1、<p>　　高壓氣井射孔段套管強度安全性分析</p><p>　　摘 要： 在油氣田開發(fā)中，造成油氣井生產(chǎn)套管(以下簡稱套管)損壞的原因很多，其中射孔作業(yè)是主要原因之一。射孔會導(dǎo)致套管發(fā)生嚴重變形或破裂，使套管的強度受到較大影響。本文著重于射孔后套管孔邊應(yīng)力分析。主要內(nèi)容包括以下幾個方面：</p><p>　　（1）對套管的四個擠毀壓力公式以及抗內(nèi)壓公式進行了推導(dǎo)?？紤]了t/D

2、在五個公式中的重要作用。正確應(yīng)用擠毀壓力、抗內(nèi)壓公式分析套管的受力，減少套管的損壞。</p><p>　?。?）利用復(fù)變函數(shù)以及彈性力學(xué)保角映射方法并根據(jù)幾何的不連續(xù)性，用數(shù)值解法計算應(yīng)力集中系數(shù)或給出數(shù)值擬合公式，用簡化算法將所射孔作為U形凹口，得到了射孔后孔邊的應(yīng)力集中系數(shù)計算公式。</p><p>　?。?）用權(quán)函數(shù)法對套管表面半橢圓裂紋的應(yīng)力強度因子進行了推導(dǎo)。考慮實際射孔操作以及

3、射孔方式的因素，分析套管在不同射孔條件下的應(yīng)力強度因子，通過建表分析可得，壁厚、孔徑越大，應(yīng)力強度因子越大。</p><p>　?。?）根據(jù)實際情況進行了無損套管的受力分析，得到了套管分別在受內(nèi)、外壓時的極限載荷；根據(jù)射孔開裂模型對剩余強度系數(shù)進行了分析計算，給出算法。</p><p>　?。?）考慮孔邊應(yīng)力集中和孔邊裂紋的影響，考慮高壓氣井實際工況，根據(jù)厚壁筒理論公式及第四章、第五章所得

4、的公式，求得孔邊的最大應(yīng)力，并用第四強度理論校驗射孔套管的強度安全性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：高壓氣井；射孔套管；應(yīng)力集中；安全性分析</p><p>　　Intensity And Security Analysis of Perforated Casing in High Pressure Gas Well</p><p>　　Abstract: In

5、the oil and gas field development, resulting in production of oil and gas well casing (hereinafter referred to as casing) damage to many reasons, one of which is the main reason perforating. Perforation can cause serious

6、 deformation or rupture of the casing, so that significantly affected the strength of the casing. This article focuses on the stress after perforation of the casing hole.</p><p>　　(1) Derivation of the four

7、casing collapse pressure formula and the internal pressure formula was derived. Noted t / D formula in five plays a very important role. Correct application of collapsing pressure, internal pressure formula, helps us to

8、force a reasonable analysis of the casing to reduce the damage to the casing.</p><p>　　(2) Use of complex functions and conformal mapping of elasticity and in accordance with geometric discontinuity,calculat

9、ed with the numerical solution of the stress concentration factor, or a numerical fitting formula, with a simplified algorithm of the perforation as a U-shaped notch, has been shot Hole after hole stress concentration fa

10、ctor formula.</p><p>　　(3) Casing with the weight function method for semi-elliptical surface crack stress intensity factor is deduced. Consider the actual operation and perforation mode factor analysis of p

11、erforating the casing in different conditions, the stress intensity factor analysis by the Legislative tables available, wall thickness, the greater the aperture, the greater the stress intensity factor.</p><p

12、>　　(4) Carried out according to the actual casing of non-destructive stress analysis, obtained by the casing, respectively, the external pressure when the limit load. Also cracking model based on residual strength of

13、perforation coefficient is analyzed and calculated, given algorithm.</p><p>　　(5) Consideration of Stress Concentration and cracking of the hole, consider the high-pressure gas wells the actual working condi

14、tions, according to thick-walled cylinder theory formula, according to Chapter IV, Chapter V from the formula, the maximum stress obtained by the hole, and then under Fourth strength theory of the strength of the securit

15、y perforated casing.</p><p><b>　　朗讀</b></p><p>　　顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　字典</b></p><p>　　Keywords: high pressure gas well, perforated casing, s

16、tress concentration, intensity and security analysis</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題的意義1</p><p>　　1.2 課題研究的背景1&

17、lt;/p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.1 射孔套管抗外擠強度研究2</p><p>　　1.3.2 射孔開裂套管承載能力研究4</p><p>　　1.3.3 射孔套管布孔方式及剩余強度研究4</p><p>　　1.3.4 套管射孔試驗研究5</p>

18、<p>　　1.4 畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容5</p><p>　　1.5 課題研究的方法6</p><p>　　1.6 課題研究的理論依據(jù)6</p><p>　　第二章 套管損壞原因分析8</p><p>　　2.1 地質(zhì)因素8</p><p>　　2.1.1 泥巖吸水蠕變和膨脹造成套管

19、損壞9</p><p>　　2.1.2 油層出砂造成套管損壞10</p><p>　　2.1.3 巖層滑動造成套管損壞10</p><p>　　2.1.4 斷層活動造成套管損壞11</p><p>　　2.2 工程技術(shù)因素12</p><p>　　2.2.1 套管材質(zhì)的影響12</p>

20、<p>　　2.2.2 固井質(zhì)量的影響13</p><p>　　2.2.3 井位部署問題對套管損壞的影響13</p><p>　　2.2.4 射孔對套管損壞的影響13</p><p>　　2.3 油氣井開采方式的影響14</p><p>　　2.4 套管質(zhì)量好壞對套損的影響15</p><

21、p>　　2.5 對影響套管損壞因素的認識15</p><p>　　2.6 預(yù)防套管損壞的措施和建議15</p><p>　　2.7 本章小結(jié)16</p><p>　　第三章 套管擠毀壓力計算分析17</p><p>　　3.1 套管擠毀壓力計算17</p><p>　　3.2 套管擠毀壓力計

22、算公式推導(dǎo)18</p><p>　　3.2.1 屈服強度擠毀壓力公式推導(dǎo)18</p><p>　　3.2.2 塑性擠毀壓力公式推19</p><p>　　3.2.3 彈性擠毀壓力公式推導(dǎo)20</p><p>　　3.2.4 彈塑性擠毀壓力公式推導(dǎo)24</p><p>　　3.3 套管抗內(nèi)壓強度公式及

23、其推導(dǎo)26</p><p>　　3.4 本章總結(jié)27</p><p>　　第四章 射孔套管孔邊應(yīng)力集中系數(shù)分析28</p><p>　　4.1 圓柱殼開孔的應(yīng)力集中——非圓孔問題的一般解28</p><p>　　4.2 射孔孔邊應(yīng)力集中系數(shù)分析31</p><p>　　4.3 建表分析常用套管、射孔

24、方案的孔邊應(yīng)力集中系數(shù)32</p><p>　　4.4 本章小結(jié)33</p><p>　　第五章 射孔套管應(yīng)力強度因子分析34</p><p>　　5.1 權(quán)函數(shù)法34</p><p>　　5.2 表面半橢圓裂紋的應(yīng)力強度因子35</p><p>　　5.2.1 參數(shù)和的確定36</p>

