何英明 雷楊 何英君 項玉婷 (中國石油大學(xué) (華東))

套管柱優(yōu)化設(shè)計面臨的問題及發(fā)展趨勢

何英明 雷楊 何英君 項玉婷 (中國石油大學(xué) (華東))

隨著油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的擴(kuò)大,如何應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)條件、套管損壞嚴(yán)重、套管柱可靠性難以保證、套管成本居高不下等一系列問題,保證油氣資源安全高效地開采,是目前套管柱優(yōu)化設(shè)計面臨的重要難題。通過對復(fù)雜地質(zhì)條件的確定、套管合理選材、套管柱系統(tǒng)可靠性及成本最小等要求的分析,提出了以準(zhǔn)確預(yù)測井下環(huán)境為前提,以研發(fā)新型套管管材為基礎(chǔ),以保證套管柱風(fēng)險最小、成本最低為方向,優(yōu)化套管柱設(shè)計,保證油氣井安全高效開采。

套管柱 設(shè)計 可靠性 風(fēng)險最小成本

1 引言

套管柱優(yōu)化設(shè)計作為油氣井鉆井工程中的一個重要環(huán)節(jié),是保證油氣井壽命,合理高效開發(fā)油氣資源的關(guān)鍵。隨著油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域的擴(kuò)大,套管柱優(yōu)化設(shè)計面臨著復(fù)雜地質(zhì)條件和工藝技術(shù)水平等帶來的諸多問題,使套管柱的可靠性難以保證。雖然近年來套管柱優(yōu)化設(shè)計研究有了很快的發(fā)展,但是仍不能滿足當(dāng)今鉆井的需要,如何應(yīng)對日益復(fù)雜的地質(zhì)條件和工藝技術(shù)的發(fā)展,保證油氣資源高效安全地開采,是擺在套管柱優(yōu)化設(shè)計面前的重要難題。通過分析套管柱優(yōu)化設(shè)計所面臨的問題和挑戰(zhàn),提出了解決問題的方法,指出套管柱優(yōu)化設(shè)計發(fā)展的方向。

2 套管柱優(yōu)化設(shè)計面臨的問題

2.1 復(fù)雜的地質(zhì)條件

套管柱設(shè)計中,對地層情況及井下環(huán)境認(rèn)識不清,將使套管柱設(shè)計不合理;套管外載荷超過套管的抗外載強(qiáng)度,套管被擠毀;在高含硫氣井中,套管選擇不合理造成嚴(yán)重腐蝕,還會發(fā)生二氧化硫等有毒氣體的泄漏,造成巨大的人員傷亡。

2.2.1 鹽巖蠕變

隨著深井、超深井的大量出現(xiàn),深部鹽巖蠕變地層鉆井成為目前石油工程中的重大技術(shù)難題,由于地層蠕動變形而造成大量套管擠扁、縮徑、錯段、損壞。對于深部復(fù)雜地質(zhì)條件下的深井、超深井,鹽巖層是影響油氣井壽命的關(guān)鍵[1]。

造成套管擠毀的原因很多,但根本原因是在地應(yīng)力作用下套管所受外載超過了套管的抗外載強(qiáng)度。在常規(guī)的套管柱設(shè)計中,多年以來都是按照固井前的靜液柱壓力或者上覆巖層壓力來計算套管外擠載荷,但是在鹽膏層等蠕變地層井段,這樣得到的外載荷與套管所處的環(huán)境不符,油氣井投產(chǎn)后套管承受的外載要比完井時大得多,這就是由于蠕變造成的[2]。蠕變地層對套管柱科學(xué)設(shè)計和可靠性提出了更高的要求。

另外,地震、斷層、地層滑移、地層出砂、永凍層解凍和再凍結(jié)等都會造成套管損壞,對套管柱設(shè)計提出了更高的要求。

2.1.2 惡劣環(huán)境

國內(nèi)外油氣田套管所處的惡劣環(huán)境主要表現(xiàn)在以下幾個方面:高溫高壓;高含CO2、H2S和硫元素等含硫組分;高含Cl-、高礦化度;高產(chǎn)量(沖蝕)。多種因素交互作用使得套管腐蝕嚴(yán)重[3]。實踐證明腐蝕從兩個方面來降低套管的強(qiáng)度:一是改變套管的幾何結(jié)構(gòu)和幾何尺寸;二是改變套管管材的力學(xué)性能,如氫脆破壞等。但是,現(xiàn)在國內(nèi)外對套管腐蝕的研究并不系統(tǒng),研究集中在不同條件下腐蝕對套管的腐蝕規(guī)律及防腐措施上,腐蝕對套管強(qiáng)度的影響規(guī)律研究不多,對于CO2和 H2S腐蝕套管的選材沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。另外,套管螺紋腐蝕會導(dǎo)致絲扣密封失效或脫扣。

