鉆采管柱概論-高寶奎復(fù)習(xí)

1、油氣鉆采管柱概論總復(fù)習(xí),高寶奎 (研究員),考試安排,6月7日，13：3015：15 03-1、03-2、03-5：共71人，3-105 03-4： 34人，3-304 03-3： 28人，3-305 留學(xué)生： 6人，3-301,設(shè)計(jì)內(nèi)容,鉆桿接頭附近的刺漏,鉆井方式及鉆柱,常規(guī)鉆井： 鉆桿+加重鉆桿+鉆鋌（+動(dòng)力）+鉆頭 套管鉆井： 套管+鉆頭 連續(xù)油管鉆井： 連續(xù)管+動(dòng)力+鉆頭 其它,鉆井過程中管柱的工作環(huán)境,高軸向應(yīng)力 高扭矩 劇烈振動(dòng) 交變應(yīng)力 腐蝕 沖蝕,波紋管,管柱變形計(jì)算方法,自重效應(yīng),活塞效應(yīng),在截面變化位置和底端， 因流體壓力引起的變形。,膨脹效應(yīng),由于管內(nèi)外流體壓力， 引起

2、軸向伸長(zhǎng)、縮短。,溫度效應(yīng),各向均勻膨脹,管柱屈曲分析,內(nèi)壓可引起管柱屈曲 外壓有利于管柱穩(wěn)定 軸向力為拉力時(shí)可屈曲,底部鉆具失效原因,造成套管損壞的原因復(fù)雜，主要有以下幾方面：,由于地層條件的復(fù)雜和新鉆采條件的苛刻，導(dǎo)致套管的服役環(huán)境更加惡劣，不可避免的造成套管的損壞，這是客觀原因。,設(shè)計(jì)不完善、套管選用不當(dāng)、套管本身的性能缺陷。,施工工藝不合理對(duì)套管造成損害。,在管柱設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)管柱設(shè)計(jì)中，只進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)，而很少考慮其他因素,對(duì)于深井、超深井、高壓井以及天然氣井，這種設(shè)計(jì)的可靠性很差，在實(shí)際使用過程中即使強(qiáng)度不出問題，但可能因螺紋泄漏或因腐蝕而導(dǎo)致管柱失效。 所以對(duì)于深井、超深井、高壓井

3、以及天然氣井等復(fù)雜井的設(shè)計(jì)，除進(jìn)行必要的強(qiáng)度設(shè)計(jì)外，要綜合考慮強(qiáng)度、密封和腐蝕等因素進(jìn)行管柱設(shè)計(jì)。即使強(qiáng)度設(shè)計(jì)也要考慮溫度、磨損以及地應(yīng)力等特殊因素的影響。 在鉆柱的優(yōu)化組合設(shè)計(jì)方面也做的不夠理想，深井、超深井、復(fù)雜井上部大井眼及下部小井眼的鉆柱設(shè)計(jì)都不同程度地存在問題。,油井管失效的原因,在國(guó)外已比較普遍使用的特殊螺紋和特殊鋼種的油井管，在我國(guó)油田還要依賴進(jìn)口。特別是油田目前還急需的耐腐蝕套管(如13Cr套管)、高鋼級(jí)套管(140KSI以上強(qiáng)度)基本不能生產(chǎn)。 這也造成油田做好了管柱設(shè)計(jì)，卻沒有管子可用，被迫選用替代品，為后續(xù)生產(chǎn)留下隱患。,中國(guó)油井管存在的問題,對(duì)油井管的性能特點(diǎn)還缺乏足夠

4、的了解，導(dǎo)致選錯(cuò)管子、用錯(cuò)管子,在套管選用方面，認(rèn)為強(qiáng)度越高越好、壁厚越厚越好,套管厚壁厚到一定程度，其抗拉、抗內(nèi)壓強(qiáng)度受接箍的制約，無法進(jìn)一步提高,實(shí)際上在含有某些腐蝕介質(zhì)的井中，鋼級(jí)越高其危險(xiǎn)性越大,油井管失效的原因,一些施工工藝對(duì)油井管缺乏保護(hù),鉆柱組合、鉆壓、鉆速匹配是否合理，對(duì)鉆柱的壽命有較大影響,鉆井工藝、泥漿類型和井身結(jié)構(gòu)與套管的磨損有很大關(guān)系,測(cè)試方案對(duì)作業(yè)管柱的安全性至關(guān)重要,油井管失效的原因,API鋼級(jí) 列于API SPEC 5D的鉆桿管體鋼級(jí)有E75、X95、G105、S135。 API SPEC 7 規(guī)定了鉆桿接頭、鉆柱轉(zhuǎn)換接頭和鉆鋌的技術(shù)條件。 ISO/WD11961

