CN103195374A - 一种盐岩地层异形套管设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种盐岩地层异形套管设计方法，该方法针对不同盐岩地层蠕变应力状态，通过改变异形套管的内径或者外径，确定出适合该地应力水平条件的套管横截面形状。本发明设计的异形套管有以下两种形式：套管内壁为圆形，外壁为椭圆形；套管内壁为椭圆形，外壁为圆形。所述异形套管下入井内，其壁厚最大的位置应与最大水平地应力方位一致。本发明能够有效地降低套管在非均匀水平地应力状态下套管管体的有效应力，防止套管损坏，解决了现有厚壁套管在非均匀水平地应力状态下强度不够，不能在后续生产过程中保持完好的技术难题。

Description

一种盐岩地层异形套管设计方法

所属技术领域

本发明涉及一种针对盐岩地层的套管设计方法。

背景技术

深部地层盐膏层钻井是钻井工程重大技术难题之一，由于盐膏层岩石性能的特殊性，盐膏层钻井完井的复杂情况和井下事故形态可用“溶、缩、塌、胀、漏、卡、喷、损”8个字来描述。特别是当钻开井眼后盐膏层蠕动，常造成井眼失稳、卡钻、固井后挤毁套管等事故。在我国油气钻井工程中，也经常遇到大段复杂的岩盐地层。在钻井过程中，容易产生缩径卡钻或起下钻遇阻，在下套管时容易出现下套管遇阻，同时套管下入井后易产生随时间而变化的不均匀外载并挤毁套管。套管作为油气井的关键结构直接关系到油气资源的顺利开采，是保证钻井顺利进行和完井后油气井正常运行的重要通道。在油气田开发过程中，套管损坏事故的发生给油田造成了巨大的经济损失。盐膏岩作为重要的油气资源盖层，预防和减少盐膏层套损事故的发生尤为重要。

目前，公知的针对埋深、厚度较大的盐岩地层多采用非API标准的厚壁套管，厚壁套管壁厚是常规套管的1.5倍以上，其特点是抗挤强度、抗压强度以及抗拉强度大、质量大、价格昂贵。但是国内外在进行套管设计时，通常认为套管承受的是均匀外挤压力，即按静水压力分布规律计算套管应力，然后开展对套管的模拟强度试验。该方法对于浅井或井下情况相对简单的井是可行的，但对深井以及存在盐岩等地质情况或地应力状态复杂的井，若仍采用上述假设，则极易导致套管在井下发生变形甚至错断，严重影响油气井的正常开发生产，甚至造成油气井停产报废，带来巨大的经济损失。同时，若厚壁套管壁厚过大，其经济成本相应的增加，降低了油田企业的经济效益，也会阻碍油气开采活动的进行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种盐岩地层异形套管设计方法，使用该方法能够有效地降低套管在非均匀水平地应力状态下套管管体的有效应力，防止套管损坏，解决了现有厚壁套管在非均匀水平地应力状态下强度不够，不能保证厚壁套管在后续生产过程中保持完好的技术难题。

本方法采用的思路是：确定相应区块盐岩层段的井深以及该井的井身结构，根据盐岩地层蠕变载荷分布规律，通过改变异形套管的内径或外径来降低套管管体的有效应力，避免出现在最大主应力方位挤毁套管。

一种盐岩地层异形套管设计方法，通过改变套管的横截面形状有效地降低管体内部有效应力，针对不同地应力状态以及地应力非均匀程度，采用弹性力学原理，分析不同椭圆程度异形套管的有效应力，再根据第四强度理论确定出在该地应力水平条件下满足给定安全系数和钢级的异形套管横截面尺寸。即通过针对不同盐岩地层蠕变应力状态，通过改变异形套管的内径或者外径并采用上述方法进行计算，确定出适合该地应力水平条件的套管横截面形状。

使用本发明所述方法设计的异形套管有以下两种形式：套管内壁为圆形，外壁为椭圆形；套管内壁为椭圆形，外壁为圆形。所述异形套管下入井内，其壁厚最大的位置应与最大水平地应力方位一致。

