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1、油层套管的保护技术 油套管选择和使用中的问题及预防措施 韩 勇 20/10/2002 电话 13609203999 e-mail: Han_,李先念讲：石油工业是大量使用管子的工业。 石油管在石油工业中占有很重要的地位： (1) 石油管用量大、花钱多（CNPC约100亿元/年），节约开支、降低成本的潜力巨大。 (2) 石油管的力学和环境行为对石油工业采用先进工艺和增产增收有重要影响。 (3) 石油管的安全可靠性和使用寿命对石油工业关系重大。,提纲 油套管的总量需求 API套管使用性能及存在问题 国内外有关套管损坏的研究 油套管产品发展的趋势 几个重要问题 油、套管的粘扣和泄漏问题 油、套管的腐
2、蚀问题 套管的磨损问题 套管的挤毁问题 热采井套管损坏问题 高温高压井生产套管的设计 主要结论,油套管的总量需求,世界历年钻井数量,世界主要钢管厂家分布情况,1999年OCTG出口市场分布,全世界2002年OCTG约 需求约500万吨。按生产厂划分如下： DST 集团80万吨（包括NKK20万吨） VM集团60万吨 日本住友40万吨，川崎6万吨 俄罗斯60万吨 美国和加拿大45万吨（包括LONE STARV15万吨） 中国110万吨 （包括宝山30万吨，天津40万吨，宝鸡6万吨，成都6万吨，西姆来斯6万吨，其他5万吨） 印度及奥钢联等50万吨 罗马尼亚20万吨,中国市场： 国内 OCTG 总需
3、求量100万吨(2001) 中石油CNPC 70万吨，其中Tubing 18万吨, J55.N80占75%. 中石化SNOPC 20 万吨,其中Tubing 6万吨. 海洋COOC 10万吨,其中Tubing 3万吨. 高钢级等特殊管要进口1520万吨.,API套管使用性能及存在问题,API套管使用性能 API套管（API LTC，API BTC接头）的使用性能 API 5CT、API 5B、 API RP 5C1、 API BUL 5C2、API BUL 5C3、 API BUL 5C4、 API RP 5C5、API RP 5A2等规定或推荐了基本的操作性能。 按API制造的套管在使用中仍
4、发生的螺纹粘扣、泄漏（特别是气井）、挤毁与变形等。,对以下损坏情况，API套管性能不足或无适当的设计方法,注蒸汽井的套管损坏，如辽河、克拉玛依高温变形和接头强度特殊螺纹接头与耐热套管钢级 盐岩层和软泥岩蠕变引起的套管损坏，如江汉、中原、华北套管挤毁厚壁高抗挤套管 砂岩层压力亏空引起的套管损坏，如胜利孤岛、中原复合载荷下套管挤毁、剪切变形套管设计方法与非API厚壁套管，防砂措施 注水开发地层压力不平衡引起的套管损坏，如大庆、吐哈不均匀载荷下套管挤毁、剪切变形套管设计方法与非API厚壁套管，注水开发方案,对以下损坏情况，API套管性能不足或无适当的设计方法,非强性腐蚀条件下的套管腐蚀，如塔里木、长
5、庆 弱 CO2腐蚀、SRB腐蚀。（API普通管材腐蚀速度快，Cr钢价格高防腐设计） 射孔完井作业引起的套管损坏套管射孔开裂、射孔后套管的强度下降套管韧性要求、有孔套管的强度计算与设计,另外，华北、吉林、江汉、青海等油田套管损坏也严重，在吐哈、塔里木等新油田套管损坏也呈增加的趋势。,国外有关套管损坏的研究,国外有关套管损坏的研究,套管损坏问题涉及多方面问题，一直是国际上研究的难点和热点,国外有关套管损坏的研究 （套管剪切变形和屈曲示图）,注水引起油藏与周围地层剪切应力，超过层间强度造成滑移，损害油井。,地层滑移Mohr-Coulomb判据简单式：,套管“狗腿”的产生剪切,C-FERR认为套管变形
