李文飛

（勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017） ＊

普光氣田非標(biāo)套管應(yīng)用可行性分析

李文飛

（勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257017）＊

根據(jù)普光氣田地應(yīng)力情況和套管柱結(jié)構(gòu)分析，對(duì)非標(biāo)套管柱在高地應(yīng)力作用下的受力和變形規(guī)律進(jìn)行了模擬計(jì)算分析。研究結(jié)果表明：均勻外壓作用下套管壁厚從8.98mm增加到15.11 mm時(shí)，抗擠強(qiáng)度增加51.75MPa，增大270%；非均勻外壓作用下，套管抗擠強(qiáng)度較均勻外壓條件相比有一定程度降低，壁厚13.84mm套管抗擠強(qiáng)度可降低60%?，F(xiàn)場(chǎng)安全應(yīng)用證明了非標(biāo)套管在普光氣田的可行性，對(duì)普光氣田的安全高效開發(fā)具有重要意義。

普光氣田；地應(yīng)力；非標(biāo)套管；可行性；數(shù)值模擬

普光氣田地質(zhì)儲(chǔ)層埋藏深，地應(yīng)力非均勻系數(shù)高且含有鹽巖層，對(duì)套管柱的安全性要求高，使得已有的API套管難以滿足其需求。近年來，國(guó)外采用非標(biāo)套管的趨勢(shì)越來越明顯，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家也能生產(chǎn)非標(biāo)套管供現(xiàn)場(chǎng)使用。同時(shí)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，從鉆井成本角度考慮，局部井段采用非標(biāo)套管對(duì)1口井增加的成本并不大。本文以普光氣田井身結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的?273.05mm套管為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，采用有限元方法建立套管彈塑性計(jì)算模型，研究不同壁厚［1］非標(biāo)套管在均勻外壓和非均勻外壓作用下抗擠強(qiáng)度的變化規(guī)律及非均勻載荷系數(shù)對(duì)抗擠強(qiáng)度的影響規(guī)律，為非標(biāo)套管在普光氣田安全應(yīng)用的可行性評(píng)估提供理論數(shù)據(jù)支持。

1 均勻外擠作用下非標(biāo)套管抗擠強(qiáng)度

?273.05mm套管彈性模量為2.1×1011Pa，屈服強(qiáng)度655MPa，鋼級(jí)為T95。模擬計(jì)算過程中，套管壁厚分別取8.98、10.16、11.43、12.57、13.84、15.11mm，不同壁厚套管各階失穩(wěn)模態(tài)所對(duì)應(yīng)的臨界外壓如表1。根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)，套管的擠毀與徑厚比有關(guān)，當(dāng)徑厚比［2］較大時(shí)以失穩(wěn)破壞為主，當(dāng)徑厚比較小時(shí)以強(qiáng)度破壞為主。本文建立套管有限元模型進(jìn)行分析，套管前3階失穩(wěn)模態(tài)及Mises應(yīng)力［3］分布如圖1～2。從圖中可以看出，對(duì)于厚壁和非標(biāo)套管柱在外擠載荷下發(fā)生的失效破壞以第1階失穩(wěn)為主。

表1 不同壁厚套管各階失穩(wěn)模態(tài)所對(duì)應(yīng)的臨界外壓MPa

圖1 壁厚8.89mm套管前3階失穩(wěn)模態(tài)及Mises應(yīng)力分布

圖2 壁厚12.57mm套管前3階失穩(wěn)模態(tài)及Mises應(yīng)力分布

不同壁厚套管抗擠強(qiáng)度如表2所示。取套管中間節(jié)點(diǎn)的Mises應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)所施加的外擠壓力作為其抗擠強(qiáng)度，判斷點(diǎn)的Mises應(yīng)力隨外壓的變化規(guī)律如圖3～4，圖中虛線所對(duì)應(yīng)的外壓值即為套管的抗擠強(qiáng)度。