所述异形套管横截面长轴方向的最大值应该小于需要套管封固的裸眼井段井径1.90cm以上，以确保固井质量和避免出现不能下入该异形套管的情况发生；异形套管内径的短轴长度必须根据SY/T5431—2008行业标准进行确定，以保证下部井段的正常钻进和下一层套管能够顺利下入。

由于地下盐层非均匀地应力的存在，使得套管周围的径向应力呈非均匀的椭圆形分布；盐岩吸水蠕变，使得套管外载的非均匀分布变得更加严重，表现为在最大地应力方向，外载增加，最小地应力方向，外载减小。

通过室内试验模拟地层蠕变产生的套管非均匀外载，可以看出：

(1)在非均匀地应力下，盐岩蠕变将对套管产生一个非均匀外载，其大小随时间增加而增大，经过较长时间后，载荷会趋于稳定而不再增加。

(2)在套管周围不同方向受到的蠕变外力不同。在0°方向(最大地应力方向)受力最大，45°方向次之，90°方向(最小地应力方向)最小。

套管周围盐岩蠕变外载的分布形式为椭圆形，其分布规律可近似用余弦函数来表示：

σ_n=S₁+S₂cos2θ

式中：σ_n——套管所受径向蠕变外载，MPa；

θ—与最大主应力方向夹角，°；

S₁，S₂——盐岩地层及地应力大小有关的折算外载，MPa。

异形套管管体的应力分布按弹性力学理论（张允真，曹富新，弹性力学及其有限元法[M]，北京：中国铁道出版社，1983）计算，套管壁内任一点的应力分量σ_θ、σ_r和τ_rθ是套管半径和径向角的函数。由简化的模型得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_r={\mathrm{\σ}}_{r1}+{\mathrm{\σ}}_{r2}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}1}+{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}2}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{r\θ}}={\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{r\θ}2}\end{array}\right.$

式中：σ_θ1、σ_r1和τ₁——均匀外载和内压作用下的应力分量，MPa；

σ_θ2、σ_r2和τ_rθ2——非均匀外载作用下的应力分量，MPa；

σ_θ、σ_r和τ_rθ——总应力分量，MPa。

由弹性力学理论计算得出，均匀载荷下的异形套管应力分量可由拉梅公式得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{r1}=\frac{1}{1-K^2}\left\{\right[{\left(\frac{a}{r}\right)}^2-K^2]P_i-[1-{\left(\frac{a}{r}\right)}^2\left]P_0\right\}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}1}=\frac{1}{1-K^2}\left\{\right[{\left(\frac{a}{r}\right)}^2-K^2]P_i-[1+{\left(\frac{a}{r}\right)}^2\left]P_0\right\}\\ {\mathrm{\τ}}_1=0\end{array}\right.$

式中：P₀——套管外压力，MPa；

P_i——套管内压力，MPa；

r——计算点到异形套管中心的距离，m；

θ——与最大主应力方向夹角，°；

a——异形套管内壁短轴的长度，m；

b——异形套管外壁长轴的长度，m；其中，K=a/b。

非均匀载荷下的异形套管应力分量可由拉梅公式得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{r2}=\frac{1}{1-K^2}\left\{\right[{\left(\frac{a}{r}\right)}^2-K^2]P_i-[1-{\left(\frac{a}{r}\right)}^2\left]S_1\right\}-({2B}_1+4\frac{C_1}{r^2}+6\frac{D_1}{r^4})\cos 2\mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}2}=\frac{1}{1-K^2}\left\{\right[{\left(\frac{a}{r}\right)}^2-K^2]P_i-[1+{\left(\frac{a}{r}\right)}^2\left]S_1\right\}+({2B}_1+12A_1{r}^2+6\frac{D_1}{r^4})\cos 2\mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{r\θ}2}=(6A_1{r}^2+{2B}_1-2\frac{C_1}{r^2}-6\frac{D_1}{r^4})\sin 2\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{A}_1=\frac{S_2}{{2\mathrm{pd}}^2}{K}^2(1-K^2)\\ B_1=-\frac{S_2}{4p}(1+{3K}^4-{4k}^6)\\ C_1=\frac{S_2{a}^2}{2p}(1-K^6)\\ D_1=-\frac{S_2{a}^2}{2p}(1-k^4)\end{array}\right.P=1-{4K}^2+{6K}^4+K^8$

