CN108414351A - 一种套管非均匀外挤能力评价方法 - Google Patents

一种套管非均匀外挤能力评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种套管非均匀外挤能力评价方法，采用实物模拟试验，利用θ角非均匀外挤夹具确定套管柱的强度挤毁和失稳挤毁外挤载荷值，以及强度挤毁和实物挤毁外挤载荷值，采用有限元方法建立和实物模拟试验相同的套管非均匀外挤工况加载模型，校核有限元模型计算精度，形成不同钢级规格套管柱的非均匀外挤性能特征图，基于安全系数法确定套管柱的选用类型。本发明在实物模拟试验的基础上，填补了国内相关空白，为油气井套管柱抗外挤能力精细设计和选用提供技术支撑。

Description

一种套管非均匀外挤能力评价方法
技术领域
本发明属于钻完井技术领域，具体涉及一种套管非均匀外挤能力评价方法。
背景技术
非常规油气开发过程中，套管不可避免的会经历岩性突变截面及天然裂缝，同时考虑到地层原始地应力场本身的非均匀性，因此，套管外挤载荷具有一定的非均匀性。而国内外现有油气井套管柱选用都是基于均匀外挤载荷的，未考虑套管在任意非均匀外挤载荷工况下抗挤能力的下降。通过国内外专家学者理论研究表明，套管在非均匀外挤载荷工况下套管抗挤能力下降明显，如何借助实物模拟试验评价方法确定套管在非均匀外挤载荷工况下的抗挤性能特征图，为现场套管选用提供技术支持，显得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种套管非均匀外挤能力评价方法，基于实物模拟试验的方法确定套管在非均匀外挤载荷工况下的抗挤性能特征图，根据油田现场套管外挤载荷工况，实现套管的精确选用。
本发明采用以下技术方案：
一种套管非均匀外挤能力评价方法，采用实物模拟试验，利用θ角非均匀外挤夹具确定套管柱的强度挤毁和失稳挤毁外挤载荷值，以及强度挤毁和实物挤毁外挤载荷值，采用有限元方法建立和实物模拟试验相同的套管非均匀外挤工况加载模型，校核有限元模型计算精度，形成不同钢级规格套管柱的非均匀外挤性能特征图，基于安全系数法确定套管柱的选用类型。
进一步的，具体包括以下步骤：
S1、向套管柱施加套管均匀外挤液压载荷，进行套管柱在均匀外挤载荷工况下的实物模拟试验，确定套管柱的强度挤毁和失稳挤毁外挤载荷值；
S2、进行套管柱在非均匀外挤载荷工况下的实物模拟试验，确定θ角非均匀外挤夹具对应套管柱的强度挤毁和失稳挤毁外挤载荷值；
S3、采用90°角非均匀外挤夹具进行套管柱压扁实物模拟试验，确定套管柱强度挤毁和失稳挤毁外挤载荷值；
S4、根据步骤S3实物模拟试验确定的结果，建立不同套管柱强度挤毁和失稳挤毁载荷与外挤夹具角度的对应关系；
S5、建立套管外挤夹具形状与外挤载荷非均匀程度对应关系；
S6、利用不同规格夹具确定套管在不同非均匀外挤系数对应工况下的屈服强度和强度极限，形成不同钢级规格套管的非均匀外挤性能特征图；
S7、根据步骤S6得到的非均匀外挤性能特征图，基于安全系数法，确定套管柱选用方法。
步骤S1中，当套管内壁的环向应力等于套管屈服强度时，确定套管发生了强度挤毁；当套管发生变形，套管外挤压力曲线会发生突降，该点外挤载荷作为失稳挤毁外挤载荷值。
步骤S2中，非均匀外挤夹具θ角的角度为0<θ≤90°。
步骤S3中，外部载荷环境包括均匀外挤载荷θ＝0°，非均匀外挤夹具夹角θ和压扁实物试验工况θ＝90°。
步骤S4中，根据实物模拟试验结果，确定数据散点，采用平滑曲线连接，通过拟合的方法建立对应关系。
步骤S5中，采用校核后的套管柱在非均匀外挤工况下数值模型计算结果与椭圆载荷外挤p(θ)工况下的套管应力场进行比对，确定外挤载荷非均匀系数λ，具体计算如下：
p(θ)＝p0+p1cos2θ
λ＝1+p1/p0
其中，p0表示井深某位置处的最大水平主应力；p1表示井深某位置处的最小水平主应力。
步骤S7中，根据油田现场提供的p0和p1，确定非均匀系数λ0，代入对应套管非均匀外挤性能特征图，确定p0、p1对应特征图位置区间，基于安全系数法，实现套管精细选用。
进一步的，当套管柱的外挤载荷位于I区，表示该工况下套管柱安全，安全系数为p2/p；
当套管柱的外挤载荷位于II区，表示该工况下套管柱存在强度挤毁风险，增加径厚比，重新评估；
