高抗挤毁套管基本知识

高抗挤毁套管基本知识

1、开发背景

自20世纪70年代以来，油田套管损坏问题十分严重。据统计到2002年底，我国油田套管损坏井数已达两万多口，国外也存在同样问题。

一般来说，除套管设计和施工方面的原因之外造成上述大量套管非正常损坏的主要原因有：高压注水造成断层或泥岩层进水，导致地应力异常及地层位移变化，使套管错断或破裂；地层压力变化不平衡造成地层岩石骨架变形，在进水的滑移面上产生错切位移；盐岩、泥岩吸水蠕变非均匀外挤应力导致套管缩径或挤毁；疏松砂岩出砂造成套管围岩坍塌挤毁套管或使套管弯曲变形；射孔、出砂、压裂等作业使套管破裂；热采井的高温循环载荷使套管拉断或脱扣；弱胶结地层压实作用产生附加载荷使套管弯曲；地层矿物、地下水或注入水使套管腐蚀穿孔甚至难以承受设计载荷而破坏等等。

统计资料表明，国内油田多数套损属于套管不能承受外挤力而产生损坏。以国内某油田为例，截止2001年底，该油田统计套损井1599口，其中套管被挤毁井1198口，占套损井总数的75%。并且多数套管损井的使用寿命低于设计年限。井况的恶化不仅破坏了注采井网，影响了增产增注措施的实施，而且还造成储量和产量的损失，从而严重影响着油田的稳定与发展。

几十年来，生产厂家和油田用户在防治套管的被挤毁方面进行

了不懈的努力。在油田方，开发了双层复合套管，（两层套管之间填充高强度水泥），以及增加套管外水泥强度和厚度等办法来提高下井套管的高抗挤毁强度；而生产厂家则在提高套管的抗挤毁能力方面进行了深入的研究，在对套管的抗挤毁强度影响因素的研究中发现，D/T、不圆度、壁厚均匀度、材料强度、套管壁厚、残余应力等对套管的抗挤毁强度具有显著影响。在认清了这些影响因素的基础上，通过对这些因素进行有效地控制，进而开发了一系列的高抗挤套管。这类高抗挤毁套管，比同规格同钢级的API套管的抗挤毁强度高出20%~60%，有些规格抗挤毁强度甚至较API 更高一钢级套管和更厚一级壁厚套管的抗挤毁强度还要高。API规格高抗挤毁套管的研制，解决了部分常规的油田需要，但在一些油田对套管抗挤强度的特殊要求，则仍然无能为力。20世纪90年代之前，尽管市场对高抗挤毁套管有急切的需求，但由于各种条件的局限，在选用高抗挤毁套管方面，只能局限在API规格范围内。这种解决方案在许多情况下并不能真正解决问题。仍以前面提及的某油田为例，为解决油水井套管抗挤毁问题，将下井套管从80Ksi钢级提高到110Ksi钢级高抗挤毁套管，将∮139.7×9.17mm的壁厚提高到∮139.7×10.54mm的壁厚（API 5CT规范中的最大壁厚）。然而，这样做的结果也只能将油水井寿命由原来的平均6年提高到7年。

如何防范盐膏层蠕变挤毁套管，是某油田长期攻关解决的重大技术难题。通过对该油田现场统计分析与反演得出：盐膏层蠕变对生产套管产生的最大等效外挤压力为167Mpa，而API 标准套管（内

径不低于118mm的现有套管）的最大抗挤强度尚未超过120Mpa，因而无法克服如此巨大的盐膏层外挤载荷。

目前国内各个油田套损情况都很严重。尤其是对含岩盐层、泥岩层的油田以及实施注水、热采等工艺的油田。油田套损的主要原因基本上都可以归咎于套管受到了非均匀载荷的影响。

2、挤毁失效机理

2.1、套管失效基本形式

套管的失效形式可用八个字概括：脱、漏、粘、挤、破、裂、磨、蚀。

脱：管体螺纹从接箍内滑脱

漏：螺纹连接处失去密封

粘：螺纹粘扣

挤：管体挤毁

破：管体受内压爆破

裂：拉断、错断、纵裂、射孔开裂以及疲劳、应力腐蚀开裂等磨：套管与钻柱互相磨损

蚀：腐蚀及应力腐蚀

2.2套管挤毁的失效机理。

高强度高抗挤套管主要用于深井及超深井或地层条件复杂对套管性能要求苛刻的场合。因此，要求套管具有高的抗拉及连接强度，优异的抗挤毁能力，良好的密封性能等良好的综合性能，而其中的核心是套管的抗挤毁能力。套管被挤毁主要是分为套管在外挤压力作用下的破坏形式和地层流体内压力作用下的破坏形式。当外挤压力和地层流体内压力使套管的管壁上产生的应力强度达到或超过套管屈服强度时,管体发生了塑性变形，即发生套管挤毁的失效。

2.2.1外挤压力及套管的抗挤强度

2.2.1.1外挤压力

套管柱所承受的外挤压力主要来自管外泥浆柱压力，地层中流体压力、易流动岩层侧压力以及挤水泥和压裂时的挤压力。在水泥面以上套管柱是承受的泥浆柱压力。在水泥封固段水泥环具有一定承载能力，但计算困难，目前API套管柱设计中仍按泥浆柱压力计算，油田一般按盐水柱压力(盐水压力梯度10.7-11.52千帕／米)计算。

计算外挤压力时，在API常规套管柱设计中都按最危险情况考虑，即认为套管内没有液柱压力的全掏空状态，如钻井过程中发生井漏、井喷或开采后期。

外挤压力按以下公式进行计算

P=0.01γm H

式中γm——套管外环空泥浆密度(或盐水密度)，克／厘米3， H——计算点井深，米，

P——套管柱所受外挤压力，兆帕。

上式表明，井底套管柱受到外挤压力最大，愈往上愈小。

2.2.1.2套管抗挤强度

套管柱在外挤压力作用下的破坏形式，除少数小直径和厚壁的套管外，主要是失稳破坏，而不是强度破坏。

失稳后的套管被挤扁(轻者)或破裂，使钻头或其它井下工具不能通过，地层封隔遭到破坏，将被迫停钻或停产，套管损坏严重者油气井报废。

套管抗挤强度取决于材料性能、横截面的几何形状和套管所承受负荷的状况。理论分析和实验研究指出，套管径厚比d/t (外径／壁厚)较大时，属于失稳破坏。即当外挤压力达到套管抗挤强度时，套管管壁产生弯曲变形(挤扁)或破

裂。当套管径厚比较小，外挤压力达到套管抗挤强度时，套管将发生强度破坏。以下为没有轴向负荷条件下，不同径厚比有相应的不同抗挤强度计算公式。如下图。

抗外挤强度随D/t 的变化关系

（1）对于厚壁管D/t<15来说，在挤毁发生之前，切应力就将超过材料的屈服强度，发生屈服强度挤毁。

P Yp =2Yp ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡-2)/(1)/(t D t D （2） 塑性挤毁区的最小挤毁压力可由下式计算：

P p =Yp ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡-B t D A /-C 系数A 、B 、C 以及适用的D/t 范围可由资料查出。

（3）塑性与过度挤毁区的最小挤毁压力P T 可由下式计算：

P T =Yp ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡-G t D F / 系数F 、G 以及适用的D/t 范围可由资料查出。

（4）弹性挤毁条件是以理论弹性不稳定毁坏为依据。只适用于薄壁管（D/t>+25）。弹性挤毁区的最小挤毁压力由下式计算：

P E =[]

1)/()/(1095.465-⨯t D t D 适用的D/t 范围可由资料查出。