（油气井工程专业论文）地层和水泥环联合作用下套管柱外载荷计算及强度分析.pdf

e x t e r n a ll o a dc a l c u l a t i o na n d s t r e n g t ha n a l y s i s o fc a s i n gu n d e rt h ec o m b i n e de f f e c t so fs t r a t a a n dce m e n tmantleemeuta n t l e at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gh o n g k u n s u p e r v i s o r ：p r o f g u a nz h i c h u a n c o l l e g eo fp 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 ) l 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：日期：参一年罗月目 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、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：切年歹月“日 日期：9 , 川r m 歹月日 一 吁 呐 k 、 | 摘要 目前国内外各个油田套管损坏问题日益严重，已经成为世界范围内亟待解决的难 题。要实现安全钻进，必须有完整的井筒，井筒系统主要由套管柱、水泥环和地层组成， 而通过套管损坏机理的分析可以得出套管损坏问题实质是套管损坏力学计算与判定问 题，因此对地层一水泥环一套管系统的载荷计算和强度理论研究刻不容缓。本文在已有理 论的基础上主要做了以下内容： 对均匀和非均匀地应力下套管外挤力理论公式进行了分析，得到了套管外挤力的影 响因素。建立了包含接触的计算套管外挤力的有限元模型，模型中包括了影响套管外挤 力的十二种因素。将有限元算法的计算结果与理论公式结果进行对比，吻合度较好，为 井筒完整性的研究和套管损坏的判定提供一定的参考。 应用本文计算套管外挤力的有限元方法，通过改变影响套管外挤力大小的因素，分 析了水泥环的弹性模量和泊松比对套管外挤力的影响规律，水泥环的厚度对套管外挤力 的影响规律，地层的弹性模量和泊松比对套管外挤力的影响规律，地应力不均匀程度对 套管外挤力的影响规律。 对套管抗挤强度的理论公式进行了分析，得到了套管抗挤强度的影响因素。应用有 限元软件a n s y s 模拟套管受力，得到得到了套管内应力分布规律，套管上v o nm i s e s 应力最大点出现在套管内壁上，因此可以通过研究套管内壁上的应力大小来分析套管的 抗挤强度。改变影响套管内应力大小的因素，通过计算套管内壁上应力的大小，分析了 地层的弹性模量和泊松比对套管抗挤强度的影响规律，地应力不均匀程度对套管抗挤强 度的影响规律，水泥环弹性模量、泊松比和水泥环厚度对套管抗极强度的影响规律。对 水泥环对套管的是否有卸载作用进行了讨论，水泥环缺失和水泥环的形状都会影响到套 管的抗挤强度。最后进行了计算机编程处理，以方便本文的有限元算法结果与理论公式 结果进行对比。 关键词：地层，水泥环，套管，外挤力，抗挤强度，有限元 哼神缸 t - 姻 【一 e x t e r n a ll o a dc a l c u l a t i o na n ds t r e n g t h a n a l y s i so fc a s i n g u n d e rt h ec o m b i n e de f f e c t so f s t r a t aa n dc e m e n tm a n t l e z h a n gh o n g k u n ( o i l & g a s w e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rg u a nz h i c h u a n a b s t r a c t c a s i n gd a m a g ei nv a r i o u so i lf i e l d sa th o m ea n da b r o a di sg r o w i n gw h i c hh a sb e c o m e a w o r l d w i d e p r o b l e m s o l v e d t oa c h i e v es a f ed r i l l i n g ，t h e r em u s tb ea c o m p l e t e b o r e h o l e b o r