三超气井套管强度与安全可靠性研究

摘要

随着油气资源开发的深入进行，高难度三超气井（超深（＞5000m）、超高压（＞100MPa）、高温（＞150℃））的大量钻探开发，导致越来越多的强化采油技术不断应用于生产，套管的服役条件日益苛刻，导致套管损伤显著。不同工况下的管材失效模式与机理不同，对套管及材料要求也不同，管材质量控制指标及检测评价方法差异显著。因此，需要结合具体工况进行系统的套管失效控制与完整性分析，结合套管损伤机理建立定量安全评价模型对套管进行定量安全评价，有助于人们明确认识套管的损伤失效风险，为油田生产安全提供技术依据。 本文从套管损伤失效模式研究入手，结合三超气井现场套管损伤情况，通过对测井数据计算分析获得套管损伤位置、大小等具体信息，对套管损伤进行分类和定量化处理，进而建立套管剩余强度的计算模型，获得套管损伤后的剩余强度并计算套管强度折减系数；结合工程现场声波测井信息及室内大型三轴试验，完成测井信息解释，获取该井位置处分层地应力值，进而完成基于多目标约束的区块地应力反演，获取计算井所受地应力荷载信息；采用分项系数的可靠度计算方法，在现有套管强度和荷载统计资料的基础上，建立套管可靠度设计与评估计算模型，完成套管定量设计与评估。具体的研究工作和得到的结论如下： （1）研究了基于测井信息的单井分层地应力计算和基于多目标约束的地应力反演问题。通过岩石力学参数的室内实验结果与现场测井信息解释结果进行对比，获取岩石动、静力学参数对应关系曲线，实现区块依据测井信息的地应力计算。以此为地层地应力反演分析的约束条件，完成多目标约束下的地应力反演研究。研究表明：砂岩弹性模量、泊松比随着围压呈线性增加；地层动态弹性模量和泊松比与静态弹性模量和泊松比呈线性关系；通过地应力反演结果与区块一些关键井的测井信息解释结果进行对比，发现反演结果与实测误差介于1.71%~6.62%之间，说明基于多目标约束的地应力反演方法更接近于现场工程实际。 （2）考虑井筒压力及地应力不均匀系数，利用弹塑性力学对井筒及周围应力场进行理论推导，研究近井地带应力场变化规律。地应力不均匀系数对近井地带应力场有着重要影响，周向应力、径向应力、剪应力、Mises应力均随着距井壁的距离增加呈指数函数关系，影响范围在距离井筒5m以内。 （3）讨论了腐蚀和磨损两种损伤模式对套管剩余强度的影响。根据现场调研对损伤套管进行分类，建立简化模型，分别采用解析计算及有限元模拟的方法计算得到损伤套管的剩余强度，并对其变化规律进行拟合分析，获得油气井套管剩余强度变化曲线。 （4）通过室内三轴试验，获得了管材在不同温度下弹性模量及屈服强度，继而推导了套管-水泥环-地层温度应力分布公式，考虑水泥环-地层塑性建立数值模型，对不同应力不均匀系数下，不同工况下（温度）下套管-水泥环-地层系统进行了数值模拟，同时建立了油管在各施工工况下应力变形理论计算模型和数值计算模型，对解析值与模拟值进行对比，误差在合理的区间内，说明前述理论模型的建立是比较准确的，满足工程应用。 （5）依据固井水泥环固结前后套管荷载组合形式的差异性和套管强度的折减，将套管整个服役过程分为钻完井阶段和生产阶段，提出了一种基于分项系数方法的套管实用可靠度设计方法，分别建立了上述两个阶段的套管强度设计极限状态方程。考虑荷载和强度的变异系数对套管设计值的影响，采用可靠度理论分别计算套管荷载和强度的分项系数，实现套管服役期间的可靠度定量表述，可以有效预测套管在整个服役期间的安全性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 套管失效机理研究现状

