【導讀】井筒是井內(nèi)的流體通道,也是井控工作的重要環(huán)節(jié),井筒的功能是否健全對于安全鉆進具有重要意義,井筒風險評價和完整性管理是鉆井風險管理的重要環(huán)節(jié)。井筒完整性是井筒抵抗結(jié)構(gòu)性破壞、維持井筒功能的重要屬性,是鉆井工程井下安全的保證。井筒完整性評價的目的在于了解井筒風險狀況,以便防止井筒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生失效破壞。針對塔里木油田井深、高溫高壓等特點，本文研究了井下套管的磨損機理，分析了影響磨損速度的因素，建立了考慮套管磨損的抗擠、抗內(nèi)壓強度計算模型，開展了實例計算，討論了磨損長度、磨損深度對套管抗內(nèi)壓強度的影響。在塔里木盆地,尤其是庫車前陸地區(qū)由于構(gòu)造高陡復雜、地應力強、儲層孔隙異常高壓,油田井深、地質(zhì)構(gòu)造復雜,大多數(shù)井為高溫高壓井,并且塔里木油田有多個區(qū)塊為高壓氣井,且含有CO2、H2S和Cl-等腐蝕介質(zhì)。所以對油套管的磨損和腐蝕作用強，及早發(fā)現(xiàn)套管的風險性過大，能有效地進行改進和修補，具有重要的經(jīng)濟效益，所以對

　　

【正文】 蝕孔在y軸方向上力的平衡方程為: 解得： 式中，K1，K2：推導過程的中間參數(shù)。因此，淺半圓形腐蝕孔孔邊的應力集中系數(shù)為： 其中， （33）3) 深半圓形腐蝕孔將腐蝕深度h大于腐蝕開口半徑（hd/2）的類圓形腐蝕孔定義為深半圓形腐蝕孔（如圖38）。圖37中，a=（d2+4h2）/8h，b=ah+t，t為套管的壁厚，mm。圖38深半圓形腐蝕孔在y軸方向上力的平衡方程為: 解得， 式中，ω、ψ：θ、β、γ：應力集中系數(shù)推導過程所用的角度，rad；w、u：推導過程中的中間參數(shù)。因此，深半圓形腐蝕孔孔邊的應力集中系數(shù)為： 其中， 腐蝕對套管的強度的影響主要是因為在腐蝕孔邊產(chǎn)生了應力集中，從而改變了套管在腐蝕孔邊的應力分布,因而也就改變了該處的套管強度,腐蝕對套管強度的影響可以用應力集中系數(shù)來評估。Kai Sun等人研究了應力集中對套管抗內(nèi)壓的影響,并提出了抗內(nèi)壓強度的修正公式。1) API標準下套管的強度計算公式API套管抗內(nèi)壓強度的公式為: 式中,：管體最小屈服強度,kPa；D：套管的外徑,mm；t：套管的壁厚,mm；：套管的抗內(nèi)壓強度,kPa。套管的API屈服強度擠毀公式為： 式中,：套管的抗內(nèi)壓強度,kPa。2) 腐蝕后套管的抗內(nèi)壓強度和抗擠強度Kai Sun等人的研究認為,可以用應力集中系數(shù)直接對套管抗內(nèi)壓強度進行修正,設(shè)類圓形孔的孔邊應力集中系數(shù)為ktg,則腐蝕后的套管抗內(nèi)壓強度公式為: 使用與考慮應力集中對套管抗內(nèi)壓強度影響的相同方法,可以對套管的抗擠強度做出相應的修正。則腐蝕后套管的抗擠強度公式為: 3) 套管腐蝕對套管強度的影響分析,，設(shè)套管上的類圓形腐蝕孔開口直徑d=10mm,應力集中系數(shù)的計算方法如下：當孔深h小于5mm時，套管腐蝕為淺半圓形腐蝕孔，用公式31計算；當孔深h等于5mm時，套管腐蝕為半圓形腐蝕孔，用公式32計算；當孔深h大于5mm時，套管腐蝕為深半圓形腐蝕孔，用公式33計算。計算出了不同孔深h的應力集中系數(shù)Ktg的分布，就可以得到不同孔深套管相應的強度降低情況。通過計算不同孔深對應的應力集中系數(shù)分布如圖39所示。由圖39可以看出，當腐蝕孔的開口直徑d一定時，腐蝕孔的孔邊應力集中系數(shù)是隨著腐蝕孔深度的增加而逐漸增加的。且當腐蝕孔的深度較小時，應力集中系數(shù)增加的幅度要緩慢些；當腐蝕孔的深度增加到一定值后，應力集中系數(shù)的增加就會變得很明顯。對于不同規(guī)格的套管，在腐蝕孔開口直徑相同腐蝕孔深度相同時，腐蝕孔邊的應力集中系數(shù)變化情況也不近相同，壁厚較薄的套管的應力集中系數(shù)要更明顯些，這也從一個側(cè)面說明腐蝕孔對套管的強度影響中，腐蝕孔的深度是決定因素。圖39 腐蝕孔孔邊應力集中系數(shù)隨腐蝕孔深度的變化,，隨著腐蝕孔開口直徑的增加，腐蝕孔孔邊應力集中系數(shù)的變化趨勢如下圖310所示。