25、;<p>　　5.3 將射孔孔眼作為表面半橢圓裂紋分析應(yīng)力強度因子37</p><p>　　5.3.1 表面修正系數(shù)的確定38</p><p>　　5.3.2 建表分析常用套管、射孔方案的孔邊應(yīng)力強度因子39</p><p>　　5.4 本章小結(jié)40</p><p>　　第六章 射孔套管的剩余強度分析41&l

26、t;/p><p>　　6.1 無損套管受力分析41</p><p>　　6.2 對套管射孔后孔附近應(yīng)力狀態(tài)研究42</p><p>　　6.3 射孔開裂套管剩余強度系數(shù)計算45</p><p>　　6.4 計算結(jié)果分析46</p><p>　　6.4.1 孔邊裂紋一定時，射孔參數(shù)與套管剩余強度系數(shù)的關(guān)系

27、46</p><p>　　6.4.2 孔邊裂紋與射孔套管剩余強度系數(shù)關(guān)系47</p><p>　　6.5 結(jié)論分析48</p><p>　　6.6 本章小結(jié)48</p><p>　　第七章 射孔段套管的強度安全性分析50</p><p>　　7.1 射孔段套管安全性分析50</p>&

28、lt;p>　　7.2 優(yōu)化射孔的建議51</p><p>　　第八章 結(jié)論53</p><p><b>　　參考文獻54</b></p><p><b>　　致謝56</b></p><p><b>　　附錄一57</b></p><p&

29、gt;　　套管外壓實驗臺說明書57</p><p>　?。?）設(shè)計任務(wù)：57</p><p>　　（2）工作原理：57</p><p><b>　　附錄二59</b></p><p>　　編程計算孔邊應(yīng)力集中系數(shù)、應(yīng)力強度因子59</p><p><b>　　第一章 緒論&l

30、t;/b></p><p>　　射孔是一種油田工藝,是用專門的射孔槍將套管和水泥環(huán)以及部分射開，使井筒與地層聯(lián)通，達到油氣流入井筒的目的。鉆井完成時，需下套管注水泥將井壁固定住，然后下入射孔器，將套管、水泥環(huán)直至油(氣)層射開，為油、氣流入井筒內(nèi)打開通道，稱作射孔。</p><p>　　1.1 課題的意義</p><p>　　在油氣田開發(fā)中，造成油氣井生產(chǎn)套

31、管(以下簡稱套管)損壞的原因很多，其中射孔作業(yè)是主要原因之一。射孔會導(dǎo)致套管發(fā)生嚴重變形或破裂，使套管的強度受到較大影響。在地層錯動、傾斜地層滑動、地質(zhì)構(gòu)造運動、巖石遇水膨脹蠕變、鹽類地層遇水溶解、水泥固封不良、高壓注水等情況下，井眼周圍巖石對套管產(chǎn)生的擠壓作用容易導(dǎo)致射孔套管發(fā)生塑性變形。</p><p>　　分析造成這種情況的主要原因是，射孔時（特別是無槍身射孔）十幾發(fā)甚至幾十發(fā)射孔彈在一瞬間爆炸，產(chǎn)生了巨大

32、的沖擊波作用在套管上，套管突然脹大，使套管在射孔井段中部或非射孔井段相交位置發(fā)生劇烈變形，特別是在射孔段上部或下部由于強烈應(yīng)力集中，造成套管抗擠壓強度降低，這樣在地應(yīng)力的作用下，易發(fā)生套管變形。而且，隨著射孔彈藥質(zhì)量的增加、射孔密度加大、射孔彈不合理的排列和誤射等,加劇了對套管的傷害程度。由于地質(zhì)條件不同，井下受力狀態(tài)復(fù)雜，拉、壓、彎、扭應(yīng)力綜合作用于管體，這對套管本身的強度提出了較高的要求。一旦套管本身由于某種原因而損壞，可能導(dǎo)致整口

33、井的減產(chǎn)，甚至報廢。</p><p>　　套管射孔后受力非常復(fù)雜，射孔段套管起著連接將油（氣）輸送到油管的作用，是維持油井運行的生命線，所以油（氣）井射孔段套管強度安全性研究有著十分重要的意義。</p><p>　　1.2 課題研究的背景</p><p>　　70年代以來，我國油氣田套管損壞現(xiàn)象也十分嚴重。據(jù)統(tǒng)計，到1998年底我國大慶、吉林、大港、華北、中原、江

34、漢、新疆、玉門、勝利、四川及遼河等油氣田套管損壞井數(shù)已達14000多口，其中大慶油田累計發(fā)現(xiàn)套損井8976口，占投產(chǎn)井數(shù)的16%以上；吉林油田累計套損井2861口，占投產(chǎn)井數(shù)的30%以上；中原油田已發(fā)現(xiàn)的套損井占23.3%；勝利油田累計套損井數(shù)3000多口，占投產(chǎn)井數(shù)的10%。并且各油田套損井數(shù)還有上升的趨勢。到2004年底，套損井已達到了20000多口，其分布范圍，從東部的油田一直延伸到西部的吐哈油田和塔里木油田。若按每口井較低的成本

35、150萬元人民幣計算，僅套管損壞就已造成直接經(jīng)濟損失210億元，這還不計油井損壞停產(chǎn)所造成的經(jīng)濟損失。</p><p>　　導(dǎo)致油水井套管狀況變差，甚至損壞的原因是多方面的。其中很重要的一個原因就是射孔對套管的損壞。據(jù)勝利油田1981年3月份20口報廢井資料分析，除2口井地質(zhì)報廢，1口井落物報廢外，其余17口井有13口（占76.5%）與射孔有直接關(guān)系，在因套管變破而報廢的17口井中，套管變破位置在射孔井段及其附近

36、的有13口。所報廢井的損壞位置都在射孔井段的上部或中部。分析造成這種情況的主要原因是，射孔時（特別是無槍身射孔）十幾發(fā)甚至幾十發(fā)射孔彈在一瞬間爆炸，產(chǎn)生了巨大的沖擊波作用在套管上，套管突然脹大，使套管在射孔井段中部或非射孔井段相交位置發(fā)生劇烈變形，特別是在射孔段上部或下部由于強烈應(yīng)力集中，造成套管抗擠壓強度降低，這樣在地應(yīng)力的作用下，易發(fā)生套管變形。而且，隨著射孔彈藥質(zhì)量的增加、射孔密度加大、射孔彈不合理的排列和誤射等,加劇了對套管的傷

37、害程度。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計著重于在高壓氣井的工況下分析射孔段套管的強度安全性，給出優(yōu)化射孔的建議，將對實際生產(chǎn)具有重要的意義。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 射孔套管抗外擠強度研究</p><p>　　1988年，宗幼芄[1]等，利用實驗的方法，推導(dǎo)出射孔套管抗擠毀壓力降低系數(shù)

38、計算公式，探討了射孔管參數(shù)及布孔方案對K值的影響。</p><p>　　2004年，唐波、練章華[2]等人對射孔套管強度進行了理論分析，將射孔套管三維力學(xué)模型簡化為平面孔板力學(xué)模型，如下圖所示，分析過程中設(shè)套管滿足彈性力學(xué)的一切基本假設(shè)。推導(dǎo)出射孔套管抗擠強度系數(shù)的理論公式，得出了影響射孔套管抗外擠度的最主要因素是孔眼分布相位角的結(jié)論。由于油田施工時采用螺旋布孔，應(yīng)用平面應(yīng)變模型對套管強度分析不夠合理。</

