高抗擠毀套管基本知識(shí)

高抗擠毀套管基本知識(shí)1、開發(fā)背景自20世紀(jì)70年代以來，油田套管損壞問題十分嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)到

2002年底，我國(guó)油田套管損壞井?dāng)?shù)已達(dá)兩萬多口，國(guó)外也存在同樣問題。一般來說，除套管設(shè)計(jì)和施工方面的原因之外造成上述大量套管非正常損壞的主要原因有：高壓注水造成斷層或泥巖層進(jìn)水，導(dǎo)致地應(yīng)力異常及地層位移變化，使套管錯(cuò)斷或破裂；地層壓力變化不平衡造成地層巖石骨架變形，在進(jìn)水的滑移面上產(chǎn)生錯(cuò)切位移；鹽巖、泥巖吸水蠕變非均勻外擠應(yīng)力導(dǎo)致套管縮徑或擠毀；疏松砂巖出砂造成套管圍巖坍塌擠毀套管或使套管彎曲變形；射孔、出砂、壓裂等作業(yè)使套管破裂；熱采井的高溫循環(huán)載荷使套管拉斷或脫扣；弱膠結(jié)地層壓實(shí)作用產(chǎn)生附加載荷使套管彎曲；地層礦物、地下水或注入水使套管腐蝕穿孔甚至難以承受設(shè)計(jì)載荷而破壞等等。統(tǒng)計(jì)資料表明，國(guó)內(nèi)油田多數(shù)套損屬于套管不能承受外擠力而產(chǎn)生損壞。以國(guó)內(nèi)某油田為例，截止2001年底，該油田統(tǒng)計(jì)套損井1599口，其中套管被擠毀井1198口，占套損井總數(shù)的75%。并且多數(shù)套管損井的使用壽命低于設(shè)計(jì)年限。井況的惡化不僅破壞了注采井網(wǎng)，影響了增產(chǎn)增注措施的實(shí)施，而且還造成儲(chǔ)量和產(chǎn)量的損失，從而嚴(yán)重影響著油田的穩(wěn)定與發(fā)展。幾十年來，生產(chǎn)廠家和油田用戶在防治套管的被擠毀方面進(jìn)行了不懈的努力。在油田方，開發(fā)了雙層復(fù)合套管，（兩層套管之間填充高強(qiáng)度水泥），以及增加套管外水泥強(qiáng)度和厚度等辦法來提高下井套管的高抗擠毀強(qiáng)度；而生產(chǎn)廠家則在提高套管的抗擠毀能力方面進(jìn)行了深入的研究，在對(duì)套管的抗擠毀強(qiáng)度影響因素的研究中發(fā)現(xiàn)，D/T、不圓度、壁厚均勻度、材料強(qiáng)度、套管壁厚、殘余應(yīng)力等對(duì)套管的抗擠毀強(qiáng)度具有顯著影響。在認(rèn)清了這些影響因素的基礎(chǔ)上，通過對(duì)這些因素進(jìn)行有效地控制，進(jìn)而開發(fā)了一系列的高抗擠套管。這類高抗擠毀套管，比同規(guī)格同鋼級(jí)的API套管的抗擠毀強(qiáng)度高出20%~60%，有些規(guī)格抗擠毀強(qiáng)度甚至較API更高一鋼級(jí)套管和更厚一級(jí)壁厚套管的抗擠毀強(qiáng)度還要高。API規(guī)格高抗擠毀套管的研制，解決了部分常規(guī)的油田需要，但在一些油田對(duì)套管抗擠強(qiáng)度的特殊要求，則仍然無能為力。20世紀(jì)90年代之前，盡管市場(chǎng)對(duì)高抗擠毀套管有急切的需求，但由于各種條件的局限，在選用高抗擠毀套管方面，只能局限在API規(guī)格范圍內(nèi)。這種解決方案在許多情況下并不能真正解決問題。仍以前面提及的某油田為例，為解決油水井套管抗擠毀問題，將下井套管從80Ksi鋼級(jí)提高到IIOKsi鋼級(jí)高抗擠毀套管，將少139.是?17mm的壁厚提高到少139.7X10?54mm的壁厚（API5CT規(guī)范中的最大壁厚）。然而，這樣做的結(jié)果也只能將油水井壽命由原來的平均6年提高到7年。如何防范鹽膏層蠕變擠毀套管，是某油田長(zhǎng)期攻關(guān)解決的重大技術(shù)難題。通過對(duì)該油田現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析與反演得出：鹽膏層蠕變對(duì)生產(chǎn)套管產(chǎn)生的最大等效外擠壓力為167Mpa，而API標(biāo)準(zhǔn)套管（內(nèi)徑不低于118mm的現(xiàn)有套管）的最大抗擠強(qiáng)度尚未超過120Mpa，因而無法克服如此巨大的鹽膏層外擠載荷。目前國(guó)內(nèi)各個(gè)油田套損情況都很嚴(yán)重。尤其是對(duì)含巖鹽層、泥巖層的油田以及實(shí)施注水、熱采等工藝的油田。油田套損的主要原因基本上都可以歸咎于套管受到了非均勻載荷的影響。