油氣井管柱完整性技術(shù)研究進(jìn)展與展望

馮耀榮 韓禮紅 張福祥 白真權(quán) 劉文紅

1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·石油管工程技術(shù)研究院 2.中國(guó)石油塔里木油田公司

1 油氣井管柱完整性的提出與發(fā)展

20世紀(jì)70年代末到80年代初，隨著斷裂力學(xué)的發(fā)展，國(guó)際上提出結(jié)構(gòu)完整性的概念，形成了基于斷裂力學(xué)和結(jié)構(gòu)極限承載能力的含缺陷結(jié)構(gòu)能否繼續(xù)使用的定量工程評(píng)價(jià)方法，隨后形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)并不斷發(fā)展和完善，并在核工業(yè)、煉化管道和壓力容器、大型焊接結(jié)構(gòu)、油氣輸送管道等工業(yè)領(lǐng)域得到成功應(yīng)用［1－14］。80年代初，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位在開(kāi)展大量研究工作的基礎(chǔ)上，形成了含缺陷壓力容器的安全評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)，隨后不斷發(fā)展完善至90年代中期形成了新的標(biāo)準(zhǔn)，并在壓力容器、管道和焊接結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域得到應(yīng)用［15－17］。

從20世紀(jì)80年代末90年代初開(kāi)始，國(guó)際上提出了基于油氣井管柱的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和可靠性技術(shù)的管柱設(shè)計(jì)和安全系數(shù)確定方法［18－22］。隨后，美國(guó)石油學(xué)會(huì)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了針對(duì)新生產(chǎn)的油套管性能計(jì)算方法及螺紋連接強(qiáng)度和密封性的實(shí)物實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［23－24］。90年代初，李鶴林院士主持引進(jìn)國(guó)際上油套管螺紋連接和密封性評(píng)價(jià)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)裝備，建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)油套管實(shí)物性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室，提出并開(kāi)展了油套管結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性的試驗(yàn)評(píng)價(jià)和研究［25］?！熬盼濉逼陂g，石油管工程技術(shù)研究院張平生教授主持開(kāi)展了含缺陷鉆桿的適用性評(píng)價(jià)方法研究，形成了鉆桿安全可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)［26］。近年來(lái)，石油管工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科技管理部的支持下，持續(xù)開(kāi)展了油氣井管柱完整性技術(shù)研究，取得了多項(xiàng)重要研究成果［27］。

2010年以來(lái)，筆者在相關(guān)的國(guó)際會(huì)議和學(xué)術(shù)技術(shù)研討會(huì)上先后作了“油井管柱的完整性與完整性管理”、“石油管失效分析預(yù)測(cè)預(yù)防與完整性管理”“‘三超’（超深、超高溫、超高壓）氣井油套管柱的完整性”“對(duì)塔里木‘三超’氣井管柱完整性的認(rèn)識(shí)與建議”等報(bào)告或發(fā)表相關(guān)文章［28－32］。2013年以來(lái)，李鶴林院士以“油套管柱的失效控制與完整性管理技術(shù)”為題在院內(nèi)外作了多次學(xué)術(shù)報(bào)告。

近20年來(lái)，石油天然氣井深平均增加了一倍以上，井內(nèi)溫度、壓力相應(yīng)提高；一些地質(zhì)和環(huán)境條件十分苛刻的油氣田，包括嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境油氣田相繼投入開(kāi)發(fā)；鉆井提速、鉆井和完井新技術(shù)、新工藝陸續(xù)投入使用。油氣井管材及管柱的失效模式發(fā)生了重要變化，失效事故頻發(fā)對(duì)油氣田生產(chǎn)和安全造成嚴(yán)重影響，而失效事故頻發(fā)的根本原因是對(duì)油氣井管材及管柱系統(tǒng)的完整性和可靠性缺乏系統(tǒng)全面的考慮和管理，其中的某一個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)成為薄弱環(huán)節(jié)。所以提出要進(jìn)一步發(fā)展油氣井管材及管柱完整性技術(shù)和實(shí)行完整性管理，從而大大降低油氣井管材及管柱失效發(fā)生率，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。完整性技術(shù)和完整性管理是預(yù)防油氣井管材及管柱失效、確保長(zhǎng)期安全服役的重要措施。