39、p><p>　　2005年，楊斌、練章華[3]利用非線性彈塑性有限元法建立了螺旋布孔的射孔套管強度分析的空間有限元力學(xué)模型，分析了射孔套管的抗擠強度。為了便于模型的建立，進行了三個基本假設(shè)：（1）忽略套管的橢圓度及壁厚不均勻度；（2）假設(shè)所射孔眼均未堵塞，射孔孔眼不存在偏心，孔眼中心軸線與套管軸線垂直并相交；（3）每個孔眼都是圓柱形，孔眼的直徑、長度均分別相等，不考慮孔邊毛刺及裂紋。經(jīng)分析可知，射孔套管強度與射孔孔徑

40、、孔密、相位角、壁厚、套管尺寸以及不同鋼級套管的材料力學(xué)特性參數(shù)等密切相關(guān)。</p><p>　　2008年，宋吉水、張國亮[4]等人以無裂紋套管為研究對象，在研究不同射孔方式對套管抗擠強度的影響時，以射孔管發(fā)生失穩(wěn)的臨界外載為條件，利用變斷面剛度的管體與變斷面剛度的壓桿有相似的撓曲微分方程，以及相同的邊界，連續(xù)條件；利用桿管相似理論定量確定射孔后套管抗擠強度的變化，并推導(dǎo)出不同射孔布孔方式下，射孔對套管抗擠強度

41、影響的計算方法。該研究是建立在套管在射孔后不被射裂的基礎(chǔ)上的，而在實際常用射孔中，孔眼內(nèi)還存在或多或少的微裂紋，是影響管體性能不可忽略的因素。同年，李茂華等[5]人在射孔套管的力學(xué)性能分析研究中，運用射孔套管-水泥環(huán)模型，計算分析射孔套管應(yīng)力變化。由于該模型屬非對稱結(jié)構(gòu)，需做如下假設(shè)：</p><p>　　（1）忽略套管—水泥環(huán)橢圓度和璧厚不均度，水泥環(huán)沿套管長度方向分布均勻；</p><p&

42、gt;　　（2）射孔孔眼未堵塞，不存在偏心，孔眼中心軸線與套管-水泥環(huán)的軸線垂直相交；</p><p>　?。?）孔眼為圓柱形，孔眼直徑，長度分別向等，不考慮孔邊毛刺和裂紋。</p><p>　　在此假設(shè)前提下，采用材料非線性有限元法求解，得出了射孔套管的孔密及射孔相位角對套管應(yīng)力影響很大這一結(jié)論。</p><p>　　2009年，王木樂等[6]通過射孔套管抗外擠壓

43、模擬實驗研究研究了射孔對套管強度的影響，使用長江500型壓力機對12個不同材料號、不同射孔數(shù)量的套管進行抗外擠壓的模擬試驗，研究了套管射孔后的承載能力，分析了射孔與套管的性能關(guān)系。</p><p>　　1.3.2 射孔開裂套管承載能力研究</p><p>　　1991年，劉鐵牛、邢憲軍[7]以射孔開裂套管的剩余強度為研究對象，經(jīng)有限元分析提出了射孔開裂套管應(yīng)力強度因子近似計算公式, 采用

44、最新的套管材料斷裂韌性實驗數(shù)據(jù), 研究了孔裂套管臨界承載能力, 闡述了J55、N80孔裂套管剎余強度與裂紋長度的關(guān)系, 指出在套管設(shè)計中應(yīng)考慮裂紋對套管強的影響和消除套管射孔開裂的重要性。</p><p>　　1994年，吾用明、董事爾[8]在高能氣體壓裂的工況下，利用有限元法, 確定了1500 米井下, 在不摘壞套管情況下, 高能氣體的極限壓力。</p><p>　　2000年，陳新平、

45、李少華[9]利用射孔開裂的斷裂力學(xué)模型，對模擬射孔后的N80油層套管進行了分析，建立了能滿足射孔性能要求的斷裂韌性判據(jù)，并通過試驗進行了驗證。</p><p>　　2001年，陳新平、李少華[10]以油層套管射孔開裂為研究對象，對油層套管在射孔作業(yè)時的受力狀態(tài)進行了分析, 用簡化的斷裂力學(xué)模型來描述復(fù)雜的射孔開裂問題, 即大多數(shù)射孔開裂是由于射孔局部沖擊力產(chǎn)生的孔眼尺寸的穿透裂紋在內(nèi)壓力產(chǎn)生的應(yīng)力作用下沿軸向產(chǎn)生

46、脆性擴展。</p><p>　　1.3.3 射孔套管布孔方式及剩余強度研究</p><p>　　1991年，徐道臨、劉鐵牛[11]研究了射孔套管的抗阻合載荷強度，采用力學(xué)有限元方法分析了射孔套管的剩余強度，討論了不同工況下套管射孔布孔方案。</p><p>　　2000年，王焊祥等[12]人通過數(shù)值計算分析了射孔套管的強度問題，通過研究表明，射孔對套管強度影響的主

47、要因素有：（1）射孔彈爆炸后在局部形成應(yīng)力集中及殘余應(yīng)力；（2）孔眼周圍產(chǎn)生射孔裂紋；（3）孔眼的出現(xiàn)使套管的應(yīng)力重新分布。</p><p>　　2002年，向緒金等[13]繼續(xù)研究了射孔對套管強度的影響，針對油田射孔段套管損壞嚴重的問題, 采用有限元分析軟件, 按照平面問題, 以實體建模的形式, 研究了射孔對套管強度的影響。明確了射孔直徑、密度及相位等與套管強度的關(guān)系。</p><p>

48、　　2007年，董平川等[14]人分析了螺紋布孔射孔對套管強度的影響，建立了射孔套管的有限元力學(xué)模型，采用彈塑性有限元法，分別對螺旋布孔射孔套管采用不同的射孔直徑、射孔密度和射孔相位給套管強度造成的影響進行了模擬和分析，并分析了射孔套管在外擠壓力作用下的孔眼應(yīng)力集中系數(shù)的變化規(guī)律。</p><p>　　2007年，張明友、xx益華[15]以套管磨損為研究對象，搞清鉆井期間影響套管磨損的主要因素、套管磨損程度及磨損

49、套管的剩余強度等問題, 以采取必要措施, 減輕套管磨損, 避免磨損套管非正常損壞。</p><p>　　2008年，黃顯輝等[16]分析高溫高壓深井射孔卡槍的原因，針對射孔套管剩余強度研究的不足, 用實物試驗測得了射孔孔邊的應(yīng)力集中系數(shù); 考慮此應(yīng)力集中系數(shù), 得到了修正的射孔套管剩余強度計算方法。分析高溫高壓深井射孔卡槍原因及對策。</p><p>　　1.3.4 套管射孔試驗研究&l

50、t;/p><p>　　1987年，宋治[17]以油層套管損壞原因及預(yù)防措施為研究對象，通過對全國油層套管損壞的調(diào)查，分析了油層套管損壞的主要原因，提出了預(yù)防和主要措施。</p><p>　　1993年，崔孝秉等[18]人以注水油田為研究對象，通過有限單元法，對注水開發(fā)油田高壓注水階段套管損壞的原因和規(guī)律初步進行定量研究。</p><p>　　1998年，xx益華等[19

