普光气田非标套管应用可行性分析

李文飞

（胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017） ＊

普光气田非标套管应用可行性分析

李文飞

（胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东东营257017）＊

根据普光气田地应力情况和套管柱结构分析，对非标套管柱在高地应力作用下的受力和变形规律进行了模拟计算分析。研究结果表明：均匀外压作用下套管壁厚从8.98mm增加到15.11 mm时，抗挤强度增加51.75MPa，增大270%；非均匀外压作用下，套管抗挤强度较均匀外压条件相比有一定程度降低，壁厚13.84mm套管抗挤强度可降低60%。现场安全应用证明了非标套管在普光气田的可行性，对普光气田的安全高效开发具有重要意义。

普光气田；地应力；非标套管；可行性；数值模拟

普光气田地质储层埋藏深，地应力非均匀系数高且含有盐岩层，对套管柱的安全性要求高，使得已有的API套管难以满足其需求。近年来，国外采用非标套管的趋势越来越明显，国内生产厂家也能生产非标套管供现场使用。同时，技术经济分析表明，从钻井成本角度考虑，局部井段采用非标套管对1口井增加的成本并不大。本文以普光气田井身结构中应用的∅273.05mm套管为研究对象，结合实际地质环境特点，采用有限元方法建立套管弹塑性计算模型，研究不同壁厚［1］非标套管在均匀外压和非均匀外压作用下抗挤强度的变化规律及非均匀载荷系数对抗挤强度的影响规律，为非标套管在普光气田安全应用的可行性评估提供理论数据支持。

1 均匀外挤作用下非标套管抗挤强度

∅273.05mm套管弹性模量为2.1×1011Pa，屈服强度655MPa，钢级为T95。模拟计算过程中，套管壁厚分别取8.98、10.16、11.43、12.57、13.84、15.11mm，不同壁厚套管各阶失稳模态所对应的临界外压如表1。根据API标准，套管的挤毁与径厚比有关，当径厚比［2］较大时以失稳破坏为主，当径厚比较小时以强度破坏为主。本文建立套管有限元模型进行分析，套管前3阶失稳模态及Mises应力［3］分布如图1～2。从图中可以看出，对于厚壁和非标套管柱在外挤载荷下发生的失效破坏以第1阶失稳为主。

表1 不同壁厚套管各阶失稳模态所对应的临界外压MPa

图1 壁厚8.89mm套管前3阶失稳模态及Mises应力分布

图2 壁厚12.57mm套管前3阶失稳模态及Mises应力分布

不同壁厚套管抗挤强度如表2所示。取套管中间节点的Mises应力达到屈服强度时所施加的外挤压力作为其抗挤强度，判断点的Mises应力随外压的变化规律如图3～4，图中虚线所对应的外压值即为套管的抗挤强度。

表2 在均匀载荷作用下不同壁厚套管抗挤强度

图3 壁厚13.84mm套管抗挤强度

图4 壁厚15.11mm套管抗挤强度

由图3～4可以看出：在均匀外压作用下套管抗挤强度和壁厚之间近似成直线关系，随着壁厚的增大，抗挤强度大幅度增大。套管壁厚和抗挤强度关系曲线如图5，可以看出：当套管壁厚由8.98mm增加到15.11mm时，套管的抗挤强度增加了51.75 MPa，增幅为270%，进一步证明增加套管的壁厚能够大幅提高套管柱的抗挤毁能力。

图5 套管壁厚和抗挤强度关系曲线

2 非均匀外挤作用下非标套管抗挤强度

套管受力［4］、变形与地质因素（岩层性质）有密切关系，不同地质状况下，套管损坏程度、形态均不同。储层岩石的力学性质和地应力场状态以及岩层的位移变化直接对套管施加作用。

国际上在进行套管设计时，通常认为套管承受的是均匀外挤压力，即按静水压力分布规律计算套管应力，然后开展对套管的模拟强度试验。该方法对于浅井或井下情况相对简单的井是可行的，但对深井以及地质情况或地应力状态复杂［5］的井，若仍采用上述假设，则极易导致套管在井下发生变形甚至错断，直接严重影响油气井的正常开发生产，甚至造成油气井停产报废，带来严重的经济损失。相关地质资料分析表明，普光气田地应力非均匀系数较大。本文采用三维有限元数值模拟方法，结合实际环境特点，计算分析非标套管抗挤强度与外挤载荷非均匀系数间的变化关系，为普光气田非标套管的安全应用分析奠定理论基础。

2.1 非均匀系数

套管受非均匀外挤压力作用如图6所示。在套管外壁上施加椭圆形外挤压力，则非均匀系数γ为椭圆形载荷中最小值pmin和最大值pmax的比值，即

图6 套管受非均匀外挤压力分析

2.2 模拟分析

针对不同壁厚的∅273.05mm套管，在不均匀系数为0.5的条件下，数值模拟计算的Mises应力分布如图7，变化规律如图8～13，图中虚线所对应的外挤压力即为套管在非均匀载荷作用下的抗挤强度。