2.2 套管損壞日益嚴(yán)重

隨著油田開采進(jìn)入中后期和復(fù)雜井的大量出現(xiàn),套損現(xiàn)象日益嚴(yán)重。套管損壞的主要因素包括前面所提到的地質(zhì)因素和工程因素。工程因素主要包括:套管材質(zhì)、固井質(zhì)量、射孔、注水、壓裂等。從套管的破壞形式上來看,主要有錯斷、縮徑、變形、腐蝕、泄漏等多種形式,其中套管擠毀現(xiàn)象是最為廣泛的。套管擠毀最終歸結(jié)到套管的抗擠強(qiáng)度,套管制造過程中的殘余應(yīng)力、套管不圓度和壁厚不均勻度會對套管強(qiáng)度計算值產(chǎn)生很大的影響。非均勻載荷、套管材料的屈服強(qiáng)度和徑厚比對抗擠強(qiáng)度計算值的影響同樣不能忽視。

水泥環(huán)對套管強(qiáng)度的影響研究較為廣泛,但是結(jié)論并不完全一致。前蘇聯(lián)科學(xué)研究院的專家認(rèn)為,水泥環(huán)可以提高套管的抗擠毀強(qiáng)度,應(yīng)該采用考慮水泥環(huán)的卸載作用。然而,美國《鉆井手冊(甲方)》建議不考慮水泥環(huán)的卸載作用,原因是目前的固井工藝難以保證在套管外形成一個均勻連續(xù)的水泥環(huán)。我國學(xué)者林凱[4]等認(rèn)為,即使固井完好的情況,提高套管抗擠能力也并不是很大。他們的理論分析結(jié)果表明,套管抗擠毀能力不超過10%,且實驗結(jié)果總是小于5%。因而,他們建議在套管強(qiáng)度設(shè)計時不考慮水泥環(huán)的影響。總體來說,要不要考慮水泥環(huán)的影響,目前國內(nèi)外還沒有定論。

2.3 套管可靠性難以保證

套管的可靠性可以分為兩個方面:套管可靠性設(shè)計及可靠性安全系數(shù)的確定。

套管可靠性研究是在可靠性理論迅速發(fā)展和套管安全研究方法亟需改進(jìn)的情況下提出來的,美國、前蘇聯(lián)、英國等國家在套管可靠性研究方面做了很多的工作。目前,套管的可靠性研究主要是基于概率可靠性理論[5-6],概率可靠性理論需要大量的不確定信息來確定其概率密度函數(shù),而在實際工程中,這些不確定性信息有時難以準(zhǔn)確獲知。對我國來說,現(xiàn)場技術(shù)人員對可靠性數(shù)據(jù)收集不全,現(xiàn)有的研究大多基于隨機(jī)模擬理論,還停留在定性分析階段,對在實際中應(yīng)用的套管可靠性還未進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析研究。

套管設(shè)計其基本思想是根據(jù)預(yù)定載荷和套管強(qiáng)度,考慮一定的安全系數(shù)對套管柱進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計。傳統(tǒng)的安全系數(shù)都是根據(jù)經(jīng)驗來確定,它反映了一定的統(tǒng)計特性,缺乏理論指導(dǎo),具有較強(qiáng)的主觀隨意性,造成了“過設(shè)計”和“欠設(shè)計”,對套管柱的可靠性和安全性缺乏有效的控制。以普光氣田為例:普光氣田主體31口井,80%以上生產(chǎn)套管發(fā)生變形。不能確定套管柱安全時的可靠度,高的安全系數(shù)并不代表高的可靠度,安全系數(shù)并沒有和可靠度相聯(lián)系。比如,對于蠕變地層和常規(guī)井段,抗外擠安全系數(shù)均是1.2,但是可靠度肯定是不同的。因此,需要將可靠性理論[7-8]引入套管設(shè)計安全系數(shù)的確定中,將安全系數(shù)和可靠度相聯(lián)系,根據(jù)不同井段確定不同的可靠性安全系數(shù)[9-10]。

