高抗挤毁套管基本知识Word文档格式.docx

1、井况的恶化不仅破坏了注采井网，影响了增产增注措 施的实施，而且还造成储量和产量的损失，从而严重影响着油田的稳定与发 展。几十年来，生产厂家和油田用户在防治套管的被挤毁方面进行了不懈 的努力。在油田方，开发了双层复合套管，（两层套管之间填充高强度水 泥），以及增加套管外水泥强度和厚度等办法来提高下井套管的高抗挤毁强 度；而生产厂家则在提高套管的抗挤毁能力方面进行了深入的研究，在对 套管的抗挤毁强度影响因素的研究中发现，D/T、不圆度、壁厚均匀度、材 料强度、套管壁厚、残余应力等对套管的抗挤毁强度具有显著影响。在认 清了这些影响因素的基础上，通过对这些因素进行有效地控制，进而开发 了一系列的高抗挤

2、套管。这类高抗挤毁套管，比同规格同钢级的API套管 的抗挤毁强度高岀20%60%，有些规格抗挤毁强度甚至较API更高一钢 级套管和更厚一级壁厚套管的抗挤毁强度还要高。API规格高抗挤毁套管 的研制，解决了部分常规的油田需要，但在一些油田对套管抗挤强度的特殊 要求，则仍然无能为力。20世纪90年代之前，尽管市场对高抗挤毁套 管有急切的需求，但由于各种条件的局限，在选用高抗挤毁套管方面，只 能局限在API规格范围内。这种解决方案在许多情况下并不能真正解决问 题。仍以前面提及的某油田为例，为解决油水井套管抗挤毁问题，将下井套 管从80Ksi钢级提高到110Ksi钢级高抗 挤毁套管，将 139.7x9

3、.17mm 的壁厚提高到 139.7x10.54mm的壁厚（API 5CT规范中的最大壁 厚）。然而，这样做的结果也只能将油水井寿命由原来的平均6年提高到 7年。如何防范盐膏层蠕变挤毁套管，是某油田长期攻尖解决的重大技术 难题。通过对该油田现场统计分析与反演得出：盐膏层蠕变对生产套管产生 的最大等效外挤压力为167Mpa，而API标准套管（内径不低于118mm 的现有套管）的最大抗挤强度尚未超过120Mpa因而无法克服如此巨大 的盐膏层外挤载荷。目前国内各个油田套损情况都很严重。尤其是对含岩盐层、泥岩层的油田以及实施注水、热采等工艺的油田。油田套损的主要原因基本上都可以归咎于套管受到了非均匀载

4、荷的影响。2、挤毁失效机理 2.1、套管失效基本形式套管的失效形式可用八个字概括：脱、漏、粘、挤、破、裂、磨、脱：管体螺纹从接箍内滑脱漏：螺纹连接处失去密封 粘：螺纹粘扣挤：管体挤毁破：管体受内压爆破裂：拉断、错断、纵裂、射孔开裂以及疲劳、应力腐蚀开裂等磨：套管与钻柱互相磨损蚀：腐蚀及应力腐蚀2.2套管挤毁的失效机理。高强度高抗挤套管主要用于深井及超深井或地层条件复杂对套管性能要 求苛刻的场合。因此，要求套管具有高的抗拉及连接强度，优异的抗挤毁 能力，良好的密封性能等良好的综合性能，而其中的核心是套管的抗挤毁能 力。套管被挤毁主要是分为套管在外挤压力作用下的破坏形式和地层流体内 压力作用下的破

5、坏形式。当外挤压力和地层流体内压力使套管的管壁上产生 的应力强度达到或超过套管屈服强度时，管体发生了塑性变形，即发生套管 挤毁的失效。2.2.1外挤压力及套管的抗挤强度2.2.1.1外挤压力套管柱所承受的外挤压力主要来自管外泥浆柱压力，地层中流体压力、易流动岩层侧压力以及挤水泥和压裂时的挤压力。在水泥面 以上套管柱是承受的泥浆柱压力。在水泥封固段水泥环具有一定 承载能力， 但计算困难，目前API套管柱设计中仍按泥浆柱压力计算，油田一般按盐 水柱压力（盐水压力梯度10.7-11.52千帕/米）计算。计算外挤压力时，在API常规套管柱设计中都按最危险情况考虑，即 认为套管内没有液柱压力的全掏空状态