图7 非均匀载荷作用下不同壁厚套管Mises应力云图

图8 非均匀载荷作用下壁厚8.98mm套管抗挤强度

图9 非均匀载荷作用下壁厚10.16mm套管抗挤强度

图10 非均匀载荷作用下壁厚11.43mm套管抗挤强度

图11 非均匀载荷作用下壁厚12.57mm套管抗挤强度

图12 非均匀载荷作用下壁厚13.84mm套管抗挤强度

图13 非均匀载荷作用下壁厚15.11mm套管抗挤强度

分析图8～13计算结果可知：随着地应力非均匀性的增加，套管抗挤能力逐渐降低，其对较小壁厚套管的影响明显高于较大壁厚套管，表明厚壁和非标套管在抗非均匀［5］外挤载荷的能力优于API套管柱。表3是模拟出的不同壁厚的∅273.05mm套管在非均匀荷载作用下的抗挤强度。

表3 在非均匀载荷作用下不同壁厚套管抗挤强度

图14是套管抗挤强度随壁厚的变化规律，可以看出：在非均匀外挤压力作用下，套管抗挤强度和壁厚之间成近似直线性变化，即套管抗挤强度随壁厚的增加而增大［6］；与均匀外压作用下套管的抗挤强度相比，相同壁厚套管在非均匀外压下，其抗挤强度降低。例如，壁厚为13.84mm的套管在均匀外压作用下的抗挤强度为65.31MPa，而在非均匀外压（等于均匀外压下的外压值）作用下的抗挤强度为26.2MPa，降低了60%，可见地层应力的非均匀性对于套管抗挤强度影响较明显。

图14 非均匀载荷作用下套管抗挤强度随壁厚变化规律

3 结论

1） 在均匀外挤压力作用下，套管抗挤强度和壁厚之间成近似直线关系，随着壁厚的增加，套管抗挤强度大幅度增大，壁厚由8.98mm增加到15.11 mm，抗挤强度增加了51.75MPa，增大了270%，表明套管壁厚的增加在一定程度上能够显著提高套管抗挤毁能力。

2） 在非均匀外挤压力作用下，套管抗挤强度和壁厚之间也成近似直线关系，套管抗挤强度随壁厚的增加而增大；与均匀外压下套管的抗挤强度相比，相同壁厚的套管在非均匀外压下的抗挤强度减小，壁厚13.84mm的套管在均匀外压作用下的抗挤强度为65.31MPa，而非均匀外压作用下抗挤强度为26.2MPa，降低60%，地应力非均匀性影响套管抗挤强度显著。

3） 通过模拟分析，非标套管能够承受较大的非均匀应力载荷，具有较强的抗挤毁能力，表明在普光气田应用非标套管能够确保气井的正常生产，是安全可行的，建议在后续类似地区应用非标套管。

［1］ 吕拴录，张福祥，李元斌，等.塔里木油气田非API油井管使用情况分析［J］.石油矿场机械，2009，38（7）：70－74.

［2］ 褚荣光，孙华锋，石 野，等.均匀地应力下套管壁厚对储气井井筒受力的影响［J］.石油矿场机械，2010，39（2）：9－13.

［3］ 蔡正敏，张 军，申朝廷，等.非均匀载荷下套管椭圆度对抗挤强度的影响［J］.石油矿场机械，2010，39（5）：20－23.

［4］ 姬丙寅，吕拴录，张 宏.非API规格偏梯形螺纹接头套管连接强度计算［J］.石油矿场机械，2011，40（2）：58－62.

［5］ 韩建增，张先普.非均匀载荷作用下套管抗挤强度初探［J］.钻采工艺，2001，24（3）：48－50.

［6］ 郑俊德，张艳秋，王文军.非均匀载荷下套管强度的计算［J］.石油学报，1998，19（1）：119－123.

Feasibility Analysis on Application of Nonstandard Casing in Puguang Gas Field

LI Wen－fei
（Drilling Technology Research Institute，Shengli Petroleum Administrative Bureau，Dongying257017，China）

According to geostress and casing structure data of puguang gas field，mechanics and deformation law of nonstandard casing was studied on condition of non uniformity and high geostress.The results showed that collapse strength has increased 51.75MPa（270%）as thickness raised from 8.98mm to 15.11mm under uniform external loads；under non－uniform external loads，collapse strength of casing has reduced 60%in some degree such as thickness was 13.84 mm.Application on site proves that nonstandard casing is feasible，which is significant for safe and efficient exploit in Puguang gas field.

Puguang gas field；geostress；nonstandard casing；feasibility；numerical simulation

1001－3482（2012）03－0008－05

TE931.2

A

2011－09－20

国家科技重大专项（2011ZX05022－001）；国家科技支撑计划项目（2008BAB37B06）

李文飞（1978－），男，山东菏泽人，工程师，主要从事钻井工程设计研究，E－mail：liwenfei.slyt＠sinopec.com。