油氣井管材及管柱的完整性管理指對(duì)所有影響油氣井管材及管柱完整性的因素進(jìn)行綜合的、一體化的管理。完整性是一種綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和管理的理念，它貫穿于油氣井管材及管柱整個(gè)壽命周期的全過(guò)程。油氣井管材及管柱完整性的本質(zhì)和核心是油氣井管材及管柱全壽命周期的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性。油氣井管材及管柱完整性與管柱設(shè)計(jì)、管材制造、質(zhì)量評(píng)價(jià)與控制、現(xiàn)場(chǎng)使用、維護(hù)、檢修和管理等過(guò)程密切相關(guān)。油氣井管材及管柱完整性的主要內(nèi)容包括：特定工況條件分析（力學(xué)條件、環(huán)境條件等），數(shù)據(jù)采集、匯總及分析，風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別、分類(lèi)、失效分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，管柱設(shè)計(jì)、管材選用、適用性評(píng)價(jià)，目標(biāo)可靠度確定及可靠性設(shè)計(jì)、壽命預(yù)測(cè)，完整性評(píng)價(jià)（適用性評(píng)價(jià)、安全可靠性評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)），完整性評(píng)價(jià)結(jié)果的決策、響應(yīng)及反饋（修改設(shè)計(jì)、重新選材、強(qiáng)化管材制造質(zhì)量控制、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)使用／維護(hù)／檢修等過(guò)程管理）、風(fēng)險(xiǎn)控制（失效控制），完整性管理體系、標(biāo)準(zhǔn)及作業(yè)文件。而基于可靠性的管柱設(shè)計(jì)、基于應(yīng)變的管柱（管線）設(shè)計(jì)、適用性評(píng)價(jià)、安全可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)是油氣井管材及管柱完整性技術(shù)發(fā)展的重要方向。

2 油氣井管柱完整性的主要研究進(jìn)展

2.1 鉆桿適用性評(píng)價(jià)方法研究與應(yīng)用

“九五”期間，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司石油管工程技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)管研院）與相關(guān)單位合作，研究建立了鉆桿安全可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)及軟件（圖1），隨后又上升為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在石油鉆桿失效分析和安全評(píng)價(jià)中得到應(yīng)用［26，33］。主要功能包括：損傷鉆桿的安全性評(píng)價(jià)（FAD評(píng)價(jià)與極限缺陷尺寸曲線）；鉆桿疲勞壽命預(yù)測(cè)；鉆桿安全可靠性及風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；鉆桿的操作極限（包括API RP 7G的內(nèi)容）；鉆桿斷裂事故原因的定量分析。主要技術(shù)創(chuàng)新成果包括：

1）研究解決了鉆桿裂紋型缺陷失效評(píng)價(jià)圖關(guān)鍵技術(shù)，包括韌性比（Kr）和載荷比（Lr）的計(jì)算方法；采用有限元方法對(duì)鉆桿進(jìn)行了系統(tǒng)的應(yīng)力計(jì)算分析，并求得鉆桿裂紋型缺陷的應(yīng)力強(qiáng)度因子解。

2）采用強(qiáng)度和韌性雙判據(jù)進(jìn)行鉆桿疲勞壽命預(yù)測(cè)；以可靠性理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)解決了FAD中處理不確定性問(wèn)題的4種方法：①敏感性分析。完成了7參數(shù)（一次應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、斷裂韌性、裂紋深度、裂紋長(zhǎng)度、外徑、壁厚）敏感性分析。②安全系數(shù)（裕度）。完成了4參數(shù)（載荷、韌性、裂紋深度、裂紋長(zhǎng)度）安全裕度計(jì)算。③分安全系數(shù)（PSF）：將3種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的應(yīng)力、缺陷尺度、斷裂韌性的分安全系數(shù)引入評(píng)價(jià)軟件。④失效概率的MONTE－CARLO模擬。完成了5參數(shù)（一次應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、斷裂韌性、裂紋深度、裂紋長(zhǎng)度）快速 Monte Carlo模擬。