由圖310可以看出，腐蝕孔開口直徑的大小對應力集中系數(shù)影響沒有腐蝕孔深度對應力集中系數(shù)的影響那么明顯，應力集中系數(shù)主要還是受腐蝕孔深度的影響；當腐蝕孔開口直徑小于套管壁厚時，隨著腐蝕孔開口直徑的增加，應力集中系數(shù)隨之增加，當腐蝕孔開口直徑大于套管壁厚時，隨著腐蝕孔開口直徑的增加，應力集中系數(shù)會逐漸減小。圖310 腐蝕孔開口直徑對應力集中系數(shù)的影響,：，抗內(nèi)壓強度為：；,：，抗內(nèi)壓強度為：；下面分析腐蝕孔深度對該套管的抗擠強度和抗內(nèi)壓強度的影響，腐蝕孔深度對該套管的抗擠強度影響如圖311所示：圖311 腐蝕孔深度對套管抗擠強度的影響腐蝕孔對套管抗內(nèi)壓強度的影響如圖312所示：圖312 腐蝕孔深度對套管抗內(nèi)壓強度的影響由圖311和圖312可以看出腐蝕孔深度對套管抗擠強度和抗內(nèi)壓強度的影響規(guī)律，隨著腐蝕孔的深度的增加，腐蝕孔孔邊應力集中系數(shù)隨著增加，套管的抗擠強度和抗內(nèi)壓強度都會隨之降低。4 實例計算在上述理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合某井的實際情況，開展了實例計算。該井的井身結(jié)構(gòu)如圖41所示。其套管程序：導管：；一開：；二開：；三開： mm；具體井身結(jié)構(gòu)情況見圖42。圖41 XX井井身結(jié)構(gòu)采用復合應力模型校核套管強度。采用浮力系數(shù)法計算軸向力。外擠力計算方法：對于表層套管和油層套管來說，管內(nèi)為全掏空，按鉆井液密度計算管外液柱壓力。內(nèi)壓力計算方法：按氣井關(guān)井計算有效內(nèi)壓時，考慮氣體重量、高含硫化氫環(huán)境中套管材料臨界應力百分比的影響。外載荷的具體計算方法：a) 有效外擠力計算管內(nèi)為全掏空；管外按鉆井液密度計算管外液柱壓力。有效外擠力：井底為76MPa，井口為0MPa。b) 有效內(nèi)壓力計算管內(nèi)按靜氣柱壓力計算，產(chǎn)層壓力64MPa，天然氣相對密度：；按鹽水靜水柱壓力計算管外壓力。有效內(nèi)壓力：井底為10MPa，井口為52MPa。c) 軸向力計算：不考慮鉆井液浮力的影響。表4圖42~圖45給出了油層套管的強度校核結(jié)果情況。從表和圖中可以看出，其抗內(nèi)壓安全系數(shù)大于行業(yè)標準規(guī)定值。表41 套管柱強度校核數(shù)據(jù)表下入井段m鋼級壁厚mm扣型安全系數(shù)抗拉抗擠抗內(nèi)壓VONMises復合應力回接03277TP110SS氣密封扣油層套管(懸掛)32775691TP110TS圖42 油層套管抗內(nèi)壓強度設(shè)計圖43 油層套管抗擠強度設(shè)計圖44 油層套管抗拉強度設(shè)計圖45 油層套管Von Mises應力設(shè)計在強度計算的基礎(chǔ)上，評價了不同溫度壓力條件下的套管腐蝕速率。實驗壓力60MPa；實驗溫度120℃、H2S含量18%（ MPa)、CO2含量11%（ MPa)、 g/L、 g/m3。循環(huán)流動實驗結(jié)果見表42，試片表面呈均勻腐蝕態(tài)。表42 模擬凝析水采氣期材料的腐蝕速率測試結(jié)果（mm/yr）材 料1腐蝕速率2腐蝕速率3腐蝕速率4腐蝕速率5腐蝕速率平均腐蝕速率C110 1號C110 2號C110 3號從表42中數(shù)據(jù)可以看出，在凝析水采氣期材料的腐蝕速率極低。盡管高含硫化氫和二氧化碳，還有元素硫，但腐蝕并不嚴重。 mm/yr， mm/yr計算，套管至少也可用10年以上。圖46 表示攜水采氣期腐蝕剩余強度。 TP110TS 套管腐蝕后的抗內(nèi)壓強度 TP110TS套管腐蝕后的抗擠強度圖46 TP110TS套腐蝕后的剩余強度5 結(jié)論與建議1）詳細分析了5種套管磨損形式分別為：磨粒磨損、粘著磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損和沖蝕磨損，以及這5種磨損的機理。在研究磨損形式的基礎(chǔ)上又給出了影響套管磨損的因素。通過研究得出以下結(jié)論：a）接觸力越大，磨損越嚴重b）狗腿度越大，磨損越嚴重c）清水中套管的磨損最大, 水基鉆井液中套管的磨損要比清水中的要少, 非加重的油基鉆井液中套管的磨損更輕d）對于K 5N 80、P110 三種鋼級的套管，P110 磨損的最快，N80 次之, K55 最慢2）分析建立力學模型，研究總結(jié)前人的計算模型，得出月牙形套管磨損的深度和磨損后剩余強度計算公式，并對磨損長度磨損深度對套管抗內(nèi)壓的影響做出了一些探討。