表2 在均勻載荷作用下不同壁厚套管抗擠強(qiáng)度

圖3 壁厚13.84mm套管抗擠強(qiáng)度

圖4 壁厚15.11mm套管抗擠強(qiáng)度

由圖3～4可以看出：在均勻外壓作用下套管抗擠強(qiáng)度和壁厚之間近似成直線關(guān)系，隨著壁厚的增大，抗擠強(qiáng)度大幅度增大。套管壁厚和抗擠強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖5，可以看出：當(dāng)套管壁厚由8.98mm增加到15.11mm時(shí)，套管的抗擠強(qiáng)度增加了51.75 MPa，增幅為270%，進(jìn)一步證明增加套管的壁厚能夠大幅提高套管柱的抗擠毀能力。

圖5 套管壁厚和抗擠強(qiáng)度關(guān)系曲線

2 非均勻外擠作用下非標(biāo)套管抗擠強(qiáng)度

套管受力［4］、變形與地質(zhì)因素（巖層性質(zhì)）有密切關(guān)系，不同地質(zhì)狀況下，套管損壞程度、形態(tài)均不同。儲(chǔ)層巖石的力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)以及巖層的位移變化直接對(duì)套管施加作用。

國(guó)際上在進(jìn)行套管設(shè)計(jì)時(shí)，通常認(rèn)為套管承受的是均勻外擠壓力，即按靜水壓力分布規(guī)律計(jì)算套管應(yīng)力，然后開展對(duì)套管的模擬強(qiáng)度試驗(yàn)。該方法對(duì)于淺井或井下情況相對(duì)簡(jiǎn)單的井是可行的，但對(duì)深井以及地質(zhì)情況或地應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜［5］的井，若仍采用上述假設(shè)，則極易導(dǎo)致套管在井下發(fā)生變形甚至錯(cuò)斷，直接嚴(yán)重影響油氣井的正常開發(fā)生產(chǎn)，甚至造成油氣井停產(chǎn)報(bào)廢，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。相關(guān)地質(zhì)資料分析表明，普光氣田地應(yīng)力非均勻系數(shù)較大。本文采用三維有限元數(shù)值模擬方法，結(jié)合實(shí)際環(huán)境特點(diǎn)，計(jì)算分析非標(biāo)套管抗擠強(qiáng)度與外擠載荷非均勻系數(shù)間的變化關(guān)系，為普光氣田非標(biāo)套管的安全應(yīng)用分析奠定理論基礎(chǔ)。

2.1 非均勻系數(shù)

套管受非均勻外擠壓力作用如圖6所示。在套管外壁上施加橢圓形外擠壓力，則非均勻系數(shù)γ為橢圓形載荷中最小值pmin和最大值pmax的比值，即

圖6 套管受非均勻外擠壓力分析

2.2 模擬分析

針對(duì)不同壁厚的?273.05mm套管，在不均勻系數(shù)為0.5的條件下，數(shù)值模擬計(jì)算的Mises應(yīng)力分布如圖7，變化規(guī)律如圖8～13，圖中虛線所對(duì)應(yīng)的外擠壓力即為套管在非均勻載荷作用下的抗擠強(qiáng)度。

圖7 非均勻載荷作用下不同壁厚套管Mises應(yīng)力云圖

圖8 非均勻載荷作用下壁厚8.98mm套管抗擠強(qiáng)度

圖9 非均勻載荷作用下壁厚10.16mm套管抗擠強(qiáng)度

圖10 非均勻載荷作用下壁厚11.43mm套管抗擠強(qiáng)度

圖11 非均勻載荷作用下壁厚12.57mm套管抗擠強(qiáng)度

圖12 非均勻載荷作用下壁厚13.84mm套管抗擠強(qiáng)度

圖13 非均勻載荷作用下壁厚15.11mm套管抗擠強(qiáng)度

分析圖8～13計(jì)算結(jié)果可知：隨著地應(yīng)力非均勻性的增加，套管抗擠能力逐漸降低，其對(duì)較小壁厚套管的影響明顯高于較大壁厚套管，表明厚壁和非標(biāo)套管在抗非均勻［5］外擠載荷的能力優(yōu)于API套管柱。表3是模擬出的不同壁厚的?273.05mm套管在非均勻荷載作用下的抗擠強(qiáng)度。