e h o l es y s t e mi sc o n s i s t so fc a s i n g ，c e m e n tm a n t l ea n ds t r a t a t h r o u g ht h e a n a l y s i so fc a s i n gd a m a g em e c h a n i s mi t c a nb ek n o wt h a tt h ec a s i n gd a m a g ep r o b l e mi s c a l c u l a t i o na n dc r i t e r i o no ft h ec a s i n gm e c h a n i c a ld a m a g eq u e s t i o n t h e r e f o r e ，t h el o a d c a l c u l a t i o na n ds t r e n g t ht h e o r i e so fs t r a t a - c e m e n tm a n t l e - c a s i n gs y s t e mm u s tn o tb ed e l a i e d b a s e do np r e v i o u st h e o r i e s t h i sa r t i c l eh a sb e e nm a i n l yd ot h ef o l l o w i n g ： t h e o r yf o r m u l ao fc a s i n ge x t e r n a lp r e s s u r eo nt h eu n i f o r ma n dn o n - u n i f o r ms t r a t as t r e s s i sa n a l y z e dt h r o u g hw h i c hf a c t o r si n f l u e n c i n gc a s i n ge x t e r n a lp r e s s u r ew e r eg o t a n dt h e na f i n i t ed e m e n tm o d e li sc r e a t e du n d e rn o n - u n i f o r ms t r a t as t r e s sw h i c hc a nc a l c u l a t ee x t e r n a l p r e s s u r eo fc a s i n g t h i sm o d e li n c l u d e st h et w e l v ef a c t o r sw h i c ha f f e c tc 嬲地e x t e r n a l p r e s s u r e a n dt h e nc a l c u l a t i o nr e s u l t s o ft h en e wm e t h o da n dt h e o r e t i c a lf o r m u l aa l e c o m p a r e d t h ee l r o ri ss m a l l 、析mag o o da c c u r a c y t h i sn e wm e t h o dc a np r o v i d ea r e f e r e n c e f o r t h ei n t e g r i t yo ft h ew e l l b o r ea n dc a s i n gd a m a g ec r i t e r i o n h t ht h ea p p l i c a t i o no ft h en e wm e t h o do fe x t e r n a lp r e s s u r ec a l c u l a t i o n , b yc h a n g i n gt h e f a c t o r s s i z ew h i c ha f f e c te a s i n ge x t e r n a lp r e s s u r e ，t h el a w o f c e m e n tm a n t l ee l a s t i cm o d u l u s a n dp o i s s o n sr a t i oi m p a c t i n go nc a s i n ge x t e r n a lp r e s s u r ei sa n a l y s i s e d t h el a w so fc e m e n t m a n t l e t h i c k n e s s ，s t r a t ae l