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1、油气钻采管柱概论总复习,高宝奎(研究员),考试安排,6月7日，13：3015：1503-1、03-2、03-5：共71人，3-10503-4：34人，3-30403-3：28人，3-305留学生：6人，3-301,设计内容,钻杆接头附近的刺漏,钻井方式及钻柱,常规钻井：钻杆+加重钻杆+钻铤（+动力）+钻头套管钻井：套管+钻头连续油管钻井：连续管+动力+钻头其它,钻井过程中管柱的工作环境,高轴向应力高扭矩剧烈振动交变应力腐蚀冲蚀,波纹管,管柱变形计算方法,自重效应,活塞效应,在截面变化位置和底端，因流体压力引起的变形。,膨胀效应,由于管内外流体压力，引起轴向伸长、缩短。,温度效应,各向均匀膨胀,
2、管柱屈曲分析,内压可引起管柱屈曲外压有利于管柱稳定轴向力为拉力时可屈曲,底部钻具失效原因,造成套管损坏的原因复杂，主要有以下几方面：,由于地层条件的复杂和新钻采条件的苛刻，导致套管的服役环境更加恶劣，不可避免的造成套管的损坏，这是客观原因。,设计不完善、套管选用不当、套管本身的性能缺陷。,施工工艺不合理对套管造成损害。,在管柱设计方面，传统管柱设计中，只进行强度设计，而很少考虑其他因素,对于深井、超深井、高压井以及天然气井，这种设计的可靠性很差，在实际使用过程中即使强度不出问题，但可能因螺纹泄漏或因腐蚀而导致管柱失效。所以对于深井、超深井、高压井以及天然气井等复杂井的设计，除进行必要的强度设计
3、外，要综合考虑强度、密封和腐蚀等因素进行管柱设计。即使强度设计也要考虑温度、磨损以及地应力等特殊因素的影响。在钻柱的优化组合设计方面也做的不够理想，深井、超深井、复杂井上部大井眼及下部小井眼的钻柱设计都不同程度地存在问题。,油井管失效的原因,在国外已比较普遍使用的特殊螺纹和特殊钢种的油井管，在我国油田还要依赖进口。特别是油田目前还急需的耐腐蚀套管(如13Cr套管)、高钢级套管(140KSI以上强度)基本不能生产。这也造成油田做好了管柱设计，却没有管子可用，被迫选用替代品，为后续生产留下隐患。,中国油井管存在的问题,对油井管的性能特点还缺乏足够的了解，导致选错管子、用错管子,在套管选用方面，认为
4、强度越高越好、壁厚越厚越好,套管厚壁厚到一定程度，其抗拉、抗内压强度受接箍的制约，无法进一步提高,实际上在含有某些腐蚀介质的井中，钢级越高其危险性越大,油井管失效的原因,一些施工工艺对油井管缺乏保护,钻柱组合、钻压、钻速匹配是否合理，对钻柱的寿命有较大影响,钻井工艺、泥浆类型和井身结构与套管的磨损有很大关系,测试方案对作业管柱的安全性至关重要,油井管失效的原因,API钢级列于API SPEC 5D的钻杆管体钢级有E75、X95、G105、S135。API SPEC 7 规定了钻杆接头、钻柱转换接头和钻铤的技术条件。ISO/WD11961将钻杆管体和钻杆接头合二为一，形成了真正的钻杆标准。,钻柱
5、构件,ISO/WD11961，对钻杆韧性要求有重大的变化。这些变动是采纳了几家油公司的提案，并且建立在大量科研工作的基础上即“先漏后破”准则。,非API钢级 超高强度钻杆，如新日铁的ND-150D、ND-165D，V&M的MW-V-170等。高韧性钻杆，如Grant的S135TM高韧性钻杆，-20时，CVN98.9J。限制屈服强度钻杆，如V&M的MW-CE-75和MW-CX-95，适用于酸性环境油气井。强酸性环境用钻杆，如V&M的MW-CS-95，Grant的XD-105等。,钻柱构件,API钢级 API SPEC 5CT油套管分为4组，18个钢级。,套管和油管,非API钢级 用户实际使用的油
