高酸性气田套管柱安全可靠性评价方法研究docWord格式.docx
《高酸性气田套管柱安全可靠性评价方法研究docWord格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高酸性气田套管柱安全可靠性评价方法研究docWord格式.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
失效;
可靠性;
评价方法
中图分类号:
TE931.2文献标识码:
A
StudyonEvaluationMethodofReliabilityofCasinginHighLevelAcidGasField
WANGGuang—lei¨
.LIWen—fei.ZHOUYan—jun'
.
（1.CollegeofPett.oleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266555,China;
2.DrillingTechnologyResearchInstitute.ShengliPetroleumAdministration,Dongying257017,China）
Abstract:
PuguanggasfieldisacidgasfieldbecauseofhighlevelofH2SandCO2,SOitisimpor—
tantforexploitingsafelytoevaluatereliabilityofcasing.Basedontheanalysisofcasingload
mechanism,calculationmodelwasstudied.Accordingtoreliabilitytheory,casingstringisaseries
system,andconsideringthefailureofcasingstringingasfield,reliabilitymodelofcasingparts
andwholewereproposed.TheanalysisresultsshowthatreliabilityofwholecasingofP101—2H
wellwas100intheearlydaysofexploit,andcasingdesignwasright.Becausesome[actorsin—
cludingcorrosion,perforatingandSOondecreasedthestrengthofcasing,reliabilityofwholecas—
ingisdecreasedin10and20years.
Keywords:
acidgasfield;
easing;
failure;
reliability;
evaluationmethod
普光气田是目前我国发现的最大天然气田.也
是川气东送的主要源头,已探明储量3.5×
10"
m.,
Hs摩尔含量14.96%,CO.含量8.2O%,属高酸性
气藏.由于Hs含量高,对钻井安全特别是人身安
全及周围环境安全构成了严重威胁.酸性环境对套
管强度,套管材质和井身结构设计提出了特殊的要
求.因此,研究高酸性气田套管柱安全可靠性评
价方法,对于确保高酸性气田钻完井工程施工和生
产开发的安全,提高我国高酸性气田的勘探开发技
术,保证川气东送工程的顺利实施,具有重要的战略
收稿日期:
2011O3—07
基金项目:
国家科技重大专项（2008ZX05017）;
国家科技支撑计划项目（20.8BAB37Bo6）
作者简介:
王光磊（1979一）,男,山东济阳人,工程师,博士研究生,主要从事钻井工程设计技术及钻井工艺技术方面研究.
石油矿场机械2O11年9月
意义和社会经济效益.
l套管柱力学分析
井眼中套管柱受力状态复杂,套管力学分析是
评价套管柱安全可靠性的关键和基础,因此有必要
首先对套管柱承受的各种载荷进行分析.
1.1径向应力和周向应力
地层孔隙压力,水泥环压力,钻井液柱压力,地
层蠕变运动产生的侧向力,地震等因素的作用主要
引起套管缩径,挤扁,破裂,错断等失效,在套管上产
生不同程度的径向应力和周向应力.对于承受均匀
外压力的厚壁套管,其应力可根据I.ame公式进
行计算,即
R
丛~
o
--
Rf『1一（]
（1）一——1一l
[一c簧.]～二l一J
式中,,分别为径向应力和周向正应力,MPa;
尺
为套管截面上任意一点到套管中心的距离,mlT1;
.,Pi分别为外压和内压,MPa;
R,R.分别为套管
的内径,外径,mm.
对于薄壁套管,API标准..规定了不同条件下
的计算公式,可根据实际情况选用.
1.2轴向应力
气藏开发工艺的不同及地层等因素的影响,使
得套管的轴向应力状态发生改变.在开发初期,套
管应力状态主要以拉应力为主,包括下入套管时套
管重力产生的应力及增产措施（酸化压裂等）产生的
附加应力;
随着气藏的不断开发,由于气藏储层出
砂,地质活动,地层坍塌等因素的影响c4,套管应力
状态变为压应力为主.
拉应力为
口z
FZ×
o.（.）
式中,F为轴向拉力,kN.
压应力分为套管底部开口情况和闭口情况.
套管底部开口情况:
FzcR一（a×
（Elq）专×
10——pA+.A）×
10.
q一q+（10.A.一P.A.）g×
10
29
×
1（）l{一二A川
套管底部闭口情况:
FzcR—a×
（EIq）言×
10一
1022.一二^
式中,F为轴向压力,kN;
a为临界载荷系数;
E为
套管弹性模量,GPa;
J为套管截面极惯性矩,mm;
q为套管等效重度,N/m;
q为套管重度,N/m;
pi,p.
分别为套管内,外流体密度,kg/m.;
Pi,.分别为套
管内,外压力,MPa;
Ai,A.分别为套管内,外面
积,mFll.
1.3横向剪切力
倾斜井眼中套管重力分量和地质活动会对套管
产生剪切作用,导致套管弯曲或错断.当剪切力作
用点位于套管近处时,易引发套管断裂,根据第四强
度理论,此时套管受到的横向剪切力为
QRT=n（R:
一R）x1O
===0.577yP（4）
式中,y为套管屈服强度,MPa.,
当剪切力作用点距离套管较远时,造成套管发
生弯曲失效,根据弯曲力学理论,套管横向力计算公
式为
QRT--（5）
式中,_,_m为套管许可最大挠度,mm;
L为弯曲套
管长度,m.
