高抗挤毁套管基本知识.docx

高抗挤毁套管基本知识1、开发背景自 20 世纪 70 年代以来，油田套管损坏问题十分严重据统计 到2002 年底，我国油田套管损坏井数已达两万多口， 国外也存在同 样问题一般来说，除套管设计和施工方面的原因之外造成上述大量套 管非正 常损坏的主要原因有：高压注水造成断层或泥岩层进水，导 致地应力异常及 地层位移变化，使套管错断或破裂；地层压力变化 不平衡造成地层岩石骨架 变形，在进水的滑移面上产生错切位移； 盐岩、泥岩吸水蠕变非均匀外挤应 力导致套管缩径或挤毁；疏松砂 岩出砂造成套管围岩坍塌挤毁套管或使套管 弯曲变形； 射孔、出砂、 压裂等作业使套管破裂； 热采井的高温循环载荷 使套管拉断或脱扣； 弱胶结地层压实作用产生附加载荷使套管弯曲；地层矿 物、地下水 或注入水使套管腐蚀穿孔甚至难以承受设计载荷而破坏等等统计资料表明，国内油田多数套损属于套管不能承受外挤力而 产生损 坏以国内某油田为例，截止 2001 年底，该油田统计套损井 1599 口，其 中套管被挤毁井 1198 口，占套损井总数的 75%并且 多数套管损井的使 用寿命低于设计年限井况的恶化不仅破坏了注 采井网，影响了增产增注措 施的实施，而且还造成储量和产量的损 失，从而严重影响着油田的稳定与发 展。

几十年来，生产厂家和油田用户在防治套管的被挤毁方面进行 了不懈 的努力在油田方，开发了双层复合套管， （两层套管之间填 充高强度水 泥），以及增加套管外水泥强度和厚度等办法来提高下井 套管的高抗挤毁强 度；而生产厂家则在提高套管的抗挤毁能力方面 进行了深入的研究， 在对 套管的抗挤毁强度影响因素的研究中发现， D/T 、不圆度、壁厚均匀度、材 料强度、套管壁厚、残余应力 等对套 管的抗挤毁强度具有显著影响在认 清了这些影响因素的基础上， 通过对这些因素进行有效地控制， 进而开发 了一系列的高抗挤套管 这类高抗挤毁套管，比同规格同钢级的 API 套管 的抗挤毁强度高出 20%~60%，有些规格抗挤毁强度甚至较 API 更高一钢 级套管和更厚 一级壁厚套管的抗挤毁强度还要高 API 规格高抗挤毁套管 的研制， 解决了部分常规的油田需要，但在一些油田对套管抗挤强度的特殊 要求，则仍然无能为力 20 世纪 90 年代之前， 尽管市场对高抗挤 毁套 管有急切的需求，但由于各种条件的局限， 在选用高抗挤毁套 管方面，只 能局限在 API 规格范围内这种解决方案在许多情况下 并不能真正解决问 题仍以前面提及的某油田为例，为解决油水井 套管抗挤毁问题，将下井套 管从80Ksi钢级提高到IIOKsi钢级高抗挤毁套管，将少139.是・17mm 的壁厚提高到少139.7X10・54mm的壁厚（API 5CT规范中的最大壁 厚） 。

然而，这样做的结果也只能将 油水井寿命由原来的平均 6 年提高到 7 年如何防范盐膏层蠕变挤毁套管， 是某油田长期攻关解决的重大 技术 难题通过对该油田现场统计分析与反演得出：盐膏层蠕变对 生产套管产生 的最大等效外挤压力为167Mpa，而API标准套管（内径不低于118mm 的现有套管）的最大抗挤强度尚未超过 120Mpa， 因而无法克服如此巨大 的盐膏层外挤载荷目前国内各个油田套损情况都很严重 尤其是对含岩盐层、泥 岩层 的油田以及实施注水、热采等工艺的油田油田套损的主要原 因基本上都可 以归咎于套管受到了非均匀载荷的影响2、挤毁失效机理2.1 、套管失效基本形式 套管的失效形式可用八个字概括：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：螺纹粘扣挤：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：套管与钻柱互相磨损蚀：腐蚀及应力腐蚀2.2 套管挤毁的失效机理高强度高抗挤套管主要用于深井及超深井或地层条件复杂对套 管性能要 求苛刻的场合 因此，要求套管具有高的抗拉及连接强度， 优异的抗挤毁 能力，良好的密封性能等良好的综合性能，而其中的 核心是套管的抗挤毁能 力。

