高温环境下套管柱强度设计优化及应用

深层高温环境对套管力学行为产生较大影响,传统套管柱设计方法仅考虑常温下管柱应力状态,难以适应深层套管柱设计要求。基于弹性力学和热力学理论,结合常温套管应力模型,建立了套管应力与温度作用下的计算模型;基于套管、水泥环和地层耦合体材料特性,分析了热应力作用下套管强度变化特性,建立了高温条件下套管设计优化流程。研究结果表明：在三轴应力作用下套管的抗内压强度增加,抗挤强度减小;高温条件下热应力引起套管三轴强度均减小,管体屈服强度也会减小;热应力产生的轴向应力越大,套管抗挤强度降低幅度越大。所得结果可为深井套管柱强度设计的定量评价提供理论基础。     

基于启发式算法的套管柱组合优化设计方法

针对深井、超深油气井中套管柱组合设计存在非线性、多目标和离散变量组合的问题，提出了一种基于启发式算法的套管柱组合优化设计方法。采用树状结构表示套管柱组合并将其参数化，给出了体现套管柱成本、质量和安全因素的设计需求向量，建立了以该向量为基础的可调多目标数学模型，并给出了利用启发式算法求解该模型的方法。通过与经典的套管柱设计案例进行比较分析，在最经济方案的情形下，利用所建立数学模型得出的解在适应值方面比原方法更好，如解3在成本和质量方面均有所降低，解2的成本降低4.057%，但质量增加0.274%。研究结果表明，基于启发式算法的套管柱组合优化设计方法得出的解具有合理性，且在一定程度上比原有解更优，可解决深井、超深井套管柱组合设计存在的问题。      

基于遗传算法的套管柱优化设计方法

针对复杂地质条件下套管外载荷多变的特点,建立了基于遗传算法的套管柱优化设计方法。应用遗传算法理论,确定染色体编码方式、初始种群的产生方法、染色体评估函数及遗传操作,建立基于遗传算法的套管柱优化设计模型,从而克服了传统套管柱设计方法在复杂地质条件下套管柱强度设计中运算过程复杂,无法兼顾套管成本与风险因素的缺点。对普光气田某井套管柱进行的设计验证情况表明,该方法设计结果准确可靠,既提高了套管柱可靠性,又有利于降低成本。该项研究为复杂地质条件下优化套管柱设计提供了新的方法。     

深水工况下套管柱载荷分析

深水钻井施工风险高,成本高昂,需要研究科学的套管设计方法,以避免或减少因设计不合理而造成的井下事故与复杂情况。目前套管柱强度设计方法缺乏对深水钻井工艺条件的考虑,因此有必要进行深水套管柱载荷分布的研究,以弥补现有设计方法的不足。考虑深水作业过程中隔水管解脱、钻井液漏失、套管试压和固井等复杂工况,针对不同的工况,给出了套管内压、外挤及轴向等套管载荷的计算方法,并对国内一口深水井进行了实例分析。分析结果表明,原有的套管柱强度设计方法不能满足深水套管柱设计的要求,考虑深水特殊作业工况是正确选择套管柱的前提。该套管载荷的分析计算方法可用于陆地及浅海钻井套管柱设计。     

稠油开发井套管损坏机理与强度设计问题分析

套管损坏是影响稠油井开发效益的主要原因之一.分析了稠油井套管损坏特征和损坏机理,主要包括:高温引起的强度变化、蒸汽吞吐形成的残余应力、高温热应力引起套管与水泥环滑脱、油层出砂亏空和断层错位形成地应力等.指出了目前对稠油井套管柱安全强度设计与分析采用的单轴应力或3轴应力方法没有综合考虑交变热应力及生产中的复杂情况,存在许多局限性或不合理性,需要建立更为科学的稠油井套管柱安全可靠性设计与评价方法.     

固井质量对套管柱强度安全的影响

为了深入了解固井质量对套管柱强度安全的影响，考虑固井质量较差井段环空内水泥浆在温度、压力变化时由于膨胀或压缩对套管柱产生的附加载荷，建立了固井质量影响套管柱强度安全的数学模型。实例计算表明，固井质量较差井段的套管柱所受载荷发生了明显变化。因此，在对固井后的套管柱进行强度安全分析和力学计算时，应考虑固井质量的影响。     

考虑气井全生命周期安全的套管柱强度设计方法研究

针对塔里木油田、西南油气田在气井套管强度设计中存在的校核方法笼统,对实际工况考虑不够全 面的问题,通过分析钻完井工艺流程中套管的受力情况,提出了根据单井在钻井、完井、生产等生周期内出现各种极端工况时套管所受载荷来进行套管强度设计的模式。在 ＳＹ／Ｔ５７２４－２００８《套管柱结构与强度设计》的基础上,总结了套管设计中还需要考虑的几种工况以及载荷计算方法。列举套管设计实例,通过分析各种极端工况下管柱的受力情况,设计合理的套管,再进行强度校核,相比传统校核方法考虑的更全面,有利于提高套管的安全性、经济性.     