a s t i cm o d u l u sa n dp o i s s o n sr a t i oi m p a c t i n go i le a s i n ge x t e r n a l p r e s s u r ea r ea l s oa n a l y s i s e d t h ed e g r e eo fn o n - u n i f o r ms t r a t as t r e s si sa l s oa f f e c t i n gt h es i z e o fc a s i n ge x t e r n a lp r e s s u r e b ya n a l y z i n gt h et h e o r e t i c a lf o r m u l a so fc a s i n gc o l l a p s i n gs t r e n g t h , f a c t o r st h a tc a s i n g i n f l u e n c i n gc a s i n gc o l l a p s i n gs t r e n g t ha r ek n o w n b ys i m u l a t i n gc a s i n gl o a d i n g 丽mf i n i t e d e m e n ts o a r ea n s y s ，l a wo fc a s i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o na r eg o t t h em a x i m u mv o nm i s e s s t r e s sp o i i l to fc a s i n gw a so ni n s i d ew a l l ，s oc a s i n gc o l l a p s i n gs t r e n g t hc a l lb ea n a l y z e db y s t u d y i n gt h es t r e s so fc a s i n gi n s i d ew a l l c h a n g i n gt h ef a c t o r st h a ta f f e c tc a s i n gs t r e s s ，t h e r u l e so fs t r a t ae l a s t i cm o d u l u sa n dp o i s s o n sr a t i oa f f e c t i n gc a s i n gc o l l a p s i n gs t r e n g t ha r e a n a l y z e db yc a l c u l a t i n gt h es i z eo ft h es t r e s si n s i d ew a l l t h ed e g r e eo fn o n u n i f o r ms t r a t a s t r e s si sa l s oa f f e c t i n gt h es i z eo fc a s i n gc o l l a p s i n gs t r e n g t h a n dt h e nt h el a wo fc e m e n t m a n t l ee l a s t i cm o d u l u s ，p o i s s o n sr a t i oa n dt h i c k n e s sa f f e c t i n go nt h ev e r yc o l l a p s i n gs t r e n g t h o fc a s i n ga r es t u d i e d c e m e n tm a n t l ew e t h e ro rn o td i s c h a r g i n gc a s i n gl o a dw e r ed i s c u s s e d a l s oc e m e n tm a n t l em i s s i n ga n ds h a p ew i l la f f e c tt h ec a s i n gc o l l a p s i n gs t r e n g t h f i n a l l y , t h e t h e o r e t i c a lf o r m u l ao ft h ea r t i c l ei sp r o g r a m m e di no r d e rt of a c i l i t a t et h ec o m p a r i s o no ft h e p r o p o s e da l g o r i t h mr e s u l t s k e y w o r d s ：s t r a t a , e e r n e n tm a n t l e ，c a s i n g , e x t e r n a lp r e s s u r e ， c o l l a p s i n gs t r e n g t h ，f i n i t e e l e m e n t 唁 d 母 小 - b 目录 第1 章引言1 1 1 问题的提出及研究的意义。