專利名稱：一種鹽巖地層異形套管設計方法
技術領域：
本發明涉及一種針對鹽巖地層的套管設計方法。
背景技術：
深部地層鹽膏層鉆井是鉆井工程重大技術難題之一，由于鹽膏層巖石性能的特殊性，鹽膏層鉆井完井的復雜情況和井下事故形態可用“溶、縮、塌、脹、漏、卡、噴、損”8個字來描述。特別是當鉆開井眼后鹽膏層蠕動，常造成井眼失穩、卡鉆、固井后擠毀套管等事故。在我國油氣鉆井工程中，也經常遇到大段復雜的巖鹽地層。在鉆井過程中，容易產生縮徑卡鉆或起下鉆遇阻，在下套管時容易出現下套管遇阻，同時套管下入井后易產生隨時間而變化的不均勻外載并擠毀套管。套管作為油氣井的關鍵結構直接關系到油氣資源的順利開采，是保證鉆井順利進行和完井后油氣井正常運行的重要通道。在油氣田開發過程中，套管損壞事故的發生給油田造成了巨大的經濟損失。鹽膏巖作為重要的油氣資源蓋層，預防和減少鹽膏層套損事故的發生尤為重要。目前，公知的針對埋深、厚度較大的鹽巖地層多采用非API標準的厚壁套管，厚壁套管壁厚是常規套管的1.5倍以上，其特點是抗擠強度、抗壓強度以及抗拉強度大、質量大、價格昂貴。但是國內外在進行套管設計時，通常認為套管承受的是均勻外擠壓力，即按靜水壓力分布規律計算套管應力，然后開展對套管的模擬強度試驗。該方法對于淺井或井下情況相對簡單的井是可行的，但對深井以及存在鹽巖等地質情況或地應力狀態復雜的井，若仍采用上述假設，則極易導致套管在井下發生變形甚至錯斷，嚴重影響油氣井的正常開發生產，甚至造成油氣井停產報廢，帶來巨大的經濟損失。同時，若厚壁套管壁厚過大，其經濟成本相應的增加，降低了油田企業的經濟效益，也會阻礙油氣開采活動的進行。
發明內容
本發明的目的在于提供一種鹽巖地層異形套管設計方法，使用該方法能夠有效地降低套管在非均勻水平地應力狀態下套管管體的有效應力，防止套管損壞，解決了現有厚壁套管在非均勻水平地應力狀態下強度不夠，不能保證厚壁套管在后續生產過程中保持完好的技術難題。本方法采用的思路是:確定相應區塊鹽巖層段的井深以及該井的井身結構，根據鹽巖地層蠕變載荷分布規律，通過改變異形套管的內徑或外徑來降低套管管體的有效應力，避免出現在最大主應力方位擠毀套管。一種鹽巖地層異形套管設計方法，通過改變套管的橫截面形狀有效地降低管體內部有效應力，針對不同地應力狀態以及地應力非均勻程度，采用彈性力學原理，分析不同橢圓程度異形套管的有效應力，再根據第四強度理論確定出在該地應力水平條件下滿足給定安全系數和鋼級的異形套管橫截面尺寸。即通過針對不同鹽巖地層蠕變應力狀態，通過改變異形套管的內徑或者外徑并采用上述方法進行計算，確定出適合該地應力水平條件的套管橫截面形狀。
使用本發明所述方法設計的異形套管有以下兩種形式:套管內壁為圓形，外壁為橢圓形；套管內壁為橢圓形，外壁為圓形。所述異形套管下入井內，其壁厚最大的位置應與最大水平地應力方位一致。所述異形套管橫截面長軸方向的最大值應該小于需要套管封固的裸眼井段井徑1.90cm以上，以確保固井質量和避免出現不能下入該異形套管的情況發生；異形套管內徑的短軸長度必須根據SY/T5431— 2008行業標準進行確定，以保證下部井段的正常鉆進和下一層套管能夠順利下入。由于地下鹽層非均勻地應力的存在，使得套管周圍的徑向應力呈非均勻的橢圓形分布；鹽巖吸水蠕變，使得套管外載的非均勻分布變得更加嚴重，表現為在最大地應力方向，外載增加，最小地應力方向，外載減小。通過室內試驗模擬地層蠕變產生的套管非均勻外載，可以看出:(I)在非均勻地應力下,鹽巖蠕變將對套管產生一個非均勻外載,其大小隨時間增加而增大，經過較長時間后，載荷會趨于穩定而不再增加。(2)在套管周圍不同方向受到的蠕變外力不同。在0°方向(最大地應力方向)受力最大，45°方向次之，90°方向(最小地應力方向)最小。套管周圍鹽巖蠕變外載的分布形式為橢圓形，其分布規律可近似用余弦函數來表示:ο H=SAS2CosS Θ式中:σ n——套管所受徑向蠕變外載，MPa ；Θ—與最大主應力方向夾角，° ;S1, S2——鹽巖地層及地應力大小有關的折算外載，MPa。異形套管管體的應力分布按彈性力學理論(張允真，曹富新，彈性力學及其有限元法[M]，北京:中國鐵道出版社，1983)計算，套管壁內任一點的應力分量σ e、(^和是套管半徑和徑向角的函數。由簡化的模型得:
權利要求
1.一種鹽巖地層異形套管設計方法，針對不同鹽巖地層蠕變應力狀態，通過改變異形套管的內徑或者外徑，確定出適合該地應力水平條件的套管橫截面形狀，其特征在于，所述異形套管有以下兩種形式:套管內壁為圓形，外壁為橢圓形；套管內壁為橢圓形，外壁為圓形。
2.如權利要求1所述的異形套管設計方法，其特征在于，當異形套管內壁為圓形，外壁為橢圓形時，根據下層套管確定異形套管的內徑，分別計算轉角為0°、15°、30°、45°、60°、75。、90°的位置處于給定的套管強度安全系數和鋼級條件下的橫截面形狀，當計算位置轉角達到90°時，根據對稱性原理將各個位置計算所得外徑進行鏡像即得適合該區塊的異形套管；當異形套管外壁為圓形，內壁為橢圓形時，根據實際井身結構確定出異形套管的外徑，分別計算轉角為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的位置處于給定套管強度安全系數和鋼級條件下的橫截面形狀，當計算位置轉角達到90°時，根據對稱性原理將各個位置計算所得內徑進行鏡像即得適合該區塊的異形套管； 所述外徑、內徑的計算公式如下:
全文摘要
本發明涉及一種鹽巖地層異形套管設計方法，該方法針對不同鹽巖地層蠕變應力狀態，通過改變異形套管的內徑或者外徑，確定出適合該地應力水平條件的套管橫截面形狀。本發明設計的異形套管有以下兩種形式套管內壁為圓形，外壁為橢圓形；套管內壁為橢圓形，外壁為圓形。所述異形套管下入井內，其壁厚最大的位置應與最大水平地應力方位一致。本發明能夠有效地降低套管在非均勻水平地應力狀態下套管管體的有效應力，防止套管損壞，解決了現有厚壁套管在非均勻水平地應力狀態下強度不夠，不能在后續生產過程中保持完好的技術難題。
文檔編號E21B17/00GK103195374SQ20131010352
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月27日 優先權日2013年3月27日
發明者張 杰, 楊蘭田, 周偉, 李翠楠, 譙開聰 申請人:西南石油大學