射孔套管抗外挤压模拟试验研究

王木乐，邹 霞，尚 磊 (中原油田分公司采油工程技术研究院，河南 濮阳 457001)

射孔套管抗外挤压模拟试验研究

王木乐，邹 霞，尚 磊 (中原油田分公司采油工程技术研究院，河南 濮阳 457001)

射孔降低套管强度是导致套管损坏的重要因素之一。为了研究射孔对套管强度的影响，使用长江500型压力机对12个不同材料型号、不同射孔数量的套管进行抗外挤压的模拟试验，研究了套管射孔后的承载能力，分析了射孔与套管的性能关系。

套管；仿真射孔；抗挤压；模拟试验

射孔是国内外油田增产、增注的有效措施，同时也是中原油田稳产的主要手段。射孔对套管和水泥环都有影响，其影响程度取决于射孔深度，射孔孔径、孔密、相位；但对其影响程度没有一个量的概念，对射孔段套管设计缺少指导性补救措施。油田射孔套管的损坏在套损井中占有很高的比例，其影响因素是多方面的，原因很复杂，但最主要的因素是射孔作业对套管的影响，因此研究射孔对套管强度的影响，将未射孔和射孔套管进行抗外挤压的模拟对比试验，明确射孔直径、射孔密度及相位对套管抗拉、抗外挤的影响关系及界限，对油田套管损坏的防治有着非常重要的意义。为此，笔者使用长江500型压力机对12个不同材料型号、不同射孔数量的套管进行抗外挤压的模拟试验。

1 模拟仿真靶位试验研究

为了研究分析射孔对套管的损伤程度，笔者首先进行了地面水泥靶仿真射孔试验。用4种油田常用的套管，采用嘉华G级固井水泥，水洗石英砂。按仿真地层水泥标准制作8个靶位(技术指标如表1)，养护28d；使用常规89-1射孔枪系列，按设计射孔密度进行地面仿真射孔和重炮，共进行8组12次地面打靶试验。试验参数及结果见表2和图1。

表1 仿真靶射孔技术指标

表2 仿真射孔试验参数及结果

图1 仿真射孔展开图

从模拟试验结果可以看出，射孔后炮眼为有规律性螺旋形布孔，重炮为无规律性，为非均匀外载抗挤试验提供了试验模型。

2 套管抗外挤压模拟试验

将未射孔和射孔套管进行抗外挤压的模拟对比试验研究，其目的是了解套管射孔后的承载能力。射孔性能不同的套管，当采用不同的射孔方法时，射孔后套管射裂的程度有很大差别，最好的是套管不产生射孔裂纹。但由于孔的存在，套管受到外力作用后，孔的周边会产生应力集中，将使套管的抗挤能力有所降低。由于射孔裂纹的存在，在油井生产过程中，在井下动荷载的作用下，将会使裂纹扩展，最终使套管在低荷载的作用下，发生脆裂破坏。因此，对套管抗外挤压的模拟试验研究对完善套管的设计非常重要。

2.1试验方法

将被试验的套管埋藏在特制的金属试验盒内，金属试验盒内部尺寸为600mm×300mm×300mm。金属试验盒左右两侧的边墙上各安装有3只压力传感器(观测套管受到挤压后最小水平主应力的变化)，套管内壁两侧的水平位置各粘贴有金属丝电阻应变片(观测套管受到挤压后最小水平主应力的变化)，套管内壁两侧的水平位置各粘贴有金属丝电阻应变片(观测套管受到挤压后最小水平主应力方向上的应变值)。

先在金属试验盒内装50mm厚的砂泥土且压实，再将套管居中放置在砂泥土上，然后在套管两侧及上部充填砂泥土且夯实(以保证套管周边全被砂泥土包围)，最后将金属试验盒置于长江500型压力机上进行挤压试验。

试验采取逐级一次加压的方法，加至套管屈服和达到一定的塑性变形为止。

2.2试验结果

试验的套管有未射孔和已射孔2类，其长度为600mm，套管的材料型号有5inN80和5inP110，套管壁厚分为7.72、9.17和10.54mm，套管射孔的孔数分为9、12、和14孔。试验研究是模拟套管在油井中受挤压的状况进行的，其试验结果如图2和表3。

从图2可以发现，不同材料型号的套管其屈服强度有所不同，5inN80的屈服强度值明显小于5inP110的屈服强度值，在相同材料型号和孔壁厚度的套管由于射孔数量的多少，其屈服强度值有一定的差异，射孔数量多的明显低于射孔数量少的屈服强度值。

通过对12个不同材料型号、不同射孔数量的套管抗外挤压的模拟试验研究，从表3可以发现：

1)在相同材料型号和孔壁厚度的未射孔套管受外力挤压后的屈服强度之差与未射孔的屈服强度之比的比值K(K为屈服强度降低系数)，当射孔数量多则K值下降。

2)不同材料型号且孔壁厚度相同的套管，其屈服强度和K值有明显不同，材料强度高的优于强度低的，即5P110材料型号套管其屈服强度和K值就明显优于5N80材料型号的套管。

3)材料型号相同但孔壁厚度不同的套管其抗外挤屈服强度有明显不同，即套管壁厚为10.54mm套管抗外挤屈服强度大于9.17mm套管大于7.72mm套管。

图2 不同钢级壁厚套管挤压曲线图

材料型号试件孔数射孔方法最大试验荷载/kN最大试验荷载套管变形量/mm长轴a短轴b屈服荷载/kN套管屈服抗外挤压力/MPaσ1σ2强度降低系数K/%5N80×7.72 未2200141.4138.2110052.820.50 9孔2000144.2138.0100047.916.59.09 14孔1800146.0129.090043.213.018.185N80×9.17 未3200147.0134.0140067.124.20 9孔3000147.4135.5120057.617.114.29 14孔2800147.4135.5100047.917.528.575P110×9.17 未3200146.0136.6160076.724.10 9孔3250146.7138.4150071.629.26.25 12孔3250143.3138.8140066.823.812.55P110×10.54 未2500145.3138.0160076.726.80 10孔3250144.2138.0150071.918.66.25 14孔3000145.0137.0120057.621.325.00

3 结 语

1)由于试验套管的长度为600mm，其长度偏小，今后最好对1000mm的套管抗外挤压的模拟试验研究。

2)有条件时应对常用的所有材料型号的套管进行套管抗外挤压的模拟试验研究。

3)由于射孔数量和孔径对石油套管抗外挤压的影响较大，应增加不同射孔数量和孔径的套管试验。

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[编辑] 洪云飞

TE931.207

A

1673-1409(2009)02-N057-03

2009-03-23

王木乐(1962-)，男， 1984年大学毕业，高级工程师，现主要从事石油工程方面的研究工作。