2.4 成本的有效控制

隨著深井、超深井的大量出現(xiàn),油氣井成本直線上升,而套管柱的花費(fèi)在油氣井成本中占有很大的比例。因此,在套管柱的優(yōu)化設(shè)計中,應(yīng)該在保證套管柱安全性和可靠性的基礎(chǔ)上盡最大可能降低套管柱的成本,這對油田開發(fā)具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。

但是現(xiàn)在的研究大多是僅僅考慮強(qiáng)度因素,對成本的關(guān)注較少。1996年,A.S.Halal[11]等提出了套管柱的最小成本設(shè)計,提出了一種修正的分枝界限搜索理論,但這種優(yōu)化方法利用了樹的概念。當(dāng)套管種類多,井深大的時候,樹的高度和節(jié)點的數(shù)目都會變得很大,這樣使樹的評價花費(fèi)較長的時間,優(yōu)化工作難以進(jìn)行 (如果一個樹具有7840個分枝,評價這些分枝將會花費(fèi)1011年的時間)。1999年,高德利[12]提出了使用數(shù)據(jù)庫的查詢方法實現(xiàn)優(yōu)化模型的求解。但這是一種局部優(yōu)化,并沒有對全局優(yōu)化進(jìn)行探討。2006年,金業(yè)權(quán)[13]提出使用運(yùn)籌學(xué)的觀點解決成本約束條件下的套管柱優(yōu)化設(shè)計,使用單純型法中的圖解法來求解。但是,這種方法有很大的局限性,對于變量的變化,如果有3個或者3個以上的變量,那么求解將會變得很困難,并且在計算機(jī)上也較難實現(xiàn)。因此,研究在保證套管強(qiáng)度前提下套管柱全局成本最低設(shè)計方法刻不容緩。

3 對套管柱優(yōu)化設(shè)計提出的挑戰(zhàn)

3.1 準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)雜地質(zhì)條件

準(zhǔn)確地預(yù)測井下地質(zhì)環(huán)境是進(jìn)行套管柱設(shè)計的前提,地層的非均質(zhì)性、地層傾角、巖石性質(zhì)、斷層、地震活動、地殼運(yùn)動等對套管設(shè)計都產(chǎn)生很大的影響。通過對井下地質(zhì)環(huán)境的預(yù)測,可以設(shè)計合理的井身結(jié)構(gòu),選擇合適的套管可以減小套管擠毀、腐蝕等復(fù)雜事故的發(fā)生。比如就川東北氣井而言,準(zhǔn)確預(yù)測溫度、壓力、腐蝕氣體類型,對于合理選擇套管,減小套管的腐蝕程度有很重要的意義。但是,目前復(fù)雜的地質(zhì)條件對于準(zhǔn)確確定井下因素帶來了難題。

3.2 套管合理選材

隨著國內(nèi)外深井、超深井的增加,地質(zhì)條件更加惡劣、腐蝕加劇等使套管服役條件越來越苛刻。多年以來采用API標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)的套管具有很大的局限性,因此應(yīng)該大量開發(fā)非API標(biāo)準(zhǔn)套管?？量痰姆蹢l件對套管的質(zhì)量提出了更高的要求,針對日益惡劣的井下環(huán)境,應(yīng)該開發(fā)滿足特殊要求的套管,如高抗擠套管、抗酸腐蝕套管等。

套管柱間聯(lián)接的主要形式是螺紋,約有80%的套管失效發(fā)生在螺紋連接部位,螺紋直接影響著套管柱的可靠性,因此要保證套管柱安全可靠地工作,研究套管螺紋的有關(guān)特性就顯得非常重要。為了滿足高溫高壓井、高腐蝕井、大斜度井等的特殊要求,除了使用API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4種螺紋連接類型外,還應(yīng)該大力開發(fā)特殊連接螺紋。對于螺紋密封性,螺紋連接強(qiáng)度等衡量套管質(zhì)量的重要指標(biāo)也應(yīng)該開展廣泛的研究。但是目前我國的材料水平較低,是我國特殊套管和螺紋接頭研發(fā)的瓶頸。

