套管柱设计新方法及其软件编制
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摘要
套管损坏的主要原因之一是套管柱设计不合理，主要表现在：一是对套管受力形态的认识不足，认为套管所受的外挤力只是由静水柱压力或泥浆柱压力产生的，没有考虑在开发过程中地层对套管的作用力；二是外挤力对套管的作用方式的认识不足，认为套管所受的外挤力沿套管径向均匀分布，没有考虑在开发过程中套管可能受到的非均匀载荷、集中对向挤压载荷，以及剪切载荷；三是对套管强度的认识不足，认为作用于套管的载荷是均匀的，套管的强度就是API套管强度，而实际上载荷不是均匀的，套管抗挤强度已不再是原有强度。
本文在套管的受力形态上，分析了生产过程中套管可能受到的泥岩蠕变、岩层滑动等产生的非均匀载荷，提出了在非均匀载荷下的套管屈服椭圆度作为套损坏力学标准。在套管的强度方面，分析了水泥坏、射孔、非均匀载荷等套管强度的影响，提出了套管强度减弱系数的概念。
本文提出了以三轴强度设计方法进行套管柱常规井段设计，并在易发生泥岩蠕变、页岩层滑动的套管易损层段，进行特殊设计的套管柱强度设计的方法。结合现场实际情况，开发了套管柱强度设计软件。应用该软件对杏13-丁2-23井进行实际计算，并与常规套管柱设计结果进行比较，结果表明该软件可用于现场套管柱强度设计。
Unreasonable casing design is one of the most important reason why casing damage. It mainly means: First, the understanding about forms of stresses of casing is not adequate. In the older method of casing design, external pressure of casing is considered only dependent on hydrostatic pressure and mud pressure, the forces of formation in production are not considered. Second, the understanding of modes of external pressure is not adequate, external pressure is considered uniform distribution along radius of casing, non-uniform loads, symmetrical concentrated load and shear-type load that casing may meet in production are not considered. Thirst, the understanding about strength is not adequate, casing strength is considered API strength when the loads of casing are uniform distribution. In fact, the loads of casing are not uniform distribution and casing strength is not the API strength.
In forms of stresses of casing, the paper analyzed the non-uniform loads caused by shale creep and formation slide, and put forward the casing ovality at yield can considered as a mechanics standard of casing failure under non-uniform loads. In strength of casing, based on analyzing the influences made by cementing, perforating and non-uniform, the concept of decrease factor of casing strength.
A new method has been put forward, in the method, the triaxial stress design of casing string method is used in the design, but in the formations that shale creep and slide are easily found, special design methods are adopted. Based on the proposed method and in combination with the practice of oilfields, the software for strength design of casing string is developed. Designed the casing of xing13-ding2-23 well by the software, compared the result with that of the usual method of casing design, it displayed that the software can be used in oilfields.
本文在套管的受力形态上，分析了生产过程中套管可能受到的泥岩蠕变、岩层滑动等产生的非均匀载荷，提出了在非均匀载荷下的套管屈服椭圆度作为套损坏力学标准。在套管的强度方面，分析了水泥坏、射孔、非均匀载荷等套管强度的影响，提出了套管强度减弱系数的概念。
本文提出了以三轴强度设计方法进行套管柱常规井段设计，并在易发生泥岩蠕变、页岩层滑动的套管易损层段，进行特殊设计的套管柱强度设计的方法。结合现场实际情况，开发了套管柱强度设计软件。应用该软件对杏13-丁2-23井进行实际计算，并与常规套管柱设计结果进行比较，结果表明该软件可用于现场套管柱强度设计。
Unreasonable casing design is one of the most important reason why casing damage. It mainly means: First, the understanding about forms of stresses of casing is not adequate. In the older method of casing design, external pressure of casing is considered only dependent on hydrostatic pressure and mud pressure, the forces of formation in production are not considered. Second, the understanding of modes of external pressure is not adequate, external pressure is considered uniform distribution along radius of casing, non-uniform loads, symmetrical concentrated load and shear-type load that casing may meet in production are not considered. Thirst, the understanding about strength is not adequate, casing strength is considered API strength when the loads of casing are uniform distribution. In fact, the loads of casing are not uniform distribution and casing strength is not the API strength.
In forms of stresses of casing, the paper analyzed the non-uniform loads caused by shale creep and formation slide, and put forward the casing ovality at yield can considered as a mechanics standard of casing failure under non-uniform loads. In strength of casing, based on analyzing the influences made by cementing, perforating and non-uniform, the concept of decrease factor of casing strength.
A new method has been put forward, in the method, the triaxial stress design of casing string method is used in the design, but in the formations that shale creep and slide are easily found, special design methods are adopted. Based on the proposed method and in combination with the practice of oilfields, the software for strength design of casing string is developed. Designed the casing of xing13-ding2-23 well by the software, compared the result with that of the usual method of casing design, it displayed that the software can be used in oilfields.
