田套管使用寿命技术研究科研项目”的资助) 英文摘要 s u b j o c t ： s p e c m l i t y ： n a m e： i n s t r u c t o r ： s t u d yo nt h em e c h a n i s mo fb e n d i n gc a s i n gf a i l u r e m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g a b s r r a c t 1 1 地c a s i n gc o u l dp r o t e c tt h ew e l lb o r e c o n s o l i d a t ew e l l f a c ea n dt i g h t e nv a r i o u sl a y e r si n t h ep r o c e s so fw e l ld r i l l i n ga n do i lm i n i n g 1 1 1 ec o l l a p s eo fc a s i n gc o u l da f f e c tw e l ld r i l l i n g w e l lc o m p l e t i o na n do i lm i n i n gs e r i o u s l y c a s i n gc o l l a p s i n gs t r e n g t h 、i t lm a n ya f f e c t i n g f a c t o r sw a sn o tc a l c u l a t e de x a c t l y n 坞e c o n o m i cb e n e t ! i to f h o r i z o n t a lw e l la n de x t e n d e dr e a c h w e l lw a st r a n s p a r e n t b u tt h ec a s i n gi n c l i n e dt ob ec o l l a p s e db e c a u s et h eb e n d i n gi n t e r n a l f o r c ew a sd e v e l o p e di nt h ec a s i n g n 玲d i s s e r t a t i o nh a ds t u d i e df a c t o r sw h i c hh a de f f e c to ne a s i n gc o l l a p s i n gs t r e n g t hb y m e a l l so f t h e o r ya n a l y s i sa n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n df u l ls c a l et e s t s t h ed i s s e r t a t i o n m a i n l yf o c u s e do nt h em e c h a n i s mo fb e n d i n gc a s i n gf a i l u r ea n dg o tt h ei n f l u e n c er u l eo f o v a l i t y , t h i c k n e s si n h o m o g e n e i t ya n dd e g r e eo fc u r v eo nc a s i n gc o l l a p s i n gs t r e n g t h t h e r e s u l t so f t h es t u d yp r o v i d e dt h et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rc a s i n gd e s i g ni np r o j e c t 1 1 把m o d e lb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n dt h ef a i l u r ec r i t e r i o no fi m p e r f e c tr o u n d c a s i n gw a ss t u d i e di nt h ed i s s e r t a t i o n 1 1 圮s t u d ya l s or e s o l v e ds o m et e c h n o l o g i cp r o b l e m s s u c ha sf u l lm a l et e s t sw i t hh i g h p r e s s u r eu n d e r w a t e rt e c h n i c a lo fs t r a i nm e a s u r e m e n