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1、毕业设计(论文)石油井下套管的轴向荷载和安全性分析系 别机电系专 业机电一体化技术学 号1203090318学生姓名袁子钦指导教师王春燕完成日期年月日 河北轨道运输职业技术学院毕业论文摘 要完井投产是石油生产中的关键环节，它连接钻井及后续的投产、开发。在套管强度设计中，最关键的问题是恰当地确定套管在整个使用过程中所承受的最危险的载荷情况。套管在钻井和生产过程中所受到的各种外载荷可归结为三种类型：内压载荷、外压载荷和轴向载荷，其产生的原因是多方面的。载荷分析的目的，就是根据钻井工况，完井后的生产工况和各种增产措施（如水力压裂、高压注水和酸化等，以及地层因素（如泥页岩吸水膨胀、地层滑动、高温高压下
2、盐岩蠕变和断层复活等）产生的载荷，从中找出最危险的载荷组合，结合考虑磨损、腐蚀和高温对套管强度的影响，选择满足强度要求、生产条件需要和服役寿命要求的套管组合。套管轴向载荷分布和井眼轨迹的形状密切相关，对于不同种类的井眼轨迹，它的计算难易程度有很大不同，至于二维井眼中套管柱的轴向载荷问题，针对不同的轨迹类型，也求得了相应的解析。因为定向井在设计阶段几乎都是二维的，所以这些解析非常适合于在设计阶段使用。该设计主要是针对套管的特点，对套管轴向载荷进行分析，设计出套管能承受轴向载荷的方法。关键词：石油井下套管；轴向荷载；安全性AbstractCompletion and commissioning i
3、s a key link in oil production. In the design of casing strength， the most critical problem is to determine the most dangerous load in the whole process. In the process of drilling and production， casing can be divided into three types: internal pressure， external pressure and axial load. The purpos
4、e of the analysis is based on the load， drilling conditions， after the completion of production conditions and all kinds of stimulation measures (such as hydraulic fracturing and high pressure water injection and acidification， and the formation factors (such as shale formation， water swelling， slid
5、ing under high pressure and high temperature creep of salt rock and fault reactivation etc.) the load， to find out the most dangerous load combination from in considering the effect of wear， corrosion and high temperature on casing strength， choose to meet the strength requirements and production co
6、nditions need and service life requirement of the casing. Casing axial load distribution and well trajectory shape is closely related to the well trajectory of different types， it is calculated the degree of difficulty is very different， as for the problem of two-dimensional axial load well casing s
7、tring， according to different types of track， also obtained the analytical. Because directional wells are almost two-dimensional in the design phase， these analyses are well suited for use in the design phase. The design is mainly aimed at the characteristics of the casing， the casing axial load ana
8、lysis， design of the casing can withstand axial load method. .Keywords: Oil well casing； Axial load； safety目 录第1章 引言11.1 研究背景及研究意义11.2 国内外研究现状11.3 研究内容21.4 研究方法2第2章 基础知识32.1 套管的分类与作用32.2 套管的安全问题32.3 内压力以及外挤力说明4第3章 石油井下套管轴向荷载的影响分析6第4章 提高套管安全性的有效措施74.1 套管损坏原因74.2 提高套管安全性的措施分析8第5章 结束语11参考文献12致谢14第1章 引言
