套管强度设计软件发展现状及未来发展建议

王思敏+张士彬+赵庆+蒋宏伟+杨光+史肖燕+王倩

摘 要：随着油气勘探开发的领域不断扩大，套管柱设计应能适应复杂地质条件，避免套管损坏及控制成本，以保证油气资源安全高效开采和资源保护。该文在参考了一定的套管设计软件成果和文献后，总结国内外套管设计软件的发展现状，对比分析国内外套管设计软件的差异，并结合国内情况，提出未来的套管优化设计软件应考虑在实际生产过程中不同工况下套管强度的设计，增加适合高温高压、复杂地形、复杂工况的设计模块，以及套管成本核算功能，同时增强数据库的数据量和灵活性，形成国内实用性强，使用方便的套管设计软件。

关键词：套管设计  软件开发  发展现状  模块功能  未来发展趋势

中图分类号：TQ052 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0222-02

油气的生产和传输都依靠着套管进行，套管对钻井和油气生产有着非常重要的影响。套管的损坏会导致油气溢漏，阻塞油气输出，严重时会导致井口报废等问题，带来严重的经济损失，能源损失和安全隐患。因此，准确的套管强度设计和校核工作关系到钻井安全和油井寿命，也影响钻井成本[1]。而设计和校核的过程需要大量的计算和分析，离不开计算机软件的支持。近些年，国内外套管设计软件的发展十分迅速，下面详细介绍国内外套管设计软件的发展情况。

1 国内套管设计软件现状

在国内，套管设计软件的发展时间较短，市场上成熟的产品较少，软件设计比较粗糙，功能比较单一，针对性高但适用的广泛性较差，与国外相比还有一定的差距。套管设计软件的开发有两类，一类是以中国石油集团钻井工程技术研究院主导开发的“钻井设计集成系统”软件和怡恒阳光公司开发的Navigator Drilling Studio为代表的相对较成熟，适用范围较广的软件产品。其他大多数套管设计软件是高校或油田，以研究或本油田的生产需要为目的开发的软件。国内套管设计软件的现状如下。

1.1 钻井设计集成系统—— 套管设计模块

套管设计模块根据井身结构设计要求，对各层套管进行设计。软件包括套管柱强度设计、套管串结构数据编辑、套管柱下入摩阻与扭矩计算、套管柱下入过程井口载荷模拟分析。强度设计和校核部分可实现用户自定义抗拉、抗外挤和抗内压安全系数，自定义掏空井深、井涌深度以及钻井液密度。抗挤强度计算方法提供单向应力、双轴应力、三轴应力三种。计算有效内压时管外流体类型提供钻井液、盐水、清水三种选择。抗拉设计时提供考虑或不考虑浮力两种选择。下入摩阻与扭矩计算和井口载荷模拟分析部分，计算套管在不同运动状态（下入、旋转下入）下的轴向载荷、侧向载荷以及井口载荷的大小。该软件较完整地实现了一般套管设计的功能，可广泛应用于不同油田的工程设计中，并能够输出标准的设计报告，以及井身结构图、各层次套管外载荷和强度分布图，便于用户观察和分析。

1.2 怡恒阳光—— Navigator Drilling Studio软件

Navigator Drilling Studio软件中套管设计部分包括套管设计与分析模块、套管强度校核模块和套管下入分析模块。套管设计与分析模块支持直井、水平井、定向井、多分支井和欠平衡井的套管强度设计。支持双轴和三轴应力计算方法，允许自定义套管数据、外载荷和设计系数，采用有限元分析和套管可通过最大井眼曲率相结合的分析方法判断套管下入度，并可进行下套管屈曲分析、抗拉分析和抗扭分析等。套管强度校核模块，默认采用标准中规定的安全系数为判断依据。软件还提供可配置外载荷功能，解决因地区差异导致外载荷不同的问题。最后的结果都可生成一键生成Word报表，自动绘制井身结构图、下套管的管柱结构图。

1.3 高校和油田开发的套管设计软件

近些年，国内高校和油田也在研发套管设计软件[2-3]。西安石油大学、西南石油学院等高校研究在高温下套管强度的设计方法，在三轴应力算法中加入了温度系数进行校核，并开发出了软件。北京石油大学利用数据库的结构化查询语言方法，优化套管组合选取的模型，实现含盐膏层井复合套管柱的设计[1][4]。大庆石油学院研究受泥岩蠕变，岩层滑动产生的非均匀外载荷时，套管强度设计软件[5]。另外还有其他高校和油田开发了需要考虑摩阻因素的水平井和考虑化学腐蚀等因素的深井、超深井的套管设计软件[6]。