ta n dt h e m o d i f i c a t i o no ft h ef o r m u l ao fb e n d i n gc a s i n gc o l l a p s i n gs t r e n g t h 力l et h e o r e t i c ac a l c u l a t i n g r e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h er e s u l t so f f h us c a l et e s t s k e yw o r d s ：e a s i n g , c o l l a p s i n gs t r e n g t h ，b e n d i n g , f e m ，f u l ls c a l et e s t t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y ( t h es t u d yi ss u p p o r t e db yt h et e c h n i q u er e s e a r c hp r o j e c t o fe n h a n c i n gt h es e r v i c el i f eo f c a s i n gi nt a l i m uo i lf i l e d ) l i l 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：j 鲎当日期：d zf 心 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名 导师签名 日期： 口口7r ，j 日期：如2 ：， 血鹋 第一章绪论 第一章绪论 1 1 套管损坏状况 随着油田开发的进展，套管损坏是各油田普遍存在的问题。虽然套管损坏的程度、 规律不同，但都给油田带来巨大的经济损失。目前，世界范围内套管损坏比较严重的地 区主要有中国、美国、俄罗斯、北海白垩纪盆地等。 1 1 1 套管损坏的基本概念 在钻井和采油过程中，套管起着保护井眼、加固井壁、隔绝井眼中的油、气、水层 及封固各种复杂地层的作用【1 】。套管由于受材料机械性能，几何参数及在井下服役环境 的影响，它们的承载能力也不相同。在油田生产过程中，由于工程、地质、生产动态变 化等因素对套管产生的载荷超过套管承载能力时，套管就会产生变形、破裂、错断等破 坏，即套管损坏。套管损坏可导致一口井减产或完全报废，在某种程度上，油、气井的 寿命取决于套管的寿命。 1 1 2 国内套管损坏状况 我国油田套管损坏最早是在玉门油田发现的，上世纪8 0 年代初期，大庆、吉林、江 汉等油田先后发现了不同程度的套管损坏。8 0 年代后期，华北、中原、胜利、青海、长 庆、辽河、大港、四川等油田也出现了不同程度的套管损坏。9 0 年代以后，上述大部分 油田套管损坏呈上升趋势。其中大庆油田2 0 0 1 年月均的套损井数创新高，累计套损井数 达到投产油、气井总数的1 6 7 2 2 1 。在西部油田，套损问题同样严重。例如截止到2 0 0 2 年底克拉玛依油田百重七l 区套损井已占到总井数的2 0 ；塔里木油田虽然开发较晚， 套损井还不是特别多，但由于该油田多是深井、超深井，一旦出现套损，损失非常大。 如阳霞、柯深1 等超深井，事故损失均达几千万甚至上亿。据统计，至2 0 0 5 年吐哈油田 己经有2 0 3 口套损井，其中丘陵套损井数( 9 3 口) 最多，套损井占总井数比例为4 5 8 ， 远超过全国平均水平，属于套损相当严重的油藏。鄯善油田的套损情况也相当严重，套 损井( 7 2 口) 占总井数的比例为3 5 5 ，也大大高于全国平均水平。考虑到吐鲁番油田 开发不久，就出现了1 4 口套损井，其套损问题也应该提早引起重视【3 】o 截止到2 0 0 2 年8 月，据全国第一届套损会议不完全统计，累计套损井在一万七千口以上，造成直接经济 损失数十亿人民币。如表1 1 为我国各大油田套管损坏的不完全统计。 从表1 - 1 中可以看出，我国现今约2 0 的油、气井发生了套管损坏，有的地区甚至 达到了5 0 。套管损坏不仅直接影响到油、气井的正常生产，而且会导致油、气井减产 甚至报废，由于套管损坏而引起的直接和间接经济损失己相当可观。 1 1 3 国外套管损坏状况 国外油田同样也存在套管严重损坏的问题。例如，罗马尼亚的坦勒斯委油田，开发 2 2 年有2 0 左右的油井套管损坏；前苏联的萨布奇一拉马宁油田从1 9 3 7 年到1 9 8 2 年间， 由于地应力场变化而造成的套损井达3 2 0 0 余口；西西伯利亚油田，由于地层蠕变流动， 西安石油大学硕士学位论文 使套管损坏增多，己有1 0 的油井停产。到1 9 9 1 年北高加索的气田和凝析油田已有6 0 0 多口井的套管柱遭到了破坏。土库曼地区有很厚的盐层，套管损坏更加严重。