王木樂，鄒 霞，尚 磊 (中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001)

射孔套管抗外擠壓模擬試驗研究

王木樂，鄒 霞，尚 磊 (中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001)

射孔降低套管強(qiáng)度是導(dǎo)致套管損壞的重要因素之一。為了研究射孔對套管強(qiáng)度的影響，使用長江500型壓力機(jī)對12個不同材料型號、不同射孔數(shù)量的套管進(jìn)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。

套管；仿真射孔；抗擠壓；模擬試驗

射孔是國內(nèi)外油田增產(chǎn)、增注的有效措施，同時也是中原油田穩(wěn)產(chǎn)的主要手段。射孔對套管和水泥環(huán)都有影響，其影響程度取決于射孔深度，射孔孔徑、孔密、相位；但對其影響程度沒有一個量的概念，對射孔段套管設(shè)計缺少指導(dǎo)性補(bǔ)救措施。油田射孔套管的損壞在套損井中占有很高的比例，其影響因素是多方面的，原因很復(fù)雜，但最主要的因素是射孔作業(yè)對套管的影響，因此研究射孔對套管強(qiáng)度的影響，將未射孔和射孔套管進(jìn)行抗外擠壓的模擬對比試驗，明確射孔直徑、射孔密度及相位對套管抗拉、抗外擠的影響關(guān)系及界限，對油田套管損壞的防治有著非常重要的意義。為此，筆者使用長江500型壓力機(jī)對12個不同材料型號、不同射孔數(shù)量的套管進(jìn)行抗外擠壓的模擬試驗。

1 模擬仿真靶位試驗研究

為了研究分析射孔對套管的損傷程度，筆者首先進(jìn)行了地面水泥靶仿真射孔試驗。用4種油田常用的套管，采用嘉華G級固井水泥，水洗石英砂。按仿真地層水泥標(biāo)準(zhǔn)制作8個靶位(技術(shù)指標(biāo)如表1)，養(yǎng)護(hù)28d；使用常規(guī)89-1射孔槍系列，按設(shè)計射孔密度進(jìn)行地面仿真射孔和重炮，共進(jìn)行8組12次地面打靶試驗。試驗參數(shù)及結(jié)果見表2和圖1。

表1 仿真靶射孔技術(shù)指標(biāo)

表2 仿真射孔試驗參數(shù)及結(jié)果

圖1 仿真射孔展開圖

從模擬試驗結(jié)果可以看出，射孔后炮眼為有規(guī)律性螺旋形布孔，重炮為無規(guī)律性，為非均勻外載抗擠試驗提供了試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

2 套管抗外擠壓模擬試驗

將未射孔和射孔套管進(jìn)行抗外擠壓的模擬對比試驗研究，其目的是了解套管射孔后的承載能力。射孔性能不同的套管，當(dāng)采用不同的射孔方法時，射孔后套管射裂的程度有很大差別，最好的是套管不產(chǎn)生射孔裂紋。但由于孔的存在，套管受到外力作用后，孔的周邊會產(chǎn)生應(yīng)力集中，將使套管的抗擠能力有所降低。由于射孔裂紋的存在，在油井生產(chǎn)過程中，在井下動荷載的作用下，將會使裂紋擴(kuò)展，最終使套管在低荷載的作用下，發(fā)生脆裂破壞。因此，對套管抗外擠壓的模擬試驗研究對完善套管的設(shè)計非常重要。

2.1試驗方法

將被試驗的套管埋藏在特制的金屬試驗盒內(nèi)，金屬試驗盒內(nèi)部尺寸為600mm×300mm×300mm。金屬試驗盒左右兩側(cè)的邊墻上各安裝有3只壓力傳感器(觀測套管受到擠壓后最小水平主應(yīng)力的變化)，套管內(nèi)壁兩側(cè)的水平位置各粘貼有金屬絲電阻應(yīng)變片(觀測套管受到擠壓后最小水平主應(yīng)力的變化)，套管內(nèi)壁兩側(cè)的水平位置各粘貼有金屬絲電阻應(yīng)變片(觀測套管受到擠壓后最小水平主應(yīng)力方向上的應(yīng)變值)。

