套管柱優化設計面臨的問題及發展趨勢

何英明 雷楊 何英君 項玉婷 (中國石油大學 (華東))

套管柱優化設計面臨的問題及發展趨勢

何英明 雷楊 何英君 項玉婷 (中國石油大學 (華東))

隨著油氣勘探開發領域的擴大,如何應對復雜地質條件、套管損壞嚴重、套管柱可靠性難以保證、套管成本居高不下等一系列問題,保證油氣資源安全高效地開采,是目前套管柱優化設計面臨的重要難題。通過對復雜地質條件的確定、套管合理選材、套管柱系統可靠性及成本最小等要求的分析,提出了以準確預測井下環境為前提,以研發新型套管管材為基礎,以保證套管柱風險最小、成本最低為方向,優化套管柱設計,保證油氣井安全高效開采。

套管柱 設計 可靠性 風險最小成本

1 引言

套管柱優化設計作為油氣井鉆井工程中的一個重要環節,是保證油氣井壽命,合理高效開發油氣資源的關鍵。隨著油氣勘探開發領域的擴大,套管柱優化設計面臨著復雜地質條件和工藝技術水平等帶來的諸多問題,使套管柱的可靠性難以保證。雖然近年來套管柱優化設計研究有了很快的發展,但是仍不能滿足當今鉆井的需要,如何應對日益復雜的地質條件和工藝技術的發展,保證油氣資源高效安全地開采,是擺在套管柱優化設計面前的重要難題。通過分析套管柱優化設計所面臨的問題和挑戰,提出了解決問題的方法,指出套管柱優化設計發展的方向。

2 套管柱優化設計面臨的問題

2.1 復雜的地質條件

套管柱設計中,對地層情況及井下環境認識不清,將使套管柱設計不合理;套管外載荷超過套管的抗外載強度,套管被擠毀;在高含硫氣井中,套管選擇不合理造成嚴重腐蝕,還會發生二氧化硫等有毒氣體的泄漏,造成巨大的人員傷亡。

2.2.1 鹽巖蠕變

隨著深井、超深井的大量出現,深部鹽巖蠕變地層鉆井成為目前石油工程中的重大技術難題,由于地層蠕動變形而造成大量套管擠扁、縮徑、錯段、損壞。對于深部復雜地質條件下的深井、超深井,鹽巖層是影響油氣井壽命的關鍵[1]。

造成套管擠毀的原因很多,但根本原因是在地應力作用下套管所受外載超過了套管的抗外載強度。在常規的套管柱設計中,多年以來都是按照固井前的靜液柱壓力或者上覆巖層壓力來計算套管外擠載荷,但是在鹽膏層等蠕變地層井段,這樣得到的外載荷與套管所處的環境不符,油氣井投產后套管承受的外載要比完井時大得多,這就是由于蠕變造成的[2]。蠕變地層對套管柱科學設計和可靠性提出了更高的要求。

另外,地震、斷層、地層滑移、地層出砂、永凍層解凍和再凍結等都會造成套管損壞,對套管柱設計提出了更高的要求。

2.1.2 惡劣環境

國內外油氣田套管所處的惡劣環境主要表現在以下幾個方面:高溫高壓;高含CO2、H2S和硫元素等含硫組分;高含Cl-、高礦化度;高產量(沖蝕)。多種因素交互作用使得套管腐蝕嚴重[3]。實踐證明腐蝕從兩個方面來降低套管的強度:一是改變套管的幾何結構和幾何尺寸;二是改變套管管材的力學性能,如氫脆破壞等。但是,現在國內外對套管腐蝕的研究并不系統,研究集中在不同條件下腐蝕對套管的腐蝕規律及防腐措施上,腐蝕對套管強度的影響規律研究不多,對于CO2和 H2S腐蝕套管的選材沒有統一的標準。另外,套管螺紋腐蝕會導致絲扣密封失效或脫扣。