美国威明 顿油田由于地震引起断层活动，1 9 4 7 年1 9 5 0 年3 年间套损井数达到3 0 0 0 口。德克萨 斯州油田、墨西哥湾油田、苏伊士湾油田等，都存在严重的套管损坏问题【4 】。 根据这3 0 年来国内外的文献研究和近1 0 年来的动态跟踪研究，套管损坏是国内外 几十年来长期存在的问题，而且一直没有得到很好的解决。因此，对套管损坏机理进行 研究是当前急需解决的课题之一，其目的在于尽最大努力预防套管损坏，同时为套管柱 设计提供理论依据。 表1 - 1 我国油田套管损坏统计嘲 统计井数套损井数套损井所占截止时间 序号油田备注 ( 口)( 口) 比例( ) ( 年) 1 大庆油田 4 9 7 1 38 3 1 21 6 7 22 0 0 1 2 长庆陇东油田 2 3 4 84 4 71 9 o o2 0 0 1 3 辽河油田 3 8 6 94 8 91 2 6 02 0 0 2 4 胜利油田 1 5 0 0 03 0 0 0 2 0 0 0 2 0 0 2 不完全统计 5中原油田4 4 4 21 5 9 93 6 0 0 2 0 0 2 6 克拉马依百重 6 3 6 7 0 1 1 0 02 0 0 2 7 塔里木油田 7 3 1 1 1 7 1 5 0 02 0 0 2 8 冀东油田 6 1 31 2 52 0 4 02 0 0 0 9大港油田3 3 3 31 0 0 03 0 0 02 i ) 0 2 1 0江汉油田5 2 03 4 82 3 9 72 0 0 1 1 1 江苏杨家坝油田6 571 0 7 72 0 0 1 1 2玉门老君庙油田1 1 5 85 7 95 0 0 01 9 8 9 1 3青海油田4 8 59 51 9 5 92 0 0 2 1 4 吉林扶余油田 3 7 3 81 4 6 23 9 1 12 0 0 2 1 5 华北油田 4 0 58 52 1 0 02 0 0 1 合计8 7 0 5 61 7 7 3 52 0 3 7 1 2 套管挤毁研究现状 套管一般要承受较高的外压，当外压达到某一临界压力时，套管管壁某个位置将发 生较大的径向位移，从而造成套管严重变形。这一临界外压力一般称为套管的临界挤毁 压力或抗挤强度。抗挤强度是石油管柱( 包括钻柱和油、套管) 的一个重要物理特性， 也是套管强度设计中要考虑的三个主要载荷( 内压、挤毁、拉伸) 之一。套管挤毁后截 面通常变为椭圆形或完全被挤扁，从而造成整个油、气井井眼的破坏，甚至全井报废。 2 第一章绪论 因此，套管的挤毁问题是石油管柱力学研究中的一个重要内容。 套管损坏的主要类型可归纳为三类，即变形、破裂和错断。其中套管挤毁变形是主 要的损坏形式，因此有关套管挤毁的研究工作较多。 1 2 1 国外套管挤毁研究现状 国外对套管抗挤强度理论计算的研究较早，在2 0 世纪3 0 年代，苏联布尔卡柯夫 ( ；y a r a r o b ) 首次考虑到套管存在外径不圆度这一问题，随后铁木辛柯( t i m o s h e n k o ) 从另外的途径也得到了与前者相同的公式。4 0 年代苏联国家石油研究所将布尔卡柯夫公 式作为套管抗挤强度的计算公式。5 0 年代开始，苏联国家标准采用了萨尔奇索夫 ( r m c a p k n c o n ) 公式作为抗挤强度的计算依据。萨氏公式不但考虑了套管外径不圆度 的影响，而且同时考虑了壁厚不均度的影响。 随着套管抗挤毁理论的发展，人们对套管抗静水外压的理论有了许多新的认识。曾 经在苏联流行了二十多年并作为国家标准的基础理论的萨尔索夫公式，终于遇到了耶内 敏柯( e p e t l e h x o ) 等人的挑战。6 0 年代初期，萨氏与耶氏在苏联石油业和石油与 天然气等杂志上进行过长期公开的争论。耶内敏柯通过大量的试验，证明萨尔奇索夫 公式的计算与实际有很大的出入，最大误差达6 0 ，耶内敏柯公式把套管抗挤强度计算 引入到了弹塑性领域，把强度计算的概念修正为弹塑性稳定计算。耶内敏柯所做的试验 结果也证明了这种修正的正确性。 7 0 年代初期，苏联n m 依辛科( n m e n r o ) 通过级数迭加的方法，对套管外壁受非 均匀载荷作用进行了理论研究，7 0 年代末期苏联h m 依辛科( h m c h x o ) 和丸谢利瓦 休克( c e n e b a m y r ) 也进行了试验研究。随后8 0 年代初期依辛科又重新建立了套管外壁 受非均匀载荷作用的力学模型，通过应力叠加的办法得到了套管内部的应力变化理论公 式。在当时计算机不发达的情况下，他的研究也受到了一些局限，使得力学模型尽量简 化，出现结果失真的情况。到9 0 年代初期，苏联s r y 6 0 b h h 等建立了一套模拟套管外壁 受岩石粘弹性流动挤压的试验装置，并给出了管壁应力随不同时刻岩石发生粘弹性膨胀 而变化的曲线。其试验结果对复杂地质条件下，套管破坏机理研究具有重要的意义。但 该试验装置的局限性是不能模拟整个地层结构复杂力学系统套管破坏过程。 7 0 年代中期以后，美国以及许多国家( 包括中国) 以a p i 标准作为套管的抗挤强度 计算标准。