[发明专利]一种水平井套管柱的三轴应力强度设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水平井套管柱的三轴应力强度设计方法。

背景技术

随着勘探开发的不断深入，定向井、水平井、大位移井的数量越来越多，特别是对于滩海及海上油田的开发，由于受到平台位置的限制以及后期管理和开采的需要，全部采用定向井、水平井进行开发。近年来，随着海上油田的勘探向滩海和深海的发展，大位移井由于其成本上的优势越来越多地被油田所采用，对大位移井的套管柱强度设计也提出了更高的要求。由于井斜角大，裸眼井段长，套管也越下越深，作用在油气井套管上的载荷也变得越来越大且越来越复杂。套管设计过程中不但要考虑摩阻的影响，还要考虑套管弯曲产生的附加轴向力、套管磨损、套管动载荷的影响。在目前使用的石油天然气套管强度设计行业标准(SY/T5322-2000)中，套管的轴向力只考虑了浮重的作用，没有考虑摩阻和动载的影响，因此，有必要研究适合于大位移井的套管柱强度设计理论和方法。

传统的套管设计存在以下主要问题：

1)对套管受力的认识。认为套管所受的轴向力只是由浮重引起的，没有考虑套管在起、下过程中的摩阻力，以及套管突然受阻的冲击载荷。

2)对套管强度的认识。认为套管是理想的管体，套管的强度就是API套管强度，而实际上在套管制造和生产过程中，包含很多缺陷，同时由于工艺和生产技术的提高，套管抗挤强度已不再是原有的强度。

套管磨损在深井、超深井、水平井以及大位移井钻井和修井期间是一个不容忽视的问题，磨损使套管柱的抗挤强度、抗内压强度等使用性能降低，对套管柱的安全构成了严重的威胁，它可能引起油气井控制问题，严重时甚至可使一口几乎要完钻的井报废。目前我国在进行管柱结构设计时，基本没有考虑到套管的磨损问题。

综上所述，大位移井套管设计理论和方法与常规定向井有较大的差异，必须研究针对适合于大位移井套管柱强度设计的理论和方法。此外，大位移井中套管的磨损机理和磨损后套管强度的变化，也是一个值得关注的问题，改进套管柱的强度设计方法，不仅具有理论意义，也具有实际应用价值。

早期的套管柱设计是采用单轴应力设计。采用这种方法设计时，没有考虑套管所受各种力的相互作用，认为各种力对套管的作用是相互独立的。国内通用的等安全系数法，还有国外的边界载荷法、最大载荷法、前苏联及西德的套管设计方法，还有美国阿莫科公司的设计方法等，多是以双轴应力法为基础，这些设计方法各有特点。

(1)等安全系数法：整个套管柱由不同强度的多段套管组成，各段的最小安全系数应等于规定的安全系数，这就是等安全系数法。过去等安全系数法一般只根据抗拉与抗挤进行设计。近年来国外则多是先进行抗内压强度设计，先选出符合要求的套管后再进行抗拉与抗挤设计。

(2)边界载荷法：边界载荷法的抗内压和抗挤设计方法与等安全系数法相同，只是在中上部套管改由抗拉设计时，不用抗拉强度系数除所得到可用强度，而是用第一段以抗拉设计的套管抗拉强度和安全系数所决定的边界载荷算出强度来选用以上各段套管。

(3)最大载荷法：其本质是根据实际条件下套管柱所承受的有效载荷，再考虑一定系数来设计套管柱。其步骤为先按有效内压力然后再根据有效外压力及拉力进行设计，并考虑双轴应力对抗挤强度的影响，各段套管的长度是通过图解法确定的。

(4)前苏联套管柱设计特点是给出不同时期，不同井内作业条件下套管柱各部位的内压力和外压力计算公式。设计时要根据该井的具体情况，计算出套管各部位所受的有效内压力及有效外压力，并依此作为选用套管的依据。

以双轴应力为基础的设计方法在世界各地得到了广泛的应用。但是，随着钻井技术的发展和勘探开发的需要，钻井深度越来越深，地质条件越来越复杂，油井工作条件也越来越恶劣，单轴应力设计和双轴应力设计已不能满足钻井和油气井开发的要求，常常造成油气井套管的先期破坏。双轴应力方法存在的问题是采用双轴应力法设计时，虽然考虑了外挤力、内压力和轴向力的相互影响，但忽略了径向应力的影响。即在考虑轴向力对外挤力的影响时，忽略了内压力。同时在考虑轴向力对内压力的影响时，忽略了外挤力。有关文献的实验资料表明，出现挤毁破坏的试件，其实验数据与双轴应力椭圆理论曲线相距甚远，两者符合程度不高，这一实验结果表明双轴应力设计方法存在缺陷。事实上，不管套管受哪些力的作用，归根结底是受三轴应力。因此，套管强度设计应同时考虑轴向力、外挤力和内压力相互作用对套管强度的影响。