当套管柱的外挤载荷位于III区，表示该工况下套管柱选用不合理。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种套管非均匀外挤能力评价方法，考虑到现有管柱抗外挤设计过程中未考虑载荷的非均匀性对抗挤能力的影响，采用实物模拟试验，利用θ角非均匀外挤夹具确定套管柱的强度挤毁和失稳挤毁外挤载荷值，以及强度挤毁和实物挤毁外挤载荷值，采用有限元方法建立和实物模拟试验相同的套管非均匀外挤工况加载模型，校核有限元模型计算精度，形成不同钢级规格套管柱的非均匀外挤性能特征图，基于安全系数法确定套管柱的选用类型，采用变角度夹具实现了实物套管柱外挤载荷的非均匀加载，提出了详实可行的实物套管非均匀外挤能力评价方法，给出了不同规格套管的抗外挤性能特征图，为现场套管柱精细化选用提供技术支撑。
进一步的，根据套管柱外挤夹具形状与外挤载荷非均匀程度对应关系，建立实物模拟试验加载方式与现场套管所受外挤载荷方式的联系。
进一步的，通过实物模拟试验的方法确定加载方式夹具角度与不同挤毁形式的对应关系。
进一步的，通过建立的套管非均匀外挤性能特征图，可直观的为现场套管柱选用提供技术支撑，同时能降低现场套损情况，极大的降低投入成本，而为了建立套管柱非均匀外挤性能特征图，需要通过实物模拟试验研究不同非均匀系数工况下的套管抗挤性能。
综上所述，本发明在实物模拟试验的基础上，填补了国内相关空白，为油气井套管柱抗外挤能力精细设计和选用提供技术支撑。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明评价方法的一种加载示意图；
图2为本发明评价方法的另一种加载示意图；
图3为本发明评价方法的第三种加载示意图；
图4为本发明加载方式夹具角度与不同挤毁形式的对应关系示意图；
图5为套管非均匀外挤载荷工况下的抗挤性能特征图。
其中：1.套管柱；2.套管均匀外挤液压载荷；3.θ角非均匀外挤夹具；4.90°角非均匀外挤夹具。
具体实施方式
本发明一种套管非均匀外挤能力评价方法，在实物模拟试验的基础上，确立了套管柱非均匀外挤性能特征图，为油田现场套管精细选材提供技术支撑，具体包括以下步骤：
S1、向套管柱1施加套管均匀外挤液压载荷2，进行套管柱在均匀外挤载荷工况下的实物模拟试验，确定套管柱1的强度挤毁和失稳挤毁外挤载荷值，如图1所示；通过室内实物试验在上述载荷工况下检测得到，当套管内壁的环向应力等于套管屈服强度时，认为套管发生了强度挤毁；当套管发生变形，套管外挤压力曲线会发生突降，以该点外挤载荷作为失稳挤毁外挤载荷值。
S2、进行套管柱在非均匀外挤载荷工况下的实物模拟试验，确定θ角非均匀外挤夹具3对应套管柱1的强度挤毁和失稳挤毁外挤载荷值，与步骤S1相同，区别在于外部载荷工况不同，如图2所示；
其中，夹具的θ角为0<θ≤90°；
S3、采用90°角非均匀外挤夹具4进行套管柱压扁实物模拟试验，确定套管柱1的强度挤毁和失稳挤毁外挤载荷值，如图3所示，本评价方法外部载荷环境主要包括三部分：均匀外挤载荷θ＝0°，非均匀0<θ≤90°，而压扁实物试验工况即θ＝90°，通过上述三类型实物模拟试验即可确定所有的外挤载荷工况。
S4、根据步骤S3实物模拟试验确定的结果，建立不同套管柱强度挤毁和失稳挤毁载荷与外挤夹具角度的对应关系，如图4所示，根据实物模拟试验结果，确定数据散点，采用平滑曲线连接，通过拟合的方法建立对应关系；
S5、建立套管外挤夹具形状与外挤载荷非均匀程度对应关系；
确定表征夹具形状的参数θ，采用有限元方法建立和实物模拟试验相同的套管非均匀外挤工况加载模型，并用实物模拟试验结果校核有限元模型计算精度；
采用校核后的套管柱在非均匀外挤工况下数值模型计算结果与椭圆载荷外挤p(θ)工况下的套管应力场进行比对，确定外挤载荷非均匀系数λ；
p(θ)＝p0+p1cos2θ (1)
λ＝1+p1/p0 (2)
其中，p0表示井深某位置处的最大水平主应力；p1表示井深某位置处的最小水平主应力。
S6、形成不同钢级规格套管柱的非均匀外挤性能特征图
利用不同规格夹具确定套管在不同非均匀外挤系数对应工况下的屈服强度和强度极限，确立了该套管的非均匀外挤性能特征图，如图5所示，针对现场套管所受载荷工况，确定套管外挤非均匀系数，根据图5中的分区情况，评价套管的抗外挤使用性能，同时给出使用安全系数。
