劉寶軍，喬李華，許豐平

(1國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心2川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院3川慶鉆探工程有限公司塔里木工程公司)

一、國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀分析

套管是油氣井保持井筒完整性的重要屏障，套管強(qiáng)度的設(shè)計和校核關(guān)系到油氣井安全和壽命，也影響鉆井成本［1］。相比油井而言，氣井對套管的要求更為苛刻。國內(nèi)深井、超深井氣井主要位于塔里木油田和西南油氣田，這兩個油氣田目前套管強(qiáng)度設(shè)計主要依據(jù)SY/T 5724－2008《套管柱結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計》［2］，該標(biāo)準(zhǔn)對氣井套管進(jìn)行強(qiáng)度校核時存在以下幾個問題:①計算方法比較籠統(tǒng)，對實(shí)際工況考慮不夠全面，例如沒有考慮儲層改造、注水注氣、生產(chǎn)過程中關(guān)井等工況下的有效應(yīng)力情況;②在進(jìn)行套管抗外擠強(qiáng)度設(shè)計時只是簡單的考慮一定的掏空度，而除了生產(chǎn)套管要求全掏空外其他套管的掏空度設(shè)置又沒有標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，沒有結(jié)合實(shí)際情況;③生產(chǎn)套管要求全掏空，這對含水的氣井要求過于苛刻，這類井氣藏壓力不可能下降為0，而為了滿足標(biāo)準(zhǔn)，就要使用更高強(qiáng)度的套管，增加了鉆井成本;④在計算軸向拉力時僅僅考慮了由套管在鉆井液中的自重所產(chǎn)生的軸向拉力，而事實(shí)上在下套管過程中出現(xiàn)意外情況需要上提套管時除了承受自重外還需要克服摩阻和其他外力，以及固井施工碰壓等工況下套管內(nèi)憋壓會增加套管軸向拉力等等。出于以上考慮，在SY/T 5724－2008標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)氣井套管在鉆井、完井、生產(chǎn)等全生命周期中可能出現(xiàn)的各種極端工況時套管所受載荷來進(jìn)行套管強(qiáng)度設(shè)計的模式以及載荷的計算方法。

二、幾種可能出現(xiàn)的極端工況以及套管有效載荷計算方法

1．儲層改造、注水注氣、生產(chǎn)過程中關(guān)井等非鉆井工況

儲層改造是一種常用的增產(chǎn)措施，對于設(shè)計保壓或增壓開采的氣田需要注水注氣，在生產(chǎn)過程中套管保護(hù)屏障遭到破壞如油管嚴(yán)重泄漏等狀態(tài)下關(guān)井，這些情況都可能使套管受到較大的內(nèi)壓載荷。按SY/T 5724－2008標(biāo)準(zhǔn)，固井后校核套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度時管外按地層水考慮，因此決定套管有效內(nèi)壓力的因素主要為套管內(nèi)壓力。

1．1儲層改造

壓裂改造時套管所承受的內(nèi)壓力最大，此時需要施加較大的井口壓力讓儲層破裂，形成通道，此時校核套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度時應(yīng)以儲層段井筒內(nèi)壓力為地層破裂壓力來考慮［3］。

對于不下封隔器直接使用套管壓裂的井，儲層段套管內(nèi)壓力按地層破裂壓力考慮，套管內(nèi)任一點(diǎn)井深的內(nèi)壓力為:

式中:p—任一點(diǎn)深度內(nèi)壓力，MPa;p破—儲層破裂壓力，MPa;ρm—井筒工作液密度，g/cm3;g—0.00981;Hp—儲層垂深，m;h—任一點(diǎn)垂深，m。

對于需要采用大排量壓裂的井，還應(yīng)計算壓裂過程中井筒的動態(tài)壓力。對于下油管帶封隔器后進(jìn)行壓裂的井，封隔器以下井段套管內(nèi)壓按不下封隔器的情況考慮，封隔器以上井段套管內(nèi)壓可以通過施加井口平衡套壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，不需校核。

1．2注水注氣

注水的工況與壓裂改造類似，可按相同的方法校核。

帶封隔器注氣的情況下，封隔器位置一般在油管底端，封隔器以下任一點(diǎn)井深的內(nèi)壓力采用式(2)、式(3)計算［4］:

式中:p1、p2—起點(diǎn)和終點(diǎn)流壓，MPa;f—摩阻系數(shù);T—井筒或井段平均溫度，K;Z—井筒或井段氣體的平均偏差系數(shù);qSC—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量，m3/d;D—油管內(nèi)徑，m;γg—?dú)怏w相對密度;ΔH—井段長度，m。井底流壓按地層延伸壓力考慮。

不帶封隔器注氣的情況下，油管以下的套管內(nèi)任一點(diǎn)井深的內(nèi)壓力用上面的式(2)、式(3)計算，油管以上的套管內(nèi)可看作靜態(tài)，任一點(diǎn)井深的內(nèi)壓力為:

