（石油与天然气工程专业论文）涠121油田注气管柱设计研究.pdf

l 气 t h es t u d yo fi n j e c t i o ng a st u b i n gd e s i g ni nw e i l 2 - - 1o i l f i e l d at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：l i uj i a n s u p e r v i s o r ：j i ny e q u a n z h a n gy o n g c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) k 气 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 至! 匕鱼】日期：伽1 年上月冶日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：，f 年主月近日 日期：动 年厂月万日 摘要 随着大型高压设备的出现，使得原来注水开发效果不理想的油藏可以改为注气开 发。位于南海西部北部湾的涠1 2 1 油田就是属于这种情况。因为高压气体自身的特性， 使得注气开采在实施方面较之于注水开采来说要求更高一些。本文结合该油田a 2 井实 际情况展开套管柱受力分析和强度校核研究，通过研究，提出了注气井口的改进方案。 本文还针对高压气体的特性首先对注气井内气柱压力分布进行分析，根据平衡微分方 程，求解流动和静止状态下的气体压力分布，分析得出静态压力为最大内压力和动态压 力随管径的减小而减小的重要结论，为计算内压和注气管柱的初选提供理论依据。根据 压力分布，从安全和经济角度设计并初选出几种比较合适的注气管柱。结合注气管柱的 工作状况对这几种注气管柱的轴向拉力、外挤压力和内压力进行分析并采用三向应力强 度理论对其进行强度校核，然后根据油田现场的实际情况对其进行优选，最终确定出适 合要求的注气管柱。再根据实际情况计算注气管柱在工作状态下的伸缩量，选择伸缩短 节等注气管柱配套设施。 关键词：注气，强度校核，受力分析 八 t h es t u d yo f i n j e c t i o ng a st u b i n gd e s i g ni nw e i l 2 - 1o i l f i e l d l i uj i a n ( o i la n dg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rj i ny e q u a na n ds e n i o re n g i n e e rz h a n gy o n g a b s t r a c t w i t ht h ee m e r g e n c eo fl a r g es i z eh i g h - p r e s s u r ee q u i p m e n t ， a l s os o m eo i l f i e l dh a v el o t s o fa s s o c i a t e dg a si n j e c t i o nd e v e l o p m e n th a sb e e nr e p l a c e db yg a si n j e c t i o nd e v e l o p m e n t ， b e c a u s eo fe f f e c ti ns o m eo i l f i e l dw h e r ew a t e ri n j e c t i o nd e v e l o p m e n tc a nn o tg e tag o o de f f e c t w e i z h o u1 2 - 1o i l f i e l d ，w h i c hl o c a t e di nt h ew e s to f s o u t hc h i n as e a ， i sa t t r i b u t et h i sk i n d o fs i t u a t i o n g a si n j e c t i o nd e v e l o p m e n tr e q u e s tt h ee q u i p m e n tm o r eh i g h e rs t a n d a r dt h a n w a t e ri n j e c t i o nd e v e l o p m e n td u r i n go p e r a t i o nb e c a u s eo fh i g hp r e s s u r eg a sh a si t so w n c h a r a c t e r i s t i c s