3）在國(guó)內(nèi)外首次將含有缺陷結(jié)構(gòu)的適用性評(píng)價(jià)技術(shù)及《鉆柱設(shè)計(jì)和操作極限》（API RP 7G）聯(lián)合用于鉆桿評(píng)價(jià)；自主開(kāi)發(fā)了功能齊全、使用方便的鉆桿適用性評(píng)價(jià)軟件。

軟件主要功能包括：計(jì)算鉆桿操作極限；損傷鉆桿的FAD評(píng)價(jià)；鉆桿疲勞壽命預(yù)測(cè)；定量失效分析；安全可靠性及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。軟件內(nèi)置有關(guān)鉆桿材料性能數(shù)據(jù)；提供功能強(qiáng)大的鉆井力學(xué)計(jì)算工具。

“十五”以來(lái)，在前期關(guān)于鉆柱構(gòu)件安全韌性判據(jù)研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)API高鋼級(jí)鉆桿和酸性環(huán)境用鉆桿，系統(tǒng)研究建立了鉆桿安全使用的韌性判據(jù)和指標(biāo)［34－35］；同時(shí)，基于累積損傷理論建立了鉆鋌螺紋疲勞壽命計(jì)算模型和方法，以及含裂紋鉆鋌安全可靠性評(píng)價(jià)與壽命預(yù)測(cè)方法［35］。

圖1 鉆桿適用性評(píng)價(jià)基本程序［26］

2.2 “三超”氣井套管柱可靠性設(shè)計(jì)與完整性評(píng)價(jià)技術(shù)

在中國(guó)石油集團(tuán)公司“十二五”應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“油井管柱完整性技術(shù)研究”的支持下，管研院聯(lián)合中國(guó)石油大學(xué)（華東），并與加拿大C－FER公司、塔里木油田、新疆油田合作，研究提出了“三超”氣井套管失效概率和可靠性計(jì)算方法［27］，基于響應(yīng)面的隨機(jī)有限元方法建立了基于可靠性的“三超”氣井特殊螺紋接頭密封極限狀態(tài)模型，提出了基于可靠性的油套管柱密封極限狀態(tài)設(shè)計(jì)與計(jì)算程序。制定了“油氣井管柱完整性管理”石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)圖2。開(kāi)發(fā)了“油套管柱可靠性設(shè)計(jì)與完整性評(píng)價(jià)系統(tǒng)”軟件。主要技術(shù)創(chuàng)新成果包括：

2.2.1 確立了“三超”氣井套管柱失效模式與失效概率計(jì)算方法

“三超”氣井套管失效的主要模式分為管體破裂、橫向斷裂、擠毀、螺紋泄漏、滑脫、螺紋斷裂、接箍縱裂、管柱失穩(wěn)等8種。套管各失效模式對(duì)應(yīng)的失效概率為：

式中pf泛指套管各種失效形式的失效概率；p（·）為事件概率；Z泛指套管各種失效形式所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)值，Z＞0說(shuō)明套管沒(méi)有發(fā)生對(duì)應(yīng)形式的失效，Z＜0說(shuō)明套管發(fā)生對(duì)應(yīng)形式的失效，Z＝0時(shí)即為套管不發(fā)生對(duì)應(yīng)形式失效的極限狀態(tài)。L泛指套管載荷；RS泛指套管強(qiáng)度；f（·）、g（·）分別為套管載荷和套管強(qiáng)度的概率密度函數(shù)。

圖2 油套管可靠性設(shè)計(jì)與計(jì)算程序圖

2.2.2 采用故障樹(shù)分析方法，構(gòu)建了“三超”氣井套管柱失效故障樹(shù)，形成了套管柱系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)基本流程

