陳國宏

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300450)

0 引 言

隨著深井、大位移井的逐年增加，正常鉆井作業(yè)和下套管作業(yè)會對套管外表面產(chǎn)生磨損，由此可能造成的套管安全問題也越來越受到重視。另外，含腐蝕性氣體油氣井的生產(chǎn)也會對油層套管造成腐蝕。國內(nèi)外學(xué)者對套管的磨損和腐蝕問題分別進行了深入的研究。1974年，W. L RUSSEl等人[1]研究了軌跡中狗腿度對磨損的影響；1986年，Bruno BEST[2]通過試驗，研究了鉆桿、套管及鉆井液等對磨損的綜合影響；2000年，覃成錦[3]建立了套管磨損的管柱力學(xué)方程，并用有限元方法計算套管磨損量；2015年，Aniket KUMAR[4]等運用新的可視化及解釋技術(shù)預(yù)測并幫助工程師最大限度地減少鉆進中的磨損。上世紀90年代，油田開始重視油套管防腐，發(fā)展至今已經(jīng)可以利用電磁、超聲波、井下成像等手段進行腐蝕的監(jiān)測和評價[5]。

磨損與腐蝕問題通常被看作獨立的問題進行研究，導(dǎo)致理論計算的損耗結(jié)果較小。本文考慮套管在作業(yè)中的磨損量，并將其影響計算在日后油井生產(chǎn)中的腐蝕問題中，最終將該問題轉(zhuǎn)化為套管的壁厚損失，以其評價套管的安全性能，為套管選型提供理論依據(jù)。

1 套管磨損后的腐蝕預(yù)測

1.1 套管磨損預(yù)測

在日常鉆井作業(yè)中，套管磨損主要是由鉆具接頭在旋轉(zhuǎn)時與套管內(nèi)表面的接觸摩擦所導(dǎo)致，通過將鉆具接頭在旋轉(zhuǎn)作業(yè)時間內(nèi)單位長度上套管磨損所消耗的能量聯(lián)系起來，可建立套管磨損的預(yù)測模型。首先確定套管磨損的體積，然后求得套管磨損橫截面的面積，最后確定套管磨損的深度。

套管磨損體積的確定主要是通過建立磨損效率模型來確定，其原理是把套管的磨損量與磨損產(chǎn)生的能量聯(lián)系起來，通過兩者之間的關(guān)系確定磨損體積。大量文獻資料及Casing wear軟件都對這種方法進行了引用，在現(xiàn)場作業(yè)中也進行了驗證和確認，其計算公式如下：

WV=60π·WF·SFdp·Dtj·N·t

(1)

式(1)中，WV為經(jīng)驗公式計算的套管磨損量，m3/m；WF為套管磨損系數(shù)，10-10m2/N；SFdp為鉆桿側(cè)向力，N/m；Dtj為鉆桿接頭外徑，m；N為鉆具鉆速，r/min；t為鉆具旋轉(zhuǎn)時間，h。

在確定了套管磨損的機理和主要因素后，根據(jù)現(xiàn)場套管實際磨損形狀建立了數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)場大多數(shù)套管磨損的形狀多為月牙形，如圖1所示，所以采用典型的月牙形磨損為研究樣品。假設(shè)套管表面的磨損截面由鉆桿接箍圓周和套管內(nèi)壁圓周相交而成，其示意圖如圖2所示，以此用幾何關(guān)系推導(dǎo)出套管磨損理論計算體積公式。

圖1 套管磨損實物圖

圖2 套管磨損厚度計算示意圖

根據(jù)圖2可建立以下(2)～(5)幾何關(guān)系式，并結(jié)合(1)式最終推導(dǎo)得出公式(6)，設(shè)定h為套管磨損深度，m；r為鉆具接頭外徑尺寸，m；Ri為套管內(nèi)徑尺寸，m；WVi為理論計算套管磨損量，m3/m；將磨損預(yù)測中計算的h值用h1表示。

h=S+r-Ri

(2)

P=(Ri+r+S)/2

(3)

α=arccos((Ri2+S2-r2)/2RS)

(4)

β=arctan(Risinα/(Ricosα-S))

(5)

(6)

1.2 套管腐蝕預(yù)測

套管腐蝕預(yù)測主要依據(jù)中國海洋石油總公司企業(yè)標準《海上油氣井油管和套管防腐設(shè)計指南》，根據(jù)油田的壽命評價套管在生產(chǎn)條件下的長期腐蝕速率。例如，在一定溫度及CO2分壓條件下，3Cr材質(zhì)的套管長期腐蝕速率用公式進行計算：