t h ep a p e rd e v e l o p st h er e s e a r c ho fs t r e n g t ha n a l y s i sa n di n t e n s i t yc h e c ko ft h e c a s i n gs t r i n go fa 2h o l e t h r o u g hr e s e a r c h ， i ti sb ef o u n dt h a tt h ew e l l h e a do ft h i sw e l ln e e d b ec h a n g e df o rs a f e t y t h i sd e s i g nt a r g e tt os t u d yt h ed i s t r i b u t i o no ft h eg a sp r e s s u r ei nt h eg a s f l o o dw e l lm a i n l yc o n c e r nw i t ht h ef e a t u r e so ft h eh i g h p r e s s u r eg a sf i r s t ，t h e ns o l v et h e d i s t r i b u t i o no ft h eg a sp r e s s u r eb o t hu n d e rt h ed y n a m i ca n ds t a t i cs t a t e sa c c o r d i n gt ob a l a n c e d d i f f e r e n t i a le q u a t i o n ，d r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h es t a t i cp r e s s u r ei st h eh e a v i e s ti n t e r i o r p r e s s u r ea n dd y n a m i cp r e s s u r ed e c r e a s ew h e np i p ed i a m e t e rd e c r e a s e s ，t h u so f f e rt h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rc a l c u l a t i n gi n t e r i o rp r e s s u r ea n dt h ep r i m a r ye l e c t i o no ft h eg a s f l o o dp i p e s a c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o no ft h eg a sp r e s s u r e ，f r o ms a f ea n de c o n o m i ca s p e c t t od e s i g na n dp r i m a r i l ye l e c ts e v e r a ls u i t a b l e l eg a sf l o o dp i p e s c o m b i n i n gg a sf l o o dp i p e s w o r k i n gs t a t e ，a n a l y z et h ea x i a lp u l l i n gf o r c e ，e x t e r i o ra n di n t e r i o rp r e s s u r e ，a n dc h e c kt h e i n t e n s i t yo ft h eg a sf l o o dp i p e sw i t ht h r e ed i m e n s i o ns t r e s si n t e n s i t yt h e o r y t h e na c c o r d i n gt o t h ea c t u a lc o n d i t i o n so ft h eo i l f i e l d ，s e e kt h eo p t i m u m ，a n dg e tt h eg a sf l o o dp i p e st h a tm e e t t h er e q u e s ta tl a s t a n dt h e na c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n s ，c a l c u l a t et h ef l e x i b i l i t yu n d e r t h ew o r k i n gs t a t eo ft h eg a sf l o o dp i p e s ，c h o o s et h ea u x i l i a r yf a c i l i t ys u c ha st h et e l e s c o p i c j o i n t so ft h eg a sf l o o dp i p e s k e y w o r d s ：g a si n j e c t i o n ，i n t e n s i t yc h e c k ，s t r e n g t ha n a l y s i s 1 1 1 ：! 