表3 在非均勻載荷作用下不同壁厚套管抗擠強(qiáng)度

圖14是套管抗擠強(qiáng)度隨壁厚的變化規(guī)律，可以看出：在非均勻外擠壓力作用下，套管抗擠強(qiáng)度和壁厚之間成近似直線性變化，即套管抗擠強(qiáng)度隨壁厚的增加而增大［6］；與均勻外壓作用下套管的抗擠強(qiáng)度相比，相同壁厚套管在非均勻外壓下，其抗擠強(qiáng)度降低。例如，壁厚為13.84mm的套管在均勻外壓作用下的抗擠強(qiáng)度為65.31MPa，而在非均勻外壓（等于均勻外壓下的外壓值）作用下的抗擠強(qiáng)度為26.2MPa，降低了60%，可見地層應(yīng)力的非均勻性對(duì)于套管抗擠強(qiáng)度影響較明顯。

圖14 非均勻載荷作用下套管抗擠強(qiáng)度隨壁厚變化規(guī)律

3 結(jié)論

1） 在均勻外擠壓力作用下，套管抗擠強(qiáng)度和壁厚之間成近似直線關(guān)系，隨著壁厚的增加，套管抗擠強(qiáng)度大幅度增大，壁厚由8.98mm增加到15.11 mm，抗擠強(qiáng)度增加了51.75MPa，增大了270%，表明套管壁厚的增加在一定程度上能夠顯著提高套管抗擠毀能力。

2） 在非均勻外擠壓力作用下，套管抗擠強(qiáng)度和壁厚之間也成近似直線關(guān)系，套管抗擠強(qiáng)度隨壁厚的增加而增大；與均勻外壓下套管的抗擠強(qiáng)度相比，相同壁厚的套管在非均勻外壓下的抗擠強(qiáng)度減小，壁厚13.84mm的套管在均勻外壓作用下的抗擠強(qiáng)度為65.31MPa，而非均勻外壓作用下抗擠強(qiáng)度為26.2MPa，降低60%，地應(yīng)力非均勻性影響套管抗擠強(qiáng)度顯著。

3） 通過模擬分析，非標(biāo)套管能夠承受較大的非均勻應(yīng)力載荷，具有較強(qiáng)的抗擠毀能力，表明在普光氣田應(yīng)用非標(biāo)套管能夠確保氣井的正常生產(chǎn)，是安全可行的，建議在后續(xù)類似地區(qū)應(yīng)用非標(biāo)套管。

［1］ 呂拴錄，張福祥，李元斌，等.塔里木油氣田非API油井管使用情況分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（7）：70－74.

［2］ 褚榮光，孫華鋒，石 野，等.均勻地應(yīng)力下套管壁厚對(duì)儲(chǔ)氣井井筒受力的影響［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（2）：9－13.

［3］ 蔡正敏，張 軍，申朝廷，等.非均勻載荷下套管橢圓度對(duì)抗擠強(qiáng)度的影響［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（5）：20－23.

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Feasibility Analysis on Application of Nonstandard Casing in Puguang Gas Field

LI Wen－fei
（Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Administrative Bureau，Dongying257017，China）

According to geostress and casing structure data of puguang gas field，mechanics and deformation law of nonstandard casing was studied on condition of non uniformity and high geostress.The results showed that collapse strength has increased 51.75MPa（270%）as thickness raised from 8.98mm to 15.11mm under uniform external loads；under non－uniform external loads，collapse strength of casing has reduced 60%in some degree such as thickness was 13.84 mm.Application on site proves that nonstandard casing is feasible，which is significant for safe and efficient exploit in Puguang gas field.

Puguang gas field；geostress；nonstandard casing；feasibility；numerical simulation

1001－3482（2012）03－0008－05

TE931.2

A

2011－09－20

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05022－001）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2008BAB37B06）

李文飛（1978－），男，山東菏澤人，工程師，主要從事鉆井工程設(shè)計(jì)研究，E－mail：liwenfei.slyt＠sinopec.com。