引文
[1]《钻井手册(甲方)》编写组：《钻井手册》上册，石油工业出版社，1990年6月。
[2]杜春常，郭小阳，刘崇建：套管柱强度设计方法，《中华人民共和国石油天然气行业标准》，2000年12月。
[3][美]H．拉比亚著，华仲虎，王林 译，套管设计基础，石油工业出版社，1995年12月。
[4]万仁溥，熊友明，现代完井工程[M]，北京：石油工程出版社。
[5]李子丰、杨敏嘉：油层套管损坏机理的分析，石油钻采工艺，1985年第4期。
[6]王林发：套管损坏的地质因素分析，大庆石油地质与开发，1989年第1期。
[7]胡博仲、徐志良：大庆油田注水井套管损坏机理及防护措施，石油钻采工艺，1998年第5期。
[8]崔孝秉等：注水开发油田套管损坏机理的研究，石油学报，1993年第3期。
[9]蔡国华，王先荣，高压注水对油田套管的损害及防治分析，石油机械，2001年第29卷第3期。
[10]张光普等，我国油田套管损坏的原因探讨，石油钻采工艺，1996年第5期。
[11]孟祥玉等，胜利油田套管损坏综合治理研究评述，石油钻采工艺，1999年第1期。
[12]郑俊德，张艳秋，王文军，王健，非均匀载荷下套管强度的计算，石油学报，1998年第1期，120～123。
[13]何世明、刘崇建、张玉隆、徐壁华：套管柱强度设计计算，西南石油学院学报，1997年第1期，53～59。
[14]刘绘新．严仁俊，王子平：非均匀载荷下套管强度问题研究，钻采工艺，2001年第4期。
[15]韩建增、张先普：非均匀载荷作用下套管抗挤强度初探，石油钻采工艺，2001年第3期。
[16]杜春常，谢光平，刘崇建，深井套管抗挤强度分析及计算，西南石油学院学报，1999年第3期。
[17]宋治，油层套管损坏的原因分析及预防措施，石油钻采工艺，1985年第5期。
[18]陈建国，柴英，套管三轴挤压应力计算分析，石油钻井工程，1997年第3期。
[19]王越之，刘天生，隔6井套管损坏原因分析，钻采工艺，2001年第2期，69～71
[20]谢义新，熊友明，胥志雄，刘绘新．贾立强，考虑盐岩层蠕变的井深结构设计研究，西南石油学院学报，2002年第4期。
[21]张百龙等，复杂荷载下套管变形的塑性分析，江汉石油学院学报，1985年第1期，103-113。
[22]宋明，杨凤香，宋胜利，邹峰梅，闫相祯，杨秀娟，固井水泥环对套管承载能力的影响规律，石油钻采工艺，2002年(第24卷)第4期，7～9。
[23]房军，岳伯谦，赵怀文，徐龙光，非均匀地应力作用下套管和水泥环表面受力特性分析，石油大学学报(自然科学版)．1997年第1期，46～48。
[24]邓金根，王康平，黄荣樽，陈勉，油井套管、水泥环组合体抗非均匀围岩外载的强度特性，岩石力学与工程学报，1994年第2期，160～171。
[25]邓金根，黄荣樽，流变地层中套管外载的计算方法 石油钻探技术，1994年04期。
[26]练章华等岩石、水泥环、套管互作用的粘弹塑性有限元力学模型西南石油学院学报 1994年02期。
[27]杨明合等，高温高压井套管柱设，石油钻探技术，2002年第1期，25～27。
[28]舒干，李现东，赵志超等，套管损坏机理研究，江汉石油学院学报，1999年第1期。
[29]李树群，孙先杰，赵丽娟，大庆龙虎泡高台子区块套损原因分析及对策，石油钻采工艺，2001年06期。
[30]向绪金等，射孔对套管强度的影响研究，江汉石油学院学报，2002年第2期。
[31]周祖辉，黄荣樽，庄锦江，大庆泥岩的三轴蠕变试验研究，华东石油学院学报，1985年第4期。
[32]魏兆胜，王文军，榆树林油田套管损坏机理研究，大庆石油学院学报，1997年第1期，33～37。
[33] 张允真，曹富新．弹性力学及其有限元法．北京：中国铁道出版社，1983．180～185。
[34] 王仲茂，卢万恒，胡江明．油田油水井套管损坏的机理及防治．北京：石油工业出版社，1994。
[35] Pattillo著，李继康译，套管设计原理石油科技情报研究所，1982。
[36] R.M. Hackney, Exxon Co. U.S.A, A New Approach to Casing Design for Formations. SPE/IADC 13431。
[37] R.L. kastor, Triaxial Casing Design for Burst SPE/IADC 147275
[38] M.J.Jillison and E.F. Klementich An Expert System for Casing string design SPE/IADC 20328
[39] A.H.EI-Sayed,Khalaf, Resistance of Cemented Concentric Casing String Under Non-uniform Loading, SPE17927,198914]
[40] J.B. Cheatham, J.W. Mcever, Behavior of Casing Subjected to Salt Loading JPT (Sept., 1964), 1069-1075
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[42] Maurice B. Dusseault, SPE, Porous Media Research Inst., U. of Waterloo. and Michael S. Bruno, SPE and John Barrera, * Terralog Technologies Inc. Casing Shear: Causes. Cases. Cures。
[43] Bruno. M. S. Subsidence-induced well failure. SPE Drill. June.1992
[44] F.Khalaf, Cairo U.: Increasing Casing Collapse Resistance Against Salt-lnduced Loads, SPE13712, 1985,P259～266
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[46] Bell, W. T. and Methen, N. E. Casing Damage Caused by Jet Perforating, SPE 3043
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[47] Godfrey, W. k. Effect of Jet Perforating on Bond Strength of Cement, JPT, Nov. 1968