套管被挤毁主要是分为套管在外挤压力 作用下的破坏形式和地层流体内 压力作用下的破坏形式当外挤压 力和地层流体内压力使套管的管壁上产生 的应力强度达到或超过套 管屈服强度时 , 管体发生了塑性变形，即发生套管 挤毁的失效2.2.1 外挤压力及套管的抗挤强度2.2.1.1 外挤压力 套管柱所承受的外挤压力主要来自管外泥浆柱压力，地层 中流 体压力、易流动岩层侧压力以及挤水泥和压裂时的挤压力在水泥 面以上套管柱是承受的泥浆柱压力在水泥封固段水泥环具有一定 承载能力，但计算困难，目前 API 套管柱设计中仍按泥浆柱压力计 算，油田一般按盐 水柱压力 （盐水压力梯度 10.7-11.52 千帕／米 ）计 算计算外挤压力时，在 API 常规套管柱设计中都按最危险情况考 虑，即 认为套管内没有液柱压力的全掏空状态，如钻井过程中发生 井漏、井喷或开 采后期外挤压力按以下公式进行计算P=0.01式中ym――套管外环空泥浆密度（或盐水密度），克/厘米3,H ——计算点井深，米，P 套管柱所受外挤压力，兆帕上式表明，井底套管柱受到外挤压力最大，愈往上愈小2.2.1.2 套管抗挤强度 套管柱在外挤压力作用下的破坏形式，除少数小直 径和厚壁的 套管外，主要是失稳破坏，而不是强度破坏。

失稳后的套管被挤扁 （ 轻者） 或破裂，使钻头或其它井下工具不 能 通过，地层封隔遭到破坏，将被迫停钻或停产，套管损坏严重者 油气井报 废套管抗挤强度取决于材料性能、横截面的几何形状和套管所承 受负荷 的状况 理论分析和实验研究指出， 套管径厚比 d/t （ 外径/ 壁厚） 较 大时，属于失稳破坏即当外挤压力达到套管抗挤强度时， 套管管壁产生弯 曲变形 （挤扁） 或破 裂当套管径厚比较小，外挤压力达到套管抗挤强度 时，套管将发 生强度破坏以下为没有轴向负荷条件下，不同径厚比有相应 的不 同抗挤强度计算公式H «專雄禅性不•定性过It挤毀畀性挤嫂宜标挤毁偉性抗外挤强度随 D/t 的变化关系（ 1）对于厚壁管 D/t<15 来说，在挤毁发生之前，切应力就将 超过材料的屈服强度，发生屈服强度挤毁P =2Yp （ D/t ） 21Yp 2（D/t）2（2） 塑性挤毁区的最小挤毁压力可由下式计算：P =YpA A B -Cp D/t系数 A、 B、 C 以及适用的 D/t 范围可由资料查出3）塑性与过度挤毁区的最小挤毁压力 PT 可由下式计算：T=YpFD/t系数F、G以及适用的D/t范围可由资料查出4）弹性挤毁条件是以理论弹性不稳定毁坏为依据。

只适用于薄壁管（ D/t>+25 ）弹性挤毁区的最小挤毁压力由下式计算：P=―46.95 105(D/t) (D/t)适用的 D/t 范围可由资料查出油田管类的大多数挤毁发生在塑性区和过渡区3、 API 出版物一览表下列出版物归 API 管材标准化委员管理辖，可向美国石油学会出版 发行部 订购地址：1220L Street,Northwest,Washington,DC20006,(202)682-83753.1、规范API Srec 5CT 套管和油管规范 该规范内容包括各种钢级的无缝和焊 接套管、油管、接箍、 短节和连接管及其制造方法、化学成分和机械性能要 求、试验方法 和尺寸要求注：API Spec 5CT第一版的内容综合了已停用的APISpec 5A、 5AC、5AX 和 5AQ 最后版本对套管和油管的要求以及 1987 年标准 化会 议通过的条款内容3.2、 API Spec 5D 钻杆规范 该规范内容包括所有钢级的无缝钻杆及其制造 方法、化学成 分和机械性能要求、试验方法和尺寸要求注： API Spec 5D 第一版综合了已停用的 APISpec 5A 和 5AX 最 后版本对钻杆的要求以及 1987 年标准化会议通过的条款内容。