系統(tǒng)研究了套管材料強(qiáng)度特性、載荷特性、設(shè)計(jì)安全系數(shù)對(duì)套管柱可靠性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在套管強(qiáng)度隨機(jī)分布參數(shù)確定的情況下，套管的可靠性主要取決于套管載荷的隨機(jī)性。當(dāng)載荷變差系數(shù)較小時(shí)，在較小范圍內(nèi)提高安全系數(shù)，可以使套管具有很高的可靠度，當(dāng)載荷變差系數(shù)較大時(shí)，必須較大幅度提高套管的安全系數(shù)，可使套管具有更高的可靠度。研究發(fā)現(xiàn)，套管的抗內(nèi)壓可靠度、抗拉可靠度與安全系數(shù)之間具有相同的規(guī)律。

2.2.3 初步建立了基于可靠性的油氣井管柱強(qiáng)度和密封性計(jì)算模型、計(jì)算方法和判據(jù)，形成了“三超”氣井油套管柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性評(píng)價(jià)方法

初步建立了強(qiáng)度失效準(zhǔn)則：用危險(xiǎn)部位的等效塑性應(yīng)變來(lái)評(píng)估接頭的結(jié)構(gòu)承載能力，推薦10%的塑性應(yīng)變值作為評(píng)估閾值。

初步建立了特殊螺紋接頭密封失效準(zhǔn)則：特殊螺紋接頭密封性用密封接觸強(qiáng)度f(wàn)s來(lái)表示，由密封接觸應(yīng)力σc在有效密封寬度x上積分來(lái)定義：fc＝∫σcdx。

接頭密封性能所需的密封接觸強(qiáng)度最小值為250 N／mm。

2.2.4 采用基于響應(yīng)面方法的隨機(jī)有限元方法，建立了“三超”氣井套管密封可靠性設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)方程和計(jì)算程序

2.2.5 初步建立了油氣井管柱完整性管理流程，形成石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《油氣井管柱完整性管理》，為解決目標(biāo)區(qū)塊高溫高壓氣井井筒完整性問(wèn)題提供了參考2.2.6 開(kāi)發(fā)形成《套管柱可靠性設(shè)計(jì)與完整性評(píng)價(jià)系統(tǒng)》工程應(yīng)用軟件，可應(yīng)用于“三超”氣井套管柱的可靠性分析評(píng)價(jià)

2.3 “三超”氣井管柱腐蝕行為及完整性評(píng)價(jià)技術(shù)

系統(tǒng)研究獲得了“三超”氣井油管腐蝕失效特征及影響因素，揭示了超級(jí)13Cr油管的耐蝕性隨溫度、CO2分壓、Cl－濃度和流速以及酸化環(huán)境、完井液、加載應(yīng)力的變化規(guī)律、腐蝕行為和特征，形成了一套基于井筒全壽命周期的腐蝕完整性選材評(píng)價(jià)技術(shù)［27］，并聯(lián)合開(kāi)發(fā)了用于模擬油套管井下服役工況的實(shí)物拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)，為塔里木“三超”氣田油管選材提供決策依據(jù)。

2.3.1 研究揭示了溫度、CO2分壓、流速和Cl－濃度等主要腐蝕因素對(duì)超級(jí)13Cr油管材料的影響規(guī)律

圖3反映出腐蝕速率隨溫度增加而增大，在CO2分壓3MPa、Cl－濃度為50mg／L時(shí)腐蝕速率最大，當(dāng)流速達(dá)到某一臨界值時(shí)，腐蝕速率不受流速影響。