4 z i 2 。1 1 套管柱轴向受力分析4 2 1 2 套管柱外挤受力分析9 2 1 3 套管柱内压受力分析9 2 2 三向应力状态下套管强度校核9 2 2 1 三轴应力设计9 2 2 2 三轴应力公式9 2 2 3 套管设计安全系数1 1 2 3w 1 2 1 a 2 井套管安全性校核一1 2 2 3 1w 1 2 1 a 2 井完井油层套管1 2 2 3 2w 1 2 1 a 2 井油层套管无封隔器时安全性校核一1 3 2 3 3w 1 2 1 - a 2 井油层套管有封隔器时安全性校核。1 9 2 3 4w 1 2 1 a 2 井油层套管安全性校核结论2 4 2 4 注气井口改进2 4 第3 章注气油管的选择2 6 3 1 高压注气摩擦阻力计算2 6 3 1 1 流动气柱2 6 3 1 2 静止气柱2 8 3 1 3 井筒中的温度分布预测方法2 9 3 2 常用油管柱压耗计算3 0 3 3 合适油管的选用3 4 第4 章注气管柱受力分析及强度校核3 5 4 1 注气管柱受力分析3 5 4 2 注气油管强度校核3 5 4 2 1 注气管柱强度校核3 5 4 2 2 注气管柱强度校核结论及注气管柱的选用4 2 八 4 3 4 3 4 6 4 7 4 7 ：4 7 4 9 5 0 5 2 中国石油大学( 华东) - 1 2 程硕上学位论文 第1 章引言 1 1 问题的提出 涠洲1 2 1 油田位于南海北部湾海区，构造被f 1 、f 2 两条油源断层相切，形成南、 中二个含油断鼻；中块断鼻又被f 2 a 等断层切割，形成垒堑相间的构造格局，3 井区为 正常断鼻，4 井区为复杂的断块油藏。该油田埋深约2 4 0 0 m 至3 5 0 0 m ，原始压力系数为 1 0 1 3 。涠四段油组目前压力系数约为0 8 ，油层温度1 2 0 。中块油层有涠三段、 v 、v i 、v i i 、v i i i 油组，涠四段i 、i i 、i i i 油组，毛厚达5 0 0 m 以上。 涠洲1 2 1 油田伴生气多，注水效益低。为了解决有效经济的处理油田产生的伴生 气，同时提高油田的开采效益，决定将注水开发改为注气开发。由于气体的密度远远低 于水的密度，所以注气井井口压力远远高于注水井井口压力。油井原来的套管都是按照 注水开采条件下设计的，现在要转换为注气开采，从井下管柱安全的角度考虑，需要进 行套管柱的强度校核和注气管柱的设计和校核。本文的目的就是从涠1 2 1 油田的实际 情况出发，开展注气工况下油井套管柱的强度校核、注气管的设计，以保证涠1 2 1 油 田从注气转为注水开发的工作顺利进行。 1 2 国内外研究现状 注气采油提出很早，但是由于一直受限于气体压缩技术的发展而在很长的一个时期 内没有成为主流。然而对于那些水敏地层及储层性质差、非均质性严重，水驱效率低、 原油储量开采又极不均衡的地层，由于水能使地层里面的粘土发生水化反应，从而产生 很多负面效果，在天然气产量比较丰富的情况下，利用气体来代替水进行开发是首选技 术之一【l 】 2 1 。 注气法开采法主要是在低渗透油藏、高含水油藏和深层油藏等三类难采储量油藏中 有较好的效益，而这三类油藏的储量占总难采储量的7 5 左右【1 1 。 据统计4 0 以上的难采储量集中在低渗透层中( 渗透率小于0 0 5x1 0 。3t am 2 ) ，低渗 透油藏大部分原油储量属于低粘油，俄罗斯的石油开采研究表明注气法适用于8 0 的低 渗透油藏【3 1 。 根据有关文献高含水层中原油储量占难采储量的三分之一( 3 4 ) ，为了提高注水开 发晚期注水气的效率应该利用更“富”的气，室内研究和矿场试验结果都证实了含水层 中应用注气法进一步驱替剩余油气的效果【4 1 。 埋深超过4 0 0 0 m 的油藏中储量只占难采储量的几个百分点，但由于油层储集性质变 第1 章引言 差( 渗透率低，泥岩化) ，注水开发是无效的【5 1 。 国外注气技术相对来说起步较早，应用也比较广泛。前苏联的在皮特柯夫油气田进 行注天然气开采的试验，注入天然气后地层压力保持良好，产生了较好的开发效果。美 国1 9 8 8 年度二氧化碳驱替采油占年度产油量的2 3 6 。