套管強度設計軟件發展現狀及未來發展建議

王思敏+張士彬+趙慶+蔣宏偉+楊光+史肖燕+王倩

摘 要：隨著油氣勘探開發的領域不斷擴大，套管柱設計應能適應復雜地質條件，避免套管損壞及控制成本，以保證油氣資源安全高效開采和資源保護。該文在參考了一定的套管設計軟件成果和文獻后，總結國內外套管設計軟件的發展現狀，對比分析國內外套管設計軟件的差異，并結合國內情況，提出未來的套管優化設計軟件應考慮在實際生產過程中不同工況下套管強度的設計，增加適合高溫高壓、復雜地形、復雜工況的設計模塊，以及套管成本核算功能，同時增強數據庫的數據量和靈活性，形成國內實用性強，使用方便的套管設計軟件。

關鍵詞：套管設計 ?軟件開發 ?發展現狀 ?模塊功能 ?未來發展趨勢

中圖分類號：TQ052 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0222-02

油氣的生產和傳輸都依靠著套管進行，套管對鉆井和油氣生產有著非常重要的影響。套管的損壞會導致油氣溢漏，阻塞油氣輸出，嚴重時會導致井口報廢等問題，帶來嚴重的經濟損失，能源損失和安全隱患。因此，準確的套管強度設計和校核工作關系到鉆井安全和油井壽命，也影響鉆井成本[1]。而設計和校核的過程需要大量的計算和分析，離不開計算機軟件的支持。近些年，國內外套管設計軟件的發展十分迅速，下面詳細介紹國內外套管設計軟件的發展情況。

1 國內套管設計軟件現狀

在國內，套管設計軟件的發展時間較短，市場上成熟的產品較少，軟件設計比較粗糙，功能比較單一，針對性高但適用的廣泛性較差，與國外相比還有一定的差距。套管設計軟件的開發有兩類，一類是以中國石油集團鉆井工程技術研究院主導開發的“鉆井設計集成系統”軟件和怡恒陽光公司開發的Navigator Drilling Studio為代表的相對較成熟，適用范圍較廣的軟件產品。其他大多數套管設計軟件是高?；蛴吞?，以研究或本油田的生產需要為目的開發的軟件。國內套管設計軟件的現狀如下。

1.1 鉆井設計集成系統—— 套管設計模塊

套管設計模塊根據井身結構設計要求，對各層套管進行設計。軟件包括套管柱強度設計、套管串結構數據編輯、套管柱下入摩阻與扭矩計算、套管柱下入過程井口載荷模擬分析。強度設計和校核部分可實現用戶自定義抗拉、抗外擠和抗內壓安全系數，自定義掏空井深、井涌深度以及鉆井液密度?？箶D強度計算方法提供單向應力、雙軸應力、三軸應力三種。計算有效內壓時管外流體類型提供鉆井液、鹽水、清水三種選擇?？估O計時提供考慮或不考慮浮力兩種選擇。下入摩阻與扭矩計算和井口載荷模擬分析部分，計算套管在不同運動狀態（下入、旋轉下入）下的軸向載荷、側向載荷以及井口載荷的大小。該軟件較完整地實現了一般套管設計的功能，可廣泛應用于不同油田的工程設計中，并能夠輸出標準的設計報告，以及井身結構圖、各層次套管外載荷和強度分布圖，便于用戶觀察和分析。

1.2 怡恒陽光—— Navigator Drilling Studio軟件

Navigator Drilling Studio軟件中套管設計部分包括套管設計與分析模塊、套管強度校核模塊和套管下入分析模塊。套管設計與分析模塊支持直井、水平井、定向井、多分支井和欠平衡井的套管強度設計。支持雙軸和三軸應力計算方法，允許自定義套管數據、外載荷和設計系數，采用有限元分析和套管可通過最大井眼曲率相結合的分析方法判斷套管下入度，并可進行下套管屈曲分析、抗拉分析和抗扭分析等。套管強度校核模塊，默認采用標準中規定的安全系數為判斷依據。軟件還提供可配置外載荷功能，解決因地區差異導致外載荷不同的問題。最后的結果都可生成一鍵生成Word報表，自動繪制井身結構圖、下套管的管柱結構圖。

1.3 高校和油田開發的套管設計軟件

近些年，國內高校和油田也在研發套管設計軟件[2-3]。西安石油大學、西南石油學院等高校研究在高溫下套管強度的設計方法，在三軸應力算法中加入了溫度系數進行校核，并開發出了軟件。北京石油大學利用數據庫的結構化查詢語言方法，優化套管組合選取的模型，實現含鹽膏層井復合套管柱的設計[1][4]。大慶石油學院研究受泥巖蠕變，巖層滑動產生的非均勻外載荷時，套管強度設計軟件[5]。另外還有其他高校和油田開發了需要考慮摩阻因素的水平井和考慮化學腐蝕等因素的深井、超深井的套管設計軟件[6]。