6、，如钻井过程中发生井漏、井喷或幵 米后期。外挤压力按以下公式逬行计算P=0.01式中ym一套管外环空泥浆密度（或盐水密度），克/厘米3，H计算点井深，米，P 套管柱所受外挤压力兆帕。上式表明，井底套管柱受到外挤压力最大，愈往上愈小。2.2.1.2套管抗挤强度套管柱在外挤压力作用下的破坏形式，除少数小直 径和厚壁的套管外，主要是失稳破坏，而不是强度破坏。失稳后的套管被挤扁（轻者）或破裂，使钻头或其它井下工具不能 通过，地层封隔遭到破坏，将被迫停钻或停产，套管损坏严重者油气井报 废。套管抗挤强度取决于材料性能、横截面的几何形状和套管所承受负荷 的状况。理论分析和实验研究指出，套管径厚比d/t （外

7、径/壁厚）较 大时，属于失稳破坏。即当外挤压力达到套管抗挤强度时，套管管壁产生弯 曲变形（挤扁）或破裂。当套管径厚比较小，外挤压力达到套管抗挤强度 时，套管将发生强度破坏。以下为没有轴向负荷条件下，不同径厚比有相应 的不同抗挤强度计算公式。如下图。抗外挤强度随D/t的变化尖系（1 ）对于厚壁管D/t+25 ）。弹性挤毁区的最小挤毁压力由下式计算：46.95 105Pe=（D/t） （D/t）适用的D/t范围可由资料查岀 油田管类的大多数挤毁发生在塑f生区和过渡区。3、API出版物一览表下列岀版物归API管材标准化委员管理辖，可向美国石油学会出版发行部 订购。地址：1220L Street,No

8、rthwest,Washington,DC20006,（202）682-83753.1、 规范API Srec 5CT套管和油管规范该规范内容包括各种钢级的无缝和焊 接套管、油管、接箍、短节和连接管及其制造方法、化学成分和机械性能要 求、试验方法和尺寸要求。注：API Spec 5CT第一版的内容综合了已停用的APISpec 5A、5AC、5AX和5AQ最后版本对套管和油管的要求以及1987年标准 化会 议通过的条款内容。3.2、 API Spec 5D钻杆规范该规范内容包括所有钢级的无缝钻杆及其制造 方法、化学成分和机械性能要求、试验方法和尺寸要求。API Spec 5D第一版综合了已停用的

9、APISpec 5A和5AX最 后版本对钻杆的要求以及1987年标准化会议通过的条款内容。3.3、 标准API Std 5B套管、油管和管线管管螺纹的加工、测量和检验 该标准 内容包括对螺纹和螺纹量规的尺寸要求、测量方法的规定，量规规范及其鉴 定以及圆螺纹套管和油管、偏梯形套管、直连型套管和钻杆的螺纹检查仪器和方法。3.4、推荐作法API RP 5A5新套管、油管和平端钻杆现场检验推荐作法提供了检 查管材产品的统一方法。API RP 5BI套管、油管和管线管螺纹检验测量推荐作法改推荐作法 的目的是为正确使用螺纹的检测技术和设备提供指导和说明。API RP 5CI套管和油管的维护与使用推荐作法包

10、括有尖套管和油管 的使用、运输、贮存、管理和修复。API RP 5C5套管和油管连接试验程序推荐作法3.5通报API Bui 5A2螺纹脂通报提供用于油田管材的两种螺纹脂的材料要 求和性能试验。API Bui 5C2套管和油管使用性能通报包括有尖套管和油管的抗挤 压力、内屈服压力和接头强度以及钻杆的最小屈服载荷。API Bui 5C3套管、油管、钻杆和管线管性能的计算和公式的通报 提供了用于不同管子性能的计算公式以及有尖其它发展和应用的资 料API Bui 5C4在内压和弯曲共同作用下圆螺纹套管连接强度通报提供了圆螺纹套管在弯曲和内压共同作用下的连接强度。3.6、API Bui 5TI缺陷术语

11、通报提供了钢常见缺陷的英语、法语、德语、意 大利语、日语和西班牙语的定义。4、墨龙公司开发高抗挤毁套管基本情况 4.1高抗挤毁规范（附后）4.2影响因素高抗挤套管指相同名义尺寸、相同钢级和壁厚，但抗挤强度比API计 算值高的套管。高抗挤套管抗挤强度的提高不是依靠高钢级和 壁厚,而是通 过提高尺寸精度、降低残余应力、严格控制屈服强度公差等途径得到的。 由于高抗挤套管在不增大壁厚的条件下提高了抗挤强度，因此它在深井、超 深井钻井中有着广泛的应用。其主要优点：在相同外载条件下，使用高抗挤 套管与使用同钢级、同规格的AP I套管相比较而言，其壁厚可减小，从而减 轻了管柱重量、增加了可下深度、增大了套管