5、將鉆桿管體和鉆桿接頭合二為一，形成了真正的鉆桿標(biāo)準(zhǔn)。,鉆柱構(gòu)件, ISO/WD11961，對(duì)鉆桿韌性要求有重大的變化。這些變動(dòng)是采納了幾家油公司的提案，并且建立在大量科研工作的基礎(chǔ)上即“先漏后破”準(zhǔn)則。,非API鋼級(jí) 超高強(qiáng)度鉆桿，如新日鐵的ND-150D、ND-165D，V&M的MW-V-170等。 高韌性鉆桿，如Grant的S135TM高韌性鉆桿，-20時(shí)，CVN98.9J。 限制屈服強(qiáng)度鉆桿，如V&M的MW-CE-75和MW-CX- 95，適用于酸性環(huán)境油氣井。 強(qiáng)酸性環(huán)境用鉆桿，如V&M的MW-CS-95，Grant的XD-105等。,鉆柱構(gòu)件,API鋼級(jí) API SPEC 5CT油套

6、管分為4組，18個(gè)鋼級(jí)。,套管和油管,非API鋼級(jí) 用戶實(shí)際使用的油套管約40是非API鋼級(jí)。 (1) 用于深井、超深井的超高強(qiáng)度油套管 它們?cè)诰哂懈邚?qiáng)度的同時(shí)，有足夠的韌性。 (2) 用于寒冷地區(qū)的低溫高韌性油套管 這些材料在屈服強(qiáng)度達(dá)到規(guī)定值的同時(shí)，有很高的低溫韌性。 (3) 高抗擠套管 它們的抗擠性能比相同鋼級(jí)的API油套管高出2050%以上。,套管和油管,非API鋼級(jí) （4）抗H2S應(yīng)力腐蝕的油套管 （5） 同時(shí)兼顧抗硫和高抗擠性能的油套管 （6） 耐CO2腐蝕的油套管 （7） 耐CO2+低H2S腐蝕的油套管 （8） 耐CO2+H2S+Cl-腐蝕的油套管,套管和油管,ERW油套管 油管

7、和套管除采用無縫鋼管外，還采用高頻電阻焊管（ERW）。ERW焊管的原材料鋼板（板卷）系低碳微合金化鋼經(jīng)TMCP軋制而成，具有良好的強(qiáng)韌性。 ERW焊管尺寸精度高、表面質(zhì)量好，價(jià)格也比較便宜。ERW油套管的用量已占全部油套管的50左右。,套管和油管,鉆柱構(gòu)件服役條件 起下鉆時(shí)，由于自重，鉆柱承受軸向拉力，其值越接近井口越大。因井眼內(nèi)鉆井液浮力的作用，下部一段鉆柱受到軸向壓應(yīng)力，同時(shí)使上部鉆柱的拉伸應(yīng)力減小。 在正常鉆井過程中，下部鉆柱承受軸向壓力。鉆盤鉆井時(shí)鉆柱處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，承受扭矩和離心力。在軸向壓力和離心力的共同作用下，鉆柱發(fā)生彎曲。彎曲的鉆柱在鉆井過程旋轉(zhuǎn)便產(chǎn)生了交變應(yīng)力。在井眼偏斜、方位

8、變化大的情況下，鉆柱承受的交變應(yīng)力很大。 除拉、壓、彎、扭載荷外，鉆柱還承受強(qiáng)烈的振動(dòng)。 鉆柱內(nèi)壁受高壓、高速鉆井液的沖刷，外壁受套管或井壁的摩擦。 起下鉆作業(yè)中的猛提猛剎，產(chǎn)生較大的沖擊載荷，容易使鉆柱瞬時(shí)超載。 腐蝕、溫度、井下壓力也是不可忽視的服役條件。,油井管服役條件,套管柱服役條件 套管柱在建井、完井和油氣井生產(chǎn)過程經(jīng)受長(zhǎng)期載荷和環(huán)境的考驗(yàn)。 在下井及固井過程，套管柱承受軸向拉伸載荷及外擠力、內(nèi)壓力三種外載。 采用射孔方法完井的生產(chǎn)套管柱，需承受射孔彈的大能量高溫瞬時(shí)沖擊載荷。 在長(zhǎng)期的油氣開采過程，除承受地層的外擠力外，還可能經(jīng)受長(zhǎng)期高壓注水、多次壓裂酸化的作用。 腐蝕介質(zhì)也是套管