這類軟件的主要特點是，操作簡單，功能集中，往往是針對某一特殊要求，解決特定環境下套管設計問題。同時，功能模塊比較單一，數據庫建設尚不完善，還無法實現廣泛應用。

2 國外套管設計軟件現狀

相比于國內，國外套管設計軟件的研究和開發較早，形成了相對成熟和先進的套管設計軟件，能夠實現較高水平的套管設計，在鉆井工程中被廣泛使用。

2.1 Landmark—— CasingSeat和StressCheck軟件

CasingSeat模塊用于井身結構與套管下深設計，設計時考慮重要邊界條件和設計參數來優選套管下深。用戶可以自定義設計邊界值，如井眼穩定、過平衡邊界和井涌允值;也可自定義參數，如司鉆反應時間、流量差門限、泥漿池增量、關閥時間等。同時，軟件可根據當前的庫存，以及用戶定義的井眼和套管尺寸的組合關系，自動形成不同組合的井身結構方案，并自動進行復合管串的成本計算。StressCheck模塊用于套管、尾管、不同直徑組合套管的強度校核。該軟件的突出特點有：綜合的三軸應力計算模型，能根據不同工況下的抗內壓、抗外擠和軸向載荷計算公式，快速、精確地進行套管強度校核;設計系數可依載荷工況而定，本體和接箍的系數可分別計算;包含簡單和復雜的外部載荷剖面，具有固井質量、滲透層、泥漿降解和環空氣串等選項;可模擬鹽巖蠕變所引起的外擠載荷;考慮了在鉆井、采油和注入時的溫度變化所引起的載荷以及溫度對屈服極限的折減率。另外，StressCheck軟件包含了完整的API管材庫和接箍數據，同時支持用戶自定義管材以及與其他應用程序交換數據。endprint

2.2 斯倫貝謝—— TDAS軟件

TDAS軟件適用于注水井和深的HPHT氣井，用戶可使用TDAS獲取整個三軸應力和API工況的分析功能。用戶輸入基本的數據，包括井軌跡、套管類型、外徑、泥漿比重和下深。設置規則定義可接受的設計因素和工況情況。同時依據管柱的功能，TDAS能自動產生井徑和設計工況。創建壓力、溫度、遇阻/超拉和軸向的工況條件信息，TDAS便能分析油氣井或地熱井中不同深度下的應力和伸長量。用戶能定義套管性能數據，例如外徑、重量、壁厚、材料、鋼級和接頭，溫度影響因素，各向異性特征。TDAS也能夠分析和設計接頭強度，避免在接頭處發生損壞導致套管失效。另外，TDAS軟件具有成本控制的功能，它能從8000多個API管和接頭的數據庫中優選套管，用戶也能夠自主更新管材庫。

2.3 DrillingSoftware軟件—— CasingDesign

模塊

CasingDesign軟件適用于陸地、淺海和深海的直井和定向井，井身結構設計和套管強度校核。用戶可選擇默認的破裂、坍塌和軸向拉伸的安全系數，也可自定義安全系數進行計算。提供四種校核模式：海洋鹽水密度梯度、軸向拉力、開發和生產，以及兩種校核方法：二軸應力和三軸應力。軟件設計時考慮油氣密度梯度、過平衡泥漿比重、井口額定值等對套管設計的影響，并且考慮了溫度對套管強度的影響。軟件可自動根據井底溫度，利用線性插值法來分析不同井深的溫度，也可根據用戶輸入的每段套管底部的溫度，來計算屈服強度的變化，并畫出套管屈服強度隨溫度的變化曲線。掏空設計時，可根據不同工況選擇不同比例的掏空系數，并加入掏空點的安全系數計算。數據庫包含4000種不同的接箍，用戶還可自定義接箍數據。軟件的導航非常清楚，方便用戶設計以及查看瀏覽。

2.4 DrillNet—— CasingModules軟件

DrillNET是用來設計套管下深，套管柱強度以及提高固井質量和速度的軟件。Casing Stress Check模塊主要用于套管強度校核，校核時，考慮各種潛在壓力因素，模擬套管串在實際環境中承受的壓力狀態。該軟件能夠處理定向井以及深海井等多種套管設計問題，并能靈活地滿足油田各種需求。軟件可以在地層壓力剖面和套管下深位置的基礎上，分析約束條件和壓力，并核查套管設計是否符合用戶定義的最小設計參數。它能模擬破裂和坍塌壓力，并評估套管彎曲部分的軸向載荷和彎曲影響。該模塊可計算出套管鞋的位置，然后分析井涌余量，堵塞邊界以及不同套管鞋處的壓力。Casing Wear模塊用于計算和預測由于鉆桿在井下旋轉和井下的套管、隔水管以及接頭相互接觸、摩擦造成的套管磨損程度和位置，并計算磨損對破裂和坍塌壓力的影響。該模塊加強了計算磨損的數學算法，能計算鉆柱和套管接觸點的磨損量，分析鉆柱防護套的位置和數量，比較磨損和深度的關系等。并包含套管數據庫和磨損因子數據庫。