9、1.1 研究背景及研究意义套管在油气井和油气田开发中的角色，不论是在功能上还是在建井费用上都占据着举足轻重的地位。随着国内外多数油田已进入中后期开发阶段，套管性能逐年降低，而井下工况越来越复杂，从而导致套管损坏日益增多，套管磨损性质愈发严重。油(水)气井套管的大量损坏，大大削弱了油气田稳产的基础，已经给我国乃至世界油气生产带来了十分严重的损失，从而成为制约包括我国在内世界上多个油气田持续稳定发展的一大重要因素为了开采石油和天然气，在油气勘探和开发过程中，凡是为了从地下获得油气而钻的井，统称为石油井。石油套管是用于支撑油、气井井壁的钢管，以保证钻井过程进行和完井后整个油井的正常运行。每一口井，根
10、据不同的钻井深度和地质情况，要使用几层套管。套管下井后要采用水泥固井，套管与油管、钻杆不同，不可以重复使用，套管按使用情况可分为：导管、表层套管、技术套管和油层套管。套管承受的载荷有套管自重力，泥浆浮力，岩层塑性流动、膨胀、垮塌的挤压力，井涌、井喷、井漏造成的管内外液柱压差，钻井过程中采用不同技术措施而产生的载荷，注水泥过程中产生的管内外压差，特殊作业如压裂、热力开采施加给管柱的载荷，采油后期由地层压实引起的载荷等。这些载荷可归纳为轴向及横向两种。轴向载荷又可归纳为拉伸力和压缩力；横向载荷也可归纳为内压力和外挤力。拉力及内压力对管体产生张应力，压缩力和外挤力对管体产生压应力。套管柱的轴向载荷主
11、要由管柱重力引起，套管各点所受的浮力和自重力合成后，就是套管柱所受的实际最大轴向力，合成点的连线就是套管轴向实际最大载荷线。1.2 国内外研究现状 套管安全性研究是在可靠性理论在其他行业得到广泛应用，套管的安全性能研究方法亟需改进的情况下提出来的。 1988年，Kwon考虑管柱自身重力影响得出了垂直井眼内管柱屈曲微分方程的半解析，解得出了管柱弯矩、侧向载荷以及轴向变形的计算式。2011年，李子丰针对油井日常生产过程中，始终处在内外流体的压力下，而生产管柱的稳定性可能受到影响进行分分析。建立了真实反映生产管柱状态的以轴向应变为常数的力学模型，对传统理论的力学模拟及各种虚构力进行讨论，推导了生产管
12、柱稳定性等效轴向力计算公式，结果表明，悬挂生产管柱的内外力变化对管柱本身稳定性没有影响，而对带封隔器或者铺定装置的两端固定管柱的等效轴向力和稳定性影响，并且随内流体压力增加，轴向拉应力降低，反之则增加。管内压力增加或者管外环空压力减小，都可能使管柱出现临界失稳。在套管强度设计中，最关键的问题是恰当地确定套管在整个使用过程中所承受的最危险的轴向载荷情况。我国现已经研究出了套管“最大轴向载荷”的设计，套管“最大轴向载荷”设计，是套管既能承受拉伸、内压和外挤三种载荷的全部最大轴向载荷，同时成本又最低，是既安全又经济的设计。目前，我国正在研究新一代的“最大轴向载荷”设计。1.3 研究内容 套管轴向载荷
13、分布和井眼轨迹的形状密切相关，对于不同种类的井眼轨迹，它的计算难易程度有很大不同，至于二维井眼中套管柱的轴向载荷问题，针对不同的轨迹类型，也求得了相应的解析。因为定向井在设计阶段几乎都是二维的，所以这些解析非常适合于在设计阶段使用。该设计主要是针对套管的特点，对套管轴向载荷进行分析，设计出套管能承受轴向载荷的方法。1.4 研究方法 （1）在图书馆和网络上查找相关书籍和资料，更多的了解相关知识。 （2）和指导老师同学交流相关知识、参考成功案例。 （3）对井下环境的分析与了解。 （4）对轴向载荷的内压力和外挤力进行研究。 （5）二维井眼中套管柱轴向载荷的解析。 （6）三维井眼中套管柱轴向载荷的迭代
14、计算。第 14 页 共 19 页第2章 基础知识2.1 套管的分类与作用每口井都要下入一层或数层套管，根据下入套管的用途不同，可分为导管、表层套管、技术套管、生产套管和尾管。 导管的作用是在钻表层井眼时将钻井液从地表引导到钻井装置平面上来。这一层管柱其长度变化较大，在坚硬的岩层中仅用1020m，而在沼泽地则可能上百米。 表层套管下入深度一般在30150m，通常水泥浆返至地表。用来防护浅水层污染，封隔浅层流砂、砾石层及浅层气。它也是井口设备（套管头及采油树）的唯一支撑件，以及悬挂依次下入的各层套管（包括采油管柱）。 技术套管用来隔离坍塌地层及高压水层，防止井径扩大，减少阻卡及键槽的发生，以便继续
15、钻进。技术套管还用来分隔不同压力层系，以便建立正常的钻井液循环。 生产套管的主要作用是将储集层中的油气从套管中采出来，并用来保护并壁，隔开各层的流体，达到油气并分层测试，分层采油、注水和分层改造的目的。通常水泥返至油层顶部以上200米。 所以套管容易发生损坏的是技术套管和生产套管。2.2 套管的安全问题造成油水井套管变形损坏由此产生安全问题的原因很多。习惯地，人们将套损的原因归结于地质因素，如岩层滑动、泥岩吸水膨胀、断层运动，地层出砂等等；工程因素，如工程设计不当，生产中注水开发、压裂、酸化等各种施工作业不当，固井质量不好等等；其他因素，如射孔问题，腐蚀问题等等。但从科学角度讲，套损是深埋于岩层中油水井套管在岩层地应力和其他物理化学因素作用下的变形和损坏，不同的原因导致不同的形态。由于受力状况不同，油水井套管的变形和损坏表现为不同的类型。主要变形可分为：缩径、弯曲和错断。弯曲变形是指套管某一段发生弯曲变形形态，在该变形段套管的轴线发生偏移，并伴随着椭圆变形。此变形形态多是由于套管受单向应力作用。缩径变形是指套管的直径减小的一种变形形态，主要受到泥岩吸水膨胀后所形成的外挤力作用。套管错断是指