(7)

式中，CRl為套管長期腐蝕速率，mm·a-1；CRs為該溫壓條件下的套管短期腐蝕速率，mm·a-1；t為時間，d。其中，套管短期腐蝕速率用公式(8)進行計算：

(8)

式(8)中，T為絕對溫度，K；PCO2為CO2分壓值，MPa；pHCO2為某CO2分壓下溶解于純水的pH 值，無量綱。

通過公式(7)和公式(8)計算腐蝕速率，然后根據(jù)油田套管的生產(chǎn)使用時間可計算該套管的腐蝕壁厚。

1.3 基于磨損后的套管腐蝕預(yù)測

將套管腐蝕壁厚設(shè)定為h2，套管在磨損和腐蝕條件下，套管的壁厚總損失可以用以下公式來表示：

h=h1+h2

(9)

其中，套管在磨損條件下發(fā)生了腐蝕，則h2可以用下式表示：

h2=f(h1,CR,t)

(10)

套管內(nèi)壁磨損后，其受力情況如圖3所示。

圖3 磨損后套管受力示意圖

圖3中，F(xiàn)h為因磨損增加的周向力，N；σh為對應(yīng)周向應(yīng)力，MPa；σ為對應(yīng)周向應(yīng)力，MPa；w為套管壁厚，mm；h為磨損壁厚，mm；Pi為套管所受內(nèi)壓，MPa；Ri和Ro分別為套管的內(nèi)徑和外徑，mm。

根據(jù)拉梅公式，可以用下式計算因磨損增加的周向力Fh：

(11)

由內(nèi)壓作用下的周向應(yīng)力為：

(12)

通過式(12)可計算出未磨損套管周向應(yīng)力，此時通過積分求解就可以計算出套管磨損后剩余壁厚處套管的應(yīng)力集中系數(shù)K：

(13)

對式(13)進行積分可得到如下公式：

(14)

由于套管磨損后局部形成應(yīng)力集中[7]，使該部位局部平衡電位降低，從而加劇了套管金屬溶解腐蝕，即套管的腐蝕速率增加。為了計算磨損后的腐蝕速率，在計算公式中使用參數(shù)ɑ，ɑ的計算公式如下：

(15)

式(15)中，R=8.314 J/mol·K-1為通用氣體常數(shù)，V為套管的分子體積，cm3/mol，T為絕對溫度，K；ΔP為腐蝕體系的壓力變化，MPa。磨損后的腐蝕速率計算式為CR=ɑCRl，CR即是最終的腐蝕損失速率。

將式(14)結(jié)果代入式(15)中，則可得磨損后的腐蝕速率CR，從而得到腐蝕壁厚h2。

2 套管選型的評價內(nèi)容

本次套管選型主要依據(jù)《海洋鉆井手冊》相關(guān)要求，對抗拉、抗外擠、抗內(nèi)壓三種不同工況下的套管安全載荷性能，采用STRESS CHECK軟件進行校核，其校核所選取的工況分別為抗內(nèi)壓載荷、抗外擠載荷和抗拉伸載荷。

2.1 抗內(nèi)壓載荷

1)鉆井作業(yè)時的內(nèi)壓載荷分別為：(1)當進行空氣鉆井或發(fā)生井噴后井眼內(nèi)充滿氣體。(2)在進行下一開鉆井作業(yè)時，突然發(fā)生井涌氣體侵入井筒。(3)當發(fā)生井噴井眼內(nèi)充滿氣體緊急關(guān)井后，在上層套管鞋處井筒內(nèi)壓力大于地層破裂壓力而發(fā)生井漏或氣體上竄。(4)技術(shù)套管固井作業(yè)時底塞碰壓或下一開鉆井作業(yè)前進行套管試壓作業(yè)。(5)在進行下一開鉆進作業(yè)時候，發(fā)生在套管內(nèi)的動載荷。

2)采油生產(chǎn)時的內(nèi)壓載荷分別為：(1)在油田生產(chǎn)中后期時，油管常常因腐蝕或沖蝕發(fā)生泄漏而導(dǎo)致油套環(huán)控內(nèi)壓力增加。(2)當油管扣腐蝕或者外力作用失效后，在井口發(fā)生地層流體泄漏導(dǎo)致套管內(nèi)壓力增加。(3)在某些注水、注聚油田，因油管扣失效或油管本次穿刺導(dǎo)致注入流體泄漏引起套管內(nèi)壓力增加。

