复合磨损模式下的套管失效风险预测方法--以Ø193.68 mm×12.7 mm套管为例

深井、超深井、大位移井等复杂油气井钻井过程中套管磨损严重,大大增加了套管失效风险。现场测量数据表明,某些井段的套管上存在多个磨损区域,磨损形状呈现出比经典“单月牙”形更加复杂的复合模式,常规方法难以准确预测套管失效风险。为此,在分析复合磨损模式与单月牙模式区别的基础上,基于室内实验与数值模拟分析,揭示了复合磨损套管在内压与外挤作用下的失效机理,得到套管剩余强度的主控因素及其作用规律,构建了磨损套管剩余强度智能预测模型,形成了磨损套管失效风险预测方法。研究结果表明:①套管磨损形状不仅是单月牙形,还会出现多月牙重叠、交叉和分离的复合磨损形状;②磨损套管的内压失效是一种强度失效,发生在磨损区套管壁中部的等效应力达到材料的屈服强度时,而外挤失效是一种稳定性失效,发生在套管截面形状的椭圆度达到临界值时;③磨损深度、径厚比和屈服强度是套管抗内压强度的主要影响因素,抗外挤强度除上述因素外还包括磨损宽度和分离角,设计如忽略套管磨损的影响,可能引发井筒完整性失效风险。结论认为,该方法在中国西北部某超深井进行了现场应用,预测精度在90%以上,吻合度较高,为油气勘探开发向深层、超深层发展提供了技术和安全保障。

复合月牙形磨损套管剩余强度研究

关于套管剩余强度的研究,主要集中于无磨损套管或者单月牙磨损套管,未充分研究复合月牙磨损形状对套管剩余强度的影响规律。为此,开展了单月牙磨损与双月牙磨损套管剩余强度的室内试验,建立了套管失效的判断准则,计算了不同缺陷形式下套管剩余强度。研究结果表明:磨损深度对于套管剩余强度的影响最敏感,磨损深度的增加使套管抗内压、抗外挤的强度均减小;次磨损槽对抗内压强度影响较小,对抗外挤强度影响明显。研究成果可为油气井作业优化与安全控制提供参考。

复合模式下套管磨损形状与深度计算模型

随着钻井面临的客观条件更加复杂,套管磨损问题日益突出,对安全高效钻井造成严重威胁。现场实测数据表明,某些井段的套管上存在多个磨损区域,磨损区域呈现复合磨损模式,磨损形状的复杂性超出了常规模型的适用范围。在前人工作基础上,利用套管截面空间离散化和钻井过程时间离散化将复杂问题分解为一系列简单问题的组合;引入套管磨损过程的独立控制变量,建立了磨损深度和形状增量的计算模型,给出了套管磨损问题求解的具体步骤以及磨损系数反演方法;最后将理论模型应用到大位移井中。研究结果表明,套管磨损形状并不是总是单月牙形,而是呈现多月牙重叠、交叉和分离的复合模式。不同磨损模式是由不同原因造成的,重叠的原因是磨损外径变化,交叉的原因是磨损位置小幅度偏移,分离的原因是磨损位置大偏离。造斜段套管截面上存在多个磨损区域且磨损深度最大,套管失效风险也最大,是采取防磨措施的关键井段。安装防磨接头的效果最佳,推荐1个立柱安装1个防磨接头,降低磨损系数次之,调整钻井参数的效果最差。