这类软件的主要特点是，操作简单，功能集中，往往是针对某一特殊要求，解决特定环境下套管设计问题。同时，功能模块比较单一，数据库建设尚不完善，还无法实现广泛应用。

2 国外套管设计软件现状

相比于国内，国外套管设计软件的研究和开发较早，形成了相对成熟和先进的套管设计软件，能够实现较高水平的套管设计，在钻井工程中被广泛使用。

2.1 Landmark—— CasingSeat和StressCheck软件

CasingSeat模块用于井身结构与套管下深设计，设计时考虑重要边界条件和设计参数来优选套管下深。用户可以自定义设计边界值，如井眼稳定、过平衡边界和井涌允值;也可自定义参数，如司钻反应时间、流量差门限、泥浆池增量、关阀时间等。同时，软件可根据当前的库存，以及用户定义的井眼和套管尺寸的组合关系，自动形成不同组合的井身结构方案，并自动进行复合管串的成本计算。StressCheck模块用于套管、尾管、不同直径组合套管的强度校核。该软件的突出特点有：综合的三轴应力计算模型，能根据不同工况下的抗内压、抗外挤和轴向载荷计算公式，快速、精确地进行套管强度校核;设计系数可依载荷工况而定，本体和接箍的系数可分别计算;包含简单和复杂的外部载荷剖面，具有固井质量、渗透层、泥浆降解和环空气串等选项;可模拟盐岩蠕变所引起的外挤载荷;考虑了在钻井、采油和注入时的温度变化所引起的载荷以及温度对屈服极限的折减率。另外，StressCheck软件包含了完整的API管材库和接箍数据，同时支持用户自定义管材以及与其他应用程序交换数据。endprint

2.2 斯伦贝谢—— TDAS软件

TDAS软件适用于注水井和深的HPHT气井，用户可使用TDAS获取整个三轴应力和API工况的分析功能。用户输入基本的数据，包括井轨迹、套管类型、外径、泥浆比重和下深。设置规则定义可接受的设计因素和工况情况。同时依据管柱的功能，TDAS能自动产生井径和设计工况。创建压力、温度、遇阻/超拉和轴向的工况条件信息，TDAS便能分析油气井或地热井中不同深度下的应力和伸长量。用户能定义套管性能数据，例如外径、重量、壁厚、材料、钢级和接头，温度影响因素，各向异性特征。TDAS也能够分析和设计接头强度，避免在接头处发生损坏导致套管失效。另外，TDAS软件具有成本控制的功能，它能从8000多个API管和接头的数据库中优选套管，用户也能够自主更新管材库。

2.3 DrillingSoftware软件—— CasingDesign

模块

CasingDesign软件适用于陆地、浅海和深海的直井和定向井，井身结构设计和套管强度校核。用户可选择默认的破裂、坍塌和轴向拉伸的安全系数，也可自定义安全系数进行计算。提供四种校核模式：海洋盐水密度梯度、轴向拉力、开发和生产，以及两种校核方法：二轴应力和三轴应力。软件设计时考虑油气密度梯度、过平衡泥浆比重、井口额定值等对套管设计的影响，并且考虑了温度对套管强度的影响。软件可自动根据井底温度，利用线性插值法来分析不同井深的温度，也可根据用户输入的每段套管底部的温度，来计算屈服强度的变化，并画出套管屈服强度随温度的变化曲线。掏空设计时，可根据不同工况选择不同比例的掏空系数，并加入掏空点的安全系数计算。数据库包含4000种不同的接箍，用户还可自定义接箍数据。软件的导航非常清楚，方便用户设计以及查看浏览。

2.4 DrillNet—— CasingModules软件

DrillNET是用来设计套管下深，套管柱强度以及提高固井质量和速度的软件。Casing Stress Check模块主要用于套管强度校核，校核时，考虑各种潜在压力因素，模拟套管串在实际环境中承受的压力状态。该软件能够处理定向井以及深海井等多种套管设计问题，并能灵活地满足油田各种需求。软件可以在地层压力剖面和套管下深位置的基础上，分析约束条件和压力，并核查套管设计是否符合用户定义的最小设计参数。它能模拟破裂和坍塌压力，并评估套管弯曲部分的轴向载荷和弯曲影响。该模块可计算出套管鞋的位置，然后分析井涌余量，堵塞边界以及不同套管鞋处的压力。Casing Wear模块用于计算和预测由于钻杆在井下旋转和井下的套管、隔水管以及接头相互接触、摩擦造成的套管磨损程度和位置，并计算磨损对破裂和坍塌压力的影响。该模块加强了计算磨损的数学算法，能计算钻柱和套管接触点的磨损量，分析钻柱防护套的位置和数量，比较磨损和深度的关系等。并包含套管数据库和磨损因子数据库。

