1、 本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目 塔里木油田井筒完整性状态评价方法学生姓名 高寒农 学 号 0717040132教学院系 石油工程学院专业年级 石油工程 2007 级指导教师 张智 职 称 副教授单 位 西南石油大学石油工程学院辅导教师 职 称单 位完成日期 2011 年 6 月Southwest Petroleum UniversityGraduation ThesisThe Method of Tarim Wellbore Integrity AssessmentGrade: 2007Name: Gao HannongSpeciality: Petroleum Engineer
2、ingInstructor: Zhang ZhiPetroleum Engineering Institute2011-6摘要 井筒是井内的流体通道, 也是井控工作的重要环节, 井筒的功能是否健全对于安全钻进具有重要意义, 井筒风险评价和完整性管理是钻井风险管理的重要环节。井筒完整性是井筒抵抗结构性破坏、维持井筒功能的重要属性, 是钻井工程井下安全的保证。井筒完整性评价的目的在于了解井筒风险状况, 以便防止井筒结构产生失效破坏。针对塔里木油田井深、高温高压等特点，本文研究了井下套管的磨损机理，分析了影响磨损速度的因素，建立了考虑套管磨损的抗挤、抗内压强度计算模型，开展了实例计算，讨论了磨损长度
3、、磨损深度对套管抗内压强度的影响。研究了套管腐蚀机理，分析了影响套管腐蚀速率的因素，建立了考虑套管均匀腐蚀、局部点蚀的套管强度计算模型，开展了实例计算。在上述理论研究的基础上，结合某井的实际情况，开展了实例计算。关键词：套管；磨损；可靠性AbstractThe wellbore is a channel of fluid in well and is also an important part of the work of well control, the soundness of the function of wellbore is important for safety drill
4、ing, risk assessment and integrity of the wellbore drilling management is an important part of risk management. Keeping wellbore integrity is an important property to resistance to structural damage and maintain the wellbore function ,and is the guarantee of underground drillings safety. For the Tar
5、im oil well, high temperature and pressure characteristics, the paper studied the wear mechanism of downhole casing analyzed the factors affecting the wear rate was established to consider the anti-extrusion casing wear, internal pressure strength model, carried out the calculation, Discussed the le
6、ngth of wear, the wear depth on the tube internal pressure strength. Corrosion mechanism of the casing, casing corrosion rate analysis of the factors to consider establishing a casing corrosion, pitting corrosion of the casing strength of the local model, example calculation carried out. On the basi
7、s of the above theory, combined with the actual situation of a well carried out example calculations.Keywords: wellbore ; wear ; reliability塔里木油田井筒完整性状态评价方法目录1 绪论11.1 井筒完整性评价的目的及意义 .11.2 井筒完整性评价国内外研究现状 .11.3 塔里木井筒完整性评价的内容和方法 .22 套管磨损机理及磨损后剩余厚度剩余强度计算.42.1 套管磨损机理 .42.1.1 套管磨损发生的原因 .42.1.2 套管磨损的形式和机理分析
8、 .62.1.3 影响套管磨损的因素 .92.2 套管磨损后剩余厚度剩余强度计算 .102.2.1 套管磨损面积和磨损量的计算 .112.2.2 套管磨损后剩余强度计算 .142.2.3 磨损长度和磨损深度对套管抗内压强度的影响 .183 套管腐蚀机理及腐蚀后剩余厚度剩余强度计算233.1 套管腐蚀机理 .233.1.1 套管腐蚀根源及基本分类 .233.1.2 套管腐蚀机理 .233.1.3 主要腐蚀性组分的腐蚀机理 .253.1.4 影响套管腐蚀的因素 .273.2 套管腐蚀后剩余厚度剩余强度计算 .303.2.1 套管腐蚀引起的应力集中 .303.2.2 套管腐蚀后对套管强度的影响分析