S7、油田现场考虑外挤载荷非均匀性的套管选用方法
根据油田现场提供的对应地层p0、p1值，确定非均匀系数λ0，代入对应套管非均匀外挤性能特征图，确定p0、p1对应特征图位置区间，基于安全系数法，实现套管精细选用。
当套管柱1的外挤载荷位于I区，表示该工况下套管柱1安全，安全系数为p2/p；
当套管柱1的外挤载荷位于II区，表示该工况下套管柱1存在强度挤毁风险，增加径厚比，重新评估；
当套管柱1的外挤载荷位于III区，表示该工况下套管柱1选用不合理。
通过室内实物模拟试验确定不同钢级规格套管的特征曲线，将空间分成I、II和III区等三个区，通过现场应力工况，确定现场外挤载荷所处区域，以评价套管的使用性能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种套管非均匀外挤能力评价方法，其特征在于，采用实物模拟试验，利用θ角非均匀外挤夹具确定套管柱的强度挤毁和失稳挤毁外挤载荷值，以及强度挤毁和实物挤毁外挤载荷值，采用有限元方法建立和实物模拟试验相同的套管非均匀外挤工况加载模型，校核有限元模型计算精度，形成不同钢级规格套管柱的非均匀外挤性能特征图，基于安全系数法确定套管柱的选用类型。
2.根据权利要求1所述的一种套管非均匀外挤能力评价方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、向套管柱施加套管均匀外挤液压载荷，进行套管柱在均匀外挤载荷工况下的实物模拟试验，确定套管柱的强度挤毁和失稳挤毁外挤载荷值；
S2、进行套管柱在非均匀外挤载荷工况下的实物模拟试验，确定θ角非均匀外挤夹具对应套管柱的强度挤毁和失稳挤毁外挤载荷值；
S3、采用90°角非均匀外挤夹具进行套管柱压扁实物模拟试验，确定套管柱强度挤毁和失稳挤毁外挤载荷值；
S4、根据步骤S3实物模拟试验确定的结果，建立不同套管柱强度挤毁和失稳挤毁载荷与外挤夹具角度的对应关系；
S5、建立套管外挤夹具形状与外挤载荷非均匀程度对应关系；
S6、利用不同规格夹具确定套管在不同非均匀外挤系数对应工况下的屈服强度和强度极限，形成不同钢级规格套管的非均匀外挤性能特征图；
S7、根据步骤S6得到的非均匀外挤性能特征图，基于安全系数法，确定套管柱选用方法。
3.根据权利要求2所述的一种套管非均匀外挤能力评价方法，其特征在于，步骤S1中，当套管内壁的环向应力等于套管屈服强度时，确定套管发生了强度挤毁；当套管发生变形，套管外挤压力曲线会发生突降，该点外挤载荷作为失稳挤毁外挤载荷值。
4.根据权利要求2所述的一种套管非均匀外挤能力评价方法，其特征在于，步骤S2中，非均匀外挤夹具θ角的角度为0<θ≤90°。
5.根据权利要求2所述的一种套管非均匀外挤能力评价方法，其特征在于，步骤S3中，外部载荷环境包括均匀外挤载荷θ＝0°，非均匀外挤夹具夹角θ和压扁实物试验工况θ＝90°。
6.根据权利要求2所述的一种套管非均匀外挤能力评价方法，其特征在于，步骤S4中，根据实物模拟试验结果，确定数据散点，采用平滑曲线连接，通过拟合的方法建立对应关系。
7.根据权利要求2所述的一种套管非均匀外挤能力评价方法，其特征在于，步骤S5中，采用校核后的套管柱在非均匀外挤工况下数值模型计算结果与椭圆载荷外挤p(θ)工况下的套管应力场进行比对，确定外挤载荷非均匀系数λ，具体计算如下：
p(θ)＝p0+p1cos2θ
λ＝1+p1/p0
其中，p0表示井深某位置处的最大水平主应力；p1表示井深某位置处的最小水平主应力。
8.根据权利要求2所述的一种套管非均匀外挤能力评价方法，其特征在于，步骤S7中，根据油田现场提供的p0和p1，确定非均匀系数λ0，代入对应套管非均匀外挤性能特征图，确定p0、p1对应特征图位置区间，基于安全系数法，实现套管精细选用。
9.根据权利要求8所述的一种套管非均匀外挤能力评价方法，其特征在于，当套管柱的外挤载荷位于I区，表示该工况下套管柱安全，安全系数为p2/p；
当套管柱的外挤载荷位于II区，表示该工况下套管柱存在强度挤毁风险，增加径厚比，重新评估；
当套管柱的外挤载荷位于III区，表示该工况下套管柱选用不合理。
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