式中:pt—油管底端壓力，MPa;e—常數(shù)，2．718;Ht—油管底端垂深，m。

1．3生產(chǎn)關(guān)井

生產(chǎn)過程中在關(guān)井狀態(tài)下隨著地層壓力逐漸恢復(fù)，井筒內(nèi)壓力最大，校核套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度時應(yīng)按投產(chǎn)時的儲層壓力來計算套管承受的內(nèi)壓力。

對于不帶封隔器生產(chǎn)的井，按SY/T 5724－2008標(biāo)準(zhǔn)要求考慮套管內(nèi)全部充滿天然氣關(guān)井狀態(tài)下的套管內(nèi)壓，此時井底為儲層壓力，任一點(diǎn)深度內(nèi)壓力:

式中:pp—儲層壓力，MPa。

對于帶封隔器生產(chǎn)的井，如果封隔器或者油管等屏障發(fā)生嚴(yán)重泄漏，套管就與儲層相通，而由于環(huán)空保護(hù)液的存在，不同井深處發(fā)生泄漏時套管段所承受的內(nèi)壓又不相同，如封隔器發(fā)生泄漏，則環(huán)空保護(hù)液會漏失，套管內(nèi)充滿天然氣，此種情況與不帶封隔器生產(chǎn)的情況相同;如井口部位的油管發(fā)生泄漏，井口套壓等于油壓，而環(huán)空保護(hù)液還存在于套管內(nèi)，其液柱壓力作用在套管上，在環(huán)空保護(hù)液密度高于地層水密度的情況下有效內(nèi)壓力自井口往下逐漸增大，此為最極端情況。當(dāng)泄漏發(fā)生時短時間難以判斷泄漏部位，因此校核套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度時應(yīng)首先考慮井口部位油管發(fā)生嚴(yán)重泄漏關(guān)井的情況，此時封隔器以上套管任一點(diǎn)處內(nèi)壓力:

式中:p關(guān)—關(guān)井套壓，MPa;ρo—環(huán)空保護(hù)液密度，g/cm3。

對于某些超深高壓井，可選的套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度可能不能滿足要求，但為了井控安全，至少需要保證井口附近的套管強(qiáng)度達(dá)到要求，具體井深有待論證。

2．套管抗外擠強(qiáng)度校核的幾種極端工況

按SY/T 5724－2008標(biāo)準(zhǔn)，固井后校核套管抗外擠強(qiáng)度時管外按固井前的鉆井液密度考慮，塑性地層按上覆巖層壓力考慮，因此決定套管有效外擠力的因素為套管內(nèi)壓力。對表層套管和技術(shù)套管，在發(fā)生井漏失返時井筒液面降低，導(dǎo)致套管內(nèi)壓力下降，有效外擠力增加;而生產(chǎn)套管在儲層衰竭廢棄時管內(nèi)壓力最低，有效外擠力最大。校核抗外擠強(qiáng)度時宜考慮以下幾種工況:

2．1井漏失返

在下一開鉆井過程中鉆遇低壓地層尤其是壓力嚴(yán)重衰竭的地層發(fā)生井漏失返，此時井內(nèi)鉆井液液面不在井口，就造成井內(nèi)液柱壓力下降，有效外擠力增大。建議按下一開易漏地層的井深和地層壓力以及使用的鉆井液密度來計算井漏失返后的液面高度，從而計算有效外擠力。任一點(diǎn)處內(nèi)壓力:

式中:p漏—漏失層地層壓力，MPa;Hl—漏層垂深，m，當(dāng)套管內(nèi)壓力小于0時則按0計算(液面以上)。

2．2氣藏壓力衰竭

當(dāng)氣藏壓力衰竭到一定程度產(chǎn)量很低時就會被廢棄或采取增產(chǎn)措施，對存在邊水或底水的氣藏，后期產(chǎn)氣量減少，而產(chǎn)水量增加造成井筒積液，井底壓力不可能降為0。對于超深高壓氣井來講，如果生產(chǎn)套管按全掏空考慮，則對套管抗外擠強(qiáng)度要求非常高，這樣會增加套管的成本甚至選不到滿足條件的套管。建議按氣藏開發(fā)設(shè)計人員提供的氣藏廢棄壓力來計算套管內(nèi)壓力，井筒內(nèi)任一點(diǎn)處內(nèi)壓力:

式中:p廢—儲層廢棄壓力，MPa;ρc—地層水密度，g/cm3。當(dāng)套管內(nèi)壓力小于0時則按0計算(液面以上)。

2．3特殊施工

如欠平衡鉆井、氣體鉆井、下套管未灌漿造成掏空等，需要根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)置管內(nèi)壓力值，其中氣體鉆井按管內(nèi)全掏空考慮。

3．考慮額外的軸向載荷

抗拉強(qiáng)度設(shè)計主要考慮下套管和固井工況，對于水泥封固段可以不考慮軸向力的作用［5］。在鉆井過程中，套管承受較大拉力的情況主要為下套管過程中的超拉和注水泥碰壓。