a p i 标准的套管抗挤计算己处于相对稳定状态，但是研究工作仍然未停止。 受阿莫柯公司( a m o c o ) 委托的n c h u a n g 等【6 j 人应用塑性增量理论对套管的抗挤能 力进行了理论研究。德国的c k r u g 和c m a r x 等【7 1 人曾对a p i 公式作过一些批判性讨论。 8 0 年代初期，a m o c o 公司的p a t t i l o 和p a n k i n 在苏伊士湾【8 】应用双层组合套管结构， 成功地防止了深部盐岩层的径向超高外压的破坏作用。8 0 年代中期，k f h a l t ! 【9 1 在文献中 比较详细地试验研究了深部粘塑性盐岩层塑性流动破坏套管的机理，但这仅仅是空间复 杂力学系统的一种特例，因此具有局限性。9 0 年代初，美国研制了一套套管挤毁试验机， 中国石油天然气集团总公司管材研究所( 西安) 于1 9 9 3 年引进了该设备，但它也不能模 西安石油大学硕士学位论文 拟复杂地层任意非均匀载荷的作用。 除前苏联和美国外，西德克劳塞尔( c l a n s t a l ) 技术大学石油工程研究所m b u r k o w s k y 和日本住友金属工业公司( s u m i t o m ) 中心研究实验室的i c n i s h i k a 等人对套管挤毁机理 进行了大量的试验研究工作，但仅局限于地层均匀载荷试验，主要还是基于前苏联和美 国的研究基础。加拿大滑铁卢大学m b d u s s e a u l t 教授1 9 9 9 年1 0 月2 5 日到西南石油学 院讲学，带来了他对套管破坏机理研究的最新成果及国外的研究动态，也仅仅从地层剪 应力、地层错动及油藏应力等方面对套管破坏进行了初步定性的分析。 日本住友( s u m i t o n ) 金属、新曰铁、日本钢管、法国瓦鲁瑞克( v a l l a r e e ) 等公司 研究了套管抗挤毁问题，进行了大量的考虑外径不圆度、壁厚不均度等因素对套管抗挤 强度影响的试验研究工作，日本住友金属的试验结果 t o l 见表1 - 2 、表1 3 。由此看来，当 壁厚不均度不超过1 0 时，对套管抗挤强度的影响并不大。重要的是，要求严格遵循非 常小的重量误差( a p ib u l5 c 3 标准要求为3 5 ) ，对于厚壁套管，由于制造中相对变 化量不那么大，壁厚的影响也就不那么重要了。实际上，用套管的平均壁厚来计算重量 是足够精确的。 表1 - 2 套管外径不圆度对其抗挤强度的影响 外径不圆度 径厚比 抗挤强度( m p a )试验值 试样号 ( )d | t 试验值计算值 计算值 e 1 10 0 31 9 96 8 17 0 30 9 7 e 1 2o 0 61 9 96 6 47 0 30 9 4 e 2 lo 7 21 9 25 5 27 2 8o 7 6 e 2 2o 6 01 9 25 5 27 0 30 7 9 e 3 11 6 01 9 64 5 97 1 30 6 4 e 3 21 4 41 9 1 74 6 27 1 o0 6 5 表1 - 3 套管壁厚不均度对其抗挤强度的影响 外径不圆度径厚比抗挤强度( m p a )试验值 试样号 ( )d | t 试验值计算值计算值 t 1 l3 01 9 86 7 27 0 60 9 5 t 1 25 o1 9 76 9 27 1 o0 9 7 t 2 14 42 0 66 4 86 7 90 7 5 t 2 2 3 72 0 56 5 46 8 20 9 5 t 3 11 1 11 9 96 5 67 0 30 9 5 t 3 28 72 0 46 3 36 8 5o 9 2 4 第一章绪论 日本新日铁研究的结果是套管外径不圆度对其抗挤强度的影响依径厚l 七d t 的值变 化，管壁越薄影响越大( 住友金属的研究结果也证实了这一点) ，而壁厚不均度的影响 并不受嗍响。 近年来，s p e 文献用各种大型商用有限元软件( 如a n s y s 、m a r c 、a b a q u s 、 f l a c 3 d 和s a n d 3 d 等) 来研究套管的破坏过程，这是研究手段发展的大趋势。由于地 层结构非常复杂，使得套管的破坏形式也复杂化，用常规的室内试验来研究套管的破坏 过程，其成本较高，而且可能还得不到满意的结果。目前，随着计算机软硬件的发展， 在各行各业，包括石油行业，计算机分析研究己经逐步取代某些试验研究，而且可靠性 较高。 1 2 2 国内套管挤毁研究现状 我国油田开发较晚，套管损坏至上世纪7 0 年中期才开始变得突出，国内学者才在借 鉴国外的理论和试验基础上开始对套管损坏机理进行理论探索。至8 0 年代初期龚伟安教 授 1 1 l 、郝俊芳教授己做了基础理论研究。8 0 年代中后期，宋治【1 3 】、李子丰【1 4 1 、窦益 华【1 5 l 等学者开始针对我国的套管损坏进行了统计分析和机理研究。