2.3.2 碳鋼、13Cr、15Cr油套管材料在“三超”氣井中均會(huì)產(chǎn)生腐蝕問(wèn)題

鮮酸酸化是造成油套管腐蝕的主要因素，超級(jí)13Cr油套管基本可以滿足庫(kù)車(chē)山前工況要求，不同生產(chǎn)廠家的超級(jí)13Cr其耐蝕性存在較大的差異性。①油套管在170℃的超高溫工況下發(fā)生了不同程度的局部腐蝕，可見(jiàn)微觀點(diǎn)蝕坑。②超級(jí)13Cr管材的力學(xué)性能和耐蝕性能滿足庫(kù)車(chē)山前地區(qū)的“三超”氣井工況，但經(jīng)過(guò)酸化壓裂后油管出現(xiàn)腐蝕失效。③超級(jí)13Cr油管材質(zhì)的耐蝕性基本能夠滿足酸化壓裂和生產(chǎn)要求。其腐蝕（點(diǎn)蝕）主要發(fā)生在鮮酸酸化階段，單獨(dú)殘酸返排過(guò)程和地層水生產(chǎn)工況對(duì)超級(jí)13Cr腐蝕較輕。④超級(jí)13Cr油管在鮮酸腐蝕的基礎(chǔ)上，鮮酸腐蝕與殘酸返排過(guò)程和生產(chǎn)工況之間存在協(xié)同腐蝕效應(yīng)（全程酸化過(guò)程中油管總體腐蝕遠(yuǎn)大于獨(dú)立鮮酸酸化過(guò)程和殘酸返排過(guò)程腐蝕之和）。⑤不同廠家超級(jí)13Cr管材在同樣的腐蝕環(huán)境中腐蝕速率差別較大，因此需根據(jù)訂貨技術(shù)條件進(jìn)行嚴(yán)格產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

圖3 溫度、CO2分壓、流速和Cl－對(duì)超級(jí)13Cr油管材料腐蝕速率的影響圖

2.3.3 研究揭示了“三超”氣井油管管體和接箍在有機(jī)鹽環(huán)空保護(hù)液中的外壁發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的機(jī)理

2.3.4 研究建立了基于氣井全壽命周期的油管選材與評(píng)價(jià)方法

包含酸化壓裂、完井生產(chǎn)2個(gè)作業(yè)過(guò)程，鮮酸酸化、殘酸返排、凝析水、地層水、完井液5個(gè)工況環(huán)境＋恒定載荷、交變載荷、管柱震顫3個(gè)力學(xué)因素，斷裂、腐蝕、泄漏3種主要失效模式。

2.3.5 聯(lián)合研發(fā)了可模擬油套管井下服役工況的實(shí)物拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)，形成了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法

該裝置研究了酸化壓裂過(guò)程中酸液腐蝕因素和內(nèi)壓＋拉伸力學(xué)因素協(xié)同作用造成的實(shí)物油管發(fā)生點(diǎn)蝕—應(yīng)力腐蝕失效。

可用于模擬油氣田井下高溫、高壓、高流速及腐蝕和受力環(huán)境以及井下酸化作業(yè)環(huán)境石油專(zhuān)用管管材的耐蝕性能評(píng)價(jià)、油套管密封結(jié)構(gòu)的可靠性檢測(cè)和評(píng)估、材料的耐蝕性及密封可靠性的影響因素及其作用規(guī)律研究。

2.4 基于應(yīng)變的熱采井套管柱設(shè)計(jì)與選材技術(shù)

以彈—塑性變形理論為基礎(chǔ)，以應(yīng)變?yōu)橹骺貐?shù)，引入均勻延伸率、蠕變速率等技術(shù)指標(biāo)，建立了熱采井基于應(yīng)變的套管柱設(shè)計(jì)方法、管材性能指標(biāo)體系、螺紋連接及適用性評(píng)價(jià)方法［27］，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的應(yīng)力設(shè)計(jì)方法。聯(lián)合開(kāi)發(fā)了80SH新型套管，制定了4項(xiàng)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。采用常規(guī)固井技術(shù)在新疆油田完成了8口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，完成7輪注汽后測(cè)井驗(yàn)證，應(yīng)用效果良好。

2.4.1 明確了熱采井套管損壞機(jī)理，提出從管柱設(shè)計(jì)入手，預(yù)防套管損壞

熱采井變形、縮徑、斷裂、脫扣的根源是發(fā)生了塑性變形；熱采井套管剪切的重要原因是蒸汽泄漏導(dǎo)致泥巖層膨脹，而泄漏根源是高溫密封失效；以彈塑性理論為依據(jù)，建立基于應(yīng)變的套管柱設(shè)計(jì)方法，充分考慮管材塑性變形特征，發(fā)揮材料潛能，保障套管柱全壽命周期使用安全。

2.4.2 繼承現(xiàn)有應(yīng)力設(shè)計(jì)方法，確定套管基本鋼級(jí)