可见注气技术前途和效果比注 水开采优越，其地位也越来越重要 6 】。 我们现在丌采的很多油田已经进入高含水中后期，尽管采取诸如调剖、堵水等一些 列工程技术措施，但仍然有部分原油残留在地下采不出来，特别是低渗透油藏、稠油油 藏和凝析气藏都未能实现充分合理的开发。因此，要尽快研究更有效的方法。从国外一 些油田开发经验可看出，注气技术是值得重视的方法，特别对低渗透油田的开发，气相 驱替将会是采油技术上的一个飞跃。在我国注气采油的应用相对较少，目前处在一个发 展阶段，本次设计主要就涠洲1 2 1 油田a 2 井高压注气井注气管柱的设计及强度校核方 面的问题进行研究和探讨。 1 3 研究内容与研究思路 为了综合利用涠洲油田群伴生气和综合治理涠1 2 1 油田，解决该油田注水开发效 益低下的问题，需要进行涠1 2 1 油田涠四段油组注气采油可行性研究，本文主要是对 涠1 2 1 油田w 1 2 1 a 2 井下注气管柱设计和进行可行性研究，研究的主要内容包括以下 5 个方面： ( 1 ) 对注气工况下现有套管( 考虑内外压、轴向力等) 、井口装置进行受力分析； ( 2 ) 校核套管、井口装置安全性( 强度和密封) ，如果不安全，提出整改意见； ( 3 ) 详细分析注气工况下( 压力、注气量) 注气管柱内高压气体流动阻力； ( 4 ) 通过比较不同管径下注气的摩阻和管柱强度，优选合适的注气管尺寸； ( 5 ) 从安全和经济角度设计注气管柱。 本文以套管柱受力分析气体流动压力分布为理论基础，以套管柱和注气管柱强度校 核为目的，主要的研究思路如图1 1 所示。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 管柱受力分析气体流动压力分布 jl j 一jl 已固井套管受力分析注气管柱受力分析 。 jljl 一 原套管强度校核注气管柱设计，强度校核 jl l 安全注气管柱设计 啊a ，- t t r 自峙山如| _ 一田咕= 。土；6 吲 3 伞性校核 置安全性校核 从套管柱入井、注水泥以及生产的不同时期，套管柱的受力是变化的。在不同的地 层和地质条件下，套管柱所受的外载荷是不同的。在下套管的过程中，将受到注水泥时 的动载荷；在酸化压裂，套管柱所承受的内压力与i f 常采油时的压力不同；在易坍塌油 层，生产前期、中期与后期对套管的外挤压力也不同吲。 一般来说，虽然套管在不同时期受力复杂，但是套管柱的基本载荷可以分为轴向力、 外挤压力和内压力三种，在套管柱设计和强度校核时，按照最危险的情况来考虑套管柱 所能承受的基本载荷。 按照三轴应力理论，套管柱实际承受的外挤压载荷和内压载荷的大小与套管柱所受 的轴向力有关，套管特性分析给出了这方面的具体分析，如轴向拉力虽然降低了套管抗 外挤的额定值，但增大了抗内压的额定值。针对以上的分析，下面就对套管柱所受的各 种载荷展开具体的讨论，因为油井已经固井，所以就不考虑套管下放过程中的动载，不 考虑套管与井壁的摩擦阻力 8 1 。 2 1 1 套管柱轴向受力分析 2 1 1 1 二维井身理论模型的建立 当只有井斜角的变化而无方位角变化时，钻出的井眼则为二维曲线。此时，假设套 管柱的中心线是位于铅垂平面内的一条曲线段，该曲线的上下两测点分别为点a 和点b 。 1 ) 垂直井段的计算模型9 】 在垂直井段任取一段长度为l i 的套管单元体，该单元体位于垂直井段，作如下的基 本假设： ( 1 ) 不考虑井眼变形对套管受力的影响； ( 2 ) 在选取的套管单元上，套管的尺寸一致，套管线密度相同； ( 3 ) 套管柱的变形曲线与井眼轴线重合，套管单元体与井壁连续接触； 根据假设，可以推导出套管单元体上端的轴向力t a 的计算模型。 l = + q m l i ( 2 1 ) 式中： t a 、t b ：单元体两端的轴向力，n ； q 。：单位长套管在钻井液中的浮重，n m ； 4 式中： 图2 - i 弯曲井段二维单元体受力图 根据图2 - i 和假设， f i g2 - 1 t w o - d i m e n s i o n a lu n i tb o d yb e n d i n gw e l lf o r c es e g m e n t ( q 口一q a ) s i n 娶+ q mc o s c 3 l f l = + 专矿一 绋一线= 2 ( m b 砒) + ( ( 吲s i n 孚比 细s 孚 m a - e i i 革 岭等 厶 铲商 e ：套管钢的弹性模量，n m 2 ； i ：单元体截面惯性矩，m - 4 ； m ：单元体两端的弯矩，n m ； q ：单元体两端的剪力，n ； r ：单元体的曲率半径，m ； a ，v a ：单元体两端的井斜角及增量，r a d ； 5 ( 2 - 2 ) 第2 章现有套管、井口装置安全性校核 ( p ：方位角，r a d ； p ：对应长度l 的狗腿度，t a d ； e ：p 平面与r 平面的夹角，r a d ； d 、d ：套管的外径与内径，c m 。 