6、套管约40是非API钢级。(1)用于深井、超深井的超高强度油套管 它们在具有高强度的同时，有足够的韧性。(2)用于寒冷地区的低温高韧性油套管 这些材料在屈服强度达到规定值的同时，有很高的低温韧性。(3)高抗挤套管它们的抗挤性能比相同钢级的API油套管高出2050%以上。,套管和油管,非API钢级（4）抗H2S应力腐蚀的油套管（5）同时兼顾抗硫和高抗挤性能的油套管（6）耐CO2腐蚀的油套管（7）耐CO2+低H2S腐蚀的油套管（8）耐CO2+H2S+Cl-腐蚀的油套管,套管和油管,ERW油套管 油管和套管除采用无缝钢管外，还采用高频电阻焊管（ERW）。ERW焊管的原材料钢板（板卷）系低碳微合金化钢
7、经TMCP轧制而成，具有良好的强韧性。ERW焊管尺寸精度高、表面质量好，价格也比较便宜。ERW油套管的用量已占全部油套管的50左右。,套管和油管,钻柱构件服役条件 起下钻时，由于自重，钻柱承受轴向拉力，其值越接近井口越大。因井眼内钻井液浮力的作用，下部一段钻柱受到轴向压应力，同时使上部钻柱的拉伸应力减小。在正常钻井过程中，下部钻柱承受轴向压力。钻盘钻井时钻柱处于旋转状态，承受扭矩和离心力。在轴向压力和离心力的共同作用下，钻柱发生弯曲。弯曲的钻柱在钻井过程旋转便产生了交变应力。在井眼偏斜、方位变化大的情况下，钻柱承受的交变应力很大。除拉、压、弯、扭载荷外，钻柱还承受强烈的振动。钻柱内壁受高压、高
8、速钻井液的冲刷，外壁受套管或井壁的摩擦。起下钻作业中的猛提猛刹，产生较大的冲击载荷，容易使钻柱瞬时超载。腐蚀、温度、井下压力也是不可忽视的服役条件。,油井管服役条件,套管柱服役条件 套管柱在建井、完井和油气井生产过程经受长期载荷和环境的考验。在下井及固井过程，套管柱承受轴向拉伸载荷及外挤力、内压力三种外载。采用射孔方法完井的生产套管柱，需承受射孔弹的大能量高温瞬时冲击载荷。在长期的油气开采过程，除承受地层的外挤力外，还可能经受长期高压注水、多次压裂酸化的作用。腐蚀介质也是套管重要的服役条件。,油井管服役条件,油管柱服役条件 对抽油机井而言，油管所承受的载荷随着上、下冲程发生变化。下冲程高于上冲
9、程。两者之差大体上相当于液柱作用力以及液柱与油管间摩擦力之和。这样，油管柱实际上主要承受轴向拉拉交变载荷。根据油井情况的不同，油管柱还承受不同程度的弯曲应力。腐蚀介质是油管柱重要的服役条件。环境温度（井下温度、稠油热采等）也是不可忽视的。,油井管服役条件,油井管的失效模式可用八个字概括：脱、漏、粘、挤、破、裂、磨、蚀 脱管体螺纹从接箍内滑脱 漏螺纹连接处失去密封 粘螺纹粘结 挤管体挤毁 破管体受内压爆破 裂拉断、错断、纵裂、射孔开裂以及疲劳、应力腐蚀开裂等 磨如套管与钻柱相互磨损 蚀腐蚀及应力腐蚀,油井管失效模式,氢 脆由于氢和应力的联合作用而导致金属材料产生脆性断裂。高强度钢等在低于屈服强度
10、的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在内部特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐渐扩展，最后会突然发生脆性断裂。显著降低金属材料的伸长率。,钻井液腐蚀 钻井液PH值大致反映了其腐蚀性的大小。各类钻井液PH值不同，但大都在碱性范围内。添加钻井液处理剂以及有H2S、CO2侵入时，PH值会降低而增加腐蚀性。如果钻井液中存在溶解氧，则其腐蚀性大大增强。溶解氧腐蚀是钻柱寿命下降的最重要原因，一方面氧的来源多，同时溶解氧腐蚀都是在中性和碱性环境中发生的，而钻井液绝大多数是中性和碱性。钻井液中含有大量离子，如氯离子等，能够直接或间接地腐蚀钻柱。,疲劳破坏过程,裂纹萌生裂纹扩展失稳断裂,绝大部分时间,套管和油管
