專利名稱：一種水平井套管柱的三軸應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水平井套管柱的三軸應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
隨著勘探開發(fā)的不斷深入，定向井、水平井、大位移井的數(shù)量越來(lái)越多，特別是對(duì)于灘海及海上油田的開發(fā)，由于受到平臺(tái)位置的限制以及后期管理和開采的需要，全部采用定向井、水平井進(jìn)行開發(fā)。近年來(lái)，隨著海上油田的勘探向?yàn)┖：蜕詈５陌l(fā)展，大位移井由于其成本上的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越多地被油田所采用，對(duì)大位移井的套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。由于井斜角大，裸眼井段長(zhǎng)，套管也越下越深，作用在油氣井套管上的載荷也變得越來(lái)越大且越來(lái)越復(fù)雜。套管設(shè)計(jì)過(guò)程中不但要考慮摩阻的影響，還要考慮套管彎曲產(chǎn)生的附加軸向力、套管磨損、套管動(dòng)載荷的影響。在目前使用的石油天然氣套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T5322-2000)中，套管的軸向力只考慮了浮重的作用，沒(méi)有考慮摩阻和動(dòng)載的影響，因此，有必要研究適合于大位移井的套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論和方法。傳統(tǒng)的套管設(shè)計(jì)存在以下主要問(wèn)題1)對(duì)套管受力的認(rèn)識(shí)。認(rèn)為套管所受的軸向力只是由浮重引起的，沒(méi)有考慮套管在起、下過(guò)程中的摩阻力，以及套管突然受阻的沖擊載荷。2)對(duì)套管強(qiáng)度的認(rèn)識(shí)。認(rèn)為套管是理想的管體，套管的強(qiáng)度就是API套管強(qiáng)度，而實(shí)際上在套管制造和生產(chǎn)過(guò)程中，包含很多缺陷，同時(shí)由于工藝和生產(chǎn)技術(shù)的提高，套管抗擠強(qiáng)度已不再是原有的強(qiáng)度。套管磨損在深井、超深井、水平井以及大位移井鉆井和修井期間是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，磨損使套管柱的抗擠強(qiáng)度、抗內(nèi)壓強(qiáng)度等使用性能降低，對(duì)套管柱的安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，它可能引起油氣井控制問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至可使一口幾乎要完鉆的井報(bào)廢。目前我國(guó)在進(jìn)行管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，基本沒(méi)有考慮到套管的磨損問(wèn)題。綜上所述，大位移井套管設(shè)計(jì)理論和方法與常規(guī)定向井有較大的差異，必須研究針對(duì)適合于大位移井套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理論和方法。此外，大位移井中套管的磨損機(jī)理和磨損后套管強(qiáng)度的變化，也是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題，改進(jìn)套管柱的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，不僅具有理論意義，也具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。早期的套管柱設(shè)計(jì)是采用單軸應(yīng)力設(shè)計(jì)。采用這種方法設(shè)計(jì)時(shí)，沒(méi)有考慮套管所受各種力的相互作用，認(rèn)為各種力對(duì)套管的作用是相互獨(dú)立的。國(guó)內(nèi)通用的等安全系數(shù)法， 還有國(guó)外的邊界載荷法、最大載荷法、前蘇聯(lián)及西德的套管設(shè)計(jì)方法，還有美國(guó)阿莫科公司的設(shè)計(jì)方法等，多是以雙軸應(yīng)力法為基礎(chǔ)，這些設(shè)計(jì)方法各有特點(diǎn)。(1)等安全系數(shù)法整個(gè)套管柱由不同強(qiáng)度的多段套管組成，各段的最小安全系數(shù)應(yīng)等于規(guī)定的安全系數(shù)，這就是等安全系數(shù)法。過(guò)去等安全系數(shù)法一般只根據(jù)抗拉與抗擠進(jìn)行設(shè)計(jì)。近年來(lái)國(guó)外則多是先進(jìn)行抗內(nèi)壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)，先選出符合要求的套管后再進(jìn)行抗拉與抗擠設(shè)計(jì)。(2)邊界載荷法邊界載荷法的抗內(nèi)壓和抗擠設(shè)計(jì)方法與等安全系數(shù)法相同，只是在中上部套管改由抗拉設(shè)計(jì)時(shí)，不用抗拉強(qiáng)度系數(shù)除所得到可用強(qiáng)度，而是用第一段以抗拉設(shè)計(jì)的套管抗拉強(qiáng)度和安全系數(shù)所決定的邊界載荷算出強(qiáng)度來(lái)選用以上各段套管。(3)最大載荷法其本質(zhì)是根據(jù)實(shí)際條件下套管柱所承受的有效載荷，再考慮一定系數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)套管柱。