3.3、 标准API Std 5B 套管、油管和管线管管螺纹的加工、测量和检验 该标准 内容包括对螺纹和螺纹量规的尺寸要求、测量方法的 规定，量规规范及其鉴 定以及圆螺纹套管和油管、偏梯形套管、直 连型套管和钻杆的螺纹检查仪器和方法3.4、推荐作法API RP 5A5 新套管、油管和平端钻杆现场检验推荐作法 提供了检 查管材产品的统一方法API RP 5Bl 套管、油管和管线管螺纹检验测量推荐作法 改推荐作法 的目的是为正确使用螺纹的检测技术和设备提供 指导和说明API RP 5Cl 套管和油管的维护与使用推荐作法 包括有关套管和油管 的使用、运输、贮存、管理和修复API RP 5C5 套管和油管连接试验程序推荐作法3.5 通报API Bul 5A2 螺纹脂通报 提供用于油田管材的两种螺纹脂的材料要 求和性能试验API Bul 5C2 套管和油管使用性能通报 包括有关套管和油管的抗挤 压力、内屈服压力和接头强度以 及钻杆的最小屈服载荷API Bul 5C3 套管、油管、钻杆和管线管性能的计算和公 式的通报 提供了用于不同管子性能的计算公式以及有关其它发展和应 用的资 料API Bul 5C4 在内压和弯曲共同作用下圆螺纹套管连接强度通报提供了圆螺纹套管在弯曲和内压共同作用下的连接强度。

3.6、API Bul 5Tl 缺陷术语通报 提供了钢常见缺陷的英语、法语、德语、意 大利语、日语和 西班牙语的定义4、墨龙公司开发高抗挤毁套管基本情况4.1 高抗挤毁规范（附后）4.2 影响因素高抗挤套管指相同名义尺寸、相同钢级和壁厚 , 但抗挤强度比 API 计 算值高的套管高抗挤套管抗挤强度的提高不是依靠高钢级和 壁厚, 而是通 过提高尺寸精度、降低残余应力、严格控制屈服强度公 差等途径得到的 由于高抗挤套管在不增大壁厚的条件下提高了抗挤 强度, 因此它在深井、超 深井钻井中有着广泛的应用其主要优点 : 在相同外载条件下 , 使用高抗挤 套管与使用同钢级、同规格的 AP I 套管相比较而言 ,其壁厚可减小 ,从而减 轻了管柱重量、增加了可下深 度、增大了套管通径影响套管抗挤性能的因素主要有：屈服强度、残余应力、 D/t 比 值、 套管椭圆度、壁厚偏差以及轴向应力等等套管几何尺寸测量， 外径采用游标卡尺进行检测， 壁厚采用超声 波 测厚结合机械测厚方式进行，管体圆度及壁厚偏差按下列公式计 算： s=[2(Dmax-Dmin)/(Dmax+Dmin)]*100% M=[2(Smax- Smin)/(Smax+Smin)] *100%4.2.1 屈服强度的影响 套管的钢级是根据最小屈服极限值而命名的，钢级越高屈服 极限值 越大，套管的抗挤能力就越高。

4.2.2 残余应力的影响 套管在生产过程中产生残余应力的主要环节有两 处： 一是在轧 制、定减径以及矫直过程中由于不均匀变形产生的残余应 力；二 是在热处理过程中，特别是在淬火过程中产生的残余应力由于 轧 制、定减径和淬火过程中产生的残余应力可以通过回火加以消 除，而回火后 进的矫直是套管产生残余应力的主要原因经淬火 及回火后的，套管的内表 面残余应力为拉应力，外表面的残余应 力为压应力经过不同残余应力的处 理，可使残余应力的分布形 式发生改变日本钢管企业研究表明：当套管内 表面的环向拉应 力达到管体屈服强度的 5-10%时，如果管体不圆度较小， 则套管 具有最高的挤毁抗力；利用有限元法对线弹性材料套管的残余应 力 进行了分析，并证明能使不圆。