采用三軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)，滿足鉆完井套管強(qiáng)度要求。三軸強(qiáng)度校核結(jié)果表明，作業(yè)工況下，管柱承受的載荷均在80%VME應(yīng)力橢圓內(nèi)，且整個(gè)管柱載荷線在其安全區(qū)域內(nèi)。

2.4.3 提出應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)判據(jù)，建立設(shè)計(jì)應(yīng)變和許用應(yīng)變確定方法

1）以試驗(yàn)和解析計(jì)算為基礎(chǔ)，通過(guò)仿真分析，獲得全壽命內(nèi)蠕變應(yīng)變和土壤應(yīng)變，確定管柱設(shè)計(jì)應(yīng)變。

式中εd為設(shè)計(jì)應(yīng)變；εt為熱應(yīng)變（解析）；εc為蠕變應(yīng)變（仿真）；εb為彎曲應(yīng)變（解析）；εs為土壤應(yīng)變（仿真）；εf為屈曲應(yīng)變（解析）；εa為許用應(yīng)變；δ為均勻延伸率（試驗(yàn)）；F為安全系數(shù)（大于等于1.5）。

2）以試驗(yàn)為手段，建立材料許用應(yīng)變確定方法。

2.4.4 建立了熱采工況模擬試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，評(píng)估管柱服役安全性

2.4.5 指導(dǎo)完成了Cr－Mo＋微合金中溫低合金耐熱鋼HSTG80SH開(kāi)發(fā)，熱采工況使用性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)主要熱采套管

2.4.6 開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證技術(shù)有效性，完善技術(shù)體系

采用常規(guī)固井方式，完成風(fēng)城區(qū)5口井、紅003區(qū)3口井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，完成7輪注汽后測(cè)井，管柱服役狀態(tài)良好。

2.4.7 建立了套管柱設(shè)計(jì)、選材、螺紋連接及評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和熱采井套管柱設(shè)計(jì)程序

①SY／T 6952.1—2014基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的熱采井套管柱 第1部分設(shè)計(jì)方法；②SY／T 6952.2—2013基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的熱采井套管柱 第2部分套管；③SY／T 6952.3—2013基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的熱采井套管柱第3部分適用性評(píng)價(jià)方法；④SY／T 6952.4—2014基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)的熱采井套管柱 第4部分套管螺紋連接。圖4為熱采井套管柱設(shè)計(jì)程序。

圖4 熱采井套管柱設(shè)計(jì)程序圖

3 油氣井管柱完整性的技術(shù)需求與展望

油氣井管柱的完整性對(duì)鉆完井及生產(chǎn)作業(yè)高效、安全及經(jīng)濟(jì)性具有重要影響。通過(guò)近20年來(lái)的持續(xù)研究和攻關(guān)，形成了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)并有效支撐了油氣田的發(fā)展。當(dāng)前，我國(guó)油氣田勘探開(kāi)發(fā)的工況環(huán)境發(fā)生了很大變化，“三超”、嚴(yán)重腐蝕、非常規(guī)、特殊工藝和特殊結(jié)構(gòu)井等油氣井管柱服役環(huán)境日趨復(fù)雜，現(xiàn)有技術(shù)仍不能滿足安全與經(jīng)濟(jì)性要求，給油氣井管材與管柱提出了更高的要求。所以，必須持續(xù)發(fā)展油氣井管柱完整性技術(shù)，為油氣井管柱服役安全及油田高效、經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

1）西部深層勘探開(kāi)發(fā)，高鋼級(jí)、大壁厚套管用量持續(xù)增加，山前構(gòu)造、巖鹽層、泥巖層引發(fā)的非均勻載荷，定向井、水平井彎曲載荷及地層載荷，管材不完整性及作業(yè)損傷造成服役性能下降，及與環(huán)境介質(zhì)的協(xié)同作用，導(dǎo)致套管大量失效。以塔里木油田為例［36］：2008—2012年發(fā)生套管失效63井次，其中：鉆井過(guò)程失效17口井，磨損4口、變形5口、破裂4口、斷裂3口、脫扣1口。開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中套損失效46井次，占73%。塔里木在用套管116種，涉及材質(zhì)5種、鋼級(jí)8種、24種規(guī)格、19種扣型、廠家7家以上；聯(lián)合開(kāi)發(fā)了1 9種高鋼級(jí)套管，但仍不能有效抑制管柱失效。需要持續(xù)完善和發(fā)展套管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)與管材選用及完整性評(píng)價(jià)技術(shù)。