l h ( 2 2 ) 看出，单元体的轴向力与套管的自重，剪力，弯矩，井眼曲率和摩阻力等因 素有关。 3 ) 稳斜井段的计算模型 所谓稳斜井段就是指井斜角和方位角为定值的井段。我们取一段长度为l ；的套管单 元体，该单元体位于稳斜井段。 图2 - 2 稳斜井段微元体受力图 f i g2 - 2s h a f to fs t a b l e i l i t yb yt r y i n gt om i c r ou n i t 根据图2 2 我们可以推导出： r o = 瓦+ q 。c o s a f l i ( 2 - 3 ) 2 1 1 2 三维井身理论模型的建立 所谓三维井身即指井眼轴线为空i 、日j 斜平面内的一条曲线，对于井段上，下两测点的 井斜角与方位角皆有明显的变化的情况。为了分析讨论方便，我们仍把此时的井身曲线 分为：垂直段、造斜段、稳斜段、降斜段，下面就分别讨论各种情况下的轴向载荷t a 的计算模型10 1 。 6 中国石油人学( 华东) t 程硕一l 学位论文 w i 图2 - 3p 、q 、r 平面受力示意图 f i g2 - 3p 、q 、rs c h e m a t i cd i a g r a mo fp l a n es t r e s s 由于垂直井段上下两测点的方位角均为零，因此其所有因素参数和假设条件均与二 维井身曲线中的垂直井段计算模型完全相同。 1 ) 弯曲井段的计算模型 二维井身分析假设井身曲线位于铅垂平面内，这样只有变井斜角而无变方位角。而 实际情况却是既有变井斜角，也有变方位角，这样井身轴线应是一条不规则的三维空间 曲线。但是为了计算方便，我们任假设在所取微元内，井身轴线可以认为是一条弧线， 该弧线位于空间某一倾斜的平面。既包含有井斜角的变化也包含有方位角的变化。 如图2 - 3 所示，井段位于空间某一斜平面r 上，将套管单元体的受力和变形分解到 p 平面( 井斜平面) 和q 平面( 方位平面) 。 推得套管单元体上端轴向力t a 的计算模型： + 一c o s c o s 4 ， 二二 n 、 q p ：( q 朋一如) s i i l 孚 绋= ( 一) s i n 寻 b t = c o s 一( c o s 6a c o s a b + s i n 6a s i n 6 b c o s ( 妒8 9 ：n s i = p i 式中增斜井段e 0 = 0 ，降斜井段( ) = 1 8 0 0 ，0 为p 平面与r 平面的夹角。 7 装置安全性校核 m 删) + t l f 6 c o s 二 2 丁= ( r a r b ) c o s v 2 s is i l l 譬 昕昕一 五= ( r b r a ) c o s 孚c o s g p a = e ；t v 3 , m 旷瓯一、鼍 m 卧翊i 芒 m 2e i h i e i _ l 2 商 2 两 式中下标p 表示p 平面上的参数，下标q 表示q 平面上的参数。 2 ) 稳斜井段的计算模型 由于稳斜井段其上下测点a ，b 的方位角和井斜角无变化，因此可以认为其井身轴 线为铅垂平面上的一条斜线，此时其轴向力t a 的计算与二维井身曲线的稳斜段的计算 一样。即： l = 乃+ q 。c o s o , t , ( 2 - 5 ) 如不考虑方位角的影响，三维井段的计算模型( 2 4 ) 式子就可以简化为二维井段 的计算模型( 2 2 ) 式。 2 1 1 3 水泥固结井段套管轴向力 大量文献表明，水泥固结套管段，由于水泥环的支撑作用，可以不考虑轴向力的作 8 危险情况考虑，即认 ( 2 - 6 ) h ：计算点井深，m ； p c ：外挤压力，m p a 。 2 1 3 套管柱内压受力分析 套管柱内压载荷由两部分组成，通常由套管内的流体静压力和井口压力产生，产生 内压力的最坏情况一般发生在井涌关井及特殊作业( 压裂、酸化、注水、注气等) 的时候。 在一个新地区，由于在钴开地层之前，地层压力是难以确定的，所以内压力也是难以确 定的。对已经探明的油区，地层压力可以参考邻井的资料。 2 2 三向应力状态下套管强度校核 2 2 1 三轴应力设计 套管柱的设计经历了早期的单轴应力设计到后来的双轴应力设计，随着深度越来越 深，油井工作条件也越来越恶烈，单轴和双轴应力设计已经无法满足新的工况的要求。 三轴应力设计应运而生，特别是对于高压注气井，由于注气压力大，按三轴应力设计应 该是最符合现场实际情况的，所以我们以该方法为基础进行力学分析的计算。 