2、擠毀失效機(jī)理、套管失效基本形式套管的失效形式可用八個(gè)字概括：脫、漏、粘、擠、破、裂、磨蝕。脫：管體螺紋從接箍?jī)?nèi)滑脫漏：螺紋連接處失去密封粘：螺紋粘扣擠：管體擠毀破：管體受內(nèi)壓爆破裂：拉斷、錯(cuò)斷、縱裂、射孔開裂以及疲勞、應(yīng)力腐蝕開裂等磨：套管與鉆柱互相磨損蝕：腐蝕及應(yīng)力腐蝕套管擠毀的失效機(jī)理。高強(qiáng)度高抗擠套管主要用于深井及超深井或地層條件復(fù)雜對(duì)套管性能要求苛刻的場(chǎng)合。因此，要求套管具有高的抗拉及連接強(qiáng)度，優(yōu)異的抗擠毀能力，良好的密封性能等良好的綜合性能，而其中的核心是套管的抗擠毀能力。套管被擠毀主要是分為套管在外擠壓力作用下的破壞形式和地層流體內(nèi)壓力作用下的破壞形式。當(dāng)外擠壓力和地層流體內(nèi)壓力使套管的管壁上產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到或超過套管屈服強(qiáng)度時(shí),管體發(fā)生了塑性變形，即發(fā)生套管擠毀的失效。2.2.1外擠壓力及套管的抗擠強(qiáng)度2.2.1.1外擠壓力套管柱所承受的外擠壓力主要來自管外泥漿柱壓力，地層中流體壓力、易流動(dòng)巖層側(cè)壓力以及擠水泥和壓裂時(shí)的擠壓力。在水泥面以上套管柱是承受的泥漿柱壓力。在水泥封固段水泥環(huán)具有一定承載能力，但計(jì)算困難，目前API套管柱設(shè)計(jì)中仍按泥漿柱壓力計(jì)算，油田一般按鹽水柱壓力（鹽水壓力梯度10.7-11.52千帕／米）計(jì)算。計(jì)算外擠壓力時(shí)，在API常規(guī)套管柱設(shè)計(jì)中都按最危險(xiǎn)情況考慮，即認(rèn)為套管內(nèi)沒有液柱壓力的全掏空狀態(tài)，如鉆井過程中發(fā)生井漏、井噴或開采后期。外擠壓力按以下公式進(jìn)行計(jì)算P=0.01式中ym――套管外環(huán)空泥漿密度（或鹽水密度），克/厘米3,H——計(jì)算點(diǎn)井深，米，P 套管柱所受外擠壓力，兆帕。上式表明，井底套管柱受到外擠壓力最大，愈往上愈小。套管抗擠強(qiáng)度套管柱在外擠壓力作用下的破壞形式，除少數(shù)小直徑和厚壁的套管外，主要是失穩(wěn)破壞，而不是強(qiáng)度破壞。失穩(wěn)后的套管被擠扁（輕者）或破裂，使鉆頭或其它井下工具不能通過，地層封隔遭到破壞，將被迫停鉆或停產(chǎn)，套管損壞嚴(yán)重者油氣井報(bào)廢。套管抗擠強(qiáng)度取決于材料性能、橫截面的幾何形狀和套管所承受負(fù)荷的狀況。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究指出，套管徑厚比d/t（外徑/壁厚）較大時(shí)，屬于失穩(wěn)破壞。即當(dāng)外擠壓力達(dá)到套管抗擠強(qiáng)度時(shí)，套管管壁產(chǎn)生彎曲變形（擠扁）或破裂。當(dāng)套管徑厚比較小，外擠壓力達(dá)到套管抗擠強(qiáng)度時(shí)，套管將發(fā)生強(qiáng)度破壞。以下為沒有軸向負(fù)荷條件下，不同徑厚比有相應(yīng)的不同抗擠強(qiáng)度計(jì)算公式。如下圖。H?專雄禪性不?定性H?專雄禪性不?定性過It擠毀畀性擠嫂宜標(biāo)擠毀偉性抗外擠強(qiáng)度隨D/t的變化關(guān)系（1）對(duì)于厚壁管D/t<15來說，在擠毀發(fā)生之前，切應(yīng)力就將超過材料的屈服強(qiáng)度，發(fā)生屈服強(qiáng)度擠毀。P=2Yp（D/t）21Yp2（D/t）2（2）塑性擠毀區(qū)的最小擠毀壓力可由下式計(jì)算：P=YpAAB-C

pD/t系數(shù)A、B、C以及適用的D/t范圍可由資料查出。3）塑性與過度擠毀區(qū)的最小擠毀壓力PT可由下式計(jì)算：T=YpT=YpFD/t系數(shù)F、G以及適用的D/t范圍可由資料查出4）彈性擠毀條件是以理論彈性不穩(wěn)定毀壞為依據(jù)。只適用于薄壁管（D/t>+25）。彈性擠毀區(qū)的最小擠毀壓力由下式計(jì)算：P=―P=―46.95105(D/t)(D/t)適用的D/t范圍可由資料查出油田管類的大多數(shù)擠毀發(fā)生在塑性區(qū)和過渡區(qū)。3、API出版物一覽表下列出版物歸API管材標(biāo)準(zhǔn)化委員管理轄，可向美國(guó)石油學(xué)會(huì)出版發(fā)行部訂購(gòu)。