同时黄荣樽、周祖辉、 邓金根等学者运用岩石流变学理论对套管变形机理进行了定量的理论研究。其中石油大 学黄荣樽教授等对岩盐、泥岩等地层流变损坏套管机理进行了模拟试验研究，他们通过 大量的试验结果，建立了泥页岩、岩盐的蠕变模式，对岩盐塑性流动地层套管挤毁机理 研究有较大的参考价值。 鉴于对国内外套管损坏机理的动态跟踪和大量的文献分析，1 9 9 1 年西南石油学院和 华北油田采油五厂专门成立了油田套管损坏机理研究课题组，借助于前人的研究基础和 成果，同时随着计算机和非线性粘弹塑性有限元理论的发展，采用了计算机仿真技术， 建立了套管复杂力学系统模型，并将该模型输入计算机，让计算机仿真模拟套管变形、 错断和弯曲等破坏过程，取得了创新性的成果1 6 - 2 2 1 。1 9 9 5 年以创新性的思想【2 1 - 2 2 “填充 液体的双层组合套管能将复杂地层平面问题非均匀地应力转化为均匀地应力”获得了原 石油天然气总公司石油科技中青年创新基金项目资助，1 9 9 9 年7 月4 日完成并评定了该 基金项目，该成果于1 9 9 5 年1 9 9 9 年9 月己成功地在华北油田采油五厂应用了8 口井， 取得了较大的经济效益和社会效益，但由于时间和经费问题，也仅限于平面问题的套管 破坏机理研究。目前正待解决的问题就是“复杂空间力学系统地层”与套管损坏的各种 耦合的数学、力学问题。针对该问题，2 0 0 0 年1 0 月西南石油学院练章华教授获得了国 家自然科学基金项目资助项目“基于数值模拟的复杂地层套管破坏机理研究”，此项目是 目前该领域国内外研究的最新动态和技术思路。2 0 0 3 年2 0 0 5 年，中国石油天然气集团 公司管材研究所针对国内西部油田套管损坏预防技术问题，开展了西部油田套管损坏情 况的现场调研，通过大量的实验室试验，对各种套管损坏预防措施进行细致筛选，确定 出西部油田套管损坏预防的技术措施。 5 西安石油大学硕士学位论文 1 3 问题的提出及研究的意义 1 3 1 问题的提出 在2 0 世纪3 0 年代后期，a p i 便开始组织研究套管的挤毁问题，初步建立了a p i 套 管挤毁公式，并制定为a p ib u l5 c 3 标准。虽然该标准仍在不断修改和完善中，但己经 相对稳定，目前除了前苏联和东欧外，世界各国石油工业中普遍采用a p i b u l 5 c 3 标准 来计算套管的抗挤强度。 套管挤毁失效对油、气井的钻井、完井和开采造成十分严重的影响，一般情况下会 造成油、气井减产，严重时可造成报废。在套管强度性能中，抗拉和抗内压强度计算比 较准确和可靠；抗挤强度的影响因素多，较难准确地计算。套管抗挤强度的研究在国际 上是一个比较活跃的领域，目前，a p f i s os u b t e a m ( 美国石油学会国际标准化组织套 管挤毁工作组) 正计划修订现行a p ib u l5 c 3 标准。 a p ib u l5 c 3 标准提出的套管抗挤强度计算公式是基于若干年前大量套管挤毁试验 数据，用数学回归方法得出的经验公式或修正的理论公式。近年来我国及国外许多油公 司发现，若干套管抗挤设计符合a p ib u l5 c 3 标准但仍发生挤毁；另一方面，现今国内 外各主要套管制造厂【2 3 】生产的套管的制造偏差已经得到了较严格的控制，因此，仍用原 来通过较大制造偏差获得的计算强度值，则又有设计过于保守的一面。目前，大量使用 的高抗挤套管在国际上还没有公认的抗挤强度计算标准，a p i b u l 5 c 3 标准对这一类套 管不适用，高抗挤套管的抗挤强度由各生产厂家根据实测数据向用户提供。 目前我国每年发现套损井高达数千口，套管损坏数量和速度有明显上升的趋势。套 管损坏不仅给油田带来经济上的损失，还对油田开发方案和提高采收率带来不利影响， 直接影响油田的发展，因此套管损坏问题是我国油田亟待解决的问题。 1 3 2 研究的意义 随着水平井和大位移井的快速发展，用大位移井代替海底技术开发方案和人工岛方 案，扩大海上钻井平台的开发范围，节约了大量的开发成本。同时可以利用现有平台或 陆基开发边际油田，使原先不具备商业开采价值的油田通过大位移技术能够达到有效地 开发和利用。水平井和大位移井的经济效益是显而易见的，但由于井中的套管将依次进 入井眼的垂直段、造斜段直达水平段各部位，历经了不同变形( 主要是弯曲变形) ，因此 产生了力学分析时不可忽视的弯曲内力。此时的套管承受外压和弯曲应力的复合作用， 更易发生挤毁。而目前有关弯曲对套管抗挤强度的影响并没有可依据的计算方法，如果 能得到准确计算套管在弯曲条件下的抗挤强度的方法，解决工程设计中的难题，对预防 水平井和大位移井中弯曲井段套管的挤毁失效具有重要的意义。 1 4 论文研究内容及研究方法 1 4 1 论文研究内容 ( 1 ) 根据现有相关文献分析影响套管抗挤强度的多种因素。 6 第一章绪论 ( 2 ) 建立描述套管弯曲条件下的力学模型，利用有限元方法分析计算套管的抗挤强度。 ( 3 ) 进行弯曲条件下的套管全尺寸试验及其他辅助试验。 ( 4 ) 依据力学理论分析，推导出套管弯曲应力对其抗挤强度的影响系数，从而得出弯曲 条件下套管的抗挤强度。 ( 5 ) 将有限元分析值、全尺寸试验值及解析计算值进行比较，综合分析弯曲条件下套管 的挤毁机理。 1 4 2 研究方法 本文研究方法主要是：在阅读学习大量文献资料的基础上，采取多领域、多学科相 结合方式，运用有限元分析、全尺寸试验、理论解析计算的办法，从整体上，全面地、 系统地研究弯曲条件下套管的挤毁机理。全尺寸试验成本较高，周期长，且涉及的人员 较多，可能某些复杂情况还无法实施。而随着计算机软硬件的发展，计算机运算速度的 提高，使得计算机辅助研究在各行各业都取得了成功地应用。因此本文主要采用有限元 分析的方法进行研究，然后进行一些相应的全尺寸试验研究和理论解析计算，以此来验 证有限元分析的可靠性及准确性。本文研究思路流程见图1 - 1 所示。 图1 - 1 本文研究思路流程图 7 西安石油大学硕士学位论文 第二章套管挤毁机理及影响因素分析 2 1 套管挤毁的类型 套管的挤毁是套管在外压条件下发生的机构失稳现象。具体讲，当外压达到某一临 界压力时，套管管壁某个位置发生较大的径向位移，从而造成套管发生严重变形。 根据套管发生挤毁时的压力、套管的材料性能和几何参数，将挤毁分为三种类型： 弹性挤毁、塑性挤毁和极限强度挤毁。弹性挤毁是指引起套管发生失稳的环向应力或环 向+ 轴向应力低于材料的屈服强度，使管柱具有不稳定特征的挤毁方式，表现为达到最 小外挤应力即失稳。塑性挤毁是指环向应力或环向+ 轴向应力超过材料的屈服强度而未 达到极限强度。极限强度挤毁也称屈服强度挤毁，是指环向应力或环向+ 轴向应力超过 材料的极限强度，实际上它已不是不稳定意义上的挤毁，而是接近于挤扁。图2 - 1 所示 为三种不同的挤毁方式与杆件弯曲的类比【2 4 1 。显然，弹性挤毁和塑性挤毁的受力状态与 实际比较贴近。 0，旷 ( a ) 弹性挤毁( b ) 塑性挤毁( c ) 极限强度挤毁 图2 - 1 三种不同的挤毁彤式与杆件的类比 对于给定的套管，我们希望它的抗挤强度高一些。从挤毁形式来看，要发生挤毁最 好是极限强度挤毁，因为这样可充分发挥套管材料的潜能，可获得最高的抗挤强度。但 套管究竟发生哪种挤毁失效，不但取决于材料性能，也取决于管子几何形状，同时也受 套管所受外载( 如拉伸、弯曲载荷等) 的影响，其中径厚比d t 值( d 为套管外径，t 为 壁厚) 是决定挤毁形式的主要指标。图2 2 所示为在纯外压下对应于不同d t 值的三种 挤毁形式。可以看出，d t 值较大时，套管为薄壁管，一般发生弹性挤毁；d t 值较小时， 套管为厚壁管，一般发生塑性挤毁或极限强度挤毁。 第二章套管挤毁机理及影响因素分析 外部 k 图2 - 2d t 值与挤毁形式的关系 2 2 套管挤毁的主要原因 引起套管挤毁的主要原因来自两方面：一方面是由于套管本身受结构的限制，在外 压作用下，圆管形的套管处于不稳定状态，要发生失稳；另一方面是来自套管服役环境 产生的外载荷，它是引起套管挤毁的主要原因。 2 2 1 套管内在因素对其抗挤强度的影响 对于石油工业而言，我们不希望套管发生挤毁，为保证这一点，套管设计时不仅要 弄清楚套管实际承受的外载，而且要清楚套管本身的抗挤强度。影响套管抗挤强度的主 要内因有：材料的屈服强度、外径不圆度、壁厚不均度、径厚比d t 、长径比l i d 、残余 应力等【2 5 1 。 ( 1 ) 材料屈服强度： 根据a p i 给出的套管抗挤强度计算公式，套管材料的屈服强度越高，则其抗挤强度 也越高。由于绝大多数套管的d t 值处于塑性挤毁和极限强度挤毁范围，因此，提高套 管的屈服强度，是提高套管抗挤强度的重要措施。 ( 2 ) 外径不圆度和壁厚不均度： 套管外径不圆度口和壁厚不均度s 等套管的几何尺寸偏差与套管轧制设备及轧制工 艺有关。试验及有限元模拟结果证明，套管外径不圆度对其抗挤强度具有比较显著的影 响，尤其是当套管的外径不圆度 o 5 时，其影响更大。计算表明，套管的抗挤强度 随其壁厚不均度的增加也近似呈线性比例下降，即壁厚不均度每增加l ，抗挤强度相应 降低约l 。计算进一步发现，当壁厚不均度6 1 0 时，对套管抗挤强度的影响并不大。 较低的壁厚不均度有利于降低套管在矫直过程中产生的残余应力，而残余应力则是影响 套管抗挤强度的一个重要因素。同时，壁厚不均匀的套管在冷却时也会促使外径不圆度 增加。所以，尽管壁厚不均度对套管抗挤强度的影响要小于残余应力和外径不圆度的影 响，但壁厚不均度的影响也不容忽视，从提高套管整体性能的角度考虑，有必要减小套 9 西安石油大学硕士学位论文 管的壁厚不均度。 ( 3 ) 径厚比d t ： d t 是决定套管挤毁形式的主要因素，d t 较大时，易发生弹性挤毁，d t 较小时， 趋向塑性或极限强度挤毁。 ( 4 ) 长径比上d ： 一般当l d ，8 以后，测试结果趋于稳定。理论分析结果表明，有限长度l 和无限长度套管的挤 毁公式是有区别的，当l d 8 以上，二者可近似相等。 ( 5 ) 残余应力： 关于残余应力对套管抗挤强度的影响，a p i 标准并未考虑，但实践和理论分析均证 明，残余应力对套管的抗挤强度确实起到十分重要的作用。这是因为残余应力的存在会 影响材料的力学性能。对于热轧态或轧制后( 冷) 矫直生产的套管，残余应力是难以避 免的。残余应力的存在，将大大降低套管的屈服强度，从而降低了套管的抗挤强度。 实际上，每一个单因素对套管抗挤强度影响的力学分析都是非常复杂的，况且通常 又是上述复合作用的结果，所以要建立套管抗挤强度的计算公式较为困难，一般要借助 于全尺寸试验来解决。a p i 就是采用了理论分析和试验相结合的方法，拟合出了经验公 式，在a p ib u l5 c 3 标准中给出，目前仍在使用。它是a p i 套管额定抗挤强度计算的主 要依据，即目前a p i 套管的抗挤强度是根据这些公式计算出来的，而不是由试验获得的。 随着现代冶金和轧管技术的进步，套管的抗挤强度明显提高。通过大量全尺寸试验 证实，对于a p i 套管，使用a p i 公式的计算结果比试验值低1 6 1 8 。若在管柱设计 中仍用a p i 公式来计算套管抗挤强度，则在常规井中造成浪费，在某些苛刻井中显得无 套管可选。a p i i s o 有关工作组已认识到这一问题的重要性，目前已通过提案，着手收 集数据，修改a p i 公式。 2 2 2 套管服役环境对其抗挤强度的影响 一般情况下，随着井深的加深，由于地层压力的作用，在油气井的下部套管将受到 和地层压力相当的外压力，井越深外压力越大，所以套管的挤毁一般发生在井的下部。 钻井时，一般通过钻井液作用使得套管内、外压相平衡，只有当内、外压差超过一定值 时，才可能发生套管的挤毁。但在采油或其他一些作业中，有时套管处于半掏空或掏空 ( 即内压力近似为零) ，或局部内、外压差较高，从而导致套管发生挤毁。 大量的资料和研究结果表明，套管损坏是多种因素综合作用的结果，这些因素主要 包括地质因素、工程施工因素及其它因素等。本部分着重介绍地质因素及工程施工因素 对套管损坏的影响。 ( 1 ) 地质因素的影响 地质因素是造成套管损坏的重要原因，它往往包括：构造应力、泥岩吸水膨胀和蠕 变、断层活动和地层倾角、现代地壳的运动和地震、油层出砂、储集层沉积压实、盐岩 1 0 第二章套管挤毁机理及影响因素分析 层塑性流动的影响等 2 6 1 。 1 ) 围岩压力对套管损坏的影响 钻井后，井眼周围的岩石中出现了临空面，原来的平衡状态遭到了破坏。当应力集 中处的应力达到围岩的屈服极限时，就有塑性变形发生或产生地层破裂，这种变形和破 裂受套管和套管外水泥环的限制，同时，套管外受到围岩的反作用力而产生变形损坏。 2 ) 泥岩吸水膨胀和蠕变造成套管损坏 泥岩是一种较不稳定的岩层，它的基本特征是强度低，孔隙率高，容重小，渗水、 吸水性好，易风化，易崩解，具有明显的膨胀性和时效特性。作为工程材料，其稳定性 非常差。在有水浸入的情况下造成粘土成份膨胀，泥岩进水形成不断扩大的浸水域，软 化了地层，使原始地应力场失去平衡，引起地层蠕动。 泥岩吸水后力学性质发生变化，具有较高的塑性唧 根据库仑一摩尔准则，岩石的破坏主要是剪切破坏。考虑到孔隙压力的作用，饱和 多孔岩石抗剪强度可用库伦一摩尔公示表示： f=c+pp，妇庐(2-1) 式中：f 岩石抗剪强度，m p a ： 湖石内聚力，m p a ； 毋一内摩擦角； 盯一主应力，m p a ， p 孔隙压力， v p a 。 岩石含水率对岩石的内聚力和内摩擦角的影响典型曲线如图2 3 所示。 图2 3 表明，当泥岩吸水后，随着含水量的增加，泥岩的内聚力和内摩擦角发生变 化，内聚力变小，内摩擦角变小；而式( 2 1 ) 表明，随着泥岩内聚力和内摩擦角的下降， 泥岩的抗剪强度也将大幅度下降。随着泥岩含水量的增加，其成岩的胶结力逐步消失， 变为塑性，蠕变速度增大，在井眼周围产生非均匀应力分布，造成套管损坏。 0 垒 一 r 醒 爱 2468 含水率( ) ( a ) 1 1 西安石油大学硕士学位论文 瑙 v 嘏 辎 避 - 霞 含水翠( ) ( b ) 图2 - 3 岩石含水率与岩石内聚力和内摩擦角的关系 泥岩吸水形成套管损坏的形式 当泥岩吸水由局部扩大到连片时( 见图2 。4 ) ，为岩石蠕动、位移提供了条件。浸水 域形成后，在地层倾角产生的地势压差等作用下，浸水域上下界面产生相对位移，致使 套管受挤压和剪切形成成片套管损坏。 图2 - 4 泥岩浸水作用下受力分析 3 ) 断层活动和地层倾角对套管损坏的影响 断层层面和地层倾角较大的地方，地层易移动造成套管大量损坏。如图2 5 所示， 在1 i n 2 的面积上如果有1 m p a 的压差，形成的压力f 大约为1 0 0 吨( g 取1 0 n k g ) 。那么， 若地层倾角为3 0 ，2 m p a 压差在l m 2 的面积上产生压力f 为2 0 0 吨，剪切力乃就是1 0 4 7 吨( f 2 = f * s i n a ) 。