2 2 2 三轴应力公式 在外挤、内压和轴向力作用下，套管柱处于三轴力状态，套管柱的周向应力、径向 应力和轴向应力分布如下f 刀： 旷竽一警告 仁7 ， 仃口2 2 而r e 式中： ，：套管柱的径向应力，m p a ； 9 ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ：萋l彳益扣 盥 格 第2 章现有套管、井u 装置安全性校核 仃：套管柱的轴向应力，m p a ； 只：套管柱的内压力，m p a ； p o ：套管柱的外挤压力，m p a ； r o ：套管外半径，m m ； 管壁处。故由( 2 7 ) 、( 2 - 8 ) 式可得： = 眢一舞 p 仃，仃：均取拉应力为正，反之为负。 一”n 5 一警 ) 一j 南r i 掣+ ，一蔫降 2 n 5 五 疋：万亿吒：一b 名) + k 一3 x 2 ( 只一p o ) 2 名】d 5 ( 2 - 1 4 ) 匕：套管三轴抗挤强度，m p a ； 圪：a p i 抗挤强度，m p a ； 吃：套管三轴抗内压强度，m p a ； 吃：a p i 抗内压强度，m p a ； 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 式( 2 1 2 ) 式为套管三轴抗挤强度设计这组公式表示了三轴强度、a p i 强度和三轴应 i ：i ：t ( 2 1 2 ) 式知，如果不考虑内压( = o ) 时，三轴抗挤强度就变成了双轴抗挤强度， 叫阳钔一号 p 如果既不考虑内压，也不考虑轴向应力( 只：0 ，仃：o ) 时，三轴抗挤强度就变为 a p i 抗挤强度，即名= 圪。 1 主t ( 2 1 4 ) 式可知，如果不考虑外压力影响，( 只= o ) 时，式( 2 - 1 4 ) 三轴抗内压强度就 一m 制2n 滔 如果既不考虑外压又不考虑轴向应力时，( = 0 ，仃：= o ) ，三轴抗内压强度就变 为单轴抗内压强度公式，即吃= 民。 由( 2 1 5 ) 式矢h ，不考虑内压的影响时( 只= o ) ，式( 2 - 1 3 ) 变为双轴外挤抗拉强度公式： 瓦= 一线七+ 一3 x 2 瑶g ) o 5 ( 2 1 7 ) l = 粥2 + k 一3 n 2 2 r o ) o 。5 ( 2 1 8 ) 第2 章现有套管、井口装置安全性校核 强度。 2 3w 1 2 1 a 2 井套管安全性校核 2 3 1w 1 2 1 a 2 井完井油层套管 1 ) 实钻井眼轨迹图( 图2 - 4 ) ； 2 ) w 1 2 1 a 2 井完井油层套管基本数据( 表2 1 ) ； 3 ) 2 4 4 5 m m 套管的井口悬挂载荷 目前国内外套管的井口固定主要采用悬挂式井口，从提供的数据来看，w 1 2 - 1 - a 2 井完井油层套管( 2 4 4 5 m m ) 当时井口预拉力为5 1 0 t ( 4 8 k n 9 8 k n ) 。 4 ) 其它基本数据 抗拉安全系数：1 8 ，抗外挤安全系数：1 1 2 5 ，抗内压安全系数：1 0 ，水泥返高： 1 7 7 0 m 。 注入气基本数据：气体相对密度：0 6 5 ，井口温度：2 0 ，井底温度：8 5 ，井口 注入压力：3 6 m p a 。 图2 _ 4w - 1 2 1 a 2 并测斜数据图 f i g2 - 4i n c l i n o m e t e rd a t a 表2 - 1w 1 2 1 a 2 井完井油层套管基本数据 抗拉强抗外挤抗内压 内径 外径下深( 起) 下深( 止)钢级 线重量 度强度强度 单位 n 1 1 t ln l mmml 烈m p a m p an m 套管 2 2 0 72 4 4 5o2 7 0 0 3 5n 8 05 1 6 4 43 2 8 1 94 7 3 6 76 8 5 9 尾管 1 5 7 11 7 7 82 5 9 8 4 93 7 6 0n 8 03 3 1 8 44 8 4 0 15 6 2 6 14 2 3 2 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕l 学位论文 2 3 2w 1 2 1 a 2 井油层套管无封隔器时安全性校核 如果在注气时不安装封隔器，这种情况下套管柱受力最为严重，即受到的内压力最 大，我们先校核这种工况下套管的安全性。由于油层套管尺寸较大，注气流动时压力分 布比静止时压力要小，所以选择静止气柱来考虑套管柱的内压力。 1 ) 套管管柱轴向负荷强度校核。从w - 1 2 1 a 2 井测斜数据图可看出，该井套管管 柱轴向力的计算可分为垂直段，造斜段和稳斜段这三段分别来计算。垂直井段套管柱轴 向力的计算按二维井身理论模型公式( 2 1 ) 来计算，造斜井段的套管管柱轴向力用三维 井身理论模型公式( 2 - 4 ) ，稳斜段用三维井身理论模型分别用公式( 2 - 5 ) ，固井井段的管 柱轴向力为0 ，固井水泥返高1 7 7 0 m 。