2.5 Petroviser—— Casing Design软件

Casing Design软件用于套管设计和强度计算。为包括冻土层在内的各种特殊地层井的套管设计进行校核。无论对于直井、定向井和水平井，软件都能够计算影响套管和套管组合的基本载荷大小。拥有计算水泥返高、管柱液面高度、各层套管鞋深度等功能。软件计算非常形象化，输出的报告中可以显示多种图形，包括：套管外部压力和内部压力的图形，超额的外部和内部压力，和套管设计图表。报告可被打印出来。

3 对我国未来套管设计软件的建议

3.1 套管设计软件的开发需加强基础理论研究

套管设计软件的基础是建立在岩石力学、地球物理等基础学科上的，软件应结合地应力模块，根据实际测井资料和邻井资料， 收集井下温度、压力数据、以及是否有腐蚀气体、断层、地层倾角等信息，准确地预测井下地质环境的变化，判断地层的非均质性、地层倾角、岩石性质、断层、地震活动和地壳运动等。以便提高井身结构和套管设计地准确性，减小套管挤毁、腐蚀等复杂事故的发生。

3.2 套管设计软件应能满足多种环境的设计需求

海上油气储备丰富，国家正大力发展海上油气开发工作，因此我国的套管设计软件应包含浅海、深海套管设计模块，以适应海上钻井的需要。同时近年来，我国非常重视深井、超深井的开发，套管设计软件中应结合大学的理论研究成果，将温度对套管抗压强度的影响考虑进去。另外，蠕变地层挤毁套管的问题，近些年也多次出现。对于蠕变地层，套管设计软件应预测地应力的变化，模拟蠕变所引起的外挤载荷，再进行套管强度计算和校核。对于特殊复杂的适合双层组合套管的井，应增加双层组合套管设计模块。

3.3 套管设计软件应能满足油气生产时的需求

套管设计不仅要满足钻井时的需求，还应满足生产需求。套管设计软件应能对钻井和油气生产时不同工况下的套管强度进行校核，预防在实际生产过程中的套管损坏。另外，在生产过程中，也经常发生套管磨损的情况，因此，套管设计软件应增加套管地下磨损量计算模块，分析磨损对套管强度的影响。最后，为了实现成本最小化，软件应利用优化算法，在满足安全条件的套管组合方案中，选出最合理的套管组合方案[7]。

3.4 增强套管设计软件数据库的管理

增加非标的套管数据进入数据库，例如高强度、高抗挤，抗CO2、H2S的经济型套管。减小标准套管在设计时的局限性，更能适应高温高压、条件恶劣、腐蚀加剧的地质环境下套管强度设计。增加用户自定义的套管数据，包括套管柱、接箍等，扩展套管数据库[8]。

3.5 提升软件的可操作性和智能性

软件界面和人机交互需要进一步提升，让套管设计更加人性化，智能化。例如，增加设计导航，能绘出颜色鲜艳线条明显的图片等。改进设计结果的输出方式，使之更加多样，模版更为丰富，满足不同油田和井队的设计报告需要。

4 结语

套管设计和强度校核，是钻井和油气生产的关键步骤，套管设计软件一直是国内外关注和研究的重点。比较国内外的套管设计软件发展和现状，未来的套管设计软件，应结合三维应力模型，对影响套管柱使用寿命的各种因素进行分析，建立套管柱破坏失效数学模型;同时对影响套管柱成本的因素进行分析，结合工程实际，建立套管柱成本数学模型，形成一套综合考虑各种因素的套管柱优化设计专家系统。

参考文献

[1] 曹峰，杨力能.复杂工况下深井套管柱校核软件的开发[J].断块油气田，2009（2）：126-128.

[2] 刘清友，王国荣，刘峰.套管的计算机辅助设计软件研制[J].北京：石油机械，2000，28（2）：37-40.

[3] 周新义，董小卫，张高翔，等.套管柱设计及其软件研究[J].辽宁化工，2012（1）：37-40+108.

[4] 黄志强.盐膏层套管柱强度设计与软件开发[J].北京：石油机械，2009（8）：32-34+38.

[5] 宋军官.套管柱设计新方法及其软件编制[J].大庆石油学院，2003.

[6] 高德利，覃成锦.含盐膏层井复合套管柱优化设计技术[J].北京：石油钻探技术，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，雷杨，何英君，等.套管柱优化设计面临的问题及发展趋势[J].北京：国外油田工程，2010（11）：36-39.endprint