射孔套管抗外擠壓模擬試驗研究

王木樂，鄒 霞，尚 磊 (中原油田分公司采油工程技術研究院，河南 濮陽 457001)

射孔套管抗外擠壓模擬試驗研究

王木樂，鄒 霞，尚 磊 (中原油田分公司采油工程技術研究院，河南 濮陽 457001)

射孔降低套管強度是導致套管損壞的重要因素之一。為了研究射孔對套管強度的影響，使用長江500型壓力機對12個不同材料型號、不同射孔數(shù)量的套管進行抗外擠壓的模擬試驗，研究了套管射孔后的承載能力，分析了射孔與套管的性能關系。

套管；仿真射孔；抗擠壓；模擬試驗

射孔是國內(nèi)外油田增產(chǎn)、增注的有效措施，同時也是中原油田穩(wěn)產(chǎn)的主要手段。射孔對套管和水泥環(huán)都有影響，其影響程度取決于射孔深度，射孔孔徑、孔密、相位；但對其影響程度沒有一個量的概念，對射孔段套管設計缺少指導性補救措施。油田射孔套管的損壞在套損井中占有很高的比例，其影響因素是多方面的，原因很復雜，但最主要的因素是射孔作業(yè)對套管的影響，因此研究射孔對套管強度的影響，將未射孔和射孔套管進行抗外擠壓的模擬對比試驗，明確射孔直徑、射孔密度及相位對套管抗拉、抗外擠的影響關系及界限，對油田套管損壞的防治有著非常重要的意義。為此，筆者使用長江500型壓力機對12個不同材料型號、不同射孔數(shù)量的套管進行抗外擠壓的模擬試驗。

1 模擬仿真靶位試驗研究

為了研究分析射孔對套管的損傷程度，筆者首先進行了地面水泥靶仿真射孔試驗。用4種油田常用的套管，采用嘉華G級固井水泥，水洗石英砂。按仿真地層水泥標準制作8個靶位(技術指標如表1)，養(yǎng)護28d；使用常規(guī)89-1射孔槍系列，按設計射孔密度進行地面仿真射孔和重炮，共進行8組12次地面打靶試驗。試驗參數(shù)及結果見表2和圖1。

表1 仿真靶射孔技術指標

表2 仿真射孔試驗參數(shù)及結果

圖1 仿真射孔展開圖

從模擬試驗結果可以看出，射孔后炮眼為有規(guī)律性螺旋形布孔，重炮為無規(guī)律性，為非均勻外載抗擠試驗提供了試驗模型。

2 套管抗外擠壓模擬試驗

將未射孔和射孔套管進行抗外擠壓的模擬對比試驗研究，其目的是了解套管射孔后的承載能力。射孔性能不同的套管，當采用不同的射孔方法時，射孔后套管射裂的程度有很大差別，最好的是套管不產(chǎn)生射孔裂紋。但由于孔的存在，套管受到外力作用后，孔的周邊會產(chǎn)生應力集中，將使套管的抗擠能力有所降低。由于射孔裂紋的存在，在油井生產(chǎn)過程中，在井下動荷載的作用下，將會使裂紋擴展，最終使套管在低荷載的作用下，發(fā)生脆裂破壞。因此，對套管抗外擠壓的模擬試驗研究對完善套管的設計非常重要。

2.1試驗方法

將被試驗的套管埋藏在特制的金屬試驗盒內(nèi)，金屬試驗盒內(nèi)部尺寸為600mm×300mm×300mm。金屬試驗盒左右兩側的邊墻上各安裝有3只壓力傳感器(觀測套管受到擠壓后最小水平主應力的變化)，套管內(nèi)壁兩側的水平位置各粘貼有金屬絲電阻應變片(觀測套管受到擠壓后最小水平主應力的變化)，套管內(nèi)壁兩側的水平位置各粘貼有金屬絲電阻應變片(觀測套管受到擠壓后最小水平主應力方向上的應變值)。