11、在下井及固井过程，套管柱承受外挤力、内压 力和拉伸、压缩、弯曲载荷。在长期的油、气开采过程，除承受地层外挤力外，还可能经受长期高压注水、多次压裂酸化的内压。油管柱除与上述套管柱相似的载荷外，还承受轴向拉-拉交变载荷。此外，环境温度(井下温度、稠油热采等)的热应力也是不可忽视的。在上述复合载荷下，API圆螺纹和偏梯形螺纹难以保障油、套管柱的结构完整性和密封完整性。据API报导，套管86%的失效事故发生在螺纹连接处。,油井管柱螺纹连接,较高气密封性,API螺纹油、套管存在问题,密封性不可靠,特殊螺纹接头油、套管的设计特点,特殊螺纹接头油、套管的主要优点,高连接强度,耐粘结性好,耐高温蠕变及变形,抗
12、过扭矩能力提高,抗弯曲能力提高,抗压缩能力提高,耐应力腐蚀,连接强度低,上扣控制难,密封结构,螺纹形式,扭矩台肩,特殊螺纹接头不再单纯依靠螺纹过盈配合及螺纹脂的封堵作用实现密封，普遍增加了主密封结构，即由光滑的金属表面过盈配合而实现密封，有的同时设计有弹性密封结构，从而实现了多级密封，其气密封压力可达管体内屈服压力。特殊螺纹接头大多采用改进型偏梯形、钩形、楔形螺纹，并增大锥度、优化应力分布，使螺纹连接部位与管体等强度。全球生产的特殊螺纹接头油管和套管已占全部油、套管产量的21。,油井管柱螺纹连接,钻柱变形,轴向变形扭转变形横向变形,弯曲屈曲,平面屈曲蛇形屈曲螺旋屈曲,钻柱运动状态,自转公转滑动
13、振动,正向反向,轴向横向扭转,纵向振动：全井都有可能发生纵向振动，并导致钻柱破坏。地面观察明显。,扭转振动：全井都有可能发生扭转振动，并导致钻柱破坏。地面观察较明显。,横向振动：下部受压段易发生横向振动，并导致钻柱破坏。地面观察不明显。,上部受拉段，钻柱绕自身轴线旋转。,下部受压段，钻柱绕自身轴线旋转、反向涡动。,钻柱若存在弯角则正向向公转。,直井钻柱运动状态分析,由于钻柱靠重力作用躺在井壁下侧并与井壁产生滑动摩擦，导致：纵向振动减轻 横向振动减轻 扭转振动减轻 反向涡动减轻或消失 所以在斜井中，钻柱振动导致的疲劳破坏较少。,斜直井钻柱变形与运动,温度对套管及油管性质的影响,温度对套管及油管性
14、质的影响,套管磨损位置,井口附近对中性差直井下部井段井斜影响弯曲井段,杆管偏磨机理,杆管偏磨机理探讨,1井眼形状造成杆管弯曲偏磨实际的井眼并非直线，油管、抽油杆在井筒中所呈现的工作状态是直线状态或曲线状态，井眼的控制。在呈现空间曲线的套管中，油管是弯曲的，抽油杆与油管相互接触是不可避免的。,杆管偏磨机理探讨,2管杆弹性变形造成弯曲偏磨上冲程时抽油杆受轴向拉力伸直油管内压增加、轴向力受附加压力弯曲下冲程时抽油杆下部受轴向压力弯曲油管内压降低、轴向力受附加拉力伸直,杆管偏磨机理探讨,3采油工艺特性造成管杆弯曲偏磨在定向井、斜井中由于采油工艺的需要，泵深在造斜点以下，从而造成管、杆倾斜,形成摩擦损伤
15、。,杆管偏磨位置,现场深井泵泵上10500均发生管杆偏磨在30400这段偏磨特别严重抽油杆、油管磨损的程度都较严重，有的抽油杆磨损长度达23,油管偏磨防治措施,使用油管锚：压缩锚、拉伸锚使用油管扶正器,抽油杆偏磨防治方法,加重杆防磨器旋转井口斜井泵,增加流动阻力限制流量,油管上部泄漏,深水隔水管存在的问题,钻井船、平台定位：靠动力定位 隔水管振动：海水、管内流体引发振动 隔水管稳定性：重力、海水、管内流体轴向失稳 隔水管回弹：在隔水管底端突然断裂时，顶部张紧力和流体都使隔水管回弹 共振：船吊着隔水管，隔水管下端断开时就会随船起降，因而有惯性，可能发生共振 隔水管结构：浮力装置、接头,隔水管稳定