套管柱悬空段合理长度的研究

深井套管柱悬空段的长度直接关系到固井的质量和成本,是我国深井油田急需解决的问题之一。直到目前为止,尚未见到有关套管柱悬空段合理长度的研究工作和设计依据。本文根据套管柱直接稳定性理论及强度条件进行科学分析,综合考虑安全和经济方面的要求,研究出了该长度的限值设计式,以及安装井口时施加提拉力的简洁计算式,可供深井油田固井工程设计使用。     

有段长约束的套管柱强度优化设计

为了实现套管柱强度的优化设计，在定义了套管有效工作井段的概念，分析了不同种类套管进行连接的条件之后，将这一设计归结为有段长约束的套管柱强度优化设计问题，并指出求求解的困难所在，在此基础上，结合人国智能树图的广度优先方法，建立了套管柱强度优化设计的树图搜索逻辑运行框图，编制了相应的软件，从而实现了有段长约束的套管柱强度计算机辅助最优化设计。     

注水井改为注气井的套管柱安全性研究

结合某油田的H1 2 - 1高压注气井开展了套管柱强度校核方面的研究 ,提出了一套适合于高压注气井套管受力分析和强度安全性校核的步骤和方法。在套管柱强度校核中 ,套管的受力分析应当结合实钻井眼轨迹和实际注气工况 ,充分考虑轴向力、外挤和内压力对套管API强度的影响 ,进行三轴应力强度校核 ,同时应该考虑封隔器的安装与否以及安装高度和注气条件下气体所产生的压力 ,以此来计算套管柱所承受的内压力。提出的套管柱设计方法得到了现场验证     

套管钻井中变应力幅载荷下管柱疲劳强度的评估

套管钻井中，套管柱会承受各种载荷的作用。分对称循环变应力幅载荷和不对称循环变应力幅载荷两种情形，推导了不同钻进参数下考虑变应力幅载荷的套管疲劳强度计算公式，阐明了变应力幅载荷的变化对套管疲劳强度的影响；结合套管钻井的实际给出了算例分析，计算结果显示，在相同条件下采用不对称循环变应力幅栽荷模型，计算出的疲劳强度值要比对称循环变应力幅载荷模型的大，表明在实际评估中采用对称循环变应力幅模型计算所得的结果趋于保守，因而具有更高的安全系数。     

深井内壁磨损套管剩余抗内压强度研究

深井钻井过程中,钻柱对套管内壁造成磨损多为"月牙形"磨损。在弹塑性力学分析的基础上,应用长槽形磨损模型分析磨损套管的抗内压强度变化规律。采用有限元数值模拟计算分析了磨损套管剩余强度的变化规律。根据磨损位置产生的附加弯曲应力,对原有的长槽形磨损模型进行了改进,并与试验结果进行了对比分析。分析结果表明,套管接头直径对套管抗内压强度影响较小。使用目前套管柱强度设计中常用的均匀磨损模型进行套管强度设计,偏于安全。改进后建立的磨损套管抗内压计算模型能更准确地描述磨损套管的剩余强度,与试验值更为接近,可为套管柱强度设计提供更为合理的理论参考。     

塔里木盆地超深井311.2mm井眼钻柱动力学特性及参数设计

当前超深井钻柱安全性评价仍采用静力学方法,无法合理描述钻柱的动态安全性。通过建立超深井钻柱的动力学模型,并利用节点迭代方法和Newmark方法对其进行离散和求解,随后在分析钻柱动力学特性的基础上,利用动态应力求得钻柱的动态安全系数。通过不同钻压、转速条件下计算钻柱的动态安全系数,较好地确定了钻柱的合理工作参数范围。以塔标1井身结构三开井眼为例,得到了塔里木盆地超深井311.2 mm井眼所用钻柱的合理工作参数。     

套管钻井中套管柱动应力研究及计算方法

在套管钻井过程中,套管柱在旋转情况下同时受到轴向荷载及旋转带来的扭矩荷载的作用,其受力状况与套管柱在非旋转情况下的受力状况有较大的差异。在分析套管钻井过程中套管柱实际受力状况的基础上,应用双向应力状态分析方法和能量守恒原理,分析和研究了套管柱在静态轴向力和剪切力作用下的许用扭矩,并针对套管钻井过程中套管柱旋转的工况,提出了套管柱在旋转状态下的许用扭矩及安全转速的计算方法,为合理地选择套管钻井作业参数提供了依据和方法。     

套管钻井用套管外表面磨损后剩余强度分析

在分析讨论套管钻井管柱磨损形态的基础上,结合API5C5实物试验尺寸要求,通过有限元计算分析方法,对钻井套管完钻后含有外表面磨损缺陷的套管柱的极限剩余抗挤强度和极限剩余抗拉强度进行了研究,分别获得了均匀磨损和偏磨条件下,套管钻井套管柱外表面磨损缺陷的临界长度尺寸数值,以及不同破坏失效准则条件下的剩余抗挤强度和剩余抗拉强度的计算方程,为套管钻井中套管柱的设计、计算奠定了理论基础。     

基于赫巴流变模式的旋转套管顶替效率计算

旋转套管是提高固井顶替效率的重要措施。为了定量计算注水泥时旋转套管的顶替效率,使用微元分析法,对旋转套管时水泥浆驱替钻井液状态进行了受力分析,建立了顶替界面达到平衡时的顶替效率计算模型,可以计算出不同旋转套管转速时的不同周向角顶替效率。计算表明,当旋转套管转速大于10 r/min时,会有效减小近井壁钻井液滞留层厚度,适当提高稠度系数,流性指数在0.4～0.7之间时,旋转套管能使顶替效率显著提升。      

深井和大位移井套管磨损程度预测

为提高套管柱强度设计准确性,防止磨损失控情况发生,深入分析了套管磨损预测技术。结合定向井钻柱力学研究成果,考虑钻柱刚度和屈曲的影响,推导了深井和大位移井的钻柱拉力-扭矩方程,建立了基于能量原理的套管磨损程度预测模型,并编制了预测软件。该预测软件可以预测包括钻进、起下钻具等作业过程的,不同套管柱层次、钻具组合、井眼轨迹、钻井液类型和钻井参数等情况的全井段不同井深所对应的套管磨损量。实例计算结果表明,编制的预测软件减小了人为的估计误差,预测值更为准确可靠。研究成果为深井和大位移井安全高效钻进提供了新的技术支持。