9、重要的服役條件。,油井管服役條件,油管柱服役條件 對(duì)抽油機(jī)井而言，油管所承受的載荷隨著上、下沖程發(fā)生變化。下沖程高于上沖程。兩者之差大體上相當(dāng)于液柱作用力以及液柱與油管間摩擦力之和。這樣，油管柱實(shí)際上主要承受軸向拉拉交變載荷。 根據(jù)油井情況的不同，油管柱還承受不同程度的彎曲應(yīng)力。 腐蝕介質(zhì)是油管柱重要的服役條件。 環(huán)境溫度（井下溫度、稠油熱采等）也是不可忽視的。,油井管服役條件,油井管的失效模式可用八個(gè)字概括： 脫、 漏、粘、擠、破、裂、磨、蝕 脫管體螺紋從接箍?jī)?nèi)滑脫 漏螺紋連接處失去密封 粘螺紋粘結(jié) 擠管體擠毀 破管體受內(nèi)壓爆破 裂拉斷、錯(cuò)斷、縱裂、射孔開裂以及疲勞、應(yīng)力腐蝕開裂等 磨如套管

10、與鉆柱相互磨損 蝕腐蝕及應(yīng)力腐蝕,油井管失效模式,氫 脆 由于氫和應(yīng)力的聯(lián)合作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂。 高強(qiáng)度鋼等在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段孕育期后，在內(nèi)部特別是在三向拉應(yīng)力區(qū)形成裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展，最后會(huì)突然發(fā)生脆性斷裂。 顯著降低金屬材料的伸長(zhǎng)率。,鉆井液腐蝕 鉆井液PH值大致反映了其腐蝕性的大小。各類鉆井液PH值不同，但大都在堿性范圍內(nèi)。添加鉆井液處理劑以及有H2S、CO2侵入時(shí)，PH值會(huì)降低而增加腐蝕性。 如果鉆井液中存在溶解氧，則其腐蝕性大大增強(qiáng)。 溶解氧腐蝕是鉆柱壽命下降的最重要原因，一方面氧的來源多，同時(shí)溶解氧腐蝕都是在中性和堿性環(huán)境中發(fā)生的，而鉆井液絕大多數(shù)

11、是中性和堿性。 鉆井液中含有大量離子，如氯離子等，能夠直接或間接地腐蝕鉆柱。,疲勞破壞過程,裂紋萌生 裂紋擴(kuò)展 失穩(wěn)斷裂,絕大部分時(shí)間,套管和油管 在下井及固井過程，套管柱承受外擠力、內(nèi)壓 力和拉伸、壓縮、彎曲載荷。在長(zhǎng)期的油、氣開采過程，除承受地層外擠力外，還可能經(jīng)受長(zhǎng)期高壓注水、多次壓裂酸化的內(nèi)壓。 油管柱除與上述套管柱相似的載荷外，還承受軸向拉-拉交變載荷。此外，環(huán)境溫度(井下溫度、稠油熱采等)的熱應(yīng)力也是不可忽視的。 在上述復(fù)合載荷下，API圓螺紋和偏梯形螺紋難以保障油、套管柱的結(jié)構(gòu)完整性和密封完整性。 據(jù)API報(bào)導(dǎo)，套管86%的失效事故發(fā)生在螺紋連接處。,油井管柱螺紋連接,較高氣密封

12、性,API螺紋油、套管存在問題,密封性不可靠,特殊螺紋接頭油、套管的設(shè)計(jì)特點(diǎn),特殊螺紋接頭油、套管的主要優(yōu)點(diǎn),高連接強(qiáng)度,耐粘結(jié)性好,耐高溫蠕變及變形,抗過扭矩能力提高,抗彎曲能力提高,抗壓縮能力提高,耐應(yīng)力腐蝕,連接強(qiáng)度低,上扣控制難,密封結(jié)構(gòu),螺紋形式,扭矩臺(tái)肩, 特殊螺紋接頭不再單純依靠螺紋過盈配合及螺紋脂的封堵作用實(shí)現(xiàn)密封，普遍增加了主密封結(jié)構(gòu)，即由光滑的金屬表面過盈配合而實(shí)現(xiàn)密封，有的同時(shí)設(shè)計(jì)有彈性密封結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了多級(jí)密封，其氣密封壓力可達(dá)管體內(nèi)屈服壓力。 特殊螺紋接頭大多采用改進(jìn)型偏梯形、鉤形、楔形螺紋，并增大錐度、優(yōu)化應(yīng)力分布，使螺紋連接部位與管體等強(qiáng)度。 全球生產(chǎn)的特殊螺紋