16、性,21”外径隔水管，6000英尺水深，净重150吨，张力器需要700吨张力，以使整个隔水管受拉（SPE23858）为减小张力，使用浮漂（合成泡沫）、浮箱（SPE13479）,使用浮力装置的好处,减少平台负荷 防止回弹 防止共振 快速撤离,常规蒸汽吞吐管柱与氮气隔热助排管柱示意图,高温长效隔热注汽管柱结构示意图,井筒高温效应,高温对水泥环的影响引起固井水泥环强度衰减或碎裂水泥石与套管胶结脱离高温对套管的影响有两方面使套管的屈服强度降低使套管产生热膨胀变形，表现为注汽时井口套管伸长，停止注汽后套管收缩发生丝扣滑脱或断裂,解决高温问题的途径,在油井水泥中掺入石英砂以提高水泥环抗温能力和对套管的粘结
17、力；对生产套管施加预应力，即在水泥凝固前对套管预提拉力，以抵消高温产生的部分热应力；使用井口套管伸缩短节。其中加砂水泥与预应力固井技术为成熟技术在区块完井中推荐使用。,套管钻井的优势,套管扶正器,套管扶正器主要用来防止套管及套管接箍的磨损便于注水泥和辅助清除岩屑减少套管弯曲套管扶正器是由扶正器和调整套组成，调整套是半开口，外表为锥形，可以补偿套管尺寸误差。当扶正器热装冷却后，套管与扶正器紧紧地连在一起。,套管抗扭能力,在套管钻井中，希望套管有足够的抗扭能力，因为整个钻井的旋 转机械能量都是由它来传递。一方面要使套管丝扣有较大的承扭能力，另一方面要保证不能因为丝扣的改进，使套管的成本有较大的提高
18、。,套管钻井套管问题,磨损振动与疲劳丝扣井斜控制弯曲扭转剩余寿命,套管钻井实验,有待进一步深入研究的几个主要问题（1）套管管柱力学研究、完钻后套管柱疲劳寿命预测及完钻后含有外表面磨损缺陷的套管柱剩余强度预测。（2）套管钻井井身质量保证技术及措施（套管钻井钻井参数优化设计）；（3）为适应井深1500米以上井套管钻井应用的需要,开展可更换钻头的套管钻井技术的探讨与研究。,连续油管的应用领域,压力衰竭油气层作业裂缝油藏（漏失循环液）作业边际油田开发环境敏感区作业液体敏感地层（欠平衡）作业钻完井作业,连续管优势,体积小，易于搬迁，在海上作业有很好的适应性。适合于海上和陆地许多条件下的井下增产作业措施，
19、如气举、替喷、防砂筛管的解堵、冲砂、酸洗，甚至近年来还发展有利用连续油管下电泵技术。不用动井下的管柱，作业效率高，同时安全性也大为提高。在油田的开发后期，增产技术措施，修井作业，检泵作业等等，有着十分突出的特点和优势。在欠平衡钻井，钻定向井方面也有很好的应用并且正在作业安全与作业效率方面发挥了重要的作用。,连续柔性管过去主要用于修井和完井作业。连续柔性管是一种强度和韧性良好的钢管，卷在滚筒上。过去主要采用ERW焊管，现在已试制成功无缝钢管连续软管。目前正在研制复合材料连续管。中国尚不能生产连续软管。连续柔性管的屈服强度一般为492或562MPa，现已发展到703MPa。连续柔性管用钢必须有良好
20、的强韧性匹配，以保证较高的低周疲劳寿命。,连续柔性管钢管材料,大位移井套管下入方法,全掏空下套管：整个套管柱在下入过程中不灌钻井液。常规漂浮法：套管柱下部灌钻井液，上部掏空推动套管下入。常规下入法：边下边灌钻井液推动套管下入。采用同钢级壁厚不等的套管柱：在满足抗挤 条件下，下部采用壁厚较薄的套管串，上部采用壁厚较厚的 套管串。尾管加重下推完井管柱结构及下入技术：利用钻铤、加重钻杆等钻具组合增大轴向力，直至把尾管送到预定位置。使用漂浮接箍：下部套管掏空，上部灌钻井液。,思考题,1、油井管的失效模式可用八个字概括：脱、漏、粘、挤、破、裂、磨、蚀。每个字的含义。2、特殊螺纹接头油、套管的主要优点。3、高温蒸汽吞吐热采井套管损坏比例高的原因及主要防范措施。4、深井中钻柱的受力、变形、运动、振动特点。5、大位移井套管下入是个关键问题，现在常用的方法。6、有杆抽油系统中，管杆偏磨的原因和常用的解决措施。7、套管钻井的优势和目前存在的主要问题。,