l 1 2 套管外挤力及抗挤强度研究现状2 1 2 1 国外套管外挤力及抗挤强度研究现状。2 1 2 2 国内套管外挤力及抗挤强度研究现状：7 1 3 目前研究中存在的问题9 1 4 本文研究内容及创新点。9 第2 章套管外挤力计算1 l 2 1 均匀地应力下的套管外挤力计算1 1 2 1 1 不考虑水泥环时套管外外挤力计算1 l 2 1 2 考虑水泥环时外挤力计算1 6 2 2 非均匀地应力下套管等效外挤力计算1 7 2 2 1 等效外挤力形式_ 1 2 2 2 等效外挤力算例2 0 2 3 套管外挤力有限元算法2 l 2 3 1 模型的建立和求解2 l 2 3 2 模型算例2 6 2 3 3 结果对比2 9 2 4 本章小结3 1 第3 章地层和水泥环对套管外挤力的影响规律3 2 3 1 地层特性对套管外挤力的影响3 2 3 1 1 地层弹性模量对套管外挤力的影响3 2 3 1 2 地层的泊松比对套管外挤力的影响。3 3 3 1 3 地应力非均匀程度对套管外挤力的影响3 5 3 2 水泥环特性对套管外挤力的影响3 7 3 2 1 水泥环弹性模量对套管外挤力的影响3 7 3 2 2 水泥环泊松比对套管外挤力的影响3 9 3 2 3 水泥环厚度对套管外挤力的影响4 1 3 3 水泥环和地层性质匹配情况对套管外挤力影响4 3 3 4 本章小结4 6 第4 章套管抗挤强度计算及影响因素分析4 8 4 1 非均匀地应力下套管外挤强度计算4 8 4 2 非均匀地应力下套管抗挤强度有限元分析5 2 4 3 地层对套管抗挤强度的影响5 4 4 3 1 地层的弹性模量对套管抗挤强度的影响5 5 4 3 2 地层的泊松比对套管抗挤强度的影响。5 7 4 3 3 地应力非均匀程度对套管抗挤强度的影响5 9 4 4 水泥环对套管抗挤强度的影响6 0 4 4 1 外挤力系数模型及卸载作用讨论6 0 4 4 2 水泥环缺失对套管抗挤强度的影响6 4 4 4 3 水泥环形状对套管抗挤强度的影响6 7 4 4 4 水泥环的弹性模量对套管抗挤强度的影响6 8 4 4 5 水泥环的泊松比对套管抗挤强度的影响7 0 4 4 6 水泥环的厚度对套管抗挤强度的影响7 2 4 5 软件的编制和介绍7 3 4 5 1 软件编制7 3 4 5 2 软件介绍7 4 4 6 本章小结：7 7 第5 章结论及建议7 9 参考文献8 1 附录8 ：； a 非均匀地应力条件下套管外挤力公式8 5 致谢9 ( ) 宙 f 秭 毫 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章引言 1 1 问题的提出及研究的意义、 实现钻井目的的前提是必须建立安全可靠的井筒系统，井筒系统主要由套管柱、水 泥环和地层组成。目前的井筒安全主要建立在对套管强度理论以及对于安全系数的评价 方法基础上。对于复杂载荷作用下套管一水泥环一地层岩石多层结构的相互作用机理，深 井复杂地层套管柱载荷的分布规律还没有深入的认识。对于一个完整的系统来说，任何 一个环节出现问题则整个系统的完整性将受到破坏，因此必须保证套管一水泥环一地层这 三个环节的完整。其中套管的完好无损是全井筒完整性比较重要的一个因素，但是套管 周围是水泥环的保护下，而水泥环又与地层接触，如果水泥环的密封性能连续性能等不 好，或者地层的条件复杂多变，这些都将加剧套管的破坏，进而使井筒完整性遭到破坏。 所以说整个井筒失效不是单个因素的作用，而是三个环节相互影响相互作用的结果，因 此对地层和水泥环联合作用下套管的外挤力和抗挤强度的研究就显得非常重要了。 在现行的套管柱强度设计标准中，一般主要考虑套管的轴向载荷、内压力和外挤压 力三种载荷，但是目前对外挤力的计算研究比较少，在分析套管强度时主要考虑三轴应 力条件下的套管的抗拉强度、抗内压强度和抗外挤强度n 一，在强度校核时也是主要考虑 三种载荷和强度相比较的安全系数。但是，只考虑这些还不行，同时也要根据具体工况 环境，结合套管柱在井下不同的服役阶段、不同受力环境来计算各项强度。国内目前仍 采用安全系数法进行套管柱设计，未考虑套管防腐能力与水泥环密封特性。如果忽视水 泥环和地层对套管的联合作用，容易出现固井质量差问题。