專利名稱：一種鹽巖地層異形套管設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種針對(duì)鹽巖地層的套管設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
深部地層鹽膏層鉆井是鉆井工程重大技術(shù)難題之一，由于鹽膏層巖石性能的特殊性，鹽膏層鉆井完井的復(fù)雜情況和井下事故形態(tài)可用“溶、縮、塌、脹、漏、卡、噴、損”8個(gè)字來(lái)描述。特別是當(dāng)鉆開(kāi)井眼后鹽膏層蠕動(dòng)，常造成井眼失穩(wěn)、卡鉆、固井后擠毀套管等事故。在我國(guó)油氣鉆井工程中，也經(jīng)常遇到大段復(fù)雜的巖鹽地層。在鉆井過(guò)程中，容易產(chǎn)生縮徑卡鉆或起下鉆遇阻，在下套管時(shí)容易出現(xiàn)下套管遇阻，同時(shí)套管下入井后易產(chǎn)生隨時(shí)間而變化的不均勻外載并擠毀套管。套管作為油氣井的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到油氣資源的順利開(kāi)采，是保證鉆井順利進(jìn)行和完井后油氣井正常運(yùn)行的重要通道。在油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，套管損壞事故的發(fā)生給油田造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。鹽膏巖作為重要的油氣資源蓋層，預(yù)防和減少鹽膏層套損事故的發(fā)生尤為重要。目前，公知的針對(duì)埋深、厚度較大的鹽巖地層多采用非API標(biāo)準(zhǔn)的厚壁套管，厚壁套管壁厚是常規(guī)套管的1.5倍以上，其特點(diǎn)是抗擠強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度大、質(zhì)量大、價(jià)格昂貴。但是國(guó)內(nèi)外在進(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(kāi)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)深井以及存在鹽巖等地質(zhì)情況或地應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜的井，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，嚴(yán)重影響油氣井的正常開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，甚至造成油氣井停產(chǎn)報(bào)廢，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，若厚壁套管壁厚過(guò)大，其經(jīng)濟(jì)成本相應(yīng)的增加，降低了油田企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，也會(huì)阻礙油氣開(kāi)采活動(dòng)的進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鹽巖地層異形套管設(shè)計(jì)方法，使用該方法能夠有效地降低套管在非均勻水平地應(yīng)力狀態(tài)下套管管體的有效應(yīng)力，防止套管損壞，解決了現(xiàn)有厚壁套管在非均勻水平地應(yīng)力狀態(tài)下強(qiáng)度不夠，不能保證厚壁套管在后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中保持完好的技術(shù)難題。本方法采用的思路是:確定相應(yīng)區(qū)塊鹽巖層段的井深以及該井的井身結(jié)構(gòu)，根據(jù)鹽巖地層蠕變載荷分布規(guī)律，通過(guò)改變異形套管的內(nèi)徑或外徑來(lái)降低套管管體的有效應(yīng)力，避免出現(xiàn)在最大主應(yīng)力方位擠毀套管。一種鹽巖地層異形套管設(shè)計(jì)方法，通過(guò)改變套管的橫截面形狀有效地降低管體內(nèi)部有效應(yīng)力，針對(duì)不同地應(yīng)力狀態(tài)以及地應(yīng)力非均勻程度，采用彈性力學(xué)原理，分析不同橢圓程度異形套管的有效應(yīng)力，再根據(jù)第四強(qiáng)度理論確定出在該地應(yīng)力水平條件下滿足給定安全系數(shù)和鋼級(jí)的異形套管橫截面尺寸。即通過(guò)針對(duì)不同鹽巖地層蠕變應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)改變異形套管的內(nèi)徑或者外徑并采用上述方法進(jìn)行計(jì)算，確定出適合該地應(yīng)力水平條件的套管橫截面形狀。
