深井水平井套管強度設計應用探索

曲永林 靳盛（天津市大港油田石油工程研究院 郵編300280）

應用水平井能夠提高有限的勘探和開發效益，能夠改變石油企業的經營狀況，但是，隨著井不斷的打深，其地勢也越復雜，所以，對于水平井的套管強度也增加了一定的難度，對管柱的設計也有了更高的要求[1]。當前，我國很多油田套管破壞的層度相當的嚴重，給我國經濟效益帶來了巨大的影響和損失。所以，在套管設計上要著重考慮，從而避免在套管下入后，套管遭到損壞，導致經濟效益下降。水平井的井眼越復雜，油氣井的管套的負載量也將隨著變得復雜，套管在水平井的下入問題，是水平井固井的一大難題。套管在下入井眼傾斜路段之后，就會緊挨著井筒下面的井壁，在套管進入水平段之后，就會平躺在下井壁上，這樣不僅減少了套管的重力推動效果，還讓地層對管套的摩阻增大；與此同時，彎曲的井筒會迫使套管沿著井眼的軌道彎曲，讓套管受到附加彎矩的作用，套管下入困難時由于套管剛度和井筒的彎曲所導致的，因此套管設計還應該考慮不同層度的摩阻影響以及附加軸向力等眾多的因素。

一、套管的摩阻分析和計算

建立水平井套管柱剛桿力學計算模型，主要是通過對套管柱的軸向力以及摩阻進行計算，從而來達到預測大鉤的負載力和套管下入的深度。水平井的井眼是一條沒有規則的三維空間的曲線，井斜角和方位角都是隨著井眼曲線的變化而變化，因此，水平井也會跟隨者井身進行彎曲。由于井眼的軌跡變化是比較復雜的，所以，不僅對井眼的曲線應該適當的進行規劃，而且還要對模型進行適當的假設。最基本的假設包括套管柱與井壁連續接觸，套管柱軸線與井眼軸線保持一致，井壁為剛性，則計算單元體為空間斜平面上的一段圓弧，鉆井液為賓漢姆流體等。再對其進行具體的分析，要給該段曲線進行必要的簡化。油氣井建井的重要環節在于套管柱的設計和固井，井中套管柱的設計和固井質量的好壞，對井的鉆井起到了一定的影響，還對生產和采集能力以及壽命也有一定的影響。水平井中，套管的小愛如問題是水平井，完井的重點和難點[2]。

二、套管外載力的計算

對套管的受力的正確分析,是套管柱強度設計的重要前提。套管受力的分析師套管柱強度設計的重要基礎之一。套管柱在鉆井和下入以及固井等不同地層的受力情況與其對應的工藝都是比較復雜的，因此，要對其負載量進行正確的分析，特別是對套管在井下，所承受的最危險地段的載荷分析，套管雖然外載情況復雜,受力大小和方向不確定,但是就其對套管的作用,這樣才能夠保證套管的抗擠和抗裂以及抗拉能力，才能夠滿足安全鉆進與生產的需要。雖然套管的外載情況比較復雜，其受力的大小與方向也不明確，但是套管的作用包括：內壓力和外擠壓力以及套管的載荷分析等，在井下的條件是比較復雜的，因此，要考慮各種對套管受力因素的影響，要正確的選擇套管組合，從而減小套管破壞的現象出現，從而保證井眼的有效性[3]。例如：在水泥地方上，外擠壓力對鉆井液業主壓力的計算可利用公式：pc=0.00987ρmH，其中H是垂直的深度，ρm是鉆井液的密度。

三、影響套管強度的原因

傳統的套管設計中，忽略了套管的制造、套管在不同工況條件下強度的影響。因此，要通過查找相關的手冊來計算套管的強度。套管在境地的復雜受力情況來看，套管自身強度在受到不同層度影響之后，其強度是有所下降的，因此，在對套管進行設計的時候，一定要正確的計算出套管的強度，加強對套管強度的分析。

1.制造因素對套管強度的影響

套管在生產過程中會出現套管圓度不夠、壁厚不均勻以及殘余的應力等，在生產過程中，出現磨損、高溫、非均勻地應力以及彎曲等作用力，都會對套管強度帶來一定的影響，從而降低套管強度。如果套管的圓度不夠以及壁厚不均勻，那么根據彈塑性力學理論來研究，其問題可以是平面應變問題，從廣義上來說就是平行于平面方向上的應變，在垂直于該面的方向上沒有應變力學問題。有研究表明，殘余應壓力會降低套管的強度。如果套管內壁參與拉應力比較小時，在均與的外壓力在，套管就會從內到外開始屈服，當套管表面的殘余應壓力較大時，套管酒水從外到里開始屈服。因此，根據國際化標準可以根據公式來計算出套管的抗擠強度，其中，x=py=2Yp*(t/D)*[1+t/(2D)]，e是表示不圓度，ε表示的是壁厚不均度，σr表示的參與應力，Yp表示的是棺材的屈服強度，hn應力，應變曲線形狀系數，E表示楊氏模量，v表示泊松比，D表示管材的外徑，t表示管材的壁厚。

2.外部因素對套管強度的影響

套管在入井之后，由于其非均勻地一公里作用而受到非均勻外載的作用，因此在對其進行研究的時候可以假設套管無限長，不考慮套管制造的缺陷，其次，還可以假設套管外壁受到兩個相互的垂直外擠力，并且套管的壁面的外載力是從大到小沿壁面環形均勻的變化。根據公式和實驗得出外部罌粟對套管強度的影響，如圖1所示。

圖1 外部因素對套管強度的影響關系

3.套管磨損

套管磨損在比較輕的情況下，套管在鉆井過程中不會出現失效的情況，但是磨損會降低套管的強度，給安全鉆采以及長期采用造成了很大的威脅，當磨損情況嚴重時，套管的強度將會大幅度的下降，當超過套管的承受范圍時，就會出現一系列的問題，例如：套管破裂失效、井控困難以及井漏等情況的出現。

結束語

隨著技術的不斷完善和更新，水平井是目前世界范疇內使用的最為廣泛的井口之一，是提高油田開發的綜合性最強的手段。面對目前所存在的問題，應該積極的采取防護措施，加強套管的強度設計，并且利用公式計算出在各種應先下，套管所承受的強度。

[1]劉世奇.高溫高壓深井試氣管柱受力分析[D].中國石油大學.2010，（02）：85-87.

[2]韓志勇.關于"套管柱三軸抗拉強度公式"的討論[J].中國石油大學學報(自然科學版)，2011 ，（04）：77-78.

[3]黃根爐，陳忠帥，馬慶濤.等.彎曲井眼中套管抗擠強度的計算[J].石油機械，2011 ，（04）：38-40.