2.2 抗外擠載荷

1)鉆井作業(yè)時的外擠載荷分別為：(1)固井作業(yè)注水泥作業(yè)中碰壓后泄掉井口壓力，有外擠力作用在套管上時工況。(2)在全掏空/部分掏空工況時，在采用氣體(空氣)鉆井、泡沫鉆井技術(shù)、氣舉采油及采用套管采氣衰竭開發(fā)工藝時，需對全部掏空的情況進行校核。同時，可能鉆遇淺層氣時，導(dǎo)管和表層套管也應(yīng)對全部掏空載荷進行校核。該載荷為所有鉆井液在地層橋塞鉆開之前被全部替出(通過分流器)時的載荷。(3)鉆井液循環(huán)漏失時的載荷模擬部分掏空或由于鉆井液靜液柱與循環(huán)漏失層孔隙壓力相平衡時所產(chǎn)生的鉆井液液位下降后的內(nèi)部壓力剖面。

2)采油生產(chǎn)時的外擠載荷分別為：(1)全掏空工況下的載荷情況用于氣舉井和采用套管采氣衰竭開發(fā)工藝，它表示油套環(huán)空充滿氣體或氣層壓力衰竭條件下的載荷。(2)封隔器以下掏空工況下的載荷適用于嚴重衰竭油藏、射孔孔眼被堵塞或生產(chǎn)壓差很大的低滲透油藏。(3)氣體運移工況下的載荷只適用于作業(yè)人員無法對生產(chǎn)套管外環(huán)空進行壓力監(jiān)測和卸壓操作的水下井口生產(chǎn)系統(tǒng)。

2.3 抗拉軸向載荷

抗拉軸向載荷分別為：1)套管柱下放工況時主要為井內(nèi)下入套管時發(fā)生的沖擊載荷。2)解卡過提時的載荷是模擬套管柱下到任一深度處遇卡時解卡所需要的上提力。3)固井套管碰壓時的載荷是模擬在固井過程中膠塞相碰撞時作用于井口的壓力。4)套管裝定(坐掛)時的載荷為管柱撞到障礙物或在運動過程中坐卡瓦時將產(chǎn)生振動載荷。

利用軟件根據(jù)以上工況對套管強度校核后，可根據(jù)抗拉安全系數(shù)1.60、抗內(nèi)壓安全系數(shù)1.25和抗外擠安全系數(shù)1.125對套管進行綜合評估，確定套管是否滿足作業(yè)強度要求。

3 實例計算及結(jié)果

某油田由于前期研究在套管選型方面未分析計算磨損和腐蝕對套管壽命的影響，導(dǎo)致實際使用損耗大于預(yù)測結(jié)果。在調(diào)整井生產(chǎn)服役階段，對某井與油氣部分接觸的9-5/8"套管在磨損和腐蝕條件下進行計算校核，以確定其公稱重量和壁厚，確定套管規(guī)格。該井井身結(jié)構(gòu)見表1。

表1 井身結(jié)構(gòu)

根據(jù)油田15年的生產(chǎn)壽命進行腐蝕計算，分別計算磨損條件下腐蝕后的壁厚及未磨損條件下腐蝕后的壁厚，結(jié)果見表2。

表2 磨損和未磨損條件下腐蝕后的壁厚

從表2可見，該油田因磨損造成的附加腐蝕壁厚最大約0.06 mm，占總腐蝕壁厚值的7%。對該油田磨損條件下腐蝕后的壁厚進行套管強度校核，以40PPF和47PPF公稱重量的套管為例，抗外擠和抗內(nèi)壓兩個工況下的校核結(jié)果如圖4所示。

從圖4的軟件校核結(jié)果可見，在抗外擠工況下套管容易發(fā)生擠毀失效，40PPF套管磨損腐蝕后抗外擠能力大幅下降，且僅47PPF能滿足安全強度要求，因此油田現(xiàn)場作業(yè)中、尤其在高溫高壓深井中的套管選型時應(yīng)進行套管磨損腐蝕條件下的強度校核。

圖4 套管校核結(jié)果

5 結(jié)論

1)磨損可引起腐蝕速率增加，使腐蝕壁厚損失增加。

2)磨損和腐蝕共同作用影響套管壁厚即公稱重量的選擇。

3)油田也可根據(jù)套管實際靜態(tài)和動態(tài)腐蝕實驗數(shù)據(jù)結(jié)合磨損機理，在安全的前提下選擇經(jīng)濟適用套管。

4)該技術(shù)分析方法可以根據(jù)實測套管剩余壁厚反向驗證磨損深度及參數(shù)，以便在其他井鉆井作業(yè)時進行套管防磨和減阻措施。