高温高压井套管柱设计和强度校核

套管 直径 mm
套管 地层压力当量密度 泥浆
鞋深 孔隙压力破裂压力 密度
m
kg L kg L kg L
井底 温度 ℃
备 注
24415 17718
3850 4568
1180 2108
2123 2132
2120 2127
177 技术套管
203
生产套管 下尾管后回接
图 2 为温度对套管屈服强度影响曲线, 它是根据 该型号套管在不同温度下屈服值下降系数计算得到 的。 图中虚线代表套管的本体屈服强度曲线; 实线表 示经过温度影响校核后的有效屈服强度, 它是一条连 续的曲线, 从中可观察到任意井深处屈服强度值的变 化量。 由图 2 可以看出, 在高温高压井中, 温度对套 管屈服强度影响较大, 在该例中最大值达到 7% , 下降 值为 532145kN。
图 2 温度对屈服强度的影响
图 3 为双轴应力计算结果, 同时给出了载荷曲线 (粗实线)、 套管本体抗外挤强度曲线 (细实线) 和在 轴向力作用下的有效抗外挤强度曲线 (虚线)。套管有
第 30 卷第 1 期 杨明合等: 高温高压井套管柱设计和强度校核
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效抗外挤强度变化趋势为: 在轴向应力零点以下和以 上, 套管的抗外挤强度分别出现了增加和下降的趋势。 相应地在井底和井口分别达到了最大值, 变化值分别 为 1163M Pa 和 10171M Pa。值得注意的是, 在井底套 管的抗外挤强度增加了 1163M Pa, 对于高温高压井这 个增量是不能够忽视的。
(4) 达到设计要求, 输出设计结果, 否则重新选择 套管, 重复以上计算。
四、 设 计 实 例
结合南海西部油田某井套管柱 (第一层) 设计计
算的实例[4], 给出使用该方法计算的结果。其中该层套
管尺寸为 <24415mm、型号为AM S、P 2110, 其它参数 见表 1。
表 1 套管柱设计参数
五、 结 论
11 从温度对套管柱强度的影响、下部套管柱双轴 应力计算等几个方面讨论了高温高压对套管柱设计和 强度校核的影响 。
21 提出了一套适用于高温高压井套管柱设计和 强度校核的理论方法, 并设计了该方法的计算步骤, 编 制了相应的计算软件。
31 通过现场应用, 该方法能满足高温高压井套管 柱设计计算精度的要求, 且切实可行。
[ 收稿日期 ] 2001208215; [ 改回日期 ] 2002201208 [ 第一作者联系电话 ] (0716) 8430736 [ 作者简介 ] 杨明合 (1976—) , 男, 湖北荆州人, 在读硕士研究生, 主要从事钻井工艺、石油钻井仪器及配套软件的开发和研制等工作。
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石 油 钻 探 技 术 2002 年 2 月
三、 套管柱设计步骤
在考虑温度影响及双轴应力作用的基础上, 采用 迭代法进行套管柱强度校核计算, 可以得到高温高压 井套管柱设计方法步骤:
(1) 分别进行抗挤和抗内压计算, 求得套管柱所 受的外挤载荷和内压载荷;
(2) 根据套管柱所受的外挤载荷和内压载荷进行 套管柱初选;
(3) 采用迭代法进行套管柱强度校核计算, 检验 是否满足设计要求;
下面给出第 k 点截面处的计算步骤: (k 的初始值 取 0)
(1) 计算第 k 点的井深 H k = H - k ∃H 。 (2) 求出该点的温度 T k [3]。井口的温度为 T 1, 井 底的温度为 T 2= T 1+ H 168, 利用直线插值公式, 可 以求得 k 点的温度值 T k。 (3) 计算第 k 点由于温度的影响套管屈服强度下 降的系数 K 。 (4) 计算 k 点套管在温度影响下的有效屈服强度 值 P T。 (5) 计算 k 点套管柱截面上的应力值 (轴向力) Y A。 (6) 计算 k 点抗拉安全系数 S T。如果 S T 小于设计 安全系数, 表明套管抗拉强度不够, 结束程序。 (7) 计算 k 点套管的有效抗外挤强度 P ca值、抗外 挤安全系数 S C。如果 S C 小于设计安全系数, 表明套管 抗外挤强度不够, 结束程序。 (8) 计算 k ′点套管的有效抗内压值 P I、抗内压安 全系数 S i。如果 S i 小于设计安全系数, 表明套管抗内 压强度不够, 结束程序。 (9) k = k + 1, 计算第 k + 1 点井深H k+ 1。若H k < 0, 停止计算, 输出设计结果, 若H k> 0, 转到步骤 (1)。 无论是对单一套管柱、 复合套管柱还是挂接尾管 的情况, 所采用的计算方法均相同。
南海西部公司, 2001.