同时套管的井口预拉力零。然后按照井深变化建 立分段函数方程。将该井的实际数据代入可得到套管管柱实际所受轴向负荷t 与井深l 之间的关系曲线。 然后，根据公式( 2 1 4 ) 可建立三轴应力校正之后的抗拉强度t a 与a p i 抗拉强度t o 之间的函数关系并将其三项放入同一坐标系内得到图2 5 。 图2 - 5w - 1 2 1 - a 2 井套管预拉力为o t 时轴向载荷和抗拉强度图 f i g2 - 5s t r e n g t ha n dt e n s i l ec h a r tf o rw e l lw - 1 2 - 1 - - a 2w h e nt h ec a s i n gp r e - t e n s i o na x i a ll o a di s0t o n 2 ) 由公式( 2 1 3 ) 代入该井数据可得三轴应力校正之后的抗内压强度p i 。与a p i 抗内 压强度p i o 随井身之间的函数关系，再将三个曲线关系放在同一坐标内，套管预拉力为 o t 时，可得图( 2 6 ) 。 1 3 第2 章现有套管、井u 装置安全性校核 图2 - 6w - 1 2 1 a 2 井套管预拉力为0 t 时内压载荷和抗内压强度图 f i g2 - 6 i n t e r n a lp r e s s u r el o a d sa n di n t e r n a lp r e s s u r ec h a r tf o r w e l lw - 1 2 - l 叫址w h e nt h ec a s i n gp r e - t e n s i o na x i a ll o a di s0t 3 ) 套管管柱抗外挤强度校核。由公式( 2 6 ) 可计算套管外挤压力，再由公式( 2 1 2 ) ， 代入该井实际数据，可得三轴应力校正之后的抗外挤强度p 。与a p i 抗外挤强度p 。随井 身变化的函数关系，将三个函数关系放入同一个坐标系，套管预拉力为0 t 时，可得图 2 - 7 。 图2 7w - 1 2 1 a 2 井套管预拉力为0 t 时外挤载荷和抗外挤强度图 f i g2 - 7 w - 1 2 - 1 - - a 2w e hc a s i n gw h e nt h ep r e - t e n s i o nf o rt h e0te x t e r n a lc o l l a p s e l o a dc o l l a p s es t r e n g t ha n dr e s i s t a n c et oo u t s i d ef i g u r e 同理分别计算井口套管预拉力为5 t 和1 0 t 时的工况，如图2 8 至图2 1 3 所示。 1 4 ，l 中国石油人学( 华东) 工程硕上学位论文 图2 8w - 1 2 1 a 2 井套管预拉力为5 t 时轴向载荷和抗拉强度图 f i 9 2 - 8s t r e n g t ha n dt e n s i l ec h a r t f o rw e l lw - 1 2 一l - a 2w h e nt h ec a s i n gp r e - t e n s i o na x i a ll o a di s5t 图2 - 9w - 1 2 1 a 2 井套管预拉力为5 t 时内压载荷和抗内压强度图 f i 9 2 - 9 i n t e r n a lp r e s s u r el o a d sa n di n t e r n a lp r e s s u r ec h a r tf o r w e l lw - 1 2 - 1 一a 2w h e nt h ec a s i n gp r e - t e n s i o na x i a ll o a di s5t 图2 1 1w - 1 2 1 a 2 井套管预拉力为l o t 时轴向载荷和抗拉强度图 f i 9 2 - 1 1s t r e n g t ha n dt e n s i l ec h a r tf o rw e l lw - 1 2 - 1 - a 2 w h e nt h ec a s i n gp r e - t e n s i o na x i a ll o a di s1 0t f i 9 2 1 2 e x t e r n a lc o l l a p s el o a da n dc o l l a p s es t r e n g t ha g a i n s to u t s i d e w h e nt h ec a s i n gp r e - t e n s i o na x i a ll o a di s5t 图2 1 3w - 1 2 1 础井套管预拉力为1 0 t 时内压载荷和抗内压强度图 f i g2 1 3i n t e r n a lp r e s s u r el o a d sa n di n t e r n a lp r e s s u r ec h a r tf o rw e l lw - 1 2 一l - a 2 w h e nt h ec a s i n gp r e - t e n s i o na x i a ll o a di s1 0t 从图2 5 至图2 1 3 共9 张图分成三组，每组三张。