51、]人研究檢測油管內(nèi)壁損傷評價方法，根據(jù)實際檢測和統(tǒng)計分類, 將內(nèi)壁損傷規(guī)則化為溝槽、孔洞和片蝕三種類型。分析了三類損傷的應(yīng)力集中情況和斷裂力學(xué)性能。基于雙判據(jù)法提出了內(nèi)壁損傷油管承載能力降低系數(shù)的概念和計算方法。參照壓力容器缺陷評定規(guī)范和飛行器損傷容限評定經(jīng)驗, 提出了油管內(nèi)壁損傷評判方法, 編制了相應(yīng)的評判軟件。</p><p>　　2000年，傅繼承等[20]人在模擬井條件下進行油層套管的射孔試驗, 就是在模

52、擬油層套管在油井下的環(huán)境條件, 使用標準射孔彈對試驗套管進行射孔, 根據(jù)試驗套管射孔后的變形和破損程度是否滿足內(nèi)部標準的要求來評價試驗套管的射孔質(zhì)量。</p><p>　　2008年，陳論韜等[21]人以溫米油田損壞套管為研究對象，從套管損壞發(fā)生的區(qū)塊、時間、井型、套管損壞變形性質(zhì)及井下作業(yè)的影響等5方面進行了調(diào)查。經(jīng)研究分析認為, 溫米油田的套管損壞主要原因是射孔、酸化壓裂等井下作業(yè)以及注水開發(fā)和存在斷層; 次

53、要原因是腐蝕、注氣、鋼材質(zhì)量等。提出了預(yù)防套管損壞的措施, 可為油田的套管損壞治理提供參考。</p><p>　　1.4 畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容</p><p>　　1.在大量閱讀文獻的基礎(chǔ)上，分析、綜述油田套管，特別是射孔段套管大量不正常損壞的內(nèi)外因素；指出射孔（致套管強度降低、甚至開裂及射孔段出砂、儲層垮塌）是套管損壞原因之一，引出本題；翻譯最新相關(guān)外文文獻一篇。</p>

54、<p>　　2.分析最新API BUL5C3套管擠毀強度、抗內(nèi)壓強度計算公式，指出其理論基礎(chǔ)。</p><p>　　3.將孔眼作為U形凹口分析射孔套管孔邊應(yīng)力集中分析，給出計算公式或算法，立表分析常用套管、射孔方案的孔邊應(yīng)力集中系數(shù)。</p><p>　　4.將射孔孔眼作為表面半橢圓裂紋，射孔套管應(yīng)力強度因子分析，給出計算公式或算法，立表分析常用套管、射孔方案的孔邊應(yīng)力強度因子。

55、</p><p>　　5.射孔套管孔剩余強度分析。</p><p>　　6.高壓氣井射孔段套管強度安全性分析：考慮生產(chǎn)、儲層改造兩種工況，考慮內(nèi)外壓力作用，給出算法，給出算例。</p><p>　　7.編制計算機程序，經(jīng)計算、對比、分析，給出優(yōu)化射孔建議。</p><p>　　8.完成51/2″套管外壓實驗高壓室總裝配圖和關(guān)鍵零件圖設(shè)計。&l

56、t;/p><p>　　1.5 課題研究的方法</p><p>　　利用材料力學(xué)第二冊中厚壁筒理論和過程設(shè)備設(shè)計中有關(guān)于壓力容器的相關(guān)知識，分析最新API BUL 5C3抗擠毀公式及抗內(nèi)壓公式；</p><p>　　結(jié)合彈性力學(xué)中孔邊應(yīng)力集中理論以及數(shù)值法相關(guān)知識，用力學(xué)模型簡化手法分析孔眼的孔邊應(yīng)力集中系數(shù)；</p><p>　　利用斷裂力學(xué)線

57、彈性斷裂理論，將孔眼作為表面半橢圓裂紋，建立力學(xué)模型，推導(dǎo)應(yīng)力強度因子公式；</p><p>　　結(jié)合彈性力學(xué)、材料力學(xué)以及相關(guān)文獻分兩種情況分析推導(dǎo)射孔套管孔的剩余強度；</p><p>　　利用厚壁筒理論和胡克定律求解各種應(yīng)力，后分工況對射孔段套管進行強度校核；</p><p>　　用PHP計算機語言，進行計算機編程，對比、分析，給出優(yōu)化射孔的建議。</p

58、><p>　　1.6 課題研究的理論依據(jù)</p><p>　　在研究本課題時，我們用到的最多的是厚壁筒理論、拉美公式。在分析孔邊應(yīng)力集中系數(shù)時，我用的最多的是線彈性力學(xué)保角映射以及復(fù)變函數(shù)方法；將射孔孔眼作為表面半橢圓裂紋分析應(yīng)力強度因子時，我采用的是線彈性斷裂力學(xué)中權(quán)函數(shù)方法。</p><p>　　因為我分析的是射孔段套管強度和安全性，需要計算套管的擠毀強度，所以強

59、度理論也是這一課題的理論基礎(chǔ)。強度理論有四個：最大拉應(yīng)力理論、最大伸長線應(yīng)變理論、最大切應(yīng)力理論、畸變能密度理論。鑄鐵、石料、混泥土、玻璃等脆性材料，通常以斷裂的形式失效，宜采用第一和第二強度理論。碳鋼、銅、鋁等塑性材料，通常以屈服的形式失效，宜采用第三和第四強度理論。然而，我們最常用的就是第四強度理論，這一理論認為畸變能密度是引起屈服的主要因素，即認為無論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要畸變能密度達到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值時，材料就發(fā)生屈服。&

60、lt;/p><p>　　當套管的壁厚和直徑比達到一個值時，我們可以把套管看成是一個圓壁筒，我們會常用到“厚壁筒理論”，把套管看成是厚壁筒。然而，拉美公式是我們用到的主要公式，它涉及到了厚壁筒的內(nèi)、外壓力和內(nèi)徑、外徑。在計算射孔段套管載荷時，我們就用到了拉美公式，再根據(jù)孔邊應(yīng)力集中系數(shù)求得孔邊最大應(yīng)力。其實，在前面進行擠毀公式推導(dǎo)過程中也會用到拉美公式。套管看成是厚壁筒，厚壁筒理論是此畢業(yè)設(shè)計的重要的理論依據(jù)。<

61、/p><p>　　第二章 套管損壞原因分析</p><p>　　套管的損壞原因基本上有地質(zhì)因素、工程技術(shù)因素、油氣井開發(fā)方式以及套管本身的質(zhì)量等原因造成，套管損壞的方式主要有磨損、變形、破裂、錯斷、擠毀、腐蝕、脫扣、漏失等幾種，其中由地質(zhì)因素造成的套管損壞有變形、錯斷、擠毀、腐蝕等，由工程技術(shù)因素造成的套管損壞有磨損、破裂、脫扣等，由油氣田開發(fā)方式形成的套管損壞有變形、腐蝕、漏失等。而且套管