2）非常規(guī)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)，由于長(zhǎng)距離水平井下套管摩阻效應(yīng)、造斜段彎曲載荷效應(yīng)、水平段大載荷多級(jí)壓裂、循環(huán)壓裂引發(fā)的復(fù)雜載荷譜、地層應(yīng)力等綜合作用，套管柱失效頻繁，安全性與經(jīng)濟(jì)性的矛盾突出。以西南油氣田為例［37］：威遠(yuǎn)和長(zhǎng)寧氣田長(zhǎng)距離水平井段反復(fù)壓裂下套管柱變形問(wèn)題突出，2013年布置的12口井中8口井套管發(fā)生失效。套管鋼級(jí)從P110至Q125，再到V140，迫于經(jīng)濟(jì)壓力，又開(kāi)始選用Q125；套管扣型先是普通圓螺紋，后改為氣密封特殊螺紋。套管選用技術(shù)需要完善。隨著頁(yè)巖氣的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，急需建立針對(duì)性的套管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)、選材及完整性評(píng)價(jià)技術(shù)。

3）西部“三超”高含CO2氣井環(huán)境及壓裂酸化工況復(fù)雜，由于高溫、高壓、復(fù)雜腐蝕介質(zhì)環(huán)境、大載荷壓裂及酸化作業(yè)工藝、反復(fù)開(kāi)關(guān)井引發(fā)的動(dòng)載效應(yīng)的聯(lián)合作用，油管泄漏和腐蝕嚴(yán)重。以塔里木油田為例［36］，近5年油管失效123井次，其中：試油完井過(guò)程失效21井次，其中脫扣3次、斷裂4次、接箍開(kāi)裂12次、本體縱裂1次、本體擠毀2次、腐蝕穿孔3次、絲扣腐蝕3次。其中接箍開(kāi)裂、油管斷裂占43%。開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程失效102井次，其中腐蝕穿孔95次，接箍開(kāi)裂7次。克拉氣田等重點(diǎn)區(qū)塊50%以上環(huán)空帶壓，安全風(fēng)險(xiǎn)顯著上升，庫(kù)存滯留及管材成本壓力巨大。在用油管96種，涉及規(guī)格6種、材質(zhì)7種、鋼級(jí)3種、壁厚12種、扣型9種、廠家7家以上，聯(lián)合開(kāi)發(fā)了超級(jí)13Cr氣密封油管9種，仍然不能滿足生產(chǎn)需求；油管性能評(píng)價(jià)從二級(jí)提升到四級(jí)，仍然不能有效預(yù)防失效。需要深入研究揭示油管的點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕機(jī)理、掌握腐蝕規(guī)律和影響因素、研究腐蝕與泄漏的耦合效應(yīng)、密封機(jī)理及影響因素、密封判據(jù)，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)、選材選型、完整性評(píng)價(jià)技術(shù)。

4）在役油氣井管柱在生產(chǎn)和使用過(guò)程中產(chǎn)生的各種缺陷及損傷往往使其服役性能偏離原始設(shè)計(jì)，復(fù)雜環(huán)境下安全風(fēng)險(xiǎn)突顯，失效事故頻發(fā)。全國(guó)油氣田套損井比例居高不下，已超過(guò)10%；油管腐蝕比較普遍；鉆柱構(gòu)件斷裂頻繁。需要深入研究含缺陷油氣井管柱缺陷檢測(cè)、安全評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)、維修補(bǔ)強(qiáng)等關(guān)鍵技術(shù)。

5）從油氣井管柱全壽命周期的安全可靠性及經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，深入開(kāi)展復(fù)雜工況油氣井管柱完整性技術(shù)研究，建立油氣井管柱完整性管理體系和配套的支撐技術(shù)體系，保障油氣田安全、經(jīng)濟(jì)、高效勘探開(kāi)發(fā)和長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

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