3）介紹了套管腐蝕的類型分別為：化學腐蝕，電化學腐蝕，環(huán)境斷裂和應力腐蝕，流動誘導腐蝕和沖刷腐蝕。其中對主要的化學腐蝕和電化學腐蝕的機理做出了介紹。在此基礎(chǔ)上，又研究了影響化學腐蝕的因素分別：地下水含量，氯離子含量，PH值，溫度等4）針對腐蝕坑引起的應力集中對套管強度的影響，使用了美國休斯頓大學的KaiSun和路易斯安娜大學的Boyun Guo和Ghalambor Ali對套管腐蝕孔的研究，將套管內(nèi)壁上的腐蝕坑看作是二維類圓形腐蝕孔來求解其應力集中系數(shù)。在得到應力集中系數(shù)的基礎(chǔ)上，參考Kai Sun等人對應力集中對套管抗內(nèi)壓的影響的研究,并提出了抗內(nèi)壓強度的修正公式。5）把上述思路及參考各位專家對井筒完整性評價的方法，對一組現(xiàn)場井筒數(shù)據(jù)參數(shù)進行應用，即XX井筒完整性評價。在評價過程中在對套管進行強度校核的同時，我們也對其進行了凝析水腐蝕模擬實驗和積水采氣期腐蝕和模擬實驗，在最后我們還對其腐蝕壽命進行了估計，并取得了滿意的結(jié)果。 塔里木井筒完整性評價方法謝辭本論文是在導師張智副教授的指導下完成的。張老師知識淵博、學風科學嚴謹、倡導實事求是、工作態(tài)度一絲不茍和勤于工作，且對學生的畢業(yè)設(shè)計總是十分關(guān)心，對學生提出的問題熱心解答，對學生的論文要求嚴格，積極為學生提供數(shù)學模型和現(xiàn)場數(shù)據(jù)參數(shù)，總是為學生著想。這些都在無形地感染著我、教育著我，有可能會受益終身。謹向?qū)熤乱哉\摯的謝意。感謝我的研究生師兄張繼武在我畢業(yè)設(shè)計的整個過程中對我無微不至的關(guān)心和幫助。感謝同學及室友在我學習中以及日常生活中的關(guān)心與幫助。感謝我的父母及親戚在我四年大學生活中的關(guān)懷與支持。感謝完成論文中所引用學術(shù)著作和研究成果的前輩們，你們的工作使我在論文的完成過程中少走了許多彎路，也從中學到一些課本上沒有學到的知識。 塔里木井筒完整性評價方法參考文獻[1][J].潤滑與密封，2004年9月[2][J].石油礦場機械 , 2008年第37 卷[3]董蓬勃,[J].內(nèi)蒙古石油化工,2007年第8 期[4][J].石油鉆探技術(shù),2008年3月[5][J].石油鉆探技術(shù) 1996年3月[6] 點狀腐蝕剩余強度分析[J]. 天然氣工業(yè) 2006年2月 [7][J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2010年16期[8][J].西部探礦工程，2007年第8期[9]盧亞鋒,[J].石油機械 2010年 第38卷 第8期[10][J]. 2004 年第33 卷[11][J].西部探礦工程，2004年第10期[12][J].石油鉆采工藝 2000 年( 第22 卷) 第1 期 [13][J].西南石油大學學報，2008年10月[14]，2005年4月[15]，2008年4月 [16]安文華，[J].石油礦場機械，2010年第6期[17][J].應用與實踐，2010年7月[18][J].江漢石油學院學報 2004年9月[19][J].中國海上油氣，2008年10月[20]，2007年4月[21]，2007年3月[22][J].天然氣開發(fā)，1999年第2期[23][J].天然氣工程，2000年1月[24][J].[25]，碩士論文，2007年4月[26][J].石油機械，2009年第6期[27][J].四川化工與腐蝕控制，1999年第4期[28][J].石油機械，2001年第11期 [29]Bradley WB, John E Fontenot. The Prediction and Control of Casing Wear [ R] . JPT, February , 1975:233 245.[30]White J P. Casing Wear: Laboratory Measurement and Field Prediction[ G] .SPE, 1987: 56 62.