其步驟為先按有效內(nèi)壓力然后再根據(jù)有效外壓力及拉力進(jìn)行設(shè)計(jì)， 并考慮雙軸應(yīng)力對(duì)抗擠強(qiáng)度的影響，各段套管的長(zhǎng)度是通過(guò)圖解法確定的。(4)前蘇聯(lián)套管柱設(shè)計(jì)特點(diǎn)是給出不同時(shí)期，不同井內(nèi)作業(yè)條件下套管柱各部位的內(nèi)壓力和外壓力計(jì)算公式。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)該井的具體情況，計(jì)算出套管各部位所受的有效內(nèi)壓力及有效外壓力，并依此作為選用套管的依據(jù)。以雙軸應(yīng)力為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。但是，隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展和勘探開發(fā)的需要，鉆井深度越來(lái)越深，地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，油井工作條件也越來(lái)越惡劣，單軸應(yīng)力設(shè)計(jì)和雙軸應(yīng)力設(shè)計(jì)已不能滿足鉆井和油氣井開發(fā)的要求，常常造成油氣井套管的先期破壞。雙軸應(yīng)力方法存在的問(wèn)題是采用雙軸應(yīng)力法設(shè)計(jì)時(shí)，雖然考慮了外擠力、內(nèi)壓力和軸向力的相互影響，但忽略了徑向應(yīng)力的影響。即在考慮軸向力對(duì)外擠力的影響時(shí)，忽略了內(nèi)壓力。同時(shí)在考慮軸向力對(duì)內(nèi)壓力的影響時(shí)，忽略了外擠力。有關(guān)文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)資料表明，出現(xiàn)擠毀破壞的試件，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與雙軸應(yīng)力橢圓理論曲線相距甚遠(yuǎn)，兩者符合程度不高，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明雙軸應(yīng)力設(shè)計(jì)方法存在缺陷。事實(shí)上，不管套管受哪些力的作用，歸根結(jié)底是受三軸應(yīng)力。因此，套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮軸向力、外擠力和內(nèi)壓力相互作用對(duì)套管強(qiáng)度的影響。套管強(qiáng)度取決于三個(gè)方面的因素1)套管自身的幾何與力學(xué)性質(zhì)；幻套管所受外力的情況；幻套管的工作環(huán)境。根據(jù)現(xiàn)有的套管損毀的統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，套管的幾何與力學(xué)性質(zhì)和套管的工作環(huán)境，不是套管非正常損壞的主要原因，而在開發(fā)過(guò)程中地層對(duì)套管的作用力是導(dǎo)致套管非正常損壞的根本原因。在井下，套管受力是相當(dāng)復(fù)雜的，但是不管套管受哪些力，也不管這些力是如何產(chǎn)生的，歸根結(jié)底是受三軸應(yīng)力(軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力)的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提供一種水平井套管柱的三軸應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法同時(shí)考慮軸向力、外擠力和內(nèi)壓力相互作用對(duì)套管強(qiáng)度的影響，首先計(jì)算三軸應(yīng)力的大小，然后計(jì)算出相當(dāng)應(yīng)力，并令其等于套管的屈服強(qiáng)度，以此為根據(jù)來(lái)進(jìn)行套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)，從而使得設(shè)計(jì)更合理，設(shè)計(jì)出的水平井套管柱更加耐用。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種水平井套管柱的三軸應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟(a)確定第一段套管的鋼級(jí)和壁厚；(b)確定第一段套管的下入長(zhǎng)度；(c)對(duì)第一段套管進(jìn)行抗內(nèi)壓強(qiáng)度校核；(d)按套管抗拉強(qiáng)度計(jì)算該段套管的下入長(zhǎng)度L。n。(e)計(jì)算三軸應(yīng)力下該段套管的下入長(zhǎng)度Lan。(f)按上述步驟設(shè)計(jì)第二段，第三段套管等，直到設(shè)計(jì)井深為止。所述步驟(a)的具體步驟為計(jì)算套管處的有效外擠壓力P?！⒏鵓rel選擇第一段套管的鋼級(jí)和壁厚，根據(jù)套管強(qiáng)度公式或查出套管強(qiáng)度，列出套管強(qiáng)度和套管性能參數(shù)表。所述步驟(b)的具體步驟為初選第一段套管的下入長(zhǎng)度，由三維剛桿模型的計(jì)算程序確定套管的軸向拉力，校核其頂部的抗拉強(qiáng)度，使得第一段套管的三軸抗擠強(qiáng)度大于或等于套管段最大的軸向外載。