由于固井质量差，将会产生 一系列问题，例如窜槽、水泥环不连续、密封地层流体密封的不好，这种情况会造成套 管与地层水的直接相接触，而套管如果与地层水直接接触的话将会加剧其腐蚀的速度， 减少了套管使用寿命，进而减少了整个井筒的使用年限。同时由于固井质量不好，水泥 环壁厚不均匀，套管内的应力也会集中，使套管在同样的外力条件下更容易被破坏掉， 也减少了套管的使用寿命。因此，加强对套管受力计算和强度分析的研究刻不容缓。该 课题目的就是针对以上套管柱强度设计中的问题，研究固井后在地层和水泥环联合作用 下套管的变形和应力分布规律，揭示不同地层环境和工况条件下套管柱的载荷特点及套 管柱载荷的随机性分布规律，建立套管柱在水泥环和地层的联合作用下载荷的分析理论 和方法，为实际现场套管柱的设计提供一定的参考和启发。 1 2 套管外挤力及抗挤强度研究现状 第1 章引言 套管的作用是不容忽视的，在钻井以及钻后都很重要，能够保护井筒，使井筒与周 围岩石中的各种复杂作用隔离开，保证了井筒的完整性，以确保安全的钻进。套管被挤 毁的原因主要是：套管外面承受的压力逐渐变大，当超过了其抗挤强度的时候，套管将 会被挤毁。而完整的井筒是由套管一水泥环一地层共同组成，因此套管的损坏将破坏了井 筒的完整性，进而会造成整个井筒的报废。在钻进的时候，套管内压过大也会使套管崩 裂进而造成套管的毁坏，但是由于套管周围地层复杂即工况各异，套管被挤毁破坏的情 况更常见，所以对套管的挤毁问题研究刻不容缓。而要研究套管的挤毁破坏，需要知道 套管的外挤力大小。国内外虽然对套管挤毁问题进行了很多的研究和探讨，但是大部分 是计算应力和强度，真正对计算套管外挤力研究却很少见。这是因为套管外挤力的影响 因素过于复杂，所以很多学者研究套管抗挤强度的时候只是研究了套管内的应力的大 小，对外挤力的研究比较少。关于套管强度方面，一直是个活跃的领域，国内外学者从 未停止过对其研究，很多问题也在一直不断的争论和探讨中。 1 2 1 国外套管外挤力及抗挤强度研究现状 套管被挤毁的问题非常普遍，美国的苏伊士湾油田、德克萨斯油田等该问题都很严 重，这是因为这些地区地层状况复杂，不确定性因素很多，因此套管设计时考虑因素也 比较多，对套管强度的要求较高。这种问题在油田开发到中后期时更是常见，例如，前 苏联的北高加索油田、西西伯利亚油田啪等，是比较典型的后期套管损坏严重的例子， 造成了很多经济损失，因此国外对套管挤毁问题的研究提上日程，并且不惜花费大量的 人力物力对套管抗挤问题进行研究。 关于套管抗挤强度的计算，国外目前最常用的是a p i 标准。根据不同的套管的径厚 比( d t ) ，美国石油学会把套管的挤毁压力分为以下几种：套管发生屈服挤毁时的压 力、套管发生塑性破坏时的压力、套管发生塑弹性挤毁时的压力、套管发生弹性挤毁时 的压力h 1 。这也是目前世界最常用的计算方式，但要知道这些公式的应用条件，即不存 在轴向力和内压力的情况下才可用。 ( 1 ) 屈服挤毁强度的计算公式： 2 ( 1 - 1 ) 哼 n p ； 一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 钐) 弦 4 ( a - 2 ) 2 + 8 ( a + c z ) + a 一2 = _ - _ _ _ i _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 。_ - 。_ _ _ - 。- 。一 2 ( b + c z ) 当( ) 弦( ) 盯时： 弓= 吼葡a 一别- 0 0 0 6 8 9 7 4 c ( 功盯= 瓦z ( 万a - f 丽) ( 3 ) 塑弹性挤毁强度的计算公式： 当( 动刀( 疆时： b 2 q 靠一g 】 c 功箔= 瑟 ( 4 ) 弹性挤毁强度的计算公式： 当( ) 阿时： 岛= 面3 2 硒3 7 1 而x1 0 可5 式中： d - 夕 径，m mo f 璧厚，m m ； d t - 径厚比，无因次； 以最小屈服强度，彪砌； 屈服时的最小压力，m p a ； 昂最小塑性挤毁压力，拟| p 口； b 最小塑弹性挤毁压力，m p a ； 只最小弹性挤毁压力，m e a ； 3 ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) ( 1 - 5 ) ( 1 _ 6 ) ( 1 - 7 ) 第1 章引言 z ： 垒 ： 6 8 9 4 7 5 7 1 0 一 分界值及其系数的取值可以通过查阅标准s y 厂r 5 3 2 2 - 2 0 0 0 得到。 