62、損壞往往不是上述方式的單一種類，同時存在著多種破壞方式，嚴重影響了套管的壽命。針對這些套管的損壞方式，我們分別從地質(zhì)、工程技術(shù)、油氣田開發(fā)方式、套管質(zhì)量這些方面介紹套管損壞因素。</p><p><b>　　2.1 地質(zhì)因素</b></p><p>　　地層的非均質(zhì)性、油層傾角、巖石性質(zhì)、地層斷層活動、地下地震活動、地殼運動等等地質(zhì)因素是導(dǎo)致油水井套管技術(shù)狀況變差的

63、客觀條件，這些內(nèi)在因素一經(jīng)引發(fā)，產(chǎn)生的應(yīng)力變化是巨大的、不可抗拒的，將使油水井套管收到嚴重損害，導(dǎo)致局部小區(qū)塊套管損壞區(qū)甚至成片套管損壞的出現(xiàn)，嚴重威脅油田的穩(wěn)產(chǎn)，給作業(yè)、修井施工增加了極大的困難。</p><p>　　陸相沉積的砂巖、泥質(zhì)粉砂巖油田、由于沉積環(huán)境的不同，油藏滲透性在層與層之間、層內(nèi)平面之間都有較大的差別。許多油田一口井內(nèi)有多個油層組，滲透率差異很大。即便劃分了層系，但是同一層系內(nèi)各小層的滲透率差

64、值任很大，有的相差10倍，有的甚至相差幾十倍。在注水井開發(fā)過程中，油層的非均質(zhì)性將直接導(dǎo)致注水開發(fā)的不均衡性，這是引發(fā)地層孔隙壓力場不均勻分布的基本地質(zhì)因素。</p><p>　　陸相沉積的油田，儲層一般多為背斜構(gòu)造和向斜構(gòu)造，由于背斜構(gòu)造是受地層側(cè)壓應(yīng)力為主的褶皺作用，一般在相同條件下，受巖體重力的水平分力的影響，地層傾角較大的構(gòu)造軸部和陡冀部比傾角較小的部位更容易出現(xiàn)套損。</p><p&

65、gt;　　在沉積構(gòu)造的油、氣藏中，儲存油、氣多為砂巖、泥砂巖、泥質(zhì)粉砂巖。注水開發(fā)的泥砂巖油田，當油層中的泥巖及油層以上的頁巖被注入水侵蝕后，不僅使其抗剪強度和摩擦系數(shù)大幅度降低，而且使套管受巖石膨脹力的擠壓，同時當具有一定傾角的泥巖遇水呈塑性時，可將上覆巖層壓力轉(zhuǎn)移至套管，使套管收到損壞。</p><p>　　在注水油田開發(fā)過程中，工程技術(shù)措施如高壓注水、大型壓力等作業(yè)將誘發(fā)各種地質(zhì)因素對套管的破壞作用。<

66、;/p><p>　　2.1.1 泥巖吸水蠕變和膨脹造成套管損壞</p><p>　　泥巖是一種不穩(wěn)定的巖類，當溫度升高或注入水進入巖層時，將改變泥巖的力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)，使泥巖產(chǎn)生位移、變形和膨脹，增加對套管的外部載荷，當套管的抗壓強度低于外部載荷時，套管就會被擠壓變形乃至錯斷。</p><p>　　據(jù)1981年統(tǒng)計，我國大慶油田大量的套管損壞井中，在泥巖層套管變形、

67、破裂的井占套管損壞井的60%，套管損壞井多分布在S0組油層頂部的泥巖段內(nèi)。前蘇聯(lián)格羅茲內(nèi)石油聯(lián)合企業(yè)100多例套管分析表明，有45例集中在上麥科普層0.5~1.5米的泥巖薄層段，分析其原因主要是由于使用水基鉆井液鉆井，加之固井質(zhì)量差，水進入泥巖薄層，造成泥巖膨脹，構(gòu)造頂部的上麥科普層嚴重位移，泥巖被揉皺，增加了對套管的外部載荷，導(dǎo)致套管損壞。</p><p>　　近年來，國內(nèi)外對泥巖層產(chǎn)生位移和變形進行了大量的理

68、論研究，提出了計算泥巖變形、蠕變特性的數(shù)學(xué)模型，并通過實驗室模擬現(xiàn)場條件進行實驗研究，認清了泥巖地層水浸對油水井套損的機理。</p><p>　?。?）泥巖地層水浸對油、水井套管損壞的影響</p><p>　　當注水壓力超過泥巖微裂縫、砂巖和泥巖界面、層理等地層薄弱環(huán)節(jié)的破裂壓力時，注入水可從灰黑泥巖的原生微裂縫和節(jié)理浸入，也可沿砂泥巖界面、頁巖層理面或泥頁巖、砂頁巖界面處浸入，形成一定范

69、圍的含水泥巖層即為浸水域。</p><p>　　泥巖含水后，其抗剪強度和摩擦系數(shù)會大幅度降低，地層變形量增大，易造成地層橫向蠕動變形，使套管收到膨脹力的擠壓。特別當具有一定的傾角的泥巖地層形成浸水域后呈塑性時，可將覆巖層壓力轉(zhuǎn)移至套管，造成套管水平應(yīng)力作用而產(chǎn)生變形或剪切損壞。脆性頁巖水浸后，將巖層理剝蝕成碎片，也將造成套管損壞。</p><p>　?。?）泥巖進水對套管損壞的影響<

70、/p><p>　　泥頁巖進水，巖石已經(jīng)滑動或處于臨界狀態(tài)，巖石進水后改變了內(nèi)摩擦角，泥頁巖內(nèi)摩擦角15度或更小。當然，巖石進水后，同時也改變了抗剪強度。</p><p>　　在非均質(zhì)地應(yīng)力作用下，泥巖蠕變將對套管產(chǎn)生一個非均質(zhì)的外擠力，其大小隨時間的增加而增大，開始時增加速度較快，隨后增加速度變慢，當經(jīng)過較長時間后，套管所收到的蠕變外力會趨于一個穩(wěn)定值而不斷增加。在套管周圍不同方向所受的蠕變外

71、載力不同，在最大地應(yīng)力方向受力最大，最小地應(yīng)力方向所受力最小，套管周圍外載分布形式為橢圓形。</p><p>　　作用在套管上的巖石蠕變載荷隨時間變化與泥巖的含水量有密切關(guān)系，泥巖含水量增加，會加大泥巖的流動速度，從而使作用在套管上的巖石蠕變外載的增長速度增大，縮短其達到穩(wěn)定值的時間。</p><p>　　2.1.2 油層出砂造成套管損壞</p><p>　　在目

72、前開發(fā)的油田中，出砂油層一般為弱膠結(jié)的疏松砂巖層。對于這類油層出砂，在不考慮水對結(jié)構(gòu)破壞的情況下，從力學(xué)上講其出砂原因是油流的機械力先將油層局部結(jié)構(gòu)破壞，變成無膠結(jié)的散砂，油流將散砂攜帶走，造成油井出砂。在注水開發(fā)油田，在水驅(qū)動油過程中，砂巖巖層膠結(jié)物易吸水膨脹和水解，在高的采液強度下，產(chǎn)生壓差較大，從而使油層巖石骨架結(jié)構(gòu)破壞，形成油井附近地帶出砂。</p><p>　　由于油層出砂，首先在炮眼附近形成空洞或坑道