9、.364 实例计算405 结论与建议.45谢辞.46参考文献.47塔里木油田井筒完整性状态评价方法11 绪论1.1 井筒完整性评价的目的及意义井筒是井内的流体通道, 也是井控工作的重要环节, 井筒的功能是否健全对于安全钻进具有重要意义, 井筒风险评价和完整性管理是钻井风险管理的重要环节。井筒完整性是井筒抵抗结构性破坏、维持井筒功能的重要属性, 是钻井工程井下安全的保证。井筒完整性评价的目的在于了解井筒风险状况, 以便防止井筒结构产生失效破坏。从地质特征和钻井情况看, 井越深, 地下情况越复杂, 井控难度越大,一旦发生事故, 后果将十分严重。从风险发生的概率和事故风险后果来看, 油气层钻井阶段是
10、井筒完整风险最大的阶段。套管是井筒的主要部分, 是保护井壁及井内设备，隔开各层流体，保证油气水井生产活动正常进行的通道。随着生产活动的进行，长期埋藏于地下的套管处于极为恶劣的工作环境，套管将迅速的发生磨损和腐蚀，一旦磨损和腐蚀严重，套管损坏，就不得不停产修复，甚至报废。而在测试过程中, 井下套管的工作环境极为复杂, 深井、超深井作业、复杂的地应力作用、岩层腐蚀性介质的作用、较大井斜等诸多因素使得套管磨损腐蚀问题经常发生。所以对套管磨损进行预测和评价以及磨损后抗挤抗拉强度的计算,套管腐蚀后剩余强度的计算对于井筒完整性评价有重要的意义。在塔里木盆地, 尤其是库车前陆地区由于构造高陡复杂、地应力强、
11、储层孔隙异常高压, 油田井深、地质构造复杂, 大多数井为高温高压井, 并且塔里木油田有多个区块为高压气井, 且含有 CO2、H 2 S 和 Cl- 等腐蚀介质。所以对油套管的磨损和腐蚀作用强，及早发现套管的风险性过大，能有效地进行改进和修补，具有重要的经济效益，所以对塔里木井筒套管的完整性进行评价非常重要1.2 井筒完整性评价国内外研究现状1) 国内研究现状21 世纪初期，余磊，董蓬勃，董小钧 1-3等人就套管磨损机理及磨损形式做了研究，他们把影响套管磨损的因素总结为：钻杆与套管的接触力，狗腿严重度，泥浆成西南石油大学毕业设计（论文）2分，套管钢级。并且提出磨损的形式主要为：磨粒磨损，粘着磨损
12、，腐蚀磨损，疲劳磨损和腐蚀磨损这五种。近 40 余年来, 国内外在套管磨损预测技术方面进行了一系列的研究, 认为井下套管磨损主要由钻杆接头的旋转、钻杆本体的旋转、钻杆护箍的旋转、起下钻、起下电缆等钻井作业造成的。其中,钻杆接头的旋转造成的套管内壁磨损最为严重, 也是近年来井下套管磨损预测技术的主要研究内容。在套管磨损后剩余厚度及强度计算上，国内大多采用“磨损效率”模型，将金属的磨损量与磨损消耗的能量联系起来。90 年代末 21 世纪初，毛克伟，王芙庆，赵国仙 4-7等人研究总结出套管腐蚀的机理大多为：溶解氧腐蚀，CO 2腐蚀，H 2S 腐蚀，细菌腐蚀，盐酸腐蚀，结垢腐蚀等，并提出影响腐蚀的因素
13、为：温度，压力，离子浓度，和地层中还原菌浓度等。近两年，张智 8等人针对 API/ ISO 或 GB/ SY 标准设计的油管、套管不能完全保证在服役过程中完整性的现状,参考挪威石油工业协会 NORSO KD2010 标准,研究了“井筒完整性设计”的理念和设计方法,提出了井下作业的井筒完整性管理方法,防止井下作业工具对套管可能产生的潜在损伤。而卢亚峰，林元华和石晓兵 9等人在本体应力集中系数应力分量表达式的基础上, 推导了浅半球腐蚀孔、半球腐蚀孔及深半球腐蚀孔的应力集中系数表达式, 并对油井管的剩余抗挤强度进行修正,同时应用推导的腐蚀孔应力集中系数公式对套管的剩余抗挤强度影响规律进行研究，并建立
14、 CO2 点蚀模型, 以点蚀后套管的剩余强度为出发点, 应用弹塑性有限元方法分析了点蚀套管的抗挤强度、抗内压强度、抗拉强度的变化。2) 国外研究现状20世纪90年代以来, 为满足钻井工程设计对套管磨损预测的需要, Maurer、Landmark 等钻井技术服务公司在欧美各大石油公司的支持下, 先后对陆地钻井套管和海洋钻井隔水管的磨损开展了大量的实验室研究和现场试验研究,并在此基础上开发出了CWEAR、WEAR2000和Grant Jardine等套管磨损预测软件,并得到了较成功的应用。1.3 塔里木井筒完整性评价的内容和方法井筒完整性评价主要从研究套管完整性入手，其次是研究水泥环完整性（评价指
15、塔里木油田井筒完整性状态评价方法3标、风险分级、水泥环风险的综合评价） ，然后是地层风险（地层评价的对象是地层的流体及其压力,孔隙类型） ；最后通过前述计算，讨论塔里木油田井筒完整性评价方法。本文详细研究的以下四个内容：a) 套管磨损机理研究b) 套管磨损后剩余厚度剩余强度计算c) 套管腐蚀机理研究d) 套管腐蚀后剩余厚度剩余强度计算其中，机理研究多为调研查阅资料和翻译学习 SPE 内容，剩余厚度剩余强度计算为前人总结给出的计算模型，并使用该模型，对一组井场中实际的数据进行计算实践。西南石油大学毕业设计（论文）42 套管磨损机理及套管磨损后剩余厚度剩余强度计算2.1 套管磨损机理2.1.1 套
16、管磨损发生的原因磨损是摩擦物之间接触表面由于发生相对运动, 在接触应力下表面发生损伤导致材料流失的过程。在钻井或者修井过程中，起下钻时，套管内壁的磨损不是来自钻杆的往复运动，而是钻杆接头的旋转。因为钻杆接头和套管内壁接触，且承受的是侧向力，所以钻杆接头的旋转是造成套管内壁磨损的主要因素。因为在实际钻井过程中，井眼都是弯曲的，所以都存在狗腿度，在通过弯曲的套管时，钻杆一侧和套管存在正压力，这个正压力也是造成套管内壁磨损的因素。当钻杆出现横向震动时，钻杆会与套管内壁出现接触，从而对套管的内壁造成磨损。值得提出的是,由于钻杆的公转，在塔里木油田，克参1井、东秋8井、却勒1井、却勒4井等10余口深探井发生了严重的套管磨损问题，根据研究表明，深井和超深井底部井段,钻柱所受拉力较小,公转现象严重，因此，因为钻杆涡动而造成的深井，超深井的套管磨不容忽视 10。由此我们可以得出下表2-1：表2-1 钻杆运动形式与套管磨损形式钻杆运动形式 可能出现的套管磨损形式钻杆公转 滑动磨损钻杆自转 滑动磨损横向振动 接触疲劳磨损小振幅周期性横向振动 微动磨损
