高酸性气田套管柱安全可靠性评价方法研究doc.docx

1、高酸性气田套管柱安全可靠性评价方法研究doc高酸性气田套管柱安全可靠性评价方法研究2O11侄第9期第4O卷第1页石油矿0ILFIELD场机械EQUIPMENT2011,40(9):15oo文章编号:1O01-3482(2011)09000105高酸性气田套管柱安全可靠性评价方法研究王光石1石石.,李文飞,周延军(1.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266555;2.胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营257017)摘要:普光气田Hs和CO:含量高,属于高酸性气田,如何评价套管柱的安全可靠性,确保气田长期稳定开发成为关键问题之一.在分析载荷对套管作用机理的基础上,研究了套管载荷计算模

2、型,并根据可靠性理论,将套管柱整体作为串联系统,结合酸性气田套管柱失效形式的分析,提出了套管柱单元及整体系统可靠度计算模型,建立了酸性气田套管柱安全可靠性评价方法.实例分析结果表明:P1012H井开发初期套管柱系统安全可靠度为100,证明了井身结构设计的合理性,经过1020a的开发,由于腐蚀,射孔,地层活动等因素造成套管强度减小,导致套管柱整体可靠度降低,存在发生失效的可能性.关键词:酸性气田;套管;失效;可靠性;评价方法中图分类号:TE931.2文献标识码:AStudyonEvaluationMethodofReliabilityofCasinginHighLevelAcidGasField

3、WANGGuanglei.LIWenfei.ZHOUYanjun.(1.CollegeofPett.oleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266555,China;2.DrillingTechnologyResearchInstitute.ShengliPetroleumAdministration,Dongying257017,China)Abstract:PuguanggasfieldisacidgasfieldbecauseofhighlevelofH2SandCO2,SOitisimportantforexploiting

4、safelytoevaluatereliabilityofcasing.Basedontheanalysisofcasingloadmechanism,calculationmodelwasstudied.Accordingtoreliabilitytheory,casingstringisaseriessystem,andconsideringthefailureofcasingstringingasfield,reliabilitymodelofcasingpartsandwholewereproposed.Theanalysisresultsshowthatreliabilityofwh

5、olecasingofP1012Hwellwas100intheearlydaysofexploit,andcasingdesignwasright.Becausesomeactorsincludingcorrosion,perforatingandSOondecreasedthestrengthofcasing,reliabilityofwholecasingisdecreasedin10and20years.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

6、要源头,已探明储量3.510m.,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:2011O307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

7、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-Rf1一(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

8、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zFZo.(.)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

9、10pA+.A)10.q一q+(10.A.一P.A.)g10291()l一二A川套管底部闭口情况:FzcRa(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

10、=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一10Kw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

11、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<丁【,l一10(丁丁】)式FlI,T为产牛具有保护性腐蚀产物膜的温度;

12、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,FTw),.4log/!x/rPI)()t93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/R25+9R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

13、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R(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)

14、J一1式中,为套管柱单元数量.4实例分析P1012H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4780i1P1012H_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P1012H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P1012H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