73、，一旦空洞形成，將會造成局部應(yīng)力集中，對油層結(jié)構(gòu)造成進一步的破壞。在油層內(nèi)，油流速度越小，對油層結(jié)構(gòu)的破壞將能力也就越弱，因而，在固定產(chǎn)液速度下，油層結(jié)構(gòu)的破壞將被控制在一定半徑范圍之內(nèi)。由于深層油層所承受的垂向應(yīng)力很大，當油層大量出砂后，上覆巖層失去支撐，打破了原有平衡，將產(chǎn)生垂向變形，甚至坍塌，使上覆層產(chǎn)生拱形剖面。</p><p>　　據(jù)有關(guān)研究認為：油層少量出砂時空洞只存在于各個炮眼附近，大量出砂后形成的

74、空洞只存在于油層頂部的一部分，并占據(jù)油層的整個厚度，但隨著空洞的增大，空洞占據(jù)的油層頂部也相應(yīng)增多。如果上覆地層產(chǎn)生坍塌，空洞將存在于上覆層內(nèi)。</p><p>　　油層上覆地層重力主要靠油層來承擔(dān)。當油層大量出砂后，破壞了巖石骨架的應(yīng)力平衡，油層壓力在開采過程中出現(xiàn)較大幅度的下降。當上覆地層壓力大大超過油層孔隙壓力和巖石骨架結(jié)構(gòu)應(yīng)力時，相當一部分應(yīng)力將轉(zhuǎn)嫁到套管壓力大于套管的極限強度時，套管失穩(wěn)，出現(xiàn)彎曲、變形

75、或錯斷。</p><p>　　2.1.3 巖層滑動造成套管損壞</p><p>　　從眾多開發(fā)油田的地質(zhì)資料看，地下巖石或多或少有軟弱夾層，多則四、五層，少則一層。在軟弱夾層不吸水泥時，在原始地應(yīng)力的作用下巖層保持穩(wěn)定。但軟弱夾層一般都具有較強的吸水能力，在油田注水開發(fā)過程中，當注入壓力達到一定值后，注入水通過裂縫竄到軟弱夾層，使它吸水，改變其物理性能，強度降低，導(dǎo)致巖層失穩(wěn)滑動，從而造

76、成油井套管損壞。</p><p>　　高壓注水促使巖層滑動有兩種類型，一是重力作用滑動類型，一是注采壓差推動類型。</p><p>　　重力作用滑動類型是地層在重力作用下出現(xiàn)滑動。目前開發(fā)的油田多為背斜構(gòu)造。地層都具有一定的傾角。地層在種類作用下有沿地層傾角下滑的趨勢，但只有當?shù)貙觾A角大于巖石內(nèi)摩擦角時才滑動。隨著油田注水壓力的提高，巖石孔隙壓力提高，當孔隙壓力等于巖石垂向壓力時，則巖層靈

77、界傾角變?yōu)榱愣龋藭r地層好像漂浮在水面上一樣，傾斜地層將在重力作用下沿地層傾斜面下滑，給作為地層滑移的約束體的套管施加剪切力。</p><p>　　注采壓差推動類型是由于注水井井底壓力大于油井壓力而造成巖層滑移，通常注水井的井底周圍壓力要高于生產(chǎn)井井底周圍壓力而形成孔隙壓差，對于低滲透油田或注水井周圍孔隙堵塞，注入水不能很好的滲透到油井中，致使注水井井底壓力高于油井很多，從而產(chǎn)生了從注水井指向油井的很大的孔隙壓差

78、，這個力作用在巖石骨架上，當這個壓力大于巖石剪切強度時，局部的地層將在孔隙壓力的推動下從注水井向油井方向滑動，處于滑動地層中套管將擠壞。</p><p>　　高壓注水引起巖層滑動造成油水井套管損壞有如下三種特征：</p><p>　　一是低壓區(qū)塊的油井先于高壓區(qū)塊的水晶發(fā)生套管損壞;</p><p>　　二是鄰近套管損點位置發(fā)生在同一層位；</p>&

79、lt;p>　　三是低壓排的相鄰井同時發(fā)生套管損壞。</p><p>　　2.1.4 斷層活動造成套管損壞</p><p>　　在油田的開發(fā)過程中，由于地殼升降、地震和高壓注水作用等原因使原始地層壓力發(fā)生變化，將引起巖層力學(xué)性質(zhì)和地應(yīng)力的改變，使暈啊有平衡的斷層被誘發(fā)復(fù)活，特別是注入水侵蝕后，更夾具對套管的破壞作用，造成成片套管去的發(fā)生。一旦斷層復(fù)活就將形成斷層附近的井的套管出現(xiàn)成片

80、損壞，而且造成套管蘇懷的程度比較嚴重，多數(shù)損壞為套管錯斷類型，其損壞位置和斷層深度基本一致。</p><p>　　在世界范圍內(nèi)，由于斷層活動而造成套管成片損壞的例子很多。前蘇聯(lián)的巴拉哈內(nèi)—薩內(nèi)齊—拉馬寧油田是一個由于斷層復(fù)活而造成套管損壞的典型例子。斷層活動導(dǎo)致油水井套管成片損壞的領(lǐng)一個實例是美國密西西比南帕斯27斷塊油田。該油田近250口生產(chǎn)井鉆遇4條主要斷層，斷層運動使套管偏移范圍達到3M,致使油井套管損壞。

81、1971年底已有45口鉆遇斷層的油田套管出現(xiàn)損壞，其中21口報廢據(jù)統(tǒng)計，該有一按鉆遇斷層的油井，固井井的套管損壞幾率達到56%,66口井中有37口出現(xiàn)套管損壞而未固井的30口井中只損壞2口，套管損壞幾率只有6%，因此該油田對新油井提出的設(shè)計要求是，在斷層不分不固井，而且要擴孔，給地層沿斷層運動流出一個緩沖帶防止套管擠壞。</p><p>　　這些是主要的原因，還有其他的地質(zhì)因素，這里就詳細記述了，如地震引起的套管

82、損壞，巖石的蠕動等等。</p><p>　　2.2 工程技術(shù)因素</p><p>　　由工程技術(shù)引起的套管損壞有磨損、破裂、脫扣等，然而縱觀所有的影響，工程技術(shù)因素是比較主觀的，首先，套管的材質(zhì)以及涉及到的螺紋連接，螺紋的密封性，還有就是固井射孔質(zhì)量的好壞也是關(guān)鍵因素，要減少套管損壞，我們得研究影響套損的各方面因素。下面我們從不同的角度來介紹工程技術(shù)因素對套管損壞的影響。</p&g

83、t;<p>　　2.2.1 套管材質(zhì)的影響</p><p>　　多年來,世界石油工業(yè)所用的石油管一直采用美國石油學(xué)會(API)標準進行生產(chǎn)和使用,就套管材質(zhì)來說,API SPEC 5CT將套管和油管分為4組、17個鋼級。但隨著井深的增加、腐蝕介質(zhì)腐蝕性的加劇、地質(zhì)條件的更加惡劣等使套管的服役條件越來越苛刻。套管本身會有微孔，微縫，以及螺紋缺陷都會造成套管的損壞。來越苛刻。國外油井管生產(chǎn)廠家除開發(fā)A