使用本發(fā)明所述方法設(shè)計(jì)的異形套管有以下兩種形式:套管內(nèi)壁為圓形，外壁為橢圓形；套管內(nèi)壁為橢圓形，外壁為圓形。所述異形套管下入井內(nèi)，其壁厚最大的位置應(yīng)與最大水平地應(yīng)力方位一致。所述異形套管橫截面長(zhǎng)軸方向的最大值應(yīng)該小于需要套管封固的裸眼井段井徑1.90cm以上，以確保固井質(zhì)量和避免出現(xiàn)不能下入該異形套管的情況發(fā)生；異形套管內(nèi)徑的短軸長(zhǎng)度必須根據(jù)SY/T5431— 2008行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定，以保證下部井段的正常鉆進(jìn)和下一層套管能夠順利下入。由于地下鹽層非均勻地應(yīng)力的存在，使得套管周圍的徑向應(yīng)力呈非均勻的橢圓形分布；鹽巖吸水蠕變，使得套管外載的非均勻分布變得更加嚴(yán)重，表現(xiàn)為在最大地應(yīng)力方向，外載增加，最小地應(yīng)力方向，外載減小。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M地層蠕變產(chǎn)生的套管非均勻外載，可以看出:(I)在非均勻地應(yīng)力下,鹽巖蠕變將對(duì)套管產(chǎn)生一個(gè)非均勻外載,其大小隨時(shí)間增加而增大，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后，載荷會(huì)趨于穩(wěn)定而不再增加。(2)在套管周圍不同方向受到的蠕變外力不同。在0°方向(最大地應(yīng)力方向)受力最大，45°方向次之，90°方向(最小地應(yīng)力方向)最小。套管周圍鹽巖蠕變外載的分布形式為橢圓形，其分布規(guī)律可近似用余弦函數(shù)來(lái)表示:ο H=SAS2CosS Θ式中:σ n——套管所受徑向蠕變外載，MPa ；Θ—與最大主應(yīng)力方向夾角，° ;S1, S2——鹽巖地層及地應(yīng)力大小有關(guān)的折算外載，MPa。異形套管管體的應(yīng)力分布按彈性力學(xué)理論(張?jiān)收?，曹富新，彈性力學(xué)及其有限元法[M]，北京:中國(guó)鐵道出版社，1983)計(jì)算，套管壁內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力分量σ e、(^和是套管半徑和徑向角的函數(shù)。由簡(jiǎn)化的模型得:
權(quán)利要求
1.一種鹽巖地層異形套管設(shè)計(jì)方法，針對(duì)不同鹽巖地層蠕變應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)改變異形套管的內(nèi)徑或者外徑，確定出適合該地應(yīng)力水平條件的套管橫截面形狀，其特征在于，所述異形套管有以下兩種形式:套管內(nèi)壁為圓形，外壁為橢圓形；套管內(nèi)壁為橢圓形，外壁為圓形。
2.如權(quán)利要求1所述的異形套管設(shè)計(jì)方法，其特征在于，當(dāng)異形套管內(nèi)壁為圓形，外壁為橢圓形時(shí)，根據(jù)下層套管確定異形套管的內(nèi)徑，分別計(jì)算轉(zhuǎn)角為0°、15°、30°、45°、60°、75。、90°的位置處于給定的套管強(qiáng)度安全系數(shù)和鋼級(jí)條件下的橫截面形狀，當(dāng)計(jì)算位置轉(zhuǎn)角達(dá)到90°時(shí)，根據(jù)對(duì)稱性原理將各個(gè)位置計(jì)算所得外徑進(jìn)行鏡像即得適合該區(qū)塊的異形套管；當(dāng)異形套管外壁為圓形，內(nèi)壁為橢圓形時(shí)，根據(jù)實(shí)際井身結(jié)構(gòu)確定出異形套管的外徑，分別計(jì)算轉(zhuǎn)角為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的位置處于給定套管強(qiáng)度安全系數(shù)和鋼級(jí)條件下的橫截面形狀，當(dāng)計(jì)算位置轉(zhuǎn)角達(dá)到90°時(shí)，根據(jù)對(duì)稱性原理將各個(gè)位置計(jì)算所得內(nèi)徑進(jìn)行鏡像即得適合該區(qū)塊的異形套管； 所述外徑、內(nèi)徑的計(jì)算公式如下:
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鹽巖地層異形套管設(shè)計(jì)方法，該方法針對(duì)不同鹽巖地層蠕變應(yīng)力狀態(tài)，通過(guò)改變異形套管的內(nèi)徑或者外徑，確定出適合該地應(yīng)力水平條件的套管橫截面形狀。本發(fā)明設(shè)計(jì)的異形套管有以下兩種形式套管內(nèi)壁為圓形，外壁為橢圓形；套管內(nèi)壁為橢圓形，外壁為圓形。所述異形套管下入井內(nèi)，其壁厚最大的位置應(yīng)與最大水平地應(yīng)力方位一致。本發(fā)明能夠有效地降低套管在非均勻水平地應(yīng)力狀態(tài)下套管管體的有效應(yīng)力，防止套管損壞，解決了現(xiàn)有厚壁套管在非均勻水平地應(yīng)力狀態(tài)下強(qiáng)度不夠，不能在后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中保持完好的技術(shù)難題。
文檔編號(hào)E21B17/00GK103195374SQ20131010352
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者張 杰, 楊蘭田, 周偉, 李翠楠, 譙開(kāi)聰 申請(qǐng)人:西南石油大學(xué)