先在金屬試驗盒內(nèi)裝50mm厚的砂泥土且壓實，再將套管居中放置在砂泥土上，然后在套管兩側及上部充填砂泥土且夯實(以保證套管周邊全被砂泥土包圍)，最后將金屬試驗盒置于長江500型壓力機上進行擠壓試驗。

試驗采取逐級一次加壓的方法，加至套管屈服和達到一定的塑性變形為止。

2.2試驗結果

試驗的套管有未射孔和已射孔2類，其長度為600mm，套管的材料型號有5inN80和5inP110，套管壁厚分為7.72、9.17和10.54mm，套管射孔的孔數(shù)分為9、12、和14孔。試驗研究是模擬套管在油井中受擠壓的狀況進行的，其試驗結果如圖2和表3。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，不同材料型號的套管其屈服強度有所不同，5inN80的屈服強度值明顯小于5inP110的屈服強度值，在相同材料型號和孔壁厚度的套管由于射孔數(shù)量的多少，其屈服強度值有一定的差異，射孔數(shù)量多的明顯低于射孔數(shù)量少的屈服強度值。

通過對12個不同材料型號、不同射孔數(shù)量的套管抗外擠壓的模擬試驗研究，從表3可以發(fā)現(xiàn)：

1)在相同材料型號和孔壁厚度的未射孔套管受外力擠壓后的屈服強度之差與未射孔的屈服強度之比的比值K(K為屈服強度降低系數(shù))，當射孔數(shù)量多則K值下降。

2)不同材料型號且孔壁厚度相同的套管，其屈服強度和K值有明顯不同，材料強度高的優(yōu)于強度低的，即5P110材料型號套管其屈服強度和K值就明顯優(yōu)于5N80材料型號的套管。

3)材料型號相同但孔壁厚度不同的套管其抗外擠屈服強度有明顯不同，即套管壁厚為10.54mm套管抗外擠屈服強度大于9.17mm套管大于7.72mm套管。

圖2 不同鋼級壁厚套管擠壓曲線圖

材料型號試件孔數(shù)射孔方法最大試驗荷載/kN最大試驗荷載套管變形量/mm長軸a短軸b屈服荷載/kN套管屈服抗外擠壓力/MPaσ1σ2強度降低系數(shù)K/%5N80×7.72 未2200141.4138.2110052.820.50 9孔2000144.2138.0100047.916.59.09 14孔1800146.0129.090043.213.018.185N80×9.17 未3200147.0134.0140067.124.20 9孔3000147.4135.5120057.617.114.29 14孔2800147.4135.5100047.917.528.575P110×9.17 未3200146.0136.6160076.724.10 9孔3250146.7138.4150071.629.26.25 12孔3250143.3138.8140066.823.812.55P110×10.54 未2500145.3138.0160076.726.80 10孔3250144.2138.0150071.918.66.25 14孔3000145.0137.0120057.621.325.00

3 結 語

1)由于試驗套管的長度為600mm，其長度偏小，今后最好對1000mm的套管抗外擠壓的模擬試驗研究。

2)有條件時應對常用的所有材料型號的套管進行套管抗外擠壓的模擬試驗研究。

3)由于射孔數(shù)量和孔徑對石油套管抗外擠壓的影響較大，應增加不同射孔數(shù)量和孔徑的套管試驗。

[1]萬仁溥.現(xiàn)代完井工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，1996.

[2]宗幼芄，趙懷文，郭鵑.油層射孔段套管抗擠能力的試驗研究[J].石油學報，1988，9(4)：84～87.

[3]王旱祥，顏廷杰，李增亮.射孔對套管強度的影響[J].石油機械，2000,23(5)：42～46.

[4]宋吉水.射孔對套管抗擠強度影響[J].遼寧工程技術大學學報，2008，27(4)：523～525.

[編輯] 洪云飛

TE931.207

A

1673-1409(2009)02-N057-03

2009-03-23

王木樂(1962-)，男， 1984年大學畢業(yè)，高級工程師，現(xiàn)主要從事石油工程方面的研究工作。