深井水平井套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)用探索

曲永林 靳盛（天津市大港油田石油工程研究院 郵編300280）

應(yīng)用水平井能夠提高有限的勘探和開發(fā)效益，能夠改變石油企業(yè)的經(jīng)營狀況，但是，隨著井不斷的打深，其地勢也越復(fù)雜，所以，對于水平井的套管強(qiáng)度也增加了一定的難度，對管柱的設(shè)計(jì)也有了更高的要求[1]。當(dāng)前，我國很多油田套管破壞的層度相當(dāng)?shù)膰?yán)重，給我國經(jīng)濟(jì)效益帶來了巨大的影響和損失。所以，在套管設(shè)計(jì)上要著重考慮，從而避免在套管下入后，套管遭到損壞，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益下降。水平井的井眼越復(fù)雜，油氣井的管套的負(fù)載量也將隨著變得復(fù)雜，套管在水平井的下入問題，是水平井固井的一大難題。套管在下入井眼傾斜路段之后，就會緊挨著井筒下面的井壁，在套管進(jìn)入水平段之后，就會平躺在下井壁上，這樣不僅減少了套管的重力推動(dòng)效果，還讓地層對管套的摩阻增大；與此同時(shí)，彎曲的井筒會迫使套管沿著井眼的軌道彎曲，讓套管受到附加彎矩的作用，套管下入困難時(shí)由于套管剛度和井筒的彎曲所導(dǎo)致的，因此套管設(shè)計(jì)還應(yīng)該考慮不同層度的摩阻影響以及附加軸向力等眾多的因素。

一、套管的摩阻分析和計(jì)算

建立水平井套管柱剛桿力學(xué)計(jì)算模型，主要是通過對套管柱的軸向力以及摩阻進(jìn)行計(jì)算，從而來達(dá)到預(yù)測大鉤的負(fù)載力和套管下入的深度。水平井的井眼是一條沒有規(guī)則的三維空間的曲線，井斜角和方位角都是隨著井眼曲線的變化而變化，因此，水平井也會跟隨者井身進(jìn)行彎曲。由于井眼的軌跡變化是比較復(fù)雜的，所以，不僅對井眼的曲線應(yīng)該適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行規(guī)劃，而且還要對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)募僭O(shè)。最基本的假設(shè)包括套管柱與井壁連續(xù)接觸，套管柱軸線與井眼軸線保持一致，井壁為剛性，則計(jì)算單元體為空間斜平面上的一段圓弧，鉆井液為賓漢姆流體等。再對其進(jìn)行具體的分析，要給該段曲線進(jìn)行必要的簡化。油氣井建井的重要環(huán)節(jié)在于套管柱的設(shè)計(jì)和固井，井中套管柱的設(shè)計(jì)和固井質(zhì)量的好壞，對井的鉆井起到了一定的影響，還對生產(chǎn)和采集能力以及壽命也有一定的影響。水平井中，套管的小愛如問題是水平井，完井的重點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。

二、套管外載力的計(jì)算

對套管的受力的正確分析,是套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重要前提。套管受力的分析師套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)之一。套管柱在鉆井和下入以及固井等不同地層的受力情況與其對應(yīng)的工藝都是比較復(fù)雜的，因此，要對其負(fù)載量進(jìn)行正確的分析，特別是對套管在井下，所承受的最危險(xiǎn)地段的載荷分析，套管雖然外載情況復(fù)雜,受力大小和方向不確定,但是就其對套管的作用,這樣才能夠保證套管的抗擠和抗裂以及抗拉能力，才能夠滿足安全鉆進(jìn)與生產(chǎn)的需要。雖然套管的外載情況比較復(fù)雜，其受力的大小與方向也不明確，但是套管的作用包括：內(nèi)壓力和外擠壓力以及套管的載荷分析等，在井下的條件是比較復(fù)雜的，因此，要考慮各種對套管受力因素的影響，要正確的選擇套管組合，從而減小套管破壞的現(xiàn)象出現(xiàn)，從而保證井眼的有效性[3]。例如：在水泥地方上，外擠壓力對鉆井液業(yè)主壓力的計(jì)算可利用公式：pc=0.00987ρmH，其中H是垂直的深度，ρm是鉆井液的密度。

