某復(fù)雜超深井生產(chǎn)套管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊成新，潘志勇，王孝亮，林 凱，謝俊峰，李 寧，周 波，婁爾標(biāo)，魯 慧

(1.塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

·開發(fā)設(shè)計(jì)·

某復(fù)雜超深井生產(chǎn)套管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊成新1，潘志勇2，王孝亮1，林 凱2，謝俊峰1，李 寧1，周 波1，婁爾標(biāo)1，魯 慧1

(1.塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000；2.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077)

某超深井生產(chǎn)套管柱設(shè)計(jì)過程中存在既要滿足生產(chǎn)工藝要求又要同時(shí)滿足抗拉和抗內(nèi)壓的要求。通過工況分析、套管鋼級選擇、螺紋接頭選擇、安全系數(shù)確定，設(shè)計(jì)了雙規(guī)格復(fù)合套管柱。通過進(jìn)一步的抗拉安全系數(shù)和抗內(nèi)壓安全系數(shù)計(jì)算和對比分析，優(yōu)選出了用于復(fù)合管柱的兩種生產(chǎn)套管規(guī)格。設(shè)計(jì)思路及方案對于深井和超深井管柱設(shè)計(jì)有重要指導(dǎo)意義。

超深井；生產(chǎn)套管；復(fù)合管柱；安全系數(shù)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

石油套管主要用于鉆井過程中和完井后對井壁的支撐，以保證鉆井過程的進(jìn)行和完井后整個(gè)油氣井的正常運(yùn)行。每一口井根據(jù)不同的鉆井深度和地質(zhì)情況確定使用的套管層數(shù)，其中最后下入的一層套管柱也即離油管柱最近的套管柱稱為生產(chǎn)套管柱，它是保障油氣安全通道最重要的屏障。生產(chǎn)套管柱的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到鉆井及采油/氣作業(yè)的井下施工安全，而且關(guān)系到油氣井的服務(wù)壽命，生產(chǎn)套管柱設(shè)計(jì)上的任何失誤在固井后都將難以彌補(bǔ)，由此帶來的后果是極其嚴(yán)重的。近年來, 隨著深井超深井?dāng)?shù)量的增多，對套管柱的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)[1-4]，特別是生產(chǎn)套管柱設(shè)計(jì)，既要考慮強(qiáng)度安全，又要滿足一系列工藝要求的前提下盡可能降低經(jīng)濟(jì)成本。本文以西部某超深井生產(chǎn)套管柱現(xiàn)場工況需求為背景，對生產(chǎn)套管柱的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析和優(yōu)化，尋求安全前提下經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的生產(chǎn)套管柱設(shè)計(jì)方案。

1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

該井為含少量天然氣的油井，天然氣中伴隨少量硫化氫，關(guān)井最大壓力95 MPa。生產(chǎn)套管下深7 700 m，通徑要求大于168.28 mm，上層套管通徑為247.01 mm。為滿足油田工藝要求和降低使用成本，基于油田規(guī)格為Φ200.03 mm×10.92 mm的成熟套管進(jìn)行生產(chǎn)套管柱的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，生產(chǎn)套管通徑最小時(shí)的內(nèi)加厚套管規(guī)格為Φ200.03 mm×14.315 mm。

目前生產(chǎn)套管柱抗內(nèi)壓設(shè)計(jì)依據(jù)主要是油管泄漏的依據(jù)。油管泄漏的依據(jù)假定泄漏發(fā)生在油管頂部，油管內(nèi)壓力會疊加作用于生產(chǎn)套管內(nèi)完井液柱上，由于管外液體密度大于管內(nèi)液體密度，井口套管柱承受最大內(nèi)壓載荷95 MPa。圖1是套管鋼級和抗內(nèi)壓強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系，Φ200.03 mm×10.92 mm規(guī)格套管鋼級需達(dá)到144以上，Φ200.03 mm×14.315規(guī)格套管鋼級需達(dá)到110以上。但由于高鋼級套管存在較高的缺口敏感性和應(yīng)力腐蝕開裂傾向，所以鋼級110以下的Φ200.03 mm×10.92 mm規(guī)格套管及其最大內(nèi)加厚套管滿足不了抗內(nèi)壓要求。

圖1 套管不同鋼級對應(yīng)的抗內(nèi)壓強(qiáng)度

生產(chǎn)套管柱抗拉設(shè)計(jì)依據(jù)主要為套管柱浮重和彎曲力，由于設(shè)計(jì)井為直井，只考慮浮重條件下套管柱的抗拉強(qiáng)度。假定套管螺紋接頭抗拉伸效率為100%，計(jì)算Φ200.03 mm×10.92 mm和Φ200.03 mm×14.315 mm兩種規(guī)格套管(鋼級均為110)在不同鉆井液密度條件下的抗拉安全系數(shù)見圖2。可見，兩種規(guī)格套管在鉆井液密度相同時(shí)其抗拉安全系數(shù)也是相同的，即對于單一規(guī)格套管，套管柱抗拉安全系數(shù)與套管壁厚無關(guān)。計(jì)算套管柱在不同井深下的抗拉安全系數(shù)見圖3，可見套管柱隨井深的增加其抗拉安全系數(shù)逐漸減小，另外，即使在大的鉆井液密度條件下井深達(dá)到7 700 m時(shí)套管柱抗拉安全系數(shù)也小于1.5，小于SY/T 5742[5]標(biāo)準(zhǔn)要求的最小值。