84、PI標準規(guī)定的套管外,還開發(fā)了大量的非API標準規(guī)定的套管。如,日本住友的SM系列、日本鋼管公司的NK系列、新日鐵的NT系列、川崎的KO系列、Mannesman的MWC系列,其中住友的SM及新M系列非API油井管共有92個鋼級,是API鋼級的5·4倍。這些非API標準油井管不同程度地滿足了特殊服役環(huán)境的要求,據(jù)統(tǒng)計,世界上非API標準油井管用量已占油井管總量的30%以上。苛刻的服役條件對石油套管的品種、規(guī)格和質(zhì)量提出了更高的要

85、求,因此,需要進一步開發(fā)滿足特殊要求的油井管,例如,用于深井、超深井的高強度油井管;高抗擠油井管;抗酸性腐蝕油井管;高CO2含量及CO2、H2S、Cl-共存的經(jīng)濟型油井管;表面特殊處理油井管,如激光表面處理、滲鋁表面處理、鎳磷化學(xué)鍍層</p><p>　　螺紋是套管柱的主要聯(lián)接形式,實踐表明,套管柱的可靠性直接受聯(lián)接部位的可靠性控制,據(jù)統(tǒng)計,約有80%的套管失效都發(fā)生在螺紋聯(lián)接部位。因此研究套管螺紋有關(guān)特性就顯得

86、非常重要。完井后，由于采油生產(chǎn)壓差或注水壓差長期影響，導(dǎo)致管外氣體、流體從螺紋的不密封處進入，形成腐蝕，造成套損。</p><p>　　螺紋密封性能是衡量套管質(zhì)量的重要指標之一,套管螺紋密封的好壞取決于接觸壓力、接觸表面形狀及表面處理等因素,其影響規(guī)律相當復(fù)雜。</p><p>　　因為制造及磨損等原因,實際上石油套管不是理想的圓管,理想圓套管的承載能力高于橢圓套管,套管承載能力隨橢圓度的

87、增加而下降。在非均勻分布載荷作用下,套管應(yīng)力和變形狀況也比較復(fù)雜,材料的力學(xué)性能得不到充分的發(fā)揮。高連新等研究了套管內(nèi)壁磨損后的抗擠毀問題,指出套管內(nèi)壁磨損量不同,會影響套管的擠毀形狀和失效形式,套管抗擠毀強度和磨損量成線性關(guān)系,磨損降低了套管的抗擠毀強度</p><p>　　2.2.2 固井質(zhì)量的影響</p><p>　　固井是鉆井完井前及其重要的工序，它直接關(guān)系到井的壽命和以后的注采

88、關(guān)系，固井施工由于受到各方面因素影響較多，固井質(zhì)量難以實現(xiàn)最優(yōu)狀況，如鉆井井眼不規(guī)則，井斜，固井水泥不達標，頂水泥漿的頂液不符合要求，水泥漿的密度低或高，或在固井過程中，鉆井液泥餅問題，固井前沖洗井壁與套管外干凈程度，注水泥后套管拉伸載荷過小或過大等等，都將影響固井質(zhì)量，而固井質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響套管完井質(zhì)量和壽命。</p><p>　　在許多情況先，套管損壞往往是由于固井質(zhì)量差造成的。具體有以下幾種情況：<

89、;/p><p>　　固井過程中，有時鉆井液返高分兩級，但在大多數(shù)情況下，上下兩級之間的水泥連接不好。</p><p>　　分段下套管時，有時下一段套管的管外水泥返高達不到高度，在下部管段沒有加固部分的壓縮負荷中增加一個補充負荷，溫度的變化導(dǎo)致一個補充的壓縮力。</p><p>　　固井水泥一般比鉆井應(yīng)用中的鉆井液密度大，而驅(qū)動固井水泥的流體常常是低密度鉆井液或水，結(jié)果造

90、成套管外部靜壓力大于內(nèi)部靜壓力，套管外流體的靜壓力在套管鞋上產(chǎn)生的向上壓縮力，套管內(nèi)壓力產(chǎn)生向下的重力，當兩個力差別很大時，套管實際處于壓縮狀態(tài)，因此在井眼擴大部分或水泥不適當部分出現(xiàn)套管彎曲。</p><p>　　固井水泥候凝溫度變化大。由于井眼不規(guī)則或固井時存在混漿井段，在封固井段時內(nèi)，水泥漿候凝期間放熱不均勻，溫度的變化使套管熱脹冷縮，導(dǎo)致套管變形破裂。 </p><p>　　2.2

91、.3 井位部署問題對套管損壞的影響</p><p>　　井位的部署對套管的影響往往是很嚴重的，如果部署的位置不當，比如在斷層附近部署油井或注水井，很容易引起斷層的滑移而導(dǎo)致套管錯段，這種損壞是不可修復(fù)的。在可能的情況下我們應(yīng)盡量避免在斷層附近部署油井。</p><p>　　2.2.4 射孔對套管損壞的影響</p><p>　　射孔完井是應(yīng)用最廣泛的完井方式，早在

92、20世紀60年代聚能射孔已作為石油工業(yè)的主要射孔方式代替了子彈式射孔。隨著射孔技術(shù)的發(fā)展人們進一步認識到了射孔器材產(chǎn)品性能對油氣井產(chǎn)能的影響，因而各國石油設(shè)備公司都在研制深穿透、大孔徑、低傷害的射孔器以提高完井效率。</p><p>　　射孔時，聚能裝藥爆轟壓垮藥形罩匯聚到軸線處撞擊形成高速金屬流動——射流，射流穿透射孔器壁、射孔液、套管、水泥環(huán)進入地層形成射孔孔道，同時射流對射孔孔道周圍的巖石結(jié)構(gòu)也造成一定的損

93、害，射孔所形成的孔道內(nèi)殘留物的存在和巖石結(jié)構(gòu)的破壞將造成孔道附近巖石結(jié)構(gòu)滲透率的下降，該區(qū)域被稱為“壓實損害區(qū)”（Crushed zone）或“射孔損害區(qū)”（Damaged zone）。射孔損害區(qū)域的存在將嚴重地影響油氣井產(chǎn)能，因此對該區(qū)域形成機理及其主要影響因素進行分析具有十分重要意義。</p><p>　　影響射孔質(zhì)量的因素。</p><p>　　靶體因素。巖石硬度將影響射孔孔深。Be

94、hemann指出在同樣的實驗條件下，疏松巖石（Weak Sandstone）比貝雷砂巖的射孔孔深長70%左右，同時射孔損害區(qū)寬度減小。在射孔孔道附近疏松的巖石通常會因為破碎而發(fā)生崩潰，在孔道內(nèi)產(chǎn)生巖石碎屑，影響滲透率。P.M.Halleck在最近的研究報告中提到，如果用Brinell方法，對射孔孔道附近巖石硬度進行測定，發(fā)現(xiàn)巖石硬度將明顯下降，并且延伸距離要超過10mm，沿孔道方向損害程度和范圍并不一致，在射孔入口處最大，沿孔道方向向孔