表2 一la p i 公式的d t 分界值及其系数 t a b l e 2 1d ，tc u t - o f fv a l u ea n di t sc o e f f i c i e n to f a p if o r m e l a d t 范围 p pp r 钢级 ( d t ) y p( d t ) p 1 r( d t ) t ea bcfg h - 4 01 6 4 02 7 0 1 4 2 6 4 2 9 5 00 0 4 6 57 5 42 0 6 30 0 3 2 5 5 01 5 2 42 5 6 33 8 8 32 9 7 60 0 5 1 51 0 5 62 0 0 30 0 3 4 7 j k 5 51 4 8 l2 5 0 l 3 7 2 l 2 9 9 1 o 0 5 4 1 1 2 0 61 9 8 90 0 3 6 0 6 01 4 4 42 4 4 23 5 7 33 0 0 50 0 5 6 6 1 3 5 6 1 9 8 3 0 0 3 7 3 7 01 3 8 52 3 3 83 3 1 73 0 3 70 0 6 1 71 6 5 61 9 8 4o 0 4 0 3 c e 7 5 1 3 6 02 2 9 l3 2 0 53 0 5 40 0 6 4 2 1 8 0 61 9 9 00 0 4 1 8 l - n 8 01 3 3 82 2 4 73 1 0 23 0 7 10 0 6 6 71 9 5 51 9 9 80 0 4 3 4 c 9 01 3 0 12 1 6 9 2 9 1 8 3 1 0 60 。0 7 1 82 2 5 42 0 1 70 0 4 6 6 c - t - ) ( - 9 51 2 8 52 1 3 32 8 3 63 1 2 40 0 7 4 32 4 0 42 0 2 90 0 4 8 2 1 0 01 2 7 02 1 0 02 7 6 03 1 4 3 0 0 7 6 8 2 5 3 32 0 4 00 0 4 9 9 p g 1 0 51 2 5 72 0 7 02 6 8 93 1 6 20 0 7 9 42 7 0 22 0 5 3o 0 5 1 5 p 1 1 01 2 4 42 0 4 l2 6 2 23 1 8 lo 0 8 1 92 8 5 22 0 6 60 0 5 3 2 1 2 0 1 2 2 11 9 8 82 5 0 l 3 2 1 9 0 0 8 7 0 3 1 5 l 2 0 9 20 0 5 6 5 q - 1 2 5 1 2 1 11 9 6 32 4 4 63 2 3 90 0 8 9 53 3 0 12 1 0 60 0 5 8 2 - 1 3 0 1 2 0 21 9 4 02 3 9 4 3 2 5 80 0 9 2 03 4 5 1 2 1 1 9 0 0 5 9 9 s 1 3 51 1 9 21 9 1 82 3 4 43 2 7 80 0 9 4 63 6 0 12 1 1 30 0 6 1 5 - 1 4 01 1 8 41 8 9 72 2 9 83 2 9 70 0 9 7 13 7 5 12 1 4 60 0 6 3 2 - 1 5 01 1 6 71 8 5 72 2 1 13 3 3 60 1 0 2 14 0 5 32 1 7 40 0 6 6 6 - 1 5 51 1 5 91 8 3 7 2 1 7 0 3 3 5 6o 1 0 4 74 2 0 4 2 1 8 80 0 6 8 3 1 6 01 1 5 21 8 1 92 1 3 23 3 7 50 1 0 7 24 3 5 62 2 0 20 0 7 0 0 前苏联对套管抗挤方面的研究：当其它国家在此方面的研究还处在空白时期的时 4 1 l h j 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 候，前苏联已经从二十世纪三十年代开始研究这方面的问题。学者布尔卡柯夫首先得出 了变壁厚椭圆套管抗挤强度的计算公式嘲。当然，其它学者也从事着这个方向的研究。 在以后几年，学者铁木辛哥也进行了这方面的研究，并且用其它方法也得到了与布氏相 同的计算公式，这就是非常著名的布一铁公式： 廿卜筹”一 式中，e 是套管的椭圆度， 大挠度。 ( 1 - 8 ) e = 4 1 a 。d ，d 是套管的名义外径，鳓是套管的初始最 布尔卡柯夫通过实验，将上式化简为： 见_ 1 2 4 k 忙+ 傩2 ( 1 + 一扛+ 【以2 ( 1 + 善) 】2 _ 4 2 岛 ( 1 - 9 ) 上式在一段时期内曾被前苏联作为计算套管抗挤强度的标准，而到了5 0 年代采用 了萨氏( 萨尔奇索夫) 公式。这是因为该公式包括了很多影响套管强度的因素，在考虑 了套管椭圆度影响的同时，还考虑了套管壁厚不均匀度，因此其计算精度较布一铁公式 高，国外对套管抗挤问题的研究也在逐渐进步。 萨尔奇索夫公式： 纠虬 q + 磷触电一 后来萨氏公式又经过了一些改变： p 。