2.2 套管損壞日益嚴重

隨著油田開采進入中后期和復雜井的大量出現,套損現象日益嚴重。套管損壞的主要因素包括前面所提到的地質因素和工程因素。工程因素主要包括:套管材質、固井質量、射孔、注水、壓裂等。從套管的破壞形式上來看,主要有錯斷、縮徑、變形、腐蝕、泄漏等多種形式,其中套管擠毀現象是最為廣泛的。套管擠毀最終歸結到套管的抗擠強度,套管制造過程中的殘余應力、套管不圓度和壁厚不均勻度會對套管強度計算值產生很大的影響。非均勻載荷、套管材料的屈服強度和徑厚比對抗擠強度計算值的影響同樣不能忽視。

水泥環對套管強度的影響研究較為廣泛,但是結論并不完全一致。前蘇聯科學研究院的專家認為,水泥環可以提高套管的抗擠毀強度,應該采用考慮水泥環的卸載作用。然而,美國《鉆井手冊(甲方)》建議不考慮水泥環的卸載作用,原因是目前的固井工藝難以保證在套管外形成一個均勻連續的水泥環。我國學者林凱[4]等認為,即使固井完好的情況,提高套管抗擠能力也并不是很大。他們的理論分析結果表明,套管抗擠毀能力不超過10%,且實驗結果總是小于5%。因而,他們建議在套管強度設計時不考慮水泥環的影響。總體來說,要不要考慮水泥環的影響,目前國內外還沒有定論。

2.3 套管可靠性難以保證

套管的可靠性可以分為兩個方面:套管可靠性設計及可靠性安全系數的確定。

套管可靠性研究是在可靠性理論迅速發展和套管安全研究方法亟需改進的情況下提出來的,美國、前蘇聯、英國等國家在套管可靠性研究方面做了很多的工作。目前,套管的可靠性研究主要是基于概率可靠性理論[5-6],概率可靠性理論需要大量的不確定信息來確定其概率密度函數,而在實際工程中,這些不確定性信息有時難以準確獲知。對我國來說,現場技術人員對可靠性數據收集不全,現有的研究大多基于隨機模擬理論,還停留在定性分析階段,對在實際中應用的套管可靠性還未進行較為系統的分析研究。

套管設計其基本思想是根據預定載荷和套管強度,考慮一定的安全系數對套管柱進行強度設計。傳統的安全系數都是根據經驗來確定,它反映了一定的統計特性,缺乏理論指導,具有較強的主觀隨意性,造成了“過設計”和“欠設計”,對套管柱的可靠性和安全性缺乏有效的控制。以普光氣田為例:普光氣田主體31口井,80%以上生產套管發生變形。不能確定套管柱安全時的可靠度,高的安全系數并不代表高的可靠度,安全系數并沒有和可靠度相聯系。比如,對于蠕變地層和常規井段,抗外擠安全系數均是1.2,但是可靠度肯定是不同的。因此,需要將可靠性理論[7-8]引入套管設計安全系數的確定中,將安全系數和可靠度相聯系,根據不同井段確定不同的可靠性安全系數[9-10]。

2.4 成本的有效控制

隨著深井、超深井的大量出現,油氣井成本直線上升,而套管柱的花費在油氣井成本中占有很大的比例。因此,在套管柱的優化設計中,應該在保證套管柱安全性和可靠性的基礎上盡最大可能降低套管柱的成本,這對油田開發具有重大的經濟意義。

但是現在的研究大多是僅僅考慮強度因素,對成本的關注較少。1996年,A.S.Halal[11]等提出了套管柱的最小成本設計,提出了一種修正的分枝界限搜索理論,但這種優化方法利用了樹的概念。當套管種類多,井深大的時候,樹的高度和節點的數目都會變得很大,這樣使樹的評價花費較長的時間,優化工作難以進行 (如果一個樹具有7840個分枝,評價這些分枝將會花費1011年的時間)。1999年,高德利[12]提出了使用數據庫的查詢方法實現優化模型的求解。但這是一種局部優化,并沒有對全局優化進行探討。2006年,金業權[13]提出使用運籌學的觀點解決成本約束條件下的套管柱優化設計,使用單純型法中的圖解法來求解。但是,這種方法有很大的局限性,對于變量的變化,如果有3個或者3個以上的變量,那么求解將會變得很困難,并且在計算機上也較難實現。因此,研究在保證套管強度前提下套管柱全局成本最低設計方法刻不容緩。