6、的原因： 在注蒸汽井的热循环； 在重油开采中存在大量砂层； 压缩或蠕变地层； 存在地层缺陷如断层、地层滑移等。,研究目的 弄清套管和尾管变形的机理和影响因素，指导以下工作： 修理已损坏井 减少现存井的变形 新井的开发设计如何延长使用寿命,研究程序 收集现场数据，明确套管问题的比例、分布和历史； 通过损坏井的测径等手段来进一步证实和完善现有数据； 建立和使用套管/地层间的有限元模型，包括套管的结构模型和周围地层的地质力学模型，确认主要的变形机理； 研究出经验模型或公式，用于预测套管的变形； 对于套管损坏治理方案，评价所选模型的有效性。,弯曲与外压复合载荷下套管挤毁（很复杂）,Corona & K
7、riakides(1988)公式： 应变位移方程,弯矩值计算,可以计算结构的整个特性曲线，确定固有极限载荷失稳。,射孔段套管损坏防治研究,选定目前采用的射孔工艺及射孔方式，对使用的套管进行模拟射孔，以评价出其对套管的影响程度（包括裂孔长度及分布、弹孔毛刺高度、外径涨大率等），以此数据及该区块井下载荷环境建立理论分析模型，对套管内应力进行计算和分析，同时用这些射孔试样进行全尺寸验证试验，以评价出其对套管超载能力的影响，根据理论和试验结果最终确定出适合的射孔工艺及方式。,研究手段,理论解析+有限元分析+全尺寸试验,（1）射孔后套管强度下降规律的研究 首先，是否射孔开裂？射孔后套管强度是否足够？ （
8、2）射孔段套管内部应力数值计算及强度分析 （3）最佳射孔工艺、射孔枪弹及射孔参数选择的研究 （4）防止射孔段套管损坏综合措施的研究,研究的内容,挤毁强度计算,预期目标,在油田可接受的射孔条件下，制定出防止套管开裂及损坏的措施，从套管选用方面解决油田套管的损坏问题（韧性指标）； 根据射孔套管强度下降规律，制定出射孔段套管柱设计的安全系数； 从防止套管损坏出发，对射孔工艺、射孔枪弹及射孔参数作必要的修订。 最大程度的减少射孔段套管的损坏，如减少80%与射孔作业有关的套管损坏。,国外油、套管产品发展的趋势,在油气勘探与开发中，遭遇的高温、腐蚀环境、复杂的化学、应力及极端的条件对改进OCTG产品提出了
9、很高的要求。,国外油、套管产品发展的趋势,对套管使用性能的主要要求,特殊钢级Proprietary steel grades 特殊螺纹接头Premium connections,AGIP高温高压井 TrecateVilla Fortuna Italy Deep Well OIL - GAS HIGH TEM- PRESSURE Bottom hole temp. 185 C Bottom hole pressure 15000 psi Depth 700 meters,DST GRADE,部分套管使用记录 - Gulf of Mexico set no. 1 in Louisiana or T
10、exas,14“ casing 99,43 lbs/ft P110 MACII R3 10“3/4 casing 105,4 lbs/ft VM110SS Vam HW ST-NA R3 9“7/8 casing 68,9 lbs/ft VM110SS Val SL R3 9“5/8 casing 58,4 lbs/ft Q125 New Vam R3 Total 9 5/8“ Casing 7“ casing 38 lbs/ft Q125 New Vam R3 5“ casing 23,2 lbs/ft Q125 Vam FJL R3,部分套管使用记录-Caribbean set no. 3
11、 in Colombia, Trinidad or Venezuela,Casing, 18-5/8“, 101#, N80, Big Omega, ERW Casing, 7-5/8“ 29.7# P-110 STL R3 Casing, 7“ 26# P-110 TCII Casing, 18-5/8“, 136#, N80, Big Omega, 0,693“WT, Casing, 18-5/8“, 136#, N80, Big Omega, 0,693“WT, Casing, 5“ 18# P-110 TCII R3 Casing, 5-1/2“20# P-110 STL R# Cas