地址：1220LStreet,Northwest,Washington,DC20006,(202)682-83753.1、規(guī)范APISrec5CT套管和油管規(guī)范該規(guī)范內(nèi)容包括各種鋼級(jí)的無縫和焊接套管、油管、接箍、短節(jié)和連接管及其制造方法、化學(xué)成分和機(jī)械性能要求、試驗(yàn)方法和尺寸要求。注：APISpec5CT第一版的內(nèi)容綜合了已停用的APISpec5A、5AC、5AX和5AQ最后版本對(duì)套管和油管的要求以及1987年標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)議通過的條款內(nèi)容。3.2、 APISpec5D鉆桿規(guī)范該規(guī)范內(nèi)容包括所有鋼級(jí)的無縫鉆桿及其制造方法、化學(xué)成分和機(jī)械性能要求、試驗(yàn)方法和尺寸要求。注：APISpec5D第一版綜合了已停用的APISpec5A和5AX最后版本對(duì)鉆桿的要求以及1987年標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)議通過的條款內(nèi)容。3.3、 標(biāo)準(zhǔn)APIStd5B套管、油管和管線管管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)該標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包括對(duì)螺紋和螺紋量規(guī)的尺寸要求、測(cè)量方法的規(guī)定，量規(guī)規(guī)范及其鑒定以及圓螺紋套管和油管、偏梯形套管、直連型套管和鉆桿的螺紋檢查儀器和方法。3.4、推薦作法APIRP5A5新套管、油管和平端鉆桿現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)推薦作法提供了檢查管材產(chǎn)品的統(tǒng)一方法。APIRP5Bl套管、油管和管線管螺紋檢驗(yàn)測(cè)量推薦作法改推薦作法的目的是為正確使用螺紋的檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備提供指導(dǎo)和說明。APIRP5Cl套管和油管的維護(hù)與使用推薦作法包括有關(guān)套管和油管的使用、運(yùn)輸、貯存、管理和修復(fù)。APIRP5C5套管和油管連接試驗(yàn)程序推薦作法3.5通報(bào)APIBul5A2螺紋脂通報(bào)提供用于油田管材的兩種螺紋脂的材料要求和性能試驗(yàn)。APIBul5C2套管和油管使用性能通報(bào)包括有關(guān)套管和油管的抗擠壓力、內(nèi)屈服壓力和接頭強(qiáng)度以及鉆桿的最小屈服載荷。APIBul5C3套管、油管、鉆桿和管線管性能的計(jì)算和公式的通報(bào)提供了用于不同管子性能的計(jì)算公式以及有關(guān)其它發(fā)展和應(yīng)用的資料。APIBul5C4在內(nèi)壓和彎曲共同作用下圓螺紋套管連接強(qiáng)度通報(bào)

提供了圓螺紋套管在彎曲和內(nèi)壓共同作用下的連接強(qiáng)度。3.6、APIBul5Tl缺陷術(shù)語通報(bào)提供了鋼常見缺陷的英語、法語、德語、意大利語、日語和西班牙語的定義。4、墨龍公司開發(fā)高抗擠毀套管基本情況高抗擠毀規(guī)范（附后）影響因素高抗擠套管指相同名義尺寸、相同鋼級(jí)和壁厚,但抗擠強(qiáng)度比API計(jì)算值高的套管。高抗擠套管抗擠強(qiáng)度的提高不是依靠高鋼級(jí)和壁厚,而是通過提高尺寸精度、降低殘余應(yīng)力、嚴(yán)格控制屈服強(qiáng)度公差等途徑得到的。由于高抗擠套管在不增大壁厚的條件下提高了抗擠強(qiáng)度,因此它在深井、超深井鉆井中有著廣泛的應(yīng)用。其主要優(yōu)點(diǎn):在相同外載條件下,使用高抗擠套管與使用同鋼級(jí)、同規(guī)格的API套管相比較而言,其壁厚可減小,從而減輕了管柱重量、增加了可下深度、增大了套管通徑。影響套管抗擠性能的因素主要有：屈服強(qiáng)度、殘余應(yīng)力、D/t比值、套管橢圓度、壁厚偏差以及軸向應(yīng)力等等。