13、接頭油管和套管已占全部油、套管產(chǎn)量的21。,油井管柱螺紋連接,鉆柱變形,軸向變形 扭轉(zhuǎn)變形 橫向變形,彎曲 屈曲,平面屈曲 蛇形屈曲 螺旋屈曲,鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài),自轉(zhuǎn) 公轉(zhuǎn) 滑動(dòng) 振動(dòng),正向 反向,軸向 橫向 扭轉(zhuǎn),縱向振動(dòng)：全井都有可能發(fā)生縱向振動(dòng)，并導(dǎo)致鉆柱破壞。地面觀察明顯。,扭轉(zhuǎn)振動(dòng)：全井都有可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，并導(dǎo)致鉆柱破壞。地面觀察較明顯。,橫向振動(dòng)：下部受壓段易發(fā)生橫向振動(dòng)，并導(dǎo)致鉆柱破壞。地面觀察不明顯。,上部受拉段，鉆柱繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。,下部受壓段，鉆柱繞自身軸線旋轉(zhuǎn)、反向渦動(dòng)。,鉆柱若存在彎角則正向向公轉(zhuǎn)。,直井鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析,由于鉆柱靠重力作用躺在井壁下側(cè)并與井壁產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦

14、，導(dǎo)致： 縱向振動(dòng)減輕 橫向振動(dòng)減輕 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)減輕 反向渦動(dòng)減輕或消失 所以在斜井中，鉆柱振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞破壞較少。,斜直井鉆柱變形與運(yùn)動(dòng),溫度對(duì)套管及油管性質(zhì)的影響,溫度對(duì)套管及油管性質(zhì)的影響,套管磨損位置,井口附近對(duì)中性差 直井下部井段井斜影響 彎曲井段,桿管偏磨機(jī)理,桿管偏磨機(jī)理探討,1井眼形狀造成桿管彎曲偏磨 實(shí)際的井眼并非直線，油管、抽油桿在井筒中所呈現(xiàn)的工作狀態(tài)是直線狀態(tài)或曲線狀態(tài)，井眼的控制。在呈現(xiàn)空間曲線的套管中，油管是彎曲的，抽油桿與油管相互接觸是不可避免的。,桿管偏磨機(jī)理探討,2管桿彈性變形造成彎曲偏磨 上沖程時(shí) 抽油桿受軸向拉力伸直 油管內(nèi)壓增加、軸向力受附加壓力彎曲 下沖

15、程時(shí) 抽油桿下部受軸向壓力彎曲 油管內(nèi)壓降低、軸向力受附加拉力伸直,桿管偏磨機(jī)理探討,3采油工藝特性造成管桿彎曲偏磨 在定向井、斜井中由于采油工藝的需要，泵深在造斜點(diǎn)以下，從而造成管、桿傾斜,形成摩擦損傷。,桿管偏磨位置,現(xiàn)場(chǎng)深井泵泵上10500均發(fā)生管桿偏磨 在30400這段偏磨特別嚴(yán)重 抽油桿、油管磨損的程度都較嚴(yán)重，有的抽油桿磨損長(zhǎng)度達(dá)23,油管偏磨防治措施,使用油管錨：壓縮錨、拉伸錨 使用油管扶正器,抽油桿偏磨防治方法,加重桿 防磨器 旋轉(zhuǎn)井口 斜井泵,增加流動(dòng)阻力 限制流量,油管上部泄漏,深水隔水管存在的問題,鉆井船、平臺(tái)定位：靠動(dòng)力定位 隔水管振動(dòng)：海水、管內(nèi)流體引發(fā)振動(dòng) 隔水管穩(wěn)