圖2 套管柱在不同鉆井液密度條件下的抗拉安全系數(shù)

圖3 套管柱在不同井深下的抗拉安全系數(shù)

根據(jù)SY/T 5742標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算生產(chǎn)套管的最大外擠載荷，假定鉆井液密度為1.3 g/cm3，管內(nèi)最小密度為1.01 g/cm3，則最大外擠載荷為21.88 MPa，但由于該井區(qū)碳酸鹽巖油藏非均質(zhì)性極強(qiáng)，所以下部套管需要有較大的抗外擠強(qiáng)度。

根據(jù)以上分析，該井生產(chǎn)套管柱設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于套管柱抗內(nèi)壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度滿足工況要求。

2 套管柱設(shè)計(jì)

2.1 套管鋼級選擇

該區(qū)塊兩口鄰井H2S含量分別為30 ppm和198 ppm，H2S含量變化大。含濕氣的H2S會對金屬產(chǎn)生均勻腐蝕、氫致開裂、硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。硫化物應(yīng)力腐蝕開裂的破壞原理是硫化氫產(chǎn)生的氫原子滲透到鋼的內(nèi)部，溶解到晶格中，導(dǎo)致脆性，在外加拉應(yīng)力或殘余應(yīng)力作用下形成開裂。硫化物應(yīng)力開裂屬于低應(yīng)力破壞，發(fā)生開裂時(shí)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的抗拉強(qiáng)度，而且具有突發(fā)性，裂紋擴(kuò)展迅速，主要出現(xiàn)于高強(qiáng)度鋼、高內(nèi)應(yīng)力構(gòu)件上。由于高強(qiáng)度套管韌性低，對表面缺陷非常敏感，而且對應(yīng)力腐蝕也比較敏感，所以選用C110的抗硫套管。

2.2 套管柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的分析，單一規(guī)格生產(chǎn)套管柱無法滿足抗拉安全系數(shù)要求，由于拉伸載荷從井口往下逐步降低，所以在套管鋼級無法提升的情況下只能降低管柱下部重量才能提高井口套管的抗拉安全系數(shù)，即生產(chǎn)套管柱設(shè)計(jì)時(shí)采用復(fù)合套管柱，上部采用大規(guī)格厚壁套管，下部采用小規(guī)格薄壁套管。為給后期作業(yè)提供大的井眼空間，大規(guī)格套管壁厚不宜過大，壁厚過大會導(dǎo)致采用大的接箍外徑。為減少非API套管規(guī)格數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，本案生產(chǎn)套管柱設(shè)計(jì)采用兩段式套管柱設(shè)計(jì)，上下部套管外徑分別采用已有的非API外徑尺寸206.38 mm和200.03 mm，壁厚通過強(qiáng)度校核確定。

2.3 套管柱安全系數(shù)選擇

根據(jù)前面的分析，生產(chǎn)套管柱設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于解決套管柱抗內(nèi)壓和抗拉問題。表1列舉了國內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)和公司采用的安全系數(shù)，由于本井為油井，伴隨生產(chǎn)的天然氣較少，采用較小的抗內(nèi)壓安全系數(shù)1.05。又由于本井為超深井，下井過程中可能存在較大的動載荷以及其它特殊工況如井漏等，管柱斷裂后的風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重，故選用較大的抗拉安全系數(shù)1.60。

表1 套管柱設(shè)計(jì)安全系數(shù)

2.4 套管螺紋接頭選擇

API標(biāo)準(zhǔn)圓螺紋牙型為三角形，圓螺紋接頭的連接強(qiáng)度僅為管體強(qiáng)度的60%～80%。API標(biāo)準(zhǔn)偏梯形螺紋抗軸向拉伸能力較大，偏梯形螺紋接頭的連接強(qiáng)度能達(dá)到管體強(qiáng)度，但由于存在螺旋通道其氣密封性能較差。特殊螺紋接頭設(shè)計(jì)有專門的密封面，通過螺紋、密封面、扭矩臺肩3個(gè)相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)相互配合保證了優(yōu)異的密封性能和連接強(qiáng)度，氣密封效率和連接效率均可達(dá)到100%。故生產(chǎn)套管螺紋接頭選用與管體等強(qiáng)度的氣密封特殊螺紋接頭。