12、通径。影响套管抗挤性能的因素主要有：屈服强度、残余应力、D/t比值、 套管椭圆度、壁厚偏差以及轴向应力等等。套管几何尺寸测量，外径采用游标卡尺进行检测，壁厚采用超声波 测厚结合机械测厚方式进行，管体圆度及壁厚偏差按下列公式计算：E=2（Dmax-Dmin）/（Dmax+Dmin）*100% |i=2（Smax-Smin）/（Smax+Smin） *100%4.2.1屈服强度的影响套管的钢级是根据最小屈服极限值而命名的，钢级越高屈服极限值 越大，套管的抗挤能力就越高。4.2.2残余应力的影响。套管在生产过程中产生残余应力的主要环节有两 处：一是在轧制、定减径以及矫直过程中由于不均匀变形产生的残余

13、应 力；二是在热处理过程中，特别是在淬火过程中产生的残余应力。由于轧 制、定减径和淬火过程中产生的残余应力可以通过回火加以消除，而回火后 进的矫直是套管产生残余应力的主要原因。经淬火及回火后的，套管的内表 面残余应力为拉应力，外表面的残余应力为压应力。经过不同残余应力的处 理，可使残余应力的分布形 式发生改变。日本钢管企业研究表明：当套管内 表面的环向拉应力达到管体屈服强度的5-10%时，如果管体不圆度较小， 则套管具有最高的挤毁抗力；利用有限元法对线弹性材料套管的残余应力 进行了分析，并证明能使不圆套管达到最大临界挤毁压力的最佳残余应力与 屈服强度之比为0.07。残余应力的存在，无论大小，总

14、会降低套管的挤毁 抗力，而残余拉应力较小时，有益于套管挤毁抗力的提高，较大时则会降低 套管的挤毁抗力，所以应设法将残余压应力和拉应力控制在尽可能低的水 平。常规的冷矫直工艺会显著地套管的挤毁抗力，选择适当的热矫直温度， 可降低残余应力。4.2.3、D/t对抗挤能力的影响。D/t为管子外径与壁厚之比，简称为径 厚比1各种钢级套管的抗挤能力均随着的增大而降低。在不同D/t范围内 抗挤能力的降低速率是不同的。计算分析表明：在D/t 20范围内，D/t值增大，管材抗挤能力下降的最快；20D/t30的范围内，D/t值增 大管材抗挤能力下降的较快；D/t30以后，D/t值增大抗挤能力下降较 缓慢。2如果考

15、虑不同钢级，D/t值增大抗挤能力下降速度有所不同。低钢 级P- D/t曲线较平，高钢级P- D/t曲线较陡，说明低钢级随D/t值增大，抗挤能力下降较慢，高钢级随D/t值增大，抗挤能力下降较快，当D/t值较大时提高钢级已失去意义。4.2.4、 初始椭圆度对抗挤能力的影响。1在整个D/t范围内，随着初始椭圆度eo的降低，管材的抗挤能力提 高。在不同的D/t值范围内，降低初始椭圆度套管抗挤能力提高的幅度 不同，而且不同钢级提高抗挤能力的幅度也不同。2在整个D/t范围内，各种钢级降低初始椭圆度，套管抗挤能力提高的 百分比，都有一个极点值。在这个极点值所对应的D/t值下，降低初始 椭圆度管材抗挤能力提高

16、幅度最大。极点的D/t值随着钢级的提高而减 小。3各种钢级降低初始椭圆度抗挤能力有明显提高都有一个D/t区间， 在此区间内，降低初始椭圆度，抗挤能力提高幅度比较大，超出这个区 间降低初始椭圆度，抗挤能力提高幅度很小。对于高钢级，用降低初始 椭圆度来提高抗挤能力，应着眼于厚壁管；中、低钢级，用降低初始椭圆度来提高抗挤能力，考虑用于中厚壁管4.2.5、 壁厚不均度对抗挤能力的影响壁厚不均度与轧管的设备及轧制工艺有尖，资料表明，套管的抗挤强 度随着壁厚不均度的增加也近呈线性比下降，即壁厚不均度每增加1%，抗挤强度相应降低约1%，当壁厚不均度 10%时，对抗挤毁强度的影响并不大，较低的壁厚不均度有利于降低套管在矫直过程中产 生的残余应力，同时壁厚不均匀的套管在冷却时也会促使不圆度增加。虽然壁厚不均度的影响小于残余应力和椭圆度的影响，但从提高 套管整体性能的角度考虑，必须减小壁厚不均度。