12、ing, 9-5/8“,47#, P-110, 4T-STC Casing 5“, 18#, P-110, TC-II, R-3, Perforated Casing, 9-5/8“47# P-110 TCII,最新套管产品的开发趋势,140KSI 150KSI高强高韧性套管 140KSI高抗挤套管 抗CO2腐蚀套管 综合性能高的特殊螺纹接头，趋于类型集中，如TC-11、ANTARES，同时希望能用于注蒸汽热采井。 快速下扣、小间隙固井、套管钻井等功用特殊接头套管,VAM TOP (Tubing Oriented Product),5“ to 7 5/8“ - 5 TPI 8 5/8“ & a
13、bove - 4 TPI TAPER 1:16,VAM ACE XS (VAM ACE eXtra Strength),2 3/8“, 2 7/8“ - 8 TPI 3 1/2“, 4“, 4 1/2“ - 6 TPI TAPER 1:16,油、套管的粘扣和泄漏问题,API螺纹粘扣概念 粘扣在英文中的单词为galling，但在API的标准、规范或推荐作法里均无明确的定义。 在ISO/TC67/SC5中，明确的定义了粘扣，定义为：粘扣是接触金属表面的一种冷焊，这种冷焊在进一步滑动/旋转过程中发生撕裂。按照该定义，粘扣应该存在内、外螺纹之间的粘接。但更多的情况则是螺纹表面的擦伤，但该定义从文字上并
14、没有包含。 我们认为：粘扣是一种磨损现象，可定义为内、外螺纹之间在上、卸扣过程中基体发生转移的现象。这样，不仅包含了冷焊撕裂现象，也包含了细微的损伤，这此细微的损伤也是一种粘扣现象。 上、卸扣次数：在API SPEC 5B中，要求油管接头应经过4次上、卸扣不发生粘扣而损伤螺纹。在API RP 5C5中，要求套管接头能经过3次上、卸扣而不发生粘扣，油管接头能经过10次上、卸扣不发生粘扣。,锥度不匹配,试样配合间隙量,上扣试验曲线,上扣速度的影响,- 螺纹参数对泄漏抗力的影响 上扣扭距对泄漏抗力的影响 温度环境对螺纹脂压力的影响 压力介质对泄漏抗力影响 外界载荷对泄漏抗力影响 螺纹脂特性对密封性能
15、的影响 不同工矿条件下螺纹密封极限及适用范围,偏梯形和圆螺纹密封性能对比,不同锥度配合密封性能对比,烘干条件下螺纹脂气密封性能对比试验结果,油、套管的腐蚀问题,TGRC的近期研究工作 NACE会议19972002研究成果 腐蚀预测软件 CO2腐蚀 SRB腐蚀 耐腐蚀材料,内容1 CO2腐蚀规律和机理,针对几个典型油田腐蚀环境 对影响CO2腐蚀的各种因素如温度、分压、氯离子浓度等的宏观规律进行了大量的高温高压研究。 研究的材料对象 油套管钢材：N80、P110、P105、SM110、J55 缓蚀剂： WSI-02、CT2-4、DPI、TG-1 涂镀层： 有机涂层：PC400、DPC、TK236、
16、 HH205、TK-15 化学镍磷镀层 进行了下述均匀和局部腐蚀速率的影响因素研究 温度、CO2分压、介质流速、Cl-浓度、pH值、Fe2+浓度、 矿化度、井深等,图3-3 温度对均匀腐蚀速率的影响 试验条件：模拟溶液，静态，PCO2=2.5MPa，T=90C，2d,图3-5 流速对均匀腐蚀速率的影响 试验条件：模拟溶液，T=90C， PCO2=2.5MPa,图3-6 Cl-浓度对均匀腐蚀速率的影响 试验条件：模拟溶液，T=90C， PCO2=2.5MPa ，V=1.5m/s，,温度的影响,0.0032,0.0049,0.0045,0.0049,0.0442,13Cr,mm/a,腐蚀规律总结 温度对油套管CO2腐蚀有峰值现象，峰值在90左右 CO2分压、氯离子对CO2油套管腐蚀也有峰值现象 流速增加，加速CO2腐蚀 在所研究的范围内，PH对CO2腐蚀影响不大,内容2 抗CO2腐蚀缓蚀剂的评价研究,