套管幾何尺寸測(cè)量，外徑采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行檢測(cè)，壁厚采用超聲波測(cè)厚結(jié)合機(jī)械測(cè)厚方式進(jìn)行，管體圓度及壁厚偏差按下列公式計(jì)算：s=[2(Dmax-Dmin)/(Dmax+Dmin)]*100%M=[2(Smax-Smin)/(Smax+Smin)]*100%4.2.1屈服強(qiáng)度的影響套管的鋼級(jí)是根據(jù)最小屈服極限值而命名的，鋼級(jí)越高屈服極限值越大，套管的抗擠能力就越高。殘余應(yīng)力的影響。套管在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要環(huán)節(jié)有兩處：一是在軋制、定減徑以及矯直過程中由于不均勻變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；二是在熱處理過程中，特別是在淬火過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。由于軋制、定減徑和淬火過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力可以通過回火加以消除，而回火后進(jìn)的矯直是套管產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因。經(jīng)淬火及回火后的，套管的內(nèi)表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，外表面的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。經(jīng)過不同殘余應(yīng)力的處理，可使殘余應(yīng)力的分布形式發(fā)生改變。日本鋼管企業(yè)研究表明：當(dāng)套管內(nèi)表面的環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到管體屈服強(qiáng)度的5-10%時(shí)，如果管體不圓度較小，則套管具有最高的擠毀抗力；利用有限元法對(duì)線彈性材料套管的殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析，并證明能使不圓套管達(dá)到最大臨界擠毀壓力的最佳殘余應(yīng)力與屈服強(qiáng)度之比為0.07。殘余應(yīng)力的存在，無論大小，總會(huì)降低套管的擠毀抗力，而殘余拉應(yīng)力較小時(shí)，有益于套管擠毀抗力的提高，較大時(shí)則會(huì)降低套管的擠毀抗力，所以應(yīng)設(shè)法將殘余壓應(yīng)力和拉應(yīng)力控制在盡可能低的水平。常規(guī)的冷矯直工藝會(huì)顯著地套管的擠毀抗力，選擇適當(dāng)?shù)臒岢C直溫度，可降低殘余應(yīng)力。4.2.3、D/t對(duì)抗擠能力的影響。D/t為管子外徑與壁厚之比，簡(jiǎn)稱為徑厚比各種鋼級(jí)套管的抗擠能力均隨著的增大而降低。在不同D/t范圍內(nèi)抗擠能力的降低速率是不同的。計(jì)算分析表明：在D/t<20范圍內(nèi)，D/t值增大，管材抗擠能力下降的最快；20〈D/t〈30的范圍內(nèi)，D/t值增大管材抗擠能力下降的較快；D/t>30以后，D/t值增大抗擠能力下降較緩慢。如果考慮不同鋼級(jí)，D/t值增大抗擠能力下降速度有所不同。低鋼級(jí)P-D/t曲線較平，高鋼級(jí)P-D/t曲線較陡，說明低鋼級(jí)隨D/t值增大，抗擠能力下降較慢，高鋼級(jí)隨D/t值增大，抗擠能力下降較快，當(dāng)D/t值較大時(shí)提高鋼級(jí)已失去意義。4.2.4、初始橢圓度對(duì)抗擠能力的影響。①在整個(gè)D/t范圍內(nèi)，隨著初始橢圓度e0的降低，管材的抗擠能力提高。在不同的D/t值范圍內(nèi)，降低初始橢圓度套管抗擠能力提高的幅度不同，而且不同鋼級(jí)提高抗擠能力的幅度也不同。②在整個(gè)D/t范圍內(nèi)，各種鋼級(jí)降低初始橢圓度，套管抗擠能力提高的百分比，都有一個(gè)極點(diǎn)值。在這個(gè)極點(diǎn)值所對(duì)應(yīng)的D/t值下，降低初始橢圓度管材抗擠能力提高幅度最大。極點(diǎn)的D/t值隨著鋼級(jí)的提高而減小。各種鋼級(jí)降低初始橢圓度抗擠能力有明顯提高都有一個(gè)D/t區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)，降低初始橢圓度，抗擠能力提高幅度比較大，超出這個(gè)區(qū)間降低初始橢圓度，抗擠能力提高幅度很小。對(duì)于高鋼級(jí)，