Ca s ing D es ign and Strength Checkout in HTHP W ells
Yang M inghe1, X ia Hongnan1, J in Y equan1, W ang Y uezh i1, D uan Y isheng2, W ang Y ouhua2
图 1 温度2强度系数变化曲线
31 双轴应力计算
在高温高压套管柱设计中, 大都选择特殊管材, 因 而可供选择的余地较小。 在实际计算中, 为了提高计 算精度, 充分挖掘套管潜力, 不但要考虑轴向拉力对 套管抗外挤强度的减弱, 还应考虑在零轴向力点以下, 由于受轴向压应力引起套管抗外挤强度的增加。 这种 情况对于由于高温高压的影响, 不容易找到合适的管 材而又必需满足设计安全系数的情况很有实际意义。 而在常规套管柱设计中, 为了安全起见, 都忽略了对 这种情况的计算, 而认为对套管强度没有影响。
第 30 卷第 1 期 2002 年 2 月
! 固井与泥浆#
石 油 钻 探 技 术 PETROL EUM DR ILL IN G T ECHN IQU ES
高温高压井套管柱设计和强度校核
V o l. 30, N o. 1 Feb. , 2002
杨明合1, 夏宏南1, 金业权1, 王越之1, 段异生2, 王有华2
图 4 套管计算安全系数图
G g ——天然气的绝对密度, kg L ; K ——套管强度下 降系数; K c——抗外挤强度修正系数; L ——井深, m ; P s——井口压力, M Pa; P T —温度为 T 时的套管有效 屈服强度, M Pa; P ——常温时套管屈服强度, M Pa; P ca—套管的有效抗外挤强度, M Pa; Y A —轴向力, kN ; Y P—套管屈服强度, kN ; P c—无轴向应力时的抗外挤 强度, M Pa; Χc——漏失液面支撑当量密度, kg L ; Χt ——完井液密度, kg L。
(1. P etroleum E ng ineering D ep t. , J iang han P etroleum Inst. , J ing z hou, H ubei, 434102, C h ina; 2. W est C om p any of CN OO C , Z hanj iang , Guang d ong , 524000, C h ina)
在温度升高时, 钢材的各种性质将发生变化。 在
标准 SY5322—88 中, 没有考虑温度场对套管强度的
影响, 因此, 在温高压井套管柱设计中应考虑温度
对套管材料屈服强度的影响。 在实际计算中, 套管有
效屈服强度计算公式为:
PT= K P
(5)
图 1 为某种钢材的套管强度下降系数 K 随温度
T 的变化曲线。值得注意的是, 对于不同型材的套管, 其 K 2T 曲线不同, 一般由套管供应商提供该曲线图。
P i2= P s- 010015L
(2)
对于高温高压井套管柱设计, 由于式 (1)、(2) 忽略
气柱的影响, 取完井液为淡水, 不能满足高温高压井套
管柱设计要求的计算精度, 因此计算公式修正为:
P i1= P s+ 01009807 GgL - 01009807 ΧcL
(3)
P i2= P s+ 01009807 ΧtL - 01009807 ΧcL
Key words: h igh tem p era tu re; h igh p ressu re; ca sing st ring design; st reng th test; b iax ia l st ress; exam p le Abstract: Severa l im po rtan t facto rs influencing ca sing design and st reng th checkou t w ere d iscu ssed in th is p ap er, such a s tem p era tu re and b iax ia l st ress. M eanw h ile, a ca se of theo ries fo r ca sing design and st reng th checkou t, and the ca lcu la t ing p rocess a re g iven. A m a tch ing softw a re is m ade and app lied. T he field app lica t ion show s tha t the m ethod sa t isfies field dem and s.
(1. 江汉石油学院石油工程系, 湖北荆州 434102; 2. 中国海洋石油南海西部公司, 广东湛江 524000)
[ 关键词 ] 高温; 高压; 套管柱设计; 强度试验; 双轴应力; 实例 [ 摘 要 ] 从温度对套管柱强度的影响、下部套管柱双轴应力计算等几个方面讨论了高温高压对套管柱设计和强 度校核的影响 , 提出了一套适用于高温高压井套管柱设计和强度校核的理论方法, 并给出了该方法的计算步骤, 编制 了相应的计算软件。 通过现场应用, 证明该方法切实可行。 [ 中图分类号 ] T E 25611 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 100120890 (2002) 0120025203