3.3 套管柱安全可靠性

目前可靠性套管設(shè)計還不能完全代替常規(guī)設(shè)計。套管的可靠性研究主要是基于概率可靠性理論,但在實際工程中,不確定信息難以準(zhǔn)確獲知,然而其界限易于確定,基于以上思想,是否可以考慮基于非概率可靠性理論[14]的套管可靠性設(shè)計?但是,國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究現(xiàn)在還沒有。對于基于可靠性理論的安全系數(shù)的確定國內(nèi)外也進(jìn)行了很多的研究,而目前現(xiàn)場還是根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計的方法確定安全系數(shù)。套管可靠性設(shè)計方法依靠大量準(zhǔn)確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和相關(guān)理論的發(fā)展,可靠性理論、風(fēng)險分析方法、大型數(shù)據(jù)庫的建立是不可或缺的。

3.4 降低套管成本

隨著我國主力油田進(jìn)入后期開發(fā),尋找新的能源接替區(qū)已刻不容緩,勘探開發(fā)難度日益加大,深井超深井越來越多,鉆井成本越來越高。以川東北地區(qū)為例,幾千萬、上億元的井大量存在。套管柱成本在鉆井成本中占有很大的比例,因此,對套管柱進(jìn)行最小成本優(yōu)化對于降低鉆井成本,對于油田經(jīng)濟(jì)合理的開采,抵御當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)危機(jī)的沖擊具有重要的意義。但是,目前套管成本最小化算法方面的研究較少,是制約著最小成本套管柱優(yōu)化設(shè)計的主要因素。

4 套管柱優(yōu)化設(shè)計發(fā)展趨勢

4.1 準(zhǔn)確預(yù)測井下復(fù)雜地質(zhì)條件

在鉆井過程中鉆遇地層構(gòu)造復(fù)雜多變,首先要根據(jù)實際鉆井資料和鄰井資料,收集大量的井下溫度、壓力數(shù)據(jù)、是否有腐蝕氣體、斷層、地層傾角等,調(diào)查該地區(qū)鉆井事故,形成易于維護(hù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),用于指導(dǎo)套管柱優(yōu)化設(shè)計。

針對鉆井中遇到的復(fù)雜地層特別是鹽膏層,要準(zhǔn)確預(yù)測鹽膏層位置與長度,選擇根據(jù)地應(yīng)力計算套管外擠載荷的方法,使套管外載荷計算更加符合現(xiàn)場實際,減少套管損壞。但在石油勘探開發(fā)中,地應(yīng)力研究區(qū)塊較大,而測量的已知參數(shù)信息量少,直接用有限元模擬所得到的結(jié)果往往與實際情況有較大的偏差,這些問題成為地應(yīng)力理論分析和數(shù)值模擬的“瓶頸”,也是鹽膏層段套管優(yōu)化設(shè)計的主要屏障。為此,應(yīng)該將巖土工程反演理論和有限元數(shù)值模擬相結(jié)合,引入到油氣井工程深部地層地應(yīng)力分布中[15],這對鹽膏層井段套管柱的合理設(shè)計有著重要意義。

4.2 加強(qiáng)防腐技術(shù)研究與新型管材持續(xù)研發(fā)

加強(qiáng)化學(xué)防腐和電化學(xué)防腐的研究,對腐蝕環(huán)境、腐蝕機(jī)理進(jìn)行深入研究,積極研究新型高效抑菌、殺菌劑等化學(xué)防腐材料,推進(jìn)新型管材的研發(fā)。針對深井超深井增加,套管工作環(huán)境日漸苛刻,研究開發(fā)高強(qiáng)度、高抗擠,抗 CO2、H2S、Cl-共存的經(jīng)濟(jì)型套管。

目前,全球朝著深井、超深井、復(fù)雜井進(jìn)軍,井下工況越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)的API螺紋接頭由于自身的缺陷已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場應(yīng)用,因此應(yīng)該開發(fā)特殊螺紋接頭。但是,目前我國開發(fā)的特殊接頭數(shù)量很少,大部分依靠進(jìn)口,價格昂貴,加之附件不能及時供應(yīng),難以滿足現(xiàn)場應(yīng)用,因此,研究開發(fā)適合我國國情的特殊螺紋接頭迫在眉睫。

4.3 最小成本優(yōu)化算法設(shè)計

隨著深井超深井的大量出現(xiàn),套管柱結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,套管段數(shù)越來越多。如果要找成本最小套管組合,用窮舉的方法顯然是不可行的,計算機(jī)的計算速度也不允許將所有的套管柱組合運(yùn)算一遍;如果要成本最小化,就要借助于優(yōu)化算法。