根据弹性力学知识推导得出套管在实际非均匀地应力下各位置的σ_θ、σ_r和τ_rθ为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{1-K^2}\left\{\right[{\left(\frac{a}{r}\right)}^2-K^2]P_i-[1-{\left(\frac{a}{r}\right)}^2\left]S_1\right\}-({2B}_1+4\frac{C_1}{r^2}+6\frac{D_1}{r^4})\cos 2\mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{1-K^2}\left\{\right[{\left(\frac{a}{r}\right)}^2-K^2]P_i-[1+{\left(\frac{a}{r}\right)}^2\left]S_1\right\}+({2B}_1+{12A}_1{r}^2+6\frac{D_1}{r^4})\cos 2\mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{r\θ}}=({6A}_1{r}^2+{2B}_1-2\frac{C_1}{r^2}-6\frac{D_1}{r^4})\sin 2\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

异形套管强度安全系数计算公式：

$S_k=\frac{{({\mathrm{\σ}}_r-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}})}^2+{({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{r\θ}})}^2+{({\mathrm{\σ}}_r-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{r\θ}})}^2}{{{2\mathrm{\σ}}_S}^2}$

式中：S_k——异形套管强度安全系数；

σ_s——管材屈服强度，MPa；

其余各参数意义同前。

异形套管具体的设计方法如下：

（1）外壁为椭圆形、内壁为圆形

确定盐岩地层地应力分布和蠕变载荷分布规律；根据井身结构确定出盐岩层段异形套管内径（根据下层套管外径确定）和外壁长轴的最大值（小于需要套管封固的裸眼井段井眼半径1.90cm以上），通过计算异形套管与最大地应力方位不同角(0-90°)度处在给定套管强度安全系数和钢级条件下的外壁距离异形套管中心的距离，通过镜像原理得到整个异形套管的参数，避免在最大主应力方位挤毁套管。

（2）内壁为椭圆形、外壁为圆形

确定盐岩地层地应力分布和蠕变载荷分布规律；根据井身结构确定出盐岩层段异形套管外径（小于需要套管封固的裸眼井段井眼半径1.90cm以上）和内壁短轴的最小值（大于下层套管外径1.90cm），通过计算异形套管与最大地应力方位不同角度(0-90°)处在给定套管强度安全系数和钢级条件下的内径值，通过镜像原理得到整个异形套管的参数，避免在最大主应力方位挤毁套管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过改变套管内壁或者外壁的椭圆程度，使得在地层非均匀地应力情况下有效地降低套管管体有效应力，防止盐岩层段出现最大主应力方向的套损事故发生，给钻井以及油气田的生产带来重大经济损失。

附图说明

图1是厚壁套管变形前的横截面图

图2是厚壁套管在非均匀水平地应力作用后的横截面图

图3是本发明设计的异形套管的横截面图（内壁为圆形，外壁为椭圆形）

图4是本发明设计的异形套管的横截面图（内壁为椭圆形，外壁为圆形）

图5是均匀外载荷S₁在异形套管加载路径示意图

图6是因蠕变产生的外载荷S₂在异形套管加载路径示意图

图7是盐岩地层非均匀载荷加载路径示意图

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明。

参看图1、图2。图1、图2是常规厚壁套管在变形前后的横截面图，根据相应区块以及其邻井的钻井情况和测井数据确定该井盐岩地层的应力状态，计算该层段的最大、最小主应力以及地应力的非均匀程度。

本发明设计的异形套管有以下两种形式：套管内壁为圆形，外壁为椭圆形（见图3）；套管内壁为椭圆形，外壁为圆形（见图4）。对这两种异形套管施加地应力载荷和一个随时间变化的蠕变载荷，施加效果如图5、图6所示，其合力作用效果如7所示。

（1）当异形套管设计为内壁为圆形，外壁为椭圆形时，根据下层套管确定异形套管的内径，由于地应力分布的对称性，采用第四强度理论，从圆心开始与最大地应力方向开始分别计算转角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的位置处给定的套管强度安全系数和钢级条件下的横截面形状，当计算位置转角达到90°时，根据对称性原理将各个位置计算所得外径进行镜像即得适合该区块的异形套管。应力分量σ_θ、σ_r和τ_rθ的计算公式如前所述。