16、定性：重力、海水、管內(nèi)流體軸向失穩(wěn) 隔水管回彈：在隔水管底端突然斷裂時(shí)，頂部張緊力和流體都使隔水管回彈 共振：船吊著隔水管，隔水管下端斷開時(shí)就會(huì)隨船起降，因而有慣性，可能發(fā)生共振 隔水管結(jié)構(gòu)：浮力裝置、接頭,隔水管穩(wěn)定性,21”外徑隔水管，6000英尺水深，凈重150噸，張力器需要700噸張力，以使整個(gè)隔水管受拉 （SPE23858） 為減小張力，使用浮漂（合成泡沫）、浮箱 （SPE13479）,使用浮力裝置的好處,減少平臺(tái)負(fù)荷 防止回彈 防止共振 快速撤離,常規(guī)蒸汽吞吐管柱與氮?dú)飧魺嶂殴苤疽鈭D,高溫長(zhǎng)效隔熱注汽管柱結(jié)構(gòu)示意圖,井筒高溫效應(yīng),高溫對(duì)水泥環(huán)的影響 引起固井水泥環(huán)強(qiáng)度衰減或碎裂

17、 水泥石與套管膠結(jié)脫離 高溫對(duì)套管的影響有兩方面 使套管的屈服強(qiáng)度降低 使套管產(chǎn)生熱膨脹變形，表現(xiàn)為注汽時(shí)井口套管伸長(zhǎng)，停止注汽后套管收縮發(fā)生絲扣滑脫或斷裂,解決高溫問題的途徑,在油井水泥中摻入石英砂以提高水泥環(huán)抗溫能力和對(duì)套管的粘結(jié)力； 對(duì)生產(chǎn)套管施加預(yù)應(yīng)力，即在水泥凝固前對(duì)套管預(yù)提拉力，以抵消高溫產(chǎn)生的部分熱應(yīng)力； 使用井口套管伸縮短節(jié)。其中加砂水泥與預(yù)應(yīng)力固井技術(shù)為成熟技術(shù)在區(qū)塊完井中推薦使用。,套管鉆井的優(yōu)勢(shì),套管扶正器,套管扶正器主要用來 防止套管及套管接箍的磨損 便于注水泥和輔助清除巖屑 減少套管彎曲 套管扶正器是由扶正器和調(diào)整套組成，調(diào)整套是半開口，外表為錐形，可以補(bǔ)償套管尺寸誤

18、差。當(dāng)扶正器熱裝冷卻后，套管與扶正器緊緊地連在一起。,套管抗扭能力,在套管鉆井中，希望套管有足夠的抗扭能力，因?yàn)檎麄€(gè)鉆井的旋 轉(zhuǎn)機(jī)械能量都是由它來傳遞。一方面要使套管絲扣有較大的承扭能力，另一方面要保證不能因?yàn)榻z扣的改進(jìn)，使套管的成本有較大的提高。,套管鉆井套管問題,磨損 振動(dòng)與疲勞 絲扣 井斜控制 彎曲 扭轉(zhuǎn) 剩余壽命,套管鉆井實(shí)驗(yàn),有待進(jìn)一步深入研究的幾個(gè)主要問題 （1）套管管柱力學(xué)研究、完鉆后套管柱疲勞壽命預(yù)測(cè)及完鉆后含有外表面磨損缺陷的套管柱剩余強(qiáng)度預(yù)測(cè)。 （2）套管鉆井井身質(zhì)量保證技術(shù)及措施（套管鉆井鉆井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)）； （3）為適應(yīng)井深1500米以上井套管鉆井應(yīng)用的需要,開展可更換鉆頭的套管鉆井技術(shù)的探討與研究。,連續(xù)油管的應(yīng)用領(lǐng)域,壓力衰竭油氣層作業(yè) 裂縫油藏（漏失循環(huán)液）作業(yè) 邊際油田開發(fā) 環(huán)境敏感區(qū)作業(yè) 液體敏感地層（欠平衡）作業(yè) 鉆完井作業(yè),連續(xù)管優(yōu)勢(shì),體積小，易于搬遷，在海上作業(yè)有很好的適應(yīng)性。 適合于海上和陸地許多條件下的井下增產(chǎn)作業(yè)措施，如氣舉、替噴、防砂篩管的解堵、沖砂、酸洗，甚至近年來還發(fā)展有利用連續(xù)油管下電泵技術(shù)。 不用動(dòng)井下的管柱，作業(yè)效率高，同時(shí)安全性也大為提高。 在油田的開發(fā)后期，增產(chǎn)技術(shù)措施，修井作業(yè)，檢泵作業(yè)等等，有著十分突出的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。 在欠