乩1 k 施p + 职细+ 寿一 ( 1 1 0 ) 耶内敏柯公式： = 1 1 k ( a 一厕) 彳= q e k 2 【1 3 筇2 + 筇3 + 獗3 e ( 1 2 + 祁2 ) 】 b - - - 4 e k 2 盯y 1 - 3 2 f 1 2 + 印3 】 p = c 8 5 ) ) d ” ” h 坫 4 d 卜 卜 1 1 ， ， 0 n ( ( 第1 章引言 到了六十年代，随着科技的进步以及实验设备的完善，人们对挤毁理论的认识逐渐 深刻，向很多权威发理论发起了挑战，耶内敏柯就是其中的一个代表，萨氏公式的国家 标准地位终于开始了动摇。耶内敏柯等人应用弹塑性理论，并获得了很好的成果，这是 基于对材料的硬化效应进行了大量试验研究工作嫡1 ，实践才能出真知永远是个真理。一 直到九十年代，苏联人对套管挤毁的研究，从来没有停止过。 美国对套管抗挤方面的研究：七十年代，在前苏联对套管抗挤研究活跃的同时，美 国也没有停止。a p i ( 美国石油学会) 通过大量的实验，耗费大量的物力人力，将不同 规格的套管施加均布的压力进行挤毁实验，得到了大量的实验数据，最后对实验数据用 一定的数学方法进行处理，得到了套管的抗挤强度计算公式。由于该公式由大量的实验 数据做为基础，具有一定的精确性，因此该经验公式在很多国家被作为了计算抗挤强度 的标准，一直沿用至今；到了八十年代，美国很多学者开始考虑通过改变套管的结构来 增加套管的抗挤强度，其中著名的学者p a t t i l o 和p a n k i n 开始采用双层套管结构来增强 套管的抗挤能力，并在苏伊士湾做了试验，由于套管的双层结构加强了其抗挤能力，防 止了其被盐岩蠕变地层的挤毁破坏网。美国的很多学者此时已经发表的很多文献阐述了 套管在不同地层时的损坏机理，套管抗挤的研究在美国日益成熟，从实验到理论都有很 大的进展；到了九十年代，美国的学者对套管抗挤的研究不仅仅局限在单一的套管上， 学者e k h a l a f 和a h e i s a y e d 对组合套管做了很多研究，a p i 的标准是针对均匀外挤力 的，而对与非均匀外挤力是不适用的，因此这两位学者是针对非均匀载荷下的套管抗挤 问题进行的研究口】，该研究为组合套管工艺的提高和抗挤问题的进展做了重要贡献；随 着时间的进展，对套管抗挤问题的研究也逐渐扩展，套管磨损问题的日渐呈现引起了很 多学者的重视。学者j s s o n g 研究了磨损对套管抗内压的影响，并重点分析了月牙形磨 损。在研究的过程中，运用双极坐标原理得到了套管抗内压的计算公式，但是该公式具 有一定的适用条件，只有在磨损量大的时候才可以适用，否则计算的误差将增大，但是 其研究思想却为复杂工况下套管设计提供了理论依据嗍。 其他国家对套管抗挤方面的研究：在苏联和美国两大强势力对套管抗挤方面研究的 进展的同时，其它国家在这方面的研究也日渐重视，很多国家建立专门的实验室来研究 套管的抗挤问题。很多学者对套管的抗挤问题做了大量的实验，但是这些实验都有局限 性，即仅仅局限于外载荷是均匀的情况，对与非均匀地应力情况下抗挤问题的研究却很 少；日本钢管、新日铁、日本住友( s u m i t o n ) 金属、法国瓦鲁瑞克( v a l l a r e e ) 等公司 花费了大量的人力物力对不圆度缺陷和壁厚不均度缺陷的套管抗挤强度试验研究工作， 6 它 ；、 吣 ? 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 这些研究可以说是对a p i 套管抗挤强度公式的一种补充，因为a p i 公式中的套管都是完 好的套管嘲；完好的套管其强度很大，但是如果套管存在残余应力以及其它缺陷，其抗 挤强度会严重降低，t o m a n o 等人通过大量的实验和模拟，建立了考虑套管残余应力的 抗挤强度经验公式，该公式计算精度高于美国石油学会的公式计算精度，因为该公式同 时还包括了套管壁厚不均度、不圆度。由于综合考虑了这些因素，并有大量的实验做基 础，因此其计算精度较高。 国外对于不同外载条件下的套管强度理论和设计方法，主要步骤是先确定套管所受 外载，根据套管强度，选择合理准则进行套管强度设计与校核。套管的外载荷主要有： 外挤载荷、内压载荷和轴向载荷，有确定性和不确定性计算方法。目前，由于石油资源 的逐渐减少，石油的需求量却日益增加，钻井越来越往深层发展，地质构造和井下工况 的复杂使得套管的破坏形式也越来越多。我们不可能对所有工况进行室内实验，因为这 样不但成本比较高( 对于一些难模拟的工况条件即使花费了大量物力人力也达不到实际 现场的情况，差别很大) ，而且很可能得不到满意的结果。