若计算出的最大套管外径与上层套管内径较为接近时，应当缩小该异形套管内径，并重复上述计算步骤，直到计算出的最大套管外半径小于该井段井眼半径1.90cm以上（根据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5374.1-2006，为确保固井质量）。

（2）当异形套管设计为外壁为圆形，内壁为椭圆形时，根据实际井身结构确定出异形套管的外半径（小于该井段井眼半径1.90cm以上），由于地应力分布的对称性，从圆心开始与最大地应力方向开始分别计算转角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的位置处于给定套管强度安全系数和钢级条件下的横截面形状，当计算位置转角达到90°时，根据对称性原理将各个位置计算所得内径进行镜像即得适合该区块的异形套管。

若计算出的最小内径与下层套管外径较为接近时，应当增大该异形套管内径，并重复上述计算步骤，直到计算出的最小套管内半径大于下层套管外半径1.90cm。

根据计算出的套管各个位置处的几何参数即可设计出适合该盐岩地层的异形套管。

将设计好的异形套管下入井内盐岩层段，套管的厚壁方向承受最大水平主应力，较薄方向承受最小水平主应力，从而有效降低套管管体有效应力，从而有效避免盐岩层段非均匀水平主应力状态下的套损事故。

Claims (2)

1.一种盐岩地层异形套管设计方法，针对不同盐岩地层蠕变应力状态，通过改变异形套管的内径或者外径，确定出适合该地应力水平条件的套管横截面形状，其特征在于，所述异形套管有以下两种形式：套管内壁为圆形，外壁为椭圆形；套管内壁为椭圆形，外壁为圆形。

2.如权利要求1所述的异形套管设计方法，其特征在于，当异形套管内壁为圆形，外壁为椭圆形时，根据下层套管确定异形套管的内径，分别计算转角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的位置处于给定的套管强度安全系数和钢级条件下的横截面形状，当计算位置转角达到90°时，根据对称性原理将各个位置计算所得外径进行镜像即得适合该区块的异形套管；当异形套管外壁为圆形，内壁为椭圆形时，根据实际井身结构确定出异形套管的外径，分别计算转角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的位置处于给定套管强度安全系数和钢级条件下的横截面形状，当计算位置转角达到90°时，根据对称性原理将各个位置计算所得内径进行镜像即得适合该区块的异形套管；

所述外径、内径的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_r=\frac{1}{1-K^2}\left\{\right[{\left(\frac{a}{r}\right)}^2-K^2]P_i-[1-{\left(\frac{a}{r}\right)}^2\left]S_1\right\}-({2B}_1+4\frac{C_1}{r^2}+6\frac{D_1}{r^4})\cos 2\mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{1}{1-K^2}\left\{\right[{\left(\frac{a}{r}\right)}^2-K^2]P_i-[1+{\left(\frac{a}{r}\right)}^2\left]S_1\right\}+({2B}_1+12A_1{r}^2+6\frac{D_1}{r^4})\cos 2\mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{r\θ}}=(6A_1{r}^2+{2B}_1-2\frac{C_1}{r^2}-6\frac{D_1}{r^4})\sin 2\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{A}_1=\frac{S_2}{{2\mathrm{pd}}^2}{K}^2(1-K^2)\\ B_1=-\frac{S_2}{4p}(1+{3K}^4-{4k}^6)\\ C_1=\frac{S_2{a}^2}{2p}(1-K^6)\\ D_1=-\frac{S_2{a}^4}{2p}(1-k^4)\end{array}\right.$

p=1-4K²+6K⁴+K⁸

式中：σ_θ、σ_r和τ_rθ——总应力分量，MPa，

P_i——套管内压力，MPa，

r——计算点到异形套管中心的距离，m，

θ——与最大主应力方向夹角，°，

S₁、S₂——均匀外载荷、因蠕变产生的外载荷，MPa，

a——异形套管内壁短轴的长度，m，

b——异形套管外壁长轴的长度，m，K=a/b。

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