在下套管過程中出現(xiàn)意外情況需要上提套管時，套管除了承受自重外還需要克服摩阻和其他外力，建議在計算軸向載荷時以軟件模擬或鄰井實(shí)際的上提摩阻作為超拉的參數(shù)，若粗略地按摩阻力全部作用在套管鞋考慮，直井而言，任一點(diǎn)處有效軸向載荷:

式中:Ten—任一點(diǎn)處有效軸向載荷，kN;ΔLk—第k段管柱的長度，m;qmk—第k段管柱在流體中的單位長度浮重，kN/m;Tt—上提摩阻，kN;qsk—第k段管柱在空氣中的單位長度重量，kN/m;ρs—鋼材密度，g/cm3。

另外，注水泥碰壓以及注水泥碰壓后立即進(jìn)行套管試壓時套管會形成封閉空間，封閉空間內(nèi)的壓力會對套管產(chǎn)生額外的軸向拉力，因此套管校核過程中需要考慮此種工況，此時任一點(diǎn)處有效軸向載荷:

由于注水泥后套管內(nèi)外流體密度不一致，單位長度套管浮重［6］:

式中:pa—碰壓壓力，kPa;Aok—第k段管柱橫截面外圓面積，m2;Aik—第k段管柱橫截面內(nèi)圓面積，m2;ρok—第k段管外流體密度，g/cm3;ρik—第k段管內(nèi)流體密度，g/cm3。

某些地區(qū)超深井因井深超出預(yù)期又急于開發(fā)，井口套管抗拉強(qiáng)度受限，所以在注水泥時要求不碰壓。

三、套管強(qiáng)度設(shè)計實(shí)例

1．基本數(shù)據(jù)

某油田采氣井懸掛段生產(chǎn)套管設(shè)計，借助WELLCAT軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核?；A(chǔ)數(shù)據(jù)如表1。

表1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

最低安全系數(shù)要求:抗內(nèi)壓1．05、抗外擠1．00、抗拉1．60、三軸1．25。

2．工況及管內(nèi)外條件分析

根據(jù)井的特點(diǎn)，分析在鉆井、完井、生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的極端工況以及各種工況下套管內(nèi)外及軸向載荷條件。

3．套管設(shè)計與強(qiáng)度校核流程

(1)首先在軟件中建立井號，輸入井身結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再逐一輸入各種工況下的套管內(nèi)外條件，計算后輸出套管內(nèi)外壓差即有效壓力剖面圖。

(2)根據(jù)套管內(nèi)外壓差，確定套管最低強(qiáng)度要求，然后選擇相應(yīng)套管。本井在儲層衰竭至20 MPa的情況下，套管內(nèi)外壓差為－83～－113 MPa;在井口油管或油管頭泄露的情況下內(nèi)外壓差為60～66 MPa，結(jié)合當(dāng)前套管庫存情況，選擇 ?201．7 mm、鋼級155 V、壁厚15．12 mm套管，額定抗內(nèi)壓強(qiáng)度112 MPa、抗外擠強(qiáng)度132 MPa、抗拉強(qiáng)度6 573 kN。若考慮管內(nèi)全掏空，則需要選擇更高強(qiáng)度的套管。

(3)套管強(qiáng)度校核。如圖1為套管強(qiáng)度的校核圖，所選套管均能滿足各種工況的強(qiáng)度要求。需要指出的是WELLCAT軟件計算軸向力時使用的是壓力面積法，SY/T 5724－2008標(biāo)準(zhǔn)使用的是浮力系數(shù)法，兩者計算結(jié)果存在差別。

4．工程驗(yàn)證效果

該井下入?201．7 mm懸掛套管后，在注水泥固井、下一開鉆井，以及后期的完井、改造、生產(chǎn)過程中未發(fā)現(xiàn)套管損壞現(xiàn)象。

相比傳統(tǒng)的校核方法，通過分析套管在各種實(shí)際工況下所受載荷來進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計的方法考慮的更全面，如表2。

圖1套管強(qiáng)度校核結(jié)果圖

表2兩種校核方法對比

四、結(jié)論與建議

(1)在一口井的鉆井、完井、生產(chǎn)等生命周期中，套管都扮演著非常重要的角色，通過分析套管在各種實(shí)際工況下所受載荷來進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計更具有科學(xué)性，對套管的安全性考慮的更加周全和切合實(shí)際，同時可避免使用某些不必要的高強(qiáng)度套管，節(jié)約鉆井成本。

(2)在套管強(qiáng)度設(shè)計中，需要收集氣藏開發(fā)、鉆井、儲層改造、采氣等多個專業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并力求準(zhǔn)確，對數(shù)據(jù)較少或可靠性不高的井，建議提高相應(yīng)的套管強(qiáng)度安全系數(shù)，以保證套管安全。

(3)套管強(qiáng)度設(shè)計涉及到的工況多而復(fù)雜，逐個工況進(jìn)行計算的工作量大，且計算過程中還可能涉及到彎曲井眼、溫度效應(yīng)、套管磨損、三軸應(yīng)力等方面的考慮，因此需要采用軟件計算，目前引進(jìn)國外軟件成本較高，建議開發(fā)該類國產(chǎn)軟件。