随着计算机技术的发展，仿 真模拟技术的进步，而且可靠性比较高，因此在石油行业采用计算机仿真模拟逐渐形成 一种趋势，本文的创新部分就是采用有限元软件进行模拟的。 1 2 2 国内套管外挤力及抗挤强度研究现状 国内石油开采过程中也出现了很多套管被挤毁现象，而且非常普遍，比如我国的大 庆油田、塔里木以及胜利油田等，而且这些油田的套管的损坏发生在后期的比较多。根 据资料的统计，国内稠油井和稀油井都发生了不同程度的损坏，稀油井的套管损坏率在 5 左右，而稠油井损坏的情况更严重，达到了1 0 以上n 叼。套管挤毁后，不仅仅破坏 的井筒的完整性，需要进行维护维修更换等等一系列的作业施工，影响油田的生产，造 成产量下降，严重的时候会造成整口井报废，因此由于套管损坏带来的经济损失是巨大 的n 。如果对套管的抗挤问题进行了比较成熟的研究，延缓或者减少套管的挤毁，从全 国来说这将挽回多少经济损失? 全国范围内那么多的套管损坏问题，可想而知，如果能 减少套管的损坏，其收益将会非常大的。 我国对于套管抗挤强度的计算主要经历了两个大的阶段，第一个阶段是2 0 世纪3 0 年代之前是采用原苏联f o c t 标准的，第二个阶段是在8 0 年代以后基本采用a p i 标准。 直n - - 十世纪七十年代末期，我国才有学者对套管破坏机理进行研究，因此我国对套管 抗挤问题的研究情况是起步比较晚，但是探索十分活跃。赵怀文等学者首先对该问题进 行了研究，在期刊上公开发表了很多文献，应用弹塑性理论对套管的变形和应力多了详 7 第1 章引言 细的分析，计算了套管的各种情况下的外挤压力，并对套管的抗挤强度计算问题做了详 细的阐述和探讨，奠定了早期国内套管抗挤问题计算的理论基础n 冽。随着时间的进行 和理论的成熟，国内学者对抗挤强度的研究也越来越多，早期学者窦益华乜u 、石油大学 的黄荣樽、邓金根等很多学者吻1 通过大量的实验研究，并结合现场实际对套管的变形和 损坏机理进行了大量的理论分析，这些努力是有效果的，学者们取得了一系列成就。对 此有特殊贡献的是韩建增学者，该学者对套管抗挤问题做了专门的研究，其博士论文就 是专门研究套挂抗挤问题，在论文中对抗挤强度计算公式进行了修正，并与实验结果进 行了对比，使计算误差更小计算结果更接近现场实际嘲。学者张占平研究了膨胀地层对 套管的影响规律，并给出了一种计算失稳破坏的公式，解决了一定的实际问题，但大多 情况下现场套管是发生的屈服破坏嘲1 。西南石油大学的曾德智等学者进行了更深入的研 究，当套管处于对非均匀载荷下是规律又是怎样的? 该学者以厚壁套管为例对其抗挤强 度进行了详细的分析，并建立了在该状态下的力学模型，并应用弹性力学逆解法进行了 求解，取得了一定的成果，使套管抗挤问题的研究又更进了一步嘲。学者管志川及其弟 子等对套管的自上而下和自下而上的设计方法进行了比较，并在此基础上对出砂井和盐 膏层的套管的抗挤问题做了详细的描叙，取得了较好的成果溉巩嚣别。练章华等学者通过 在全国主要的几个油田进行取芯，耗费了大量的精力，对盐岩蠕变做了大量岩芯蠕变测 试和有限元分析，并在国家自然基金的资助下编写了有关套管损坏机理的著作艄u 。学 者廖华林对套管损坏机理以及其强度设计时的影响因素做了比较系统的综合，并且用可 靠性理论研究了套管失效的风险评估臼2 一。东北石油学院的李志明学者和北京大学的殷 有泉学者对套管外挤力进行了详细的研究，并出版书籍，提出套管外挤力理论计算方法。 中石化胜利油田胜利油田钻井工艺研究院的赵洪山等学者对深井套管柱安全可靠性影 响因素进行了研究，分析了不同工况下套管的受力规律及磨损因素对套管强度的影响规 律。长江石油大学的张建忠等人考虑水泥环的存在对套管抗挤问题进行了研究，在有 水泥环时套管的受力和强度规律是不同的，而且考虑了非均匀地应力情况更复杂，但科 学就是这样由浅入深一点一点进步的，每一次的进步都包含了学者们的心血。杨永、张 毅等学者在九十年代后期对套管抗挤毁和残余应力等的影响进行了很多实验研究n 3 。 韩建曾、施太和学者对盐岩蠕变，套管缺陷等对抗挤强度影响进行了详细研究，并提出 了缺陷套管抗挤强度计算方法口3 ，中国石油大学的万立夫详细计算了磨损套管的剩余 抗挤强度h ，韩建曾学者的博士论文套管抗挤强度的研究对套管的外挤力和外挤强 度进行了详细的研究和分析h 。 8 i 点 k ： 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 虽然我国对套管抗挤毁能力的研究起步较晚，但是从上面国内对套管挤毁问题研究 的现状进展可以看出我国对其研究已日益活跃和成熟，我国的石油行业、地学界以及力 学界进行了很多的钻研和攻关。但是由于地层和井下情况的复杂，不可能找到一种通用 的计算方法适合所有的地区。因此对于套管抗挤毁能力的计算，很多情况下还是针对具 体的区块和井下状况和生产工艺，依赖于给出具体的数据