3 對套管柱優化設計提出的挑戰

3.1 準確預測復雜地質條件

準確地預測井下地質環境是進行套管柱設計的前提,地層的非均質性、地層傾角、巖石性質、斷層、地震活動、地殼運動等對套管設計都產生很大的影響。通過對井下地質環境的預測,可以設計合理的井身結構,選擇合適的套管可以減小套管擠毀、腐蝕等復雜事故的發生。比如就川東北氣井而言,準確預測溫度、壓力、腐蝕氣體類型,對于合理選擇套管,減小套管的腐蝕程度有很重要的意義。但是,目前復雜的地質條件對于準確確定井下因素帶來了難題。

3.2 套管合理選材

隨著國內外深井、超深井的增加,地質條件更加惡劣、腐蝕加劇等使套管服役條件越來越苛刻。多年以來采用API標準進行生產的套管具有很大的局限性,因此應該大量開發非API標準套管。苛刻的服役條件對套管的質量提出了更高的要求,針對日益惡劣的井下環境,應該開發滿足特殊要求的套管,如高抗擠套管、抗酸腐蝕套管等。

套管柱間聯接的主要形式是螺紋,約有80%的套管失效發生在螺紋連接部位,螺紋直接影響著套管柱的可靠性,因此要保證套管柱安全可靠地工作,研究套管螺紋的有關特性就顯得非常重要。為了滿足高溫高壓井、高腐蝕井、大斜度井等的特殊要求,除了使用API標準規定的4種螺紋連接類型外,還應該大力開發特殊連接螺紋。對于螺紋密封性,螺紋連接強度等衡量套管質量的重要指標也應該開展廣泛的研究。但是目前我國的材料水平較低,是我國特殊套管和螺紋接頭研發的瓶頸。

3.3 套管柱安全可靠性

目前可靠性套管設計還不能完全代替常規設計。套管的可靠性研究主要是基于概率可靠性理論,但在實際工程中,不確定信息難以準確獲知,然而其界限易于確定,基于以上思想,是否可以考慮基于非概率可靠性理論[14]的套管可靠性設計?但是,國內外關于這方面的研究現在還沒有。對于基于可靠性理論的安全系數的確定國內外也進行了很多的研究,而目前現場還是根據經驗統計的方法確定安全系數。套管可靠性設計方法依靠大量準確的現場數據和相關理論的發展,可靠性理論、風險分析方法、大型數據庫的建立是不可或缺的。

3.4 降低套管成本

隨著我國主力油田進入后期開發,尋找新的能源接替區已刻不容緩,勘探開發難度日益加大,深井超深井越來越多,鉆井成本越來越高。以川東北地區為例,幾千萬、上億元的井大量存在。套管柱成本在鉆井成本中占有很大的比例,因此,對套管柱進行最小成本優化對于降低鉆井成本,對于油田經濟合理的開采,抵御當前世界經濟危機的沖擊具有重要的意義。但是,目前套管成本最小化算法方面的研究較少,是制約著最小成本套管柱優化設計的主要因素。

4 套管柱優化設計發展趨勢

4.1 準確預測井下復雜地質條件

在鉆井過程中鉆遇地層構造復雜多變,首先要根據實際鉆井資料和鄰井資料,收集大量的井下溫度、壓力數據、是否有腐蝕氣體、斷層、地層傾角等,調查該地區鉆井事故,形成易于維護的數據庫系統,用于指導套管柱優化設計。

針對鉆井中遇到的復雜地層特別是鹽膏層,要準確預測鹽膏層位置與長度,選擇根據地應力計算套管外擠載荷的方法,使套管外載荷計算更加符合現場實際,減少套管損壞。但在石油勘探開發中,地應力研究區塊較大,而測量的已知參數信息量少,直接用有限元模擬所得到的結果往往與實際情況有較大的偏差,這些問題成為地應力理論分析和數值模擬的“瓶頸”,也是鹽膏層段套管優化設計的主要屏障。為此,應該將巖土工程反演理論和有限元數值模擬相結合,引入到油氣井工程深部地層地應力分布中[15],這對鹽膏層井段套管柱的合理設計有著重要意義。

4.2 加強防腐技術研究與新型管材持續研發

加強化學防腐和電化學防腐的研究,對腐蝕環境、腐蝕機理進行深入研究,積極研究新型高效抑菌、殺菌劑等化學防腐材料,推進新型管材的研發。針對深井超深井增加,套管工作環境日漸苛刻,研究開發高強度、高抗擠,抗 CO2、H2S、Cl-共存的經濟型套管。