2.5 套管規(guī)格優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)井口套管最大內(nèi)壓載荷95 MPa及抗內(nèi)壓安全系數(shù)1.05計(jì)算Φ206.38 mm套管壁厚不小于15.5 mm，最終上部套管選用Φ206.38 mm×15.8 mm C110規(guī)格。下部套管從Φ200.03 mm×12.5 mm C110、Φ200.03 mm×13.5 mm C110和Φ200.03 mm×14.2 mm C110三種規(guī)格中優(yōu)選。

圖4 生產(chǎn)套管柱結(jié)構(gòu)示意圖

建立圖4所示的生產(chǎn)套管柱結(jié)構(gòu)示意圖，上部套管長度為L。假定關(guān)井后油管頂部發(fā)生氣體泄漏，生產(chǎn)套管柱內(nèi)液體密度為1.01 g/cm3，套管柱外液體(鉆井液)密度為1.3 g/cm3，計(jì)算三種組合情況下上部套管的抗拉安全系數(shù)和下部套管的抗內(nèi)壓安全系數(shù)見圖5和圖6?？梢娚喜刻坠芸估踩禂?shù)隨上部套管長度的增加而下降，下部套管抗內(nèi)壓安全系數(shù)隨上部套管長度的增加而增加。Φ206.38 mm×15.8 mm C110和Φ200.03 mm×12.5 mm C110組合套管柱不能同時(shí)滿足抗拉和抗內(nèi)壓要求，Φ206.38 mm×15.8 mm C110和Φ200.03 mm×13.5 mm C110組合套管柱同時(shí)滿足抗拉和抗內(nèi)壓要求的L值范圍為3 430～4 090 m，Φ206.38 mm×15.8 mm C110和Φ200.03 mm×14.2 mm C110組合套管柱同時(shí)滿足抗拉和抗內(nèi)壓要求的L值范圍為1 850～2 900 m，由于第三種組合L區(qū)間大，并且L值相對第二種組合小，第三種組合具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，故最終選擇的復(fù)合生產(chǎn)套管柱為Φ206.38 mm×15.8 mm C110與Φ200.03 mm×14.2 mm C110的組合套管柱。

圖5 三種組合上部套管抗拉安全系數(shù)

圖6 三種組合下部套管抗內(nèi)壓安全系數(shù)

3 結(jié) 論

1)單一規(guī)格套管柱浮重下的抗拉安全系數(shù)與套管外徑和壁厚尺寸無關(guān)。

2)復(fù)合套管柱設(shè)計(jì)是一種簡單有效的解決深井高壓油氣藏套管柱抗拉和抗內(nèi)壓問題的設(shè)計(jì)方法。

3)井深一定時(shí)，雙規(guī)格復(fù)合管柱上部套管抗拉安全系數(shù)隨上部套管長度的增加而下降，下部套管抗內(nèi)壓安全系數(shù)隨上部套管長度的增加而增加。

4)滿足抗拉和抗內(nèi)壓要求的套管柱為Φ206.38 mm×15.8 mm C110與Φ200.03 mm×14.2 mm C110組合的雙規(guī)格復(fù)合套管柱。

[1] 董小衛(wèi)，周新義，許 軻，等.深井及超深井套管選用探討[J].遼寧化工，2015，44(5)：539-540.

[2] 滕學(xué)清，朱金智，楊向同，等.某含氣高壓油井生產(chǎn)套管柱設(shè)計(jì)研究[J].石油礦場機(jī)械，2016，45(11)：28-33.

[3] 陳琳琳，劉永貴.大慶油田古龍1井套管柱設(shè)計(jì)方法分析及優(yōu)選[J].探礦工程，2009，36(7)：13-16.

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Optimization Design of Producing Casing String in a Complex Ultra-deep Well

YANG Chengxin1, PAN Zhiyong2, WANG Xiaoliang1, LIN Kai2, XIE Junfeng1,LI Ning1, ZHOU Bo1, LOU Erbiao1, LU Hui1

(1.TarimOilfieldCompany,Korla,Xinjiang841000,China; 2.CNPCTubularGoodsResearchInstitute,Xi′an,Shaanxi710077,China)

Producing casing string in an ultra-deep well was designed and it need to accord with the requirement of production process and tension strength and inner pressure. Two kinds of casing combination string was built up on the basis of field condition analysis, casing grade and thread connection selection and safety coefficient analysis. Two kinds of casing’s outer diameter and wall thickness were got by means of calculation and comparative analysis on the coefficient of tension safety and inner pressure safety. The design philosophy and design case is very important to pipe string design in deep and ultra-deep well.

ultra-deep well; producing casing; combination string; safety coefficient; optimization design

楊成新，男，1966年生，高級工程師，1988年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院鉆井工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事鉆井設(shè)計(jì)及相關(guān)科研工作。E-mail:yangcx-tlm@petrochina.com.cn

TE921

A

2096-0077(2017)03-0028-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.03.006

2016-08-02 編輯：馬小芳)