1.2.2 套管安全评价研究现状

1.3 本文主要研究目标及内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 拟解决关键问题

1.3.4 研究技术路线

第二章 基于多目标约束的地应力场反演

2.1 储层岩芯力学试验及分析

2.1.1 实验设备及材料选取

2.1.2 岩芯三轴实验及结果分析

2.2基于声波测井信息的地应力计算方法

2.2.1岩石动态力学参数的计算

2.2.2 横波时差的获取

2.2.3 静态力学参数的确定

2.2.4 分层地应力计算模型

2.2.5 地应力计算结果分析

2.3 多目标约束地应力反分析方法研究

2.3.1构造地应力反演方法

2.3.2地应力反演分析步骤

2.3.3 多目标约束的最优化反分析法

2.3.4 地质数值反分析技术研究

2.4基于多目标约束的地应力反演实例

2.4.1 套管损坏形式及分类调研

2.4.2 地应力数值模型的建立

2.4.3应力场反演结果分析

2.4.4 区块地质环境分析

2.5 本章小结

第三章 近井地带应力场分布计算及影响因素分析

3.1 近井地带应力场分布计算

3.1.1 地应力作用下的近井地带应力场计算

3.1.2 井筒内压作用下的近井地带应力场计算

3.1.3 井筒流体流入地层产生的附加应力

3.2 近井地带应力场分布规律

3.2.1 井筒周向应力场影响规律分析

3.2.2 井筒径向应力场影响规律分析

3.2.3 井筒剪应力场影响规律分析

3.2.4 井筒Mises应力场影响规律分析

3.3 地应力非均匀系数对井壁应力影响分析

3.4 本章小结

第四章 套管剩余强度计算

4.1 套管损伤形式

4.1.1 套管腐蚀

4.1.2 套管磨损

4.2 点蚀坑简化方式对套管剩余强度的影响

4.2.1 点蚀坑的三种简化方式

4.2.2 点蚀简化模型下套管剩余强度分析

4.3 腐蚀套管剩余强度计算

4.3.1 单点腐蚀套管应力集中计算

4.3.2 点蚀管柱剩余强度有限元计算

4.3.3 双孔腐蚀套管剩余强度有限元模拟

4.4 磨损对套管剩余强度的影响

4.4.1 均匀磨损的有限元模拟

4.4.2 非均匀磨损的有限元模拟

4.5本章小结

第五章 三超气井各工况下温度应力耦合分析

5.1 套管高温拉伸实验

5.2 三超气井井筒温度应力耦合分析

5.2.1 圆环轴对称温度应力

5.2.2 地层-水泥环-套管三层圆环温度应力

5.3 套管-水泥环-地层应力-温度耦合有限元分析

5.4 全井油管受力计算方法

5.4.1 油管应力解析计算方法

5.4.2 油管应力有限元计算

5.4.3 计算结果验证

5.5 本章小结

第六章 基于分项系数法的套管实用可靠度设计与评估方法

6.1 国内外各领域可靠性设计方法对比

6.2 基于分项系数法的套管强度可靠度设计方法研究

6.2.1 套管可靠性设计极限状态判定原则

6.2.2 套管可靠度设计极限状态方程

6.2.3 确定分项系数的设计值计算方法

6.3 基于可靠度方法的损伤套管安全评价方法

6.3.1 套管可靠度评估结构功能函数

6.3.2 套管可靠度评估迭代方法

6.4 套管可靠度设计实例

6.4.1 套管荷载及材料强度设计变量概率分布

6.4.2 套管可靠度设计步骤与结果分析

6.4.3设计参数变异系数对分项系数影响规律

6.4.4 可靠度设计方法验证

6.5 套管安全评价方法应用实例

6.5.1 压裂直井井况及评估结果

6.5.2 新疆某三超气井况及评估结果

6.6 本章小结

结论与展望

1 主要结论

（1）基于多目标约束的地应力反演分析

（2）井筒附近应力场分析

（3）套管剩余强度变化规律

（4）地层-水泥环-套管温度应力场分布规律

（5）基于分项系数法的套管可靠度设计与评估

2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的研究成果

作者简介