三、影響套管強(qiáng)度的原因

傳統(tǒng)的套管設(shè)計(jì)中，忽略了套管的制造、套管在不同工況條件下強(qiáng)度的影響。因此，要通過查找相關(guān)的手冊來計(jì)算套管的強(qiáng)度。套管在境地的復(fù)雜受力情況來看，套管自身強(qiáng)度在受到不同層度影響之后，其強(qiáng)度是有所下降的，因此，在對套管進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定要正確的計(jì)算出套管的強(qiáng)度，加強(qiáng)對套管強(qiáng)度的分析。

1.制造因素對套管強(qiáng)度的影響

套管在生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)套管圓度不夠、壁厚不均勻以及殘余的應(yīng)力等，在生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)磨損、高溫、非均勻地應(yīng)力以及彎曲等作用力，都會對套管強(qiáng)度帶來一定的影響，從而降低套管強(qiáng)度。如果套管的圓度不夠以及壁厚不均勻，那么根據(jù)彈塑性力學(xué)理論來研究，其問題可以是平面應(yīng)變問題，從廣義上來說就是平行于平面方向上的應(yīng)變，在垂直于該面的方向上沒有應(yīng)變力學(xué)問題。有研究表明，殘余應(yīng)壓力會降低套管的強(qiáng)度。如果套管內(nèi)壁參與拉應(yīng)力比較小時(shí)，在均與的外壓力在，套管就會從內(nèi)到外開始屈服，當(dāng)套管表面的殘余應(yīng)壓力較大時(shí)，套管酒水從外到里開始屈服。因此，根據(jù)國際化標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)公式來計(jì)算出套管的抗擠強(qiáng)度，其中，x=py=2Yp*(t/D)*[1+t/(2D)]，e是表示不圓度，ε表示的是壁厚不均度，σr表示的參與應(yīng)力，Yp表示的是棺材的屈服強(qiáng)度，hn應(yīng)力，應(yīng)變曲線形狀系數(shù)，E表示楊氏模量，v表示泊松比，D表示管材的外徑，t表示管材的壁厚。

2.外部因素對套管強(qiáng)度的影響

套管在入井之后，由于其非均勻地一公里作用而受到非均勻外載的作用，因此在對其進(jìn)行研究的時(shí)候可以假設(shè)套管無限長，不考慮套管制造的缺陷，其次，還可以假設(shè)套管外壁受到兩個(gè)相互的垂直外擠力，并且套管的壁面的外載力是從大到小沿壁面環(huán)形均勻的變化。根據(jù)公式和實(shí)驗(yàn)得出外部罌粟對套管強(qiáng)度的影響，如圖1所示。

圖1 外部因素對套管強(qiáng)度的影響關(guān)系

3.套管磨損

套管磨損在比較輕的情況下，套管在鉆井過程中不會出現(xiàn)失效的情況，但是磨損會降低套管的強(qiáng)度，給安全鉆采以及長期采用造成了很大的威脅，當(dāng)磨損情況嚴(yán)重時(shí)，套管的強(qiáng)度將會大幅度的下降，當(dāng)超過套管的承受范圍時(shí)，就會出現(xiàn)一系列的問題，例如：套管破裂失效、井控困難以及井漏等情況的出現(xiàn)。

結(jié)束語

隨著技術(shù)的不斷完善和更新，水平井是目前世界范疇內(nèi)使用的最為廣泛的井口之一，是提高油田開發(fā)的綜合性最強(qiáng)的手段。面對目前所存在的問題，應(yīng)該積極的采取防護(hù)措施，加強(qiáng)套管的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，并且利用公式計(jì)算出在各種應(yīng)先下，套管所承受的強(qiáng)度。

[1]劉世奇.高溫高壓深井試氣管柱受力分析[D].中國石油大學(xué).2010，（02）：85-87.

[2]韓志勇.關(guān)于"套管柱三軸抗拉強(qiáng)度公式"的討論[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011 ，（04）：77-78.

[3]黃根爐，陳忠?guī)洠R慶濤.等.彎曲井眼中套管抗擠強(qiáng)度的計(jì)算[J].石油機(jī)械，2011 ，（04）：38-40.