2.5 Petroviser—— Casing Design軟件

Casing Design軟件用于套管設計和強度計算。為包括凍土層在內的各種特殊地層井的套管設計進行校核。無論對于直井、定向井和水平井，軟件都能夠計算影響套管和套管組合的基本載荷大小。擁有計算水泥返高、管柱液面高度、各層套管鞋深度等功能。軟件計算非常形象化，輸出的報告中可以顯示多種圖形，包括：套管外部壓力和內部壓力的圖形，超額的外部和內部壓力，和套管設計圖表。報告可被打印出來。

3 對我國未來套管設計軟件的建議

3.1 套管設計軟件的開發需加強基礎理論研究

套管設計軟件的基礎是建立在巖石力學、地球物理等基礎學科上的，軟件應結合地應力模塊，根據實際測井資料和鄰井資料， 收集井下溫度、壓力數據、以及是否有腐蝕氣體、斷層、地層傾角等信息，準確地預測井下地質環境的變化，判斷地層的非均質性、地層傾角、巖石性質、斷層、地震活動和地殼運動等。以便提高井身結構和套管設計地準確性，減小套管擠毀、腐蝕等復雜事故的發生。

3.2 套管設計軟件應能滿足多種環境的設計需求

海上油氣儲備豐富，國家正大力發展海上油氣開發工作，因此我國的套管設計軟件應包含淺海、深海套管設計模塊，以適應海上鉆井的需要。同時近年來，我國非常重視深井、超深井的開發，套管設計軟件中應結合大學的理論研究成果，將溫度對套管抗壓強度的影響考慮進去。另外，蠕變地層擠毀套管的問題，近些年也多次出現。對于蠕變地層，套管設計軟件應預測地應力的變化，模擬蠕變所引起的外擠載荷，再進行套管強度計算和校核。對于特殊復雜的適合雙層組合套管的井，應增加雙層組合套管設計模塊。

3.3 套管設計軟件應能滿足油氣生產時的需求

套管設計不僅要滿足鉆井時的需求，還應滿足生產需求。套管設計軟件應能對鉆井和油氣生產時不同工況下的套管強度進行校核，預防在實際生產過程中的套管損壞。另外，在生產過程中，也經常發生套管磨損的情況，因此，套管設計軟件應增加套管地下磨損量計算模塊，分析磨損對套管強度的影響。最后，為了實現成本最小化，軟件應利用優化算法，在滿足安全條件的套管組合方案中，選出最合理的套管組合方案[7]。

3.4 增強套管設計軟件數據庫的管理

增加非標的套管數據進入數據庫，例如高強度、高抗擠，抗CO2、H2S的經濟型套管。減小標準套管在設計時的局限性，更能適應高溫高壓、條件惡劣、腐蝕加劇的地質環境下套管強度設計。增加用戶自定義的套管數據，包括套管柱、接箍等，擴展套管數據庫[8]。

3.5 提升軟件的可操作性和智能性

軟件界面和人機交互需要進一步提升，讓套管設計更加人性化，智能化。例如，增加設計導航，能繪出顏色鮮艷線條明顯的圖片等。改進設計結果的輸出方式，使之更加多樣，模版更為豐富，滿足不同油田和井隊的設計報告需要。

4 結語

套管設計和強度校核，是鉆井和油氣生產的關鍵步驟，套管設計軟件一直是國內外關注和研究的重點。比較國內外的套管設計軟件發展和現狀，未來的套管設計軟件，應結合三維應力模型，對影響套管柱使用壽命的各種因素進行分析，建立套管柱破壞失效數學模型;同時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，形成一套綜合考慮各種因素的套管柱優化設計專家系統。

參考文獻

[1] 曹峰，楊力能.復雜工況下深井套管柱校核軟件的開發[J].斷塊油氣田，2009（2）：126-128.

[2] 劉清友，王國榮，劉峰.套管的計算機輔助設計軟件研制[J].北京：石油機械，2000，28（2）：37-40.

[3] 周新義，董小衛，張高翔，等.套管柱設計及其軟件研究[J].遼寧化工，2012（1）：37-40+108.

[4] 黃志強.鹽膏層套管柱強度設計與軟件開發[J].北京：石油機械，2009（8）：32-34+38.

[5] 宋軍官.套管柱設計新方法及其軟件編制[J].大慶石油學院，2003.

[6] 高德利，覃成錦.含鹽膏層井復合套管柱優化設計技術[J].北京：石油鉆探技術，2003（5）：4-6.

[7] H.O.AKPAN，Port Harcourt， S.O.KWELLE.Efficient Computational Method for Casing String Design[J].SPE 98790 200.

[8] 何英明，雷楊，何英君，等.套管柱優化設計面臨的問題及發展趨勢[J].北京：國外油田工程，2010（11）：36-39.endprint