弯曲井段套管设计抗挤强度计算方法

摘要

本发明涉及的是弯曲井段套管设计抗挤强度计算方法，这种弯曲井段套管设计抗挤强度计算方法：步骤一、根据某口油井的井深和井斜角数据计算该口油井弯曲井段的井眼曲率；步骤二、计算所述油井套管弯曲后截面扁化变形导致的椭圆度；步骤三、计算所述油井套管弯曲后椭圆形套管的平均壁厚；步骤四、计算所述油井套管弯曲后椭圆形套管的弹性挤毁压力；步骤五、计算所述油井套管弯曲后椭圆形套管的屈服挤毁压力；步骤六、计算所述油井套管弯曲后椭圆形套管的设计抗挤强度衰减因子；步骤七、计算所述油井套管弯曲井段套管的设计抗挤强度。本发明基于对套管抗挤强度影响因素考虑更为全面的KT模型，既有较高的准确性，同时又方便现场应用。

说明书

技术领域

本发明涉及水平井、大位移井等具有弯曲井段的套管柱强度设计技术，具体涉及弯曲井段套管设计抗挤强度计算方法。

背景技术

大位移井、水平井能够显著的提高油气井产能和采收率，因此在国内外范围内得到了广泛的应用。在大位移井和水平井的弯曲井段，套管会随着井眼的形状而弯曲：套管的弯曲一方面会在套管外侧产生轴向拉应力降低套管的抗挤强度；另一方面还会使套管发生径向扁化变形，增加套管的椭圆度，引起套管强度的进一步降低。当套管的抗挤强度降低到低于外挤力时就会出现套管挤毁损坏，套管的挤毁损坏给钻井过程以及后续的完井、生产作业带来了极大的不便，并且增加了额外的修井作业，严重时甚至会导致整口井的报废，造成了巨大的经济损失和社会损失。

合理的套管抗挤强度设计是防止套管挤毁损坏的基本前提。长期以来套管设计抗挤强度主要通过API Bul 5C3：1994标准公布的公式计算，但该公式存在计算精度偏低、对影响套管抗挤强度性能的因素考虑不全面等不足。为此，API/ISO工作组对世界各国学者提出的11种抗挤强度计算模型进行了对比验证，并颁布了新标准ISO/TR 10400：2007，推荐采用Klever和Tamano 在2004年提出的KT公式作为油套管抗挤强度计算的新模型。虽然新标准在正文条款中并未用KT抗挤强度计算模型取代原有的计算公式，只是作为知识性的资料在附录中给出，但是API工作组已经指出待业界对该模型有了更多的验证之后，将会在新标准中用KT抗挤强度计算模型正式取代原有的旧公式。

KT抗挤强度计算模型考虑了制造缺陷（椭圆度、壁厚不均度、残余应力等）和不同制造技术对抗挤强度的影响，能够显著的提高抗挤强度计算的准确性。但KT抗挤强度计算模型并未考虑套管在井下弯曲条件下截面扁化变形效应对其抗挤强度的影响，其设计抗挤强度计算方法只能适用于直井段的套管柱设计，在弯曲井段采用该方法设计出来的套管抗挤强度可能会出现低于其所受的实际外挤力，容易造成套管的挤毁损坏。

采用有限元力学软件能够计算出套管在弯曲条件下的抗挤强度，该方法通过第四强度理论以屈服条件作为套管的抗挤强度临界条件，但该方法得出的抗挤强度随弯曲角的增加而急剧降低，其所计算得到的弯曲条件下抗外挤强度要远低于其实际抗外挤强度，导致在弯曲井段中可能出现严重的高钢级套管浪费现象，甚至在高弯曲井段无套管可选，而且该方法一般作为理论分析之用，不便于现场实际应用。

随着大位移井以及水平井的逐渐增多，弯曲井段的套管抗挤强度设计面临越来越多的工作和压力，但已有的KT模型以及有限元方法均不能满足弯曲井段套管抗挤强度设计的要求。弯曲井段的套管抗挤强度设计要考虑到在弯曲条件下套管的受力特征和变形特征，目前并未有人提出方便现场应用的综合考虑弯曲井段套管承受的额外轴向拉应力以及截面扁化变形效应的设计抗外挤强度计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供弯曲井段套管设计抗挤强度计算方法，这种弯曲井段套管设计抗挤强度计算方法用于解决现有大位移井、水平井等具有弯曲井段的套管抗挤强度合理设计问题。该方法基于对套管抗挤强度影响因素考虑更为全面的KT模型，考虑到套管在弯曲井段受到的额外轴向拉应力以及截面扁化效应引起的椭圆度增加和壁厚改变对其设计抗挤强度的影响，提出了适合于弯曲井段套管设计抗挤强度计算的实用方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种弯曲井段套管设计抗挤强度计算方法：