所述步驟(C)的具體步驟為根據(jù)三軸抗內(nèi)壓強(qiáng)度公式計(jì)算出第一段套管頂部的三軸抗內(nèi)壓強(qiáng)度Pbal及有效內(nèi)壓力Pbel,根據(jù)抗內(nèi)壓強(qiáng)度Pbal及有效內(nèi)壓力Pbel計(jì)算出第一段套管的抗內(nèi)壓安全系數(shù)。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是同時(shí)考慮軸向力、外擠力和內(nèi)壓力相互作用對(duì)套管強(qiáng)度的影響，首先計(jì)算三軸應(yīng)力的大小，然后計(jì)算出相當(dāng)應(yīng)力，并令其等于套管的屈服強(qiáng)度，以此為根據(jù)來(lái)進(jìn)行套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)，從而使得設(shè)計(jì)更合理，設(shè)計(jì)出的水平井套管柱更加耐用。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅限于此。實(shí)施例本發(fā)明涉及的一種水平井套管柱的三軸應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，其具體步驟如下(a)確定套管的鋼級(jí)和壁厚計(jì)算第一段套管處的有效外擠壓力P。el，并根據(jù)P。al彡ScXPcel原則(Sc為抗擠系數(shù)，P。al為套管的三軸抗擠強(qiáng)度)，選擇套管的鋼級(jí)和壁厚，根據(jù)套管強(qiáng)度公式或查出套管強(qiáng)度，列出套管強(qiáng)度和套管性能參數(shù)表。(b)確定套管的下入長(zhǎng)度初選第一段套管的下入長(zhǎng)度，由三維剛桿模型的計(jì)算程序確定套管的軸向拉力， 校核其頂部的抗拉強(qiáng)度，使得第一段套管的三軸抗擠強(qiáng)度大于或等于套管段最大的軸向外載。即
權(quán)利要求
1.一種水平井套管柱的三軸應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟(a)確定第一段套管的鋼級(jí)和壁厚；(b)確定第一段套管的下入長(zhǎng)度；(c)對(duì)第一段套管進(jìn)行抗內(nèi)壓強(qiáng)度校核；(d)按套管抗拉強(qiáng)度計(jì)算該段套管的下入長(zhǎng)度L。n。(e)計(jì)算三軸應(yīng)力下該段套管的下入長(zhǎng)度Lan。(f)按上述步驟設(shè)計(jì)第二段，第三段套管等，直到設(shè)計(jì)井深為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水平井套管柱的三軸應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述步驟(a)的具體步驟為計(jì)算套管處的有效外擠壓力P。…并根Prel選擇第一段套管的鋼級(jí)和壁厚，根據(jù)套管強(qiáng)度公式或查出套管強(qiáng)度，列出套管強(qiáng)度和套管性能參數(shù)表。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水平井套管柱的三軸應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述步驟(b)的具體步驟為初選第一段套管的下入長(zhǎng)度，由三維剛桿模型的計(jì)算程序確定套管的軸向拉力，校核其頂部的抗拉強(qiáng)度，使得第一段套管的三軸抗擠強(qiáng)度大于或等于套管段最大的軸向外載。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水平井套管柱的三軸應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述步驟(c)的具體步驟為根據(jù)三軸抗內(nèi)壓強(qiáng)度公式計(jì)算出第一段套管頂部的三軸抗內(nèi)壓強(qiáng)度Pbal及有效內(nèi)壓力Pbel，根據(jù)抗內(nèi)壓強(qiáng)度Pbal及有效內(nèi)壓力Pbel計(jì)算出第一段套管的抗內(nèi)壓安全系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水平井套管柱的三軸應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。該水平井套管柱的三軸應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法包括確定第一段套管的鋼級(jí)和壁厚；確定第一段套管的下入長(zhǎng)度；對(duì)第一段套管進(jìn)行抗內(nèi)壓強(qiáng)度校核；計(jì)算該段套管的下入長(zhǎng)度Lon和Lan；按上述步驟設(shè)計(jì)第二段，第三段套管等，直到設(shè)計(jì)井深為止等步驟。本發(fā)明同時(shí)考慮軸向力、外擠力和內(nèi)壓力相互作用對(duì)套管強(qiáng)度的影響，首先計(jì)算三軸應(yīng)力的大小，然后計(jì)算出相當(dāng)應(yīng)力，并令其等于套管的屈服強(qiáng)度，以此為根據(jù)來(lái)進(jìn)行套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)，從而使得設(shè)計(jì)更合理，設(shè)計(jì)出的水平井套管柱更加耐用。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102467601SQ201010558629
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者常萍 申請(qǐng)人:常萍