按3 0 0 米井距计算，一口井控制面积内岩层的剪切力就是l o 4 7 9 0 0 0 0 = 9 4 2 3 万吨；若地层倾角为5 0 ，那么2 m p a 压差的剪切力就是1 5 6 8 7 万吨的剪切 力。可以看出，地层倾角越大的部位，套管所承受的剪切力越大，这样大的剪切力在泥 岩浸水的情况下，足以损坏套管【2 引。 1 2 第二章套管挤毁机理及影响因素分析 f 图2 - 5 地层压力示意图 对于断层井区，一般地层倾角a = 3 0 0 “o o 。稍微产生一点力的不平衡，则易产生大 面积的沿断层面的套管损坏。 4 ) 现代地壳运动、地震和滑坡可导致套管损坏 现代地壳运动( 是指地壳升降运动) 能导致套管损坏。前苏联的巴拉哈萨布奇一拉 马宁油田从1 9 7 3 年1 9 8 2 年阀因套管损坏报废3 2 0 0 口井，主要是由现代构造运动及其 诱发的断层活化的综合作用所致。前苏联车臣一印古什地区是地震活化区，1 9 6 0 年1 9 7 9 年，该区发生了1 4 3 次地震，地震最高达7 级，套管损坏与地震次数增加相吻合。 5 ) 油层出砂对套管损坏的影响 在注水开发的部分砂岩油田中，砂岩孔隙胶结多为接触式胶结类型，胶结物含量低， 在水驱油过程中，胶结物易吸水膨胀和水解，在高的采液强度下，生产压差较大，从而 使油层岩石骨架结构被破坏，形成油井近井地带出砂。因油层近井地带大量出砂，破坏 了岩石骨架应力，在开采过程中地层压力有较大幅度下降，上覆地层压力已大大超过地 层孔隙压力和岩石骨架结构应力，在上覆地层压力的挤压下使出砂油井套管弯曲、变形 或错断。 ( 2 ) 工程施工因素的影响 工程施工因素的影响常包括：采油作业的影响、固井质量的影响、射孔的影响等多 方面口踟。 1 ) 采油作业对套管损坏的影响 油井压裂和油水井酸化是油田开发中用以改善低渗油层、解除油层污染、提高油层 有效渗透率和提高单井生产能力的重要措施。酸化使油井附近的油层发生溶蚀作用，会 产生溶洞或小洞，使套管周围受力不均，同时溶蚀会降低套管的承载能力，从而导致套 管损坏。压裂可将地层压出裂缝，即超过地层破裂压力，这样会使油水井附近岩层受力 不均，再者由于压裂的重新定向使裂缝的方向偏离所设计方向，从而导致注入水进入其 它泥岩层，使泥岩层蠕变，加快了套管损坏。 2 ) 固井质量对套管损坏的影响 固井质量，主要是水泥的封固质量，对于一口井来说是至关重要的。固井质量差有 多种表现，其中主要是窜槽、水泥与套管( 第一界面) 和地层( 第二界面) 胶结不好以 西安石油大学硕士学位论文 及凝固后松散。在许多情况下套管损坏往往是由于固井质量差造成的，具体有以下三种 情况： 固井工程中，有时泥浆返高分两级。但在大多数情况下，上下两级之间的水泥环 连续性不好。 分段下套管时，有时下一段套管的管外水泥返高达不到高度。这样，在下部管段 没加固部分的压缩负荷中增添一补充负荷，温度的变化导致产生一个补充压缩力。 固井水泥一般比钻井中应用的泥浆密度大，而驱替固井水泥的流体常是低密度泥 浆或水，结果造成套管外部静压力大于套管内部的静压力。套管外流体的静压力在套管 壁上产生向上压缩力，内压力产生向下重力，当两个力差别很大，套管实际处于压缩状 态中。因此，在井眼扩大部分或水泥不适当部分常出现套管弯曲。 3 ) 射孔对套管损坏的影响 井下射孔操作是通过电引爆的专门聚能射孔弹来实现的，这种射孔弹引爆后，爆炸 生成物在弹体凹穴作用下，形成一股定向的高温聚能金属流，以8 0 0 0 1 0 0 0 0 m s 的速度 射向套管管壁，在单位面积上产生很大的冲击力，从而射穿套管形成孔眼穿过水泥环进 入地层。射孔完井是国内外采用最为广泛的完井方式。 射孔完井后，套管管体出现孔眼，破坏了其柱面的一致性，使管体强度受到影响。 通过研究表明，射孔对套管强度影响的主要因素有【2 7 】： 射孔过程中十几枚甚至几十枚射孔弹同时爆炸产生的冲击波使套管变形，并在局 部形成应力集中及残余应力； 孔眼的存在，使套管的应力重新分布。 前者通过采用有枪身射孔弹等射孔工艺来减小对套管强度的损坏，后者是无法避免 的，只有通过对孔眼尺寸及分布的控制来尽量减小对套管强度的破坏。 射孔引起套管破损的主要形式大致可分为两类：一类是由外挤力引起的射孔套管失 稳破坏；另一类是轴向拉力和内压力引起的套管强度破坏。 4 ) 注水井作业的影响 注水井在注水及压裂等作业时，套管内压大于套管外压( 地层压力) ，即注水压差作 用在套管内壁上，使套管内壁产生膨胀压力；当注水作业放空时，使套管内压小于外压， 放喷压差作用在套管外壁上，如此多次作业会使套管变形破裂。 5 ) 井眼不规则对套管损坏的影响【2 9 】 根据岩石力学原理，均匀地应力条件下的井眼形状为圆形，而在非均匀地应力条件 下将形成椭圆形井眼。由于钻井过程中复杂情况较多，如地层各向异性、软硬交错、钻 柱振动剧烈、冲击载荷大等都可能造成局部或大段井径不规则，因此均匀地应力条件下 的井眼有时也不是十分规则的圆形。井眼不规则造成水泥环的形状不规则，在不同地应 力条件下会对套管损坏产生不同的影响