95、道底部逐漸減??；將同樣的鉆孔與射孔實驗進行對比，表明射孔損害程度要大得多；射孔損害區(qū)范圍與巖石靶板直徑尺寸無關(guān)。</p><p>　　壓差。射流的形成將巖石碎屑與爆轟碎屑擠壓到孔道壁，但碎屑的強度低，如果是正壓射孔，隨后的流體涌入將各種微小顆粒沖入靶體深處，從而引起滲透率的進一步降低；如果是負壓射孔，隨后的流體涌出將各種微小顆粒沖出孔道，從而改善滲透率。</p><p>　　除了上述的因素

96、外，還有很多因素會導(dǎo)致套管的損壞，比如由于各種大量增產(chǎn)措施導(dǎo)致的套損，這里不做詳細介紹了。</p><p>　　2.3 油氣井開采方式的影響</p><p>　　為實現(xiàn)油井長時間的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，我們必須采取正確的措施進行開采。</p><p>　　油藏采出引起地面下沉、地下水竄入膨脹巖層引起圍巖膨脹擠壓套管。但是，合理的開采方式或在開采后采取適當?shù)拇胧Ｗo好套管。儲

97、油層油藏的采出將會引起巖層下沉，而適當?shù)母邏鹤⑺芤鹣鲁羾鷰r的回彈。圍巖的下沉與回彈都會給套管增加附加地應(yīng)力。通過設(shè)計合理的注采網(wǎng)，邊開采邊注水，保持合理的注采壓差，使油田各區(qū)塊的流體孔隙壓保持基本平衡，就能使這個附加地應(yīng)力減至最低，有力的防止套損的出現(xiàn)。我們也可以采取另一種措施，注水采用合理的注入壓力，使得注水既能滿足注水量的需求，又能防止套管的損壞。這主要是因為當注水壓力超過巖層所能忍受的破壞應(yīng)力時，就會導(dǎo)致水壓破裂。破裂的圍巖一

98、方面會加劇了作用與套管上的應(yīng)力，導(dǎo)致套管的變形損壞，另一方面更主要的，圍巖破裂生成很容易溝通圍巖中的各種原始裂縫，導(dǎo)致注水竄入軟弱夾層或膨脹巖層，膨脹巖吸水膨脹將會對套管造成嚴重的擠壓，很快地損壞套管，這是必須要盡力防止的。</p><p>　　2.4 套管質(zhì)量好壞對套損的影響</p><p>　　套管管壁厚薄不均，管的不圓度等都影響到套管本身的抗壓強度。套管絲扣不密封、螺紋加工精度不高

99、也可引起套管損壞。套管鋼材內(nèi)部各個微小部分有金</p><p>　　相組織的差異和化學(xué)成分的不同，在水、鹽、酸作用下會造成腐蝕老化。在作套管強度計算時往往忽略了在有“狗腿”的井段的彎曲載荷計算等。</p><p>　　2.5 對影響套管損壞因素的認識</p><p>　　通過對油田油水井套管損壞情況的分析，得到以下幾點認識:</p><p>

100、;　　(一)引起套管損壞的因素很多，總體上可分為3個方面，即地質(zhì)因素、工程技術(shù)因素和其它因素的影響。在許多情況下，套管損壞不是單一因素造成的，而是許多因素綜合作用的結(jié)果。</p><p>　　(二)固井質(zhì)量差和鉆井施工質(zhì)量不良直接影響油水井使用壽命。</p><p>　　(三)對傳統(tǒng)的套管強度設(shè)計方法的改進。多年來套管強度設(shè)計的基本理論和方法以完井的安全施工做為主要考慮因素，對采油過程中的

101、一系列因素考慮較小或不予考慮，這是造成套管早期損壞的一個重要原因。</p><p>　　(四)油層部位套管的不良射孔是造成套管損壞的重要原因。射孔降低了套管強度，尤其是落后的射孔方法，導(dǎo)致套管的嚴重損壞。</p><p>　　(五)疏松油層大量出砂是造成油田大量套管損壞的主要原因。油層出砂會造成油層壓實和地層壓力下降，使周圍巖石應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而破壞原有的應(yīng)力狀態(tài)平衡，形成對套管的作用

102、載荷發(fā)生變化，導(dǎo)致套管損壞。</p><p>　　(六)油田開發(fā)所采取的增產(chǎn)措施如高壓注水、大型壓裂和酸化，都加速套管的損壞。</p><p>　　2.6 預(yù)防套管損壞的措施和建議</p><p>　　(一)研究設(shè)計適合于油田目前階段的井身結(jié)，如:是否需下技術(shù)套管，提高封固高度，鉆開危險的專用泥漿等。</p><p>　　(二)提高套管絲扣

103、的密封性。周期性緊扣是高套管絲扣連續(xù)密封性的最有效措施，其實質(zhì)是通過上提、加載、緊扣的反復(fù)多次作業(yè)，直到該絲扣接頭多次承載后絲扣擰緊為止。</p><p>　　(三)增加固井水泥上返高度。在多套管層的井身結(jié)構(gòu)下，水泥至少上返到上一套管鞋處。同時管柱盡量處于中心位置上，保證水泥分布均衡。</p><p>　　(四)雙套管柱可提高抗擠壓強度。在已變形套管中再下人一根較小的套管柱是提高套管抗破裂

104、強度的有效方法。</p><p>　　(五)預(yù)測巖層壓力。為防止套管損壞，首先要預(yù)測巖層壓力。巖層壓力超過套管臨界壓力的層段為套管變形危險層段，應(yīng)采取相應(yīng)的措施。</p><p>　　(六)在泥巖蠕變帶采用綜合措施以防止套管損壞。</p><p>　　(七)考慮套管因素，確定油田合理的注水壓力，注意保持各層系、各區(qū)塊間的注采平衡。</p><p&

105、gt;　　(八)提高井下作業(yè)的施工質(zhì)量，延長免修期，減少作業(yè)次數(shù)。</p><p>　　(九)針對地層出砂這一套損主要原因，有效采取防砂措施，以保證套管安全。</p><p>　　(十)建立一套完善的油水井套管技術(shù)狀況監(jiān)測系統(tǒng)，進行專門的地面測量和井下綜合測試，掌握和認識套管損壞和各種影響因素間的關(guān)系。</p><p><b>　　2.7 本章小結(jié)<

106、;/b></p><p>　　前面介紹了關(guān)于油井套管變形損壞的各種影響因素，研究表明，造成油井套管變形損壞的因素是十分復(fù)雜的。由于地應(yīng)力及地下巖層的各種物理化學(xué)作用的綜合效應(yīng)，最終導(dǎo)致油井套管的變形和損壞。所以只有在深入分析各種套變影響因素的基礎(chǔ)上，綜合考慮各種因素的效應(yīng)，才能有效的防止套管損壞，才能延長套管的壽命。我們還提出了預(yù)防套管損壞的措施，在采取套變防范措施時，要辯證的看待每個措施的可能出現(xiàn)的積極地

107、和消極的影響，綜合利弊以取得最優(yōu)的效果。進行套管載荷研究的同時，了解套管損壞原因，分清楚套管變形和損壞的影響因素都是很必要的。</p><p>　　第三章 套管擠毀壓力計算分析</p><p>　　上一章我們介紹了石油套管損壞的內(nèi)外因素，這一章我們從套管的擠毀壓力入手，進一步研究套管的安全性。套管的擠毀能力的研究是近幾十年來十分活躍的課題之一。當前，用的比較廣的是API公式，以此作為套管