目前,全球朝著深井、超深井、復雜井進軍,井下工況越來越復雜,傳統的API螺紋接頭由于自身的缺陷已經不能滿足現場應用,因此應該開發特殊螺紋接頭。但是,目前我國開發的特殊接頭數量很少,大部分依靠進口,價格昂貴,加之附件不能及時供應,難以滿足現場應用,因此,研究開發適合我國國情的特殊螺紋接頭迫在眉睫。

4.3 最小成本優化算法設計

隨著深井超深井的大量出現,套管柱結構越來越復雜,套管段數越來越多。如果要找成本最小套管組合,用窮舉的方法顯然是不可行的,計算機的計算速度也不允許將所有的套管柱組合運算一遍;如果要成本最小化,就要借助于優化算法。

套管柱成本優化設計的目標,是在滿足設計約束的條件下使套管設計方案最經濟。此時,優化設計的目標函數是整個套管柱的總成本,它是組成套管柱的各段套管的成本的總和。而各段套管的成本是其長度和綱級的函數,等于其長度和單位長度價格的乘積。其約束可分為兩類,即幾何約束和載荷約束。幾何約束包括:最小通徑、最大段數、最小段長和可供選擇的套管等。載荷約束是確保套管柱能夠承受的任何給定深度的最大載荷,并且有一定的安全余量。可以把這些因素抽象為數學模型:

約束條件

式中C——套管柱總成本 (或總重量);

Ci——第i段套管成本 (或重量);Si——第i段套管柱的長度;Smin——允許的最小段長;

m——允許的組成套管柱的最大段數;

n——設計結果的實際段數;

FDg——廣義設計系數;

Lg——廣義載荷。

優化算法有很多,關鍵是針對不同的優化問題,應用不同的算法。例如梯度、Hessian矩陣、拉格朗日乘數、單純形法、梯度下降法等都是比較經典和簡單的算法;而對于更復雜的問題,則可考慮用一些智能優化算法,例如遺傳算法[16]和蟻群算法[17],此外還包括模擬退火、禁忌搜索、粒子群算法等。對于套管設計來說,要評價的解如此之多,以至于不可能在有限的時間內對所有解進行評估。所以,需要一種“更聰明”的搜索算法,通過檢驗更少的可行解就可以獲得最優解。遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等都屬于群智能優化算法范疇,套管柱優化目標函數:成本最小,約束條件清晰,群智能優化算法對其是適用的,在使用中為了保證計算速度和盡快收斂,經常是幾種算法聯合使用,具體效果還有待于進一步實驗。但在鉆井成本居高不下的情況下,智能算法優化設計套管柱方法是一個很好的探索。

4.4 套管柱優化設計專家系統的開發

對鉆探地區地質條件進行準確預測,收集地區實際鉆井資料、鉆井事故、套管管材類型等大量現場資料,編制易于維護的數據庫系統,對套管柱優化設計做好數據基礎。對影響套管柱使用壽命的所有因素進行分析,結合壽命預測理論,建立各自的數學模型;建立套管柱破壞失效數學模型;對影響套管柱成本的因素進行分析,結合工程實際,建立套管柱成本數學模型;結合相關原理將所有模型結合起來,設計一套綜合考慮各種因素的套管柱優化設計專家系統。這樣在套管柱設計階段就能將套管柱系統的可靠度控制在預定的水平,降低失效概率,從而避免常規設計中難以控制的風險。在保證安全的基礎上,最大限度地降低成本,做到科學設計,合理施工。

5 結論

隨著國內外深井、超深井大量增加,地質條件惡劣、腐蝕加劇和套管工況更加復雜等使套管服役條件越來越苛刻,套管柱成本也急劇升高。傳統的套管柱優化設計方法難以滿足復雜井的合理設計,因此應該以準確預測井下地質條件為前提,以套管管材的持續研發為基礎,綜合考慮風險和成本因素,開發便于現場普遍推廣的套管柱優化設計專家系統,用于指導工程實際。

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10.3969/j.issn.1002-641X.2010.11.010

2010-03-02)