套管柱成本優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo),是在滿足設(shè)計約束的條件下使套管設(shè)計方案最經(jīng)濟(jì)。此時,優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)是整個套管柱的總成本,它是組成套管柱的各段套管的成本的總和。而各段套管的成本是其長度和綱級的函數(shù),等于其長度和單位長度價格的乘積。其約束可分為兩類,即幾何約束和載荷約束。幾何約束包括:最小通徑、最大段數(shù)、最小段長和可供選擇的套管等。載荷約束是確保套管柱能夠承受的任何給定深度的最大載荷,并且有一定的安全余量?？梢园堰@些因素抽象為數(shù)學(xué)模型:

約束條件

式中C——套管柱總成本 (或總重量);

Ci——第i段套管成本 (或重量);Si——第i段套管柱的長度;Smin——允許的最小段長;

m——允許的組成套管柱的最大段數(shù);

n——設(shè)計結(jié)果的實際段數(shù);

FDg——廣義設(shè)計系數(shù);

Lg——廣義載荷。

優(yōu)化算法有很多,關(guān)鍵是針對不同的優(yōu)化問題,應(yīng)用不同的算法。例如梯度、Hessian矩陣、拉格朗日乘數(shù)、單純形法、梯度下降法等都是比較經(jīng)典和簡單的算法;而對于更復(fù)雜的問題,則可考慮用一些智能優(yōu)化算法,例如遺傳算法[16]和蟻群算法[17],此外還包括模擬退火、禁忌搜索、粒子群算法等。對于套管設(shè)計來說,要評價的解如此之多,以至于不可能在有限的時間內(nèi)對所有解進(jìn)行評估。所以,需要一種“更聰明”的搜索算法,通過檢驗更少的可行解就可以獲得最優(yōu)解。遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等都屬于群智能優(yōu)化算法范疇,套管柱優(yōu)化目標(biāo)函數(shù):成本最小,約束條件清晰,群智能優(yōu)化算法對其是適用的,在使用中為了保證計算速度和盡快收斂,經(jīng)常是幾種算法聯(lián)合使用,具體效果還有待于進(jìn)一步實驗。但在鉆井成本居高不下的情況下,智能算法優(yōu)化設(shè)計套管柱方法是一個很好的探索。

4.4 套管柱優(yōu)化設(shè)計專家系統(tǒng)的開發(fā)

對鉆探地區(qū)地質(zhì)條件進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測,收集地區(qū)實際鉆井資料、鉆井事故、套管管材類型等大量現(xiàn)場資料,編制易于維護(hù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),對套管柱優(yōu)化設(shè)計做好數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對影響套管柱使用壽命的所有因素進(jìn)行分析,結(jié)合壽命預(yù)測理論,建立各自的數(shù)學(xué)模型;建立套管柱破壞失效數(shù)學(xué)模型;對影響套管柱成本的因素進(jìn)行分析,結(jié)合工程實際,建立套管柱成本數(shù)學(xué)模型;結(jié)合相關(guān)原理將所有模型結(jié)合起來,設(shè)計一套綜合考慮各種因素的套管柱優(yōu)化設(shè)計專家系統(tǒng)。這樣在套管柱設(shè)計階段就能將套管柱系統(tǒng)的可靠度控制在預(yù)定的水平,降低失效概率,從而避免常規(guī)設(shè)計中難以控制的風(fēng)險。在保證安全的基礎(chǔ)上,最大限度地降低成本,做到科學(xué)設(shè)計,合理施工。

5 結(jié)論

隨著國內(nèi)外深井、超深井大量增加,地質(zhì)條件惡劣、腐蝕加劇和套管工況更加復(fù)雜等使套管服役條件越來越苛刻,套管柱成本也急劇升高。傳統(tǒng)的套管柱優(yōu)化設(shè)計方法難以滿足復(fù)雜井的合理設(shè)計,因此應(yīng)該以準(zhǔn)確預(yù)測井下地質(zhì)條件為前提,以套管管材的持續(xù)研發(fā)為基礎(chǔ),綜合考慮風(fēng)險和成本因素,開發(fā)便于現(xiàn)場普遍推廣的套管柱優(yōu)化設(shè)計專家系統(tǒng),用于指導(dǎo)工程實際。

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