三组分别为井口预拉力0 t 、5 t 、 1 0 t 的工况，每组三张分别为各种井口预拉力下轴向载荷( 包括抗拉强度和三维应力状态 下修正后的抗拉强度) 、外挤力( 包括抗外挤强度和三维应力状态下修正后的抗外挤强 度) 、内压力( 包括抗内压强度和三维应力状态下修正后的抗内压强度) 。 图中的轴向力、外挤力和内压力都是已经考虑安全系数之后的值，根据套管设计和 校核的重要原则：“载荷安全系数强度 从图2 - 6 至图2 1 3 可以看出，w 1 2 - 1 - a 2 井所下的油层套管( 包括2 4 4 5 m m 的n - s 0 1 7 第2 章现有套管、井u 装置安全性校核 的套管和1 7 7 8 n - 8 0 的尾管) 的抗拉强度、抗外挤强度和抗内压强度均在注气压力( 井 口) 3 6 m p a 、日注气量5 0 1 0 4 m a 的条件下均能安全工作。 图中： t ：实际所受轴向载荷，k n ； t 。：三轴应力校正之后的抗拉强度，k n ： t o ：a p i 抗拉强度，k n ； p i ：实际所受的内压力载荷，m p a ： p i 。：三轴应力校正之后的抗内压强度，m p a ； p i o ：a p i 抗内压强度，m p a ； p 。：实际所受的外挤载荷，m p a ： p 。：三轴应力校正之后的抗外挤强度，m p a ； p ：a p i 抗外挤强度，m p a ： 提供的井口套管预拉力为5 1 0 t ，这个数值与a p i 标准相差很大，为了慎重起见， 我们分析了不同井口套管与拉力下危险点的受力状况。 从图2 5 图2 1 3 可以看出，无论是抗外挤强度还是抗内压强度，几乎都是在井深 2 5 9 8 m ( 就是尾管悬挂项深) 处强度值与受力值( 考虑安全系数之后) 相差最小，这里我们计 算了井口预拉力变化的条件下，井深2 5 9 8 m 处的受力和强度值。 从图2 1 4 和图2 1 5 可以看出，在井口预拉力变化的情况下，井深2 5 9 8 m 处套管所 受的内压力和外挤力变化不大，这主要是因为井深2 5 9 8 m 处已经固井，井口的预拉力不 影响这里的轴向受力，所以对抗内压强度和抗外挤强度的影响不大。 图2 - 1 4 不同井口预拉力作用下油层套管内压力、a p i 抗内压强度、修正后抗内压强度( 2 5 9 8 m 处) f i g2 - 1 4u n d e rd i f f e r e n tp r e l o a dw e l l h e a dc a s i n gp r e s s u r e ，a p ii n t e r n a lp r e s s u r es t r e n g t h t h e m o d i f i e di n t e r n a lp r e s s u r es t r e n g t h ( 2 5 9 8 m ) 1 8 中国石油大学( 华东) r t 程硕卜学位论文 图2 1 5 不同井口预拉力作用下油层套管外挤力、a p i 抗外挤强度、修正后抗外挤强度( 2 5 9 8 m 处) f i 9 2 1 5 u n d e rd i f f e r e n tp r e l o a dw e l l h e a dc a s i n go u t s i d et h es q u e e z ep r e s s u r e ，a p io u t s i d et h e c o l l a p s i n gs t r e n g t hr e s i s t a n c e ，r e s i s t a n c et oo u t s i d et h ec o l l a p s es t r e n g t hm o d i f i e d ( 2 5 9 8 m ) 2 3 - 3w 1 2 1 一a 2 井油层套管有封隔器时安全性校核 根据油田现场实际，一般来说，无论是注气还是注水，都是在油管上接上封隔器， 将上部油管与套管的环形空间封隔起来，根据提供的数据，注气层段大概为3 5 2 6 9 3 5 4 1 5 m 和3 5 9 7 7 一- - 3 5 9 4 1 m 处，我们下面计算在安装封隔器的情况下套管柱的受力情 况和强度校核情况。 套管柱受力分析如下： ( 1