高压异常地层局部双层组合套管的设计与应用

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1、一斯块油气田第4卷第5期高压异常地层局部双层组合套管的设计与应用李学忠刘积松董事尔．。—‘。。--、-一·-_-—_。。一巾届f石油勘探局：、1、n1(西南石油学院J-TTl．<0摘要中原油田的套管损坏问题，在全国各油田中是较为严重的，影响了中原油田稳定的战一略目标。为此，中原石油勘探局与西南石油学院台作，开展了近la多的联台攻关研完，在盐层高压酗套的开j成机理、超高压地层套管外挤力讣算、局部盟层组台套管的设计及套管寿命预测方法研究等方面．理论上获得重大突破。本文详细介绍j局部盟层套管的强度理论、方案设计与优选、经济效苴评：：、抗压强度理论分析盐岩、泥岩等软地层埋藏深度较大时，在上覆

2、地层重力作用F将发生蠕变，当地层倾角较大或有水双层组合套管的截面，如图1所示，根据弹性力侵入时迁会产生塑性流动或滑移。这种蠕变载荷加学的理论可知，在交界面处，存在压力、位移连续性。滑移载椅将会对处于盐、泥岩段的套管产生巨大的在均匀载荷作用下，关于双层组合套管抗挤强度的非均匀外挤压力。理论计算表明：当盐、泥岩地层发理论分析在文献EI．2．4中已有详细介绍，这里仅引用生蠕变和滑移时，处于盐，泥岩地层段内的套管所承其关键一结论。受的最犬外挤力将太大高于上覆地层的压力，根据P。饥，地层倾角大小的不同，最高可达上覆地层压力的1．5～3．5倍，面最小外挤压力却大大低于上覆地层^的压力，一般不足』

3、：覆地层压力的50，载荷椭圆的轴比仅15左右。不同壁厚套管的“等效破坏载荷试验数据表明：在非均匀外载条件下，套管抗外挤能力将大大降低，对于椭圆形载荷，套管抗外挤强度降低的程度又取决干载荷椭圆形的轴比，轴比越小，强度降低得越多。当轴比为0．32时，套管的抗外挤能力仅相当于其抗均匀外压强度的15．8。在这种载荷条件下，若采用单层套管，现有的任何型号的套管都难以承受这种巨大的非均匀外压，因此，必须采用特殊的厚壁套管或双层组合套管。本文详细介绍了双层组合套管的强度理论、优-围1双层组合套管截面·车学忠，男．1945年生．高级工程师，1969年毕业于北京石油学院开发系采油工程专业，现任中原石油

4、勘探局尉总工程师．井下作业集团总经理，地址(457001)：河南，肯棒阳市，电话：(0393")4823056第4卷第5期李学忠；高压异常地层局部双层组合套管的设计与应用外层套臂内表由上的饼压力P为：符合标准API5C2格式，共收集r标准API套管322种和NKK公司(日本)的非API标准套管1239、一‘j七}q七}一}t}n⋯㈨种，共计1561种，已能基本满足油田的设计需要。所内层套管外表面的挤压力P为：建立的数据库，采用全开放式结构，并充分考虑r用P2=tj七}U七}一}ttn、(2)户对库的扩充问题，只要在库的最后按API5C2格6式，增加新的套管数据即可。式中，0一警·)根

5、据前面的公式，编制丫双层套管优化设计软件PIP(AOptimizitionProgramforPipe—in—^=·与㈨pipe)，该软件计算可靠，具有良好的用户界面。双一·，层组合套管的计算机设计步骤如下：(～)通过人机对话，输人必要参数^=·cs输^内层套管直径，高压异常地层外挤压力，套管、水泥环的弹性模量、泊松比等。，I=警·生(二)通过人机对话，选择内外套管一·cs在选择套管的过程中，最重要的因素是确定水泥环的厚度d。d太小，不利于水泥浆的浇注Id太^一·(3g大，虽然能使双层组合套管的强度增加，但也使外层￡t2==r2／rI，r23一／r2，f3‘一r

6、／r3(3h)套管尺

7、寸增加，从而导致钻头尺寸加大，增加钻井成E、、丘、分别为套管与水泥环的弹性模量本。根据固井工艺要求，取d—l3～26mm。在选择与泊松比。套管的过程中，所选择的套管要经过设计人员确认当套管内压力P一0时，为最危险工况，此时内才有效。为了追求理论上的最优值而选择市场上没层套管的内壁应力最大。根据第三强度理论(即最大有的套管是不现实的，因而是一种相对优化设计。剪应力理论)，就可以确定双层组合套管的最大抗挤(三)设计双层组合套管结构强度。双层组合套管结构的计算机设计过程如以下流P～一丝D／t-1q程图(见图2)所示：～一K(D／t)(4)一ll⋯式中K一J2Js=5分析上式可知，K值反应r

8、外挤压力传递给内层套管外表面压力的大小，故通常称K为传力系数。当K取得极小值时，组合套管的抗压强度达到最大，而K主要与套管的几何尺寸有关，那么，不同的内外套管组合，将得到不同的抗挤力，故我们用优化设计的方法来确定最佳的组合套管形式。三、优化设计从上面的分析可知，目标函数为式(5)，约束条件为套管截面的几何尺寸，每一种套管有一个固定的几何尺寸，因此，约束条件实际为套管种类的选择问题，因而是一个整型优化问题，对于这类问题，穷举法是最行之有效的，甩计算机编程求解