專利名稱：一種直井套管柱的三軸應力強度設計方法
技術領域：
本發明涉及一種直井套管柱的三軸應力強度設計方法。
背景技術：
隨著勘探開發的不斷深入，定向井、水平井、大位移井的數量越來越多，特別是對于灘海及海上油田的開發，由于受到平臺位置的限制以及后期管理和開采的需要，全部采用定向井、水平井進行開發。近年來，隨著海上油田的勘探向灘海和深海的發展，大位移井由于其成本上的優勢越來越多地被油田所采用，對大位移井的套管柱強度設計也提出了更高的要求。由于井斜角大，裸眼井段長，套管也越下越深，作用在油氣井套管上的載荷也變得越來越大且越來越復雜。套管設計過程中不但要考慮摩阻的影響，還要考慮套管彎曲產生的附加軸向力、套管磨損、套管動載荷的影響。在目前使用的石油天然氣套管強度設計行業標準(SY/T5322-2000)中，套管的軸向力只考慮了浮重的作用，沒有考慮摩阻和動載的影響，因此，有必要研究適合于大位移井的套管柱強度設計理論和方法。傳統的套管設計存在以下主要問題1)對套管受力的認識。認為套管所受的軸向力只是由浮重引起的，沒有考慮套管在起、下過程中的摩阻力，以及套管突然受阻的沖擊載荷。2)對套管強度的認識。認為套管是理想的管體，套管的強度就是API套管強度，而實際上在套管制造和生產過程中，包含很多缺陷，同時由于工藝和生產技術的提高，套管抗擠強度已不再是原有的強度。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不容忽視的問題，磨損使套管柱的抗擠強度、抗內壓強度等使用性能降低，對套管柱的安全構成了嚴重的威脅，它可能引起油氣井控制問題，嚴重時甚至可使一口幾乎要完鉆的井報廢。目前我國在進行管柱結構設計時，基本沒有考慮到套管的磨損問題。綜上所述，大位移井套管設計理論和方法與常規定向井有較大的差異，必須研究針對適合于大位移井套管柱強度設計的理論和方法。此外，大位移井中套管的磨損機理和磨損后套管強度的變化，也是一個值得關注的問題，改進套管柱的強度設計方法，不僅具有理論意義，也具有實際應用價值。早期的套管柱設計是采用單軸應力設計。采用這種方法設計時，沒有考慮套管所受各種力的相互作用，認為各種力對套管的作用是相互獨立的。國內通用的等安全系數法， 還有國外的邊界載荷法、最大載荷法、前蘇聯及西德的套管設計方法，還有美國阿莫科公司的設計方法等，多是以雙軸應力法為基礎，這些設計方法各有特點。(1)等安全系數法整個套管柱由不同強度的多段套管組成，各段的最小安全系數應等于規定的安全系數，這就是等安全系數法。過去等安全系數法一般只根據抗拉與抗擠進行設計。近年來國外則多是先進行抗內壓強度設計，先選出符合要求的套管后再進行抗拉與抗擠設計。(2)邊界載荷法邊界載荷法的抗內壓和抗擠設計方法與等安全系數法相同，只是在中上部套管改由抗拉設計時，不用抗拉強度系數除所得到可用強度，而是用第一段以抗拉設計的套管抗拉強度和安全系數所決定的邊界載荷算出強度來選用以上各段套管。(3)最大載荷法其本質是根據實際條件下套管柱所承受的有效載荷，再考慮一定系數來設計套管柱。其步驟為先按有效內壓力然后再根據有效外壓力及拉力進行設計， 并考慮雙軸應力對抗擠強度的影響，各段套管的長度是通過圖解法確定的。(4)前蘇聯套管柱設計特點是給出不同時期，不同井內作業條件下套管柱各部位的內壓力和外壓力計算公式。設計時要根據該井的具體情況，計算出套管各部位所受的有效內壓力及有效外壓力，并依此作為選用套管的依據。以雙軸應力為基礎的設計方法在世界各地得到了廣泛的應用。但是，隨著鉆井技術的發展和勘探開發的需要，鉆井深度越來越深，地質條件越來越復雜，油井工作條件也越來越惡劣，單軸應力設計和雙軸應力設計已不能滿足鉆井和油氣井開發的要求，常常造成油氣井套管的先期破壞。雙軸應力方法存在的問題是采用雙軸應力法設計時，雖然考慮了外擠力、內壓力和軸向力的相互影響，但忽略了徑向應力的影響。即在考慮軸向力對外擠力的影響時，忽略了內壓力。同時在考慮軸向力對內壓力的影響時，忽略了外擠力。有關文獻的實驗資料表明，出現擠毀破壞的試件，其實驗數據與雙軸應力橢圓理論曲線相距甚遠，兩者符合程度不高，這一實驗結果表明雙軸應力設計方法存在缺陷。事實上，不管套管受哪些力的作用，歸根結底是受三軸應力。因此，套管強度設計應同時考慮軸向力、外擠力和內壓力相互作用對套管強度的影響。套管強度取決于三個方面的因素1)套管自身的幾何與力學性質；幻套管所受外力的情況；幻套管的工作環境。根據現有的套管損毀的統計資料來看，套管的幾何與力學性質和套管的工作環境，不是套管非正常損壞的主要原因，而在開發過程中地層對套管的作用力是導致套管非正常損壞的根本原因。在井下，套管受力是相當復雜的，但是不管套管受哪些力，也不管這些力是如何產生的，歸根結底是受三軸應力(軸向應力、徑向應力和周向應力)的作用。