步骤一、根据某口油井的井深和井斜角数据计算该口油井弯曲井段的井眼曲率；

步骤二、计算所述油井套管弯曲后截面扁化变形导致的椭圆度：

式中：ov'为截面扁化变形导致的椭圆度，%；R_m为套管初始中面半径，m；为弯曲井段的曲率半径，m；D为套管的名义外径，m；t为套管的名义壁厚，m；；

步骤三、计算所述油井套管弯曲后椭圆形套管的平均壁厚：

式中：t'为椭圆形套管的平均壁厚，m；

步骤四、计算所述油井套管弯曲后椭圆形套管的弹性挤毁压力：

式中：p_{e>为椭圆形套管的弹性挤毁压力, MPa；E为杨氏弹性模量，MPa；v为泊松比；}

步骤五、计算所述油井套管弯曲后椭圆形套管的屈服挤毁压力：

式中：p_{y>为椭圆形套管的屈服挤毁压力，MPa；fy为套管钢材的屈服强度，MPa；ky>为屈服挤毁压力修正系数，取值参见《中华人民共和国国家标准 GB/T 20657—2011》表F.9；为弯曲产生的等效轴向拉应力，MPa；}

步骤六、计算所述油井套管弯曲后椭圆形套管的设计抗挤强度衰减因子：

式中：为弯曲后套管的设计抗挤强度衰减因子；为弯曲前套管的设计抗挤强度衰减因子，取值参见《中华人民共和国国家标准 GB/T 20657—2011》表F.9；

步骤七、计算所述油井套管弯曲井段套管的设计抗挤强度：

式中：p_ult为弯曲井段套管的设计抗挤强度，MPa。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明基于对套管抗挤强度影响因素考虑更为全面的KT模型，既有较高的准确性，同时又方便现场应用。

2、本发明根据弯曲井段套管的受力特征和变形特征，综合考虑了弯曲井段套管受到的额外轴向拉应力以及截面扁化效应引起的椭圆度增加和壁厚改变对其设计抗挤强度的影响，更为真实的反映了井眼工况条件下套管的抗外挤强度，为弯曲井段的套管抗外挤强度设计提供了合理的依据。

3、根据本发明提出的弯曲井段套管设计抗外挤强度计算方法，可以在满足弯曲井段套管抗挤强度的基础上避免高钢级套管设计的浪费。

4、根据本发明提出的弯曲井段套管设计抗外挤强度计算方法，可以对现有弯曲井段的套管挤毁损坏情况进行预测和评判。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明：

这种弯曲井段套管设计抗挤强度计算方法：

步骤一、根据某口油井的井深和井斜角数据计算该口油井弯曲井段的井眼曲率；

步骤二、计算所述油井套管弯曲后截面扁化变形导致的椭圆度：

式中：ov'为截面扁化变形导致的椭圆度，%；R_m为套管初始中面半径，m；为弯曲井段的曲率半径，m；D为套管的名义外径，m；t为套管的名义壁厚，m；；

步骤三、计算所述油井套管弯曲后椭圆形套管的平均壁厚：

式中：t'为椭圆形套管的平均壁厚，m；

步骤四、计算所述油井套管弯曲后椭圆形套管的弹性挤毁压力：

式中：p_{e>为椭圆形套管的弹性挤毁压力, MPa；E为杨氏弹性模量，MPa；v为泊松比；}

步骤五、计算所述油井套管弯曲后椭圆形套管的屈服挤毁压力：

式中：p_{y>为椭圆形套管的屈服挤毁压力，MPa；fy为套管钢材的屈服强度，MPa；ky>为屈服挤毁压力修正系数，取值参见《中华人民共和国国家标准 GB/T 20657—2011》表F.9；为弯曲产生的等效轴向拉应力，MPa；}

步骤六、计算所述油井套管弯曲后椭圆形套管的设计抗挤强度衰减因子：

式中：为弯曲后套管的设计抗挤强度衰减因子；为弯曲前套管的设计抗挤强度衰减因子，取值参见《中华人民共和国国家标准 GB/T 20657—2011》表F.9；

步骤七、计算所述油井套管弯曲井段套管的设计抗挤强度：

式中：p_ult为弯曲井段套管的设计抗挤强度，MPa。