先在金屬試驗盒內(nèi)裝50mm厚的砂泥土且壓實，再將套管居中放置在砂泥土上，然后在套管兩側(cè)及上部充填砂泥土且夯實(以保證套管周邊全被砂泥土包圍)，最后將金屬試驗盒置于長江500型壓力機(jī)上進(jìn)行擠壓試驗。

試驗采取逐級一次加壓的方法，加至套管屈服和達(dá)到一定的塑性變形為止。

2.2試驗結(jié)果

試驗的套管有未射孔和已射孔2類，其長度為600mm，套管的材料型號有5inN80和5inP110，套管壁厚分為7.72、9.17和10.54mm，套管射孔的孔數(shù)分為9、12、和14孔。試驗研究是模擬套管在油井中受擠壓的狀況進(jìn)行的，其試驗結(jié)果如圖2和表3。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，不同材料型號的套管其屈服強(qiáng)度有所不同，5inN80的屈服強(qiáng)度值明顯小于5inP110的屈服強(qiáng)度值，在相同材料型號和孔壁厚度的套管由于射孔數(shù)量的多少，其屈服強(qiáng)度值有一定的差異，射孔數(shù)量多的明顯低于射孔數(shù)量少的屈服強(qiáng)度值。

通過對12個不同材料型號、不同射孔數(shù)量的套管抗外擠壓的模擬試驗研究，從表3可以發(fā)現(xiàn)：

1)在相同材料型號和孔壁厚度的未射孔套管受外力擠壓后的屈服強(qiáng)度之差與未射孔的屈服強(qiáng)度之比的比值K(K為屈服強(qiáng)度降低系數(shù))，當(dāng)射孔數(shù)量多則K值下降。

2)不同材料型號且孔壁厚度相同的套管，其屈服強(qiáng)度和K值有明顯不同，材料強(qiáng)度高的優(yōu)于強(qiáng)度低的，即5P110材料型號套管其屈服強(qiáng)度和K值就明顯優(yōu)于5N80材料型號的套管。

3)材料型號相同但孔壁厚度不同的套管其抗外擠屈服強(qiáng)度有明顯不同，即套管壁厚為10.54mm套管抗外擠屈服強(qiáng)度大于9.17mm套管大于7.72mm套管。

圖2 不同鋼級壁厚套管擠壓曲線圖

材料型號試件孔數(shù)射孔方法最大試驗荷載/kN最大試驗荷載套管變形量/mm長軸a短軸b屈服荷載/kN套管屈服抗外擠壓力/MPaσ1σ2強(qiáng)度降低系數(shù)K/%5N80×7.72 未2200141.4138.2110052.820.50 9孔2000144.2138.0100047.916.59.09 14孔1800146.0129.090043.213.018.185N80×9.17 未3200147.0134.0140067.124.20 9孔3000147.4135.5120057.617.114.29 14孔2800147.4135.5100047.917.528.575P110×9.17 未3200146.0136.6160076.724.10 9孔3250146.7138.4150071.629.26.25 12孔3250143.3138.8140066.823.812.55P110×10.54 未2500145.3138.0160076.726.80 10孔3250144.2138.0150071.918.66.25 14孔3000145.0137.0120057.621.325.00

3 結(jié) 語

1)由于試驗套管的長度為600mm，其長度偏小，今后最好對1000mm的套管抗外擠壓的模擬試驗研究。

2)有條件時應(yīng)對常用的所有材料型號的套管進(jìn)行套管抗外擠壓的模擬試驗研究。

3)由于射孔數(shù)量和孔徑對石油套管抗外擠壓的影響較大，應(yīng)增加不同射孔數(shù)量和孔徑的套管試驗。

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[編輯] 洪云飛

TE931.207

A

1673-1409(2009)02-N057-03

2009-03-23

王木樂(1962-)，男， 1984年大學(xué)畢業(yè)，高級工程師，現(xiàn)主要從事石油工程方面的研究工作。