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種直井套管柱的三軸應力強度設計方法，該設計方法同時考慮軸向力、外擠力和內壓力相互作用對套管強度的影響，首先計算三軸應力的大小，然后計算出相當應力，并令其等于套管的屈服強度，以此為根據來進行套管強度設計，從而使得設計更合理，設計出的直井套管柱更加耐用。本發明的目的通過下述技術方案實現一種直井套管柱的三軸應力強度設計方法，包括以下步驟(a)確定第一段套管的鋼級和壁厚；(b)確定第一段套管的下入長度；(c)對第一段套管頂部進行抗內壓強度校核；(d)對第一段套管頂部進行抗拉強度校核；(e)按套管抗拉強度計算該段套管的下入長度L。n。(f)計算三軸應力下該段套管的下入長度Lan。(g)然后進行該段套管抗內壓和抗擠強度校核，直到滿足設計井深為止。
所述步驟(a)的具體步驟為計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和壁厚，根據套管強度公式或查出套管強度，列出套管強度和套管性能參數表。所述步驟(C)的具體步驟為根據三軸抗內壓強度公式計算出第一段套管頂部的三軸抗內壓強度Pbal及有效內壓力Pbel,根據抗內壓強度Pbal及有效內壓力Pbel計算出第一段套管的抗內壓安全系數。所述步驟(d)的具體步驟為按三軸抗拉強度公式計算出第一段套管頂部的三軸抗拉強度Tal及有效拉力Tel，根據抗拉強度Tal及有效拉力Tel計算出第一段套管抗拉安全系數。綜上所述，本發明的有益效果是同時考慮軸向力、外擠力和內壓力相互作用對套管強度的影響，首先計算三軸應力的大小，然后計算出相當應力，并令其等于套管的屈服強度，以此為根據來進行套管強度設計，從而使得設計更合理，設計出的直井套管柱更加耐用。
具體實施例方式下面結合實施例，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不僅限于此。實施例本發明涉及的一種直井套管柱的三軸應力強度設計方法，其具體步驟如下(a)確定套管的鋼級和壁厚計算第一段套管處的有效外擠壓力P。el，并根據P。al彡ScXPcel原則(Sc為抗擠系數，P。al為套管的三軸抗擠強度)，選擇套管的鋼級和壁厚，根據套管強度公式或查出套管強度，列出套管強度和套管性能參數表。(b)確定套管的下入長度計算第一段套管下入的長度L1取決于第二段套管的下入深度H2，對于直井，第二段套管應選比第一段套管強度低一級的。第二段套管的下入深度H用下式確定H = ~b+ bl 一4 其中(^+C1CJC32= a ；C1C^C2C3 = b ；
權利要求
1.一種直井套管柱的三軸應力強度設計方法，其特征在于，包括以下步驟(a)確定第一段套管的鋼級和壁厚；(b)確定第一段套管的下入長度；(c)對第一段套管頂部進行抗內壓強度校核；(d)對第一段套管頂部進行抗拉強度校核；(e)按套管抗拉強度計算該段套管的下入長度L。n。(f)計算三軸應力下該段套管的下入長度Lan。(g)然后進行該段套管抗內壓和抗擠強度校核，直到滿足設計井深為止。
2.根據權利要求1所述的一種直井套管柱的三軸應力強度設計方法，其特征在于，所述步驟(a)的具體步驟為計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和壁厚，根據套管強度公式或查出套管強度，列出套管強度和套管性能參數表。
3.根據權利要求1所述的一種直井套管柱的三軸應力強度設計方法，其特征在于，所述步驟(c)的具體步驟為根據三軸抗內壓強度公式計算出第一段套管頂部 的三軸抗內壓強度Pbal及有效內壓力Pbel，根據抗內壓強度Pbal及有效內壓力Pbel計算出第一段套管的抗內壓安全系數。
4.根據權利要求1所述的一種直井套管柱的三軸應力強度設計方法，其特征在于，所述步驟(d)的具體步驟為按三軸抗拉強度公式計算出第一段套管頂部的三軸抗拉強度Tal 及有效拉力Tel，根據抗拉強度Tal及有效拉力Tel計算出第一段套管抗拉安全系數。
全文摘要
本發明公開了一種直井套管柱的三軸應力強度設計方法。該直井套管柱的三軸應力強度設計方法包括確定第一段套管的鋼級和壁厚和下入長度；對第一段套管頂部進行抗內壓強度校核和抗拉強度校核；計算出該段套管的下入長度Lon和Lan；然后進行該段套管抗內壓和抗擠強度校核，直到滿足設計井深為止等步驟。本發明同時考慮軸向力、外擠力和內壓力相互作用對套管強度的影響，首先計算三軸應力的大小，然后計算出相當應力，并令其等于套管的屈服強度，以此為根據來進行套管強度設計，從而使得設計更合理，設計出的直井套管柱更加耐用。
文檔編號E21B17/00GK102465671SQ201010558640
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月18日 優先權日2010年11月18日
發明者常萍 申請人:常萍