1.4弯曲应力
倾斜井眼中,作用在套管上的横向力还会对套
管产生弯矩作用,产生弯曲应力,此时危险点位于套
管的外壁,套管外表面的弯曲应力为
:
（6）
7cn一^
M一×
Kw
式中,R为井眼曲率半径,m.
2套管腐蚀速率分析
高酸性环境下,腐蚀介质会造成套管强度降低,
导致套管柱发生失效破坏,是影响套管柱安全性的
关键因素.因此,在研究套管柱可靠性时,必须考虑
腐蚀介质的作用,分析套管的腐蚀速率.Norsok考
虑了温度,CO分压,剪应力,pH值,腐蚀产物,材
料成分和微观组织等因素的影响,建立了腐蚀速率
模型一,即
CR:
K×
尼箸×
H,×
（器）¨
..∞.'
fc.z
（7）
式中,CR为钢材腐蚀速率,mm/a;
K为温度常数;
为CO的逸度,bar;
r为剪应力,Pa;
.为温
度t时的pH系数.
第4o卷第9期工光磊,等:
高酸性气田套符柱安伞可靠性评价方法研究
腐蚀过程中,材料表面形成完整的,具有保护性
的腐蚀产物膜时,金属表【（【『受附着的腐蚀产物保护,
腐蚀速率将降低.Ward研究了腐蚀产物膜对腐蚀
速率的影响系数一,即
K一
l一l（丁&
lt;
丁
【,l一10"
"
÷
（丁≥丁】）
式F}lI,T为产牛具有保护性腐蚀产物膜的温度;
l厂为腐蚀产物膜影响系数.
根据上述套管腐蚀速率模型的分析,综合考虑
腐蚀产物对套管的保护作,改进了高酸性环境下
套管受c（）腐蚀速率的预测模型,即
CR一K×
F×
'
Tw）,"
..4log{//!
x
/×
rP]I）（）t9
3套管柱可靠性计算模型
3.1失效概率分析
套管柱的火效_形式主要包括破裂,挤毁,拉
断,错断,脱扣,跳扣,漏失,轴向失稳等.根据套
管强度和载荷的分布规律分析,套管失效慨率"
及
可靠度计算模型为
P一P（z&
o）一（二竺）一（z）（10）
v/
2
5+9
R一1一Pr（11）
式中,为套管载荷均值;
为套管强度均值
为套管载荷标准差;
（TRS为套管强度标准;
cp（?
）为
标准正态分布函数;
z为失效概率系数;
（r）值叮
以通过埘应的标准正念分布表查询对廊的值
得到.
3.2可靠度模型
3.2.1单元可靠度
套管柱上任一位置点发生任何?
种失效形式即
可认定套管发生损坏,即套管梓的失效形式是相互
独立的.根据高酸性环境下套管梓失效形式的分
析,基于可靠性理论一建立的套管柱单元町靠度计
算分析模型为
R一ⅡR（12）
式中,尺,为套管柱第个单元发生第是种失效形式
时的可靠度;
是为失效形式的种类.
3.2.2整体可靠度
由于套管柱是由若干相同的套管通过螺纹连接
而成,其中任一位置点发牛失效破坏,即会导致套管
柱整体失去原有功能,导致整体系统的损坏,因此根
据可靠性理论的基本原理,套管柱系统属于串联系
统的范畴,则套管柱整体可靠度模型为
Rs一1]-R（13）
J一1
式中,为套管柱单元数量.
4实例分析
P101—2H井是川东北高酸性气藏中的1口水平
井,其井身结构如图l所示.由于储层埋藏深,造斜
点深,钻进难度高,且地层压力体系复杂,富含H.S
和CO等有毒腐蚀介质,使得该井对于套管柱的安
全性要求严格.根据L述套管柱安全可靠性评价方
法的分析,并综合考虑非均匀地应力,射孔,腐蚀,以
及在钻井和多次作业过程中套管内壁磨损等因素的
影响,对开发初期,开发10a及开发20a的套管安
全可靠性进行分析评价.
阻流环深度6
悬挂器位置4
球座位置662
人工井底662
水泥返商地
合金钢井段5
问接外段l12
造斜点4780i
1P1012H_蚌身结构
在PIO1-2H井的开发初期,套管柱单元和整体
系统的安全可靠性均为1O09/6,证明设计的井身结
构合理可行.
表l为P101—2H井开发10a套管柱的安全可
靠性评价分析结果.可以看出,开发生产10a后,
套管柱的整体可靠度较开发初期有所降低,存在发
生套管失效的可能性.主要原因是由于射孑L,腐蚀,
非均匀地应力和出砂等因素的影响,导致套管强度
降低,容易引发挤毁,错断等失效;
同时也发现,设计
为双层或多层结构的套管段,仍具有较高的可靠度,
?
4?
石油矿场机械2011年9月
表2为P101—2H井开发20a后的套管柱可靠
度评价结果,最低可靠度为72.3255.主要原因
在于:
开发初期影响套管安全性的不显着因素随
升级会员 