陳國(guó)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(huì)對(duì)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(huì)對(duì)油層套管造成腐蝕。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)套管的磨損和腐蝕問題分別進(jìn)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(duì)磨損的影響；1986年，Bruno BEST[2]通過試驗(yàn)，研究了鉆桿、套管及鉆井液等對(duì)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(jì)算套管磨損量；2015年，Aniket KUMAR[4]等運(yùn)用新的可視化及解釋技術(shù)預(yù)測(cè)并幫助工程師最大限度地減少鉆進(jìn)中的磨損。上世紀(jì)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(jìn)行腐蝕的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)[5]。

磨損與腐蝕問題通常被看作獨(dú)立的問題進(jìn)行研究，導(dǎo)致理論計(jì)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(jì)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(píng)價(jià)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(cè)

1.1 套管磨損預(yù)測(cè)

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(shí)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(shí)間內(nèi)單位長(zhǎng)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(cè)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(xiàn)資料及Casing wear軟件都對(duì)這種方法進(jìn)行了引用，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中也進(jìn)行了驗(yàn)證和確認(rèn)，其計(jì)算公式如下：

WV=60π·WF·SFdp·Dtj·N·t

(1)

式(1)中，WV為經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(shí)間，h。

在確定了套管磨損的機(jī)理和主要因素后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)套管實(shí)際磨損形狀建立了數(shù)學(xué)模型。現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算體積公式。

圖1 套管磨損實(shí)物圖

圖2 套管磨損厚度計(jì)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(jì)算套管磨損量，m3/m；將磨損預(yù)測(cè)中計(jì)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(cè)

套管腐蝕預(yù)測(cè)主要依據(jù)中國(guó)海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海上油氣井油管和套管防腐設(shè)計(jì)指南》，根據(jù)油田的壽命評(píng)價(jià)套管在生產(chǎn)條件下的長(zhǎng)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(zhǎng)期腐蝕速率用公式進(jìn)行計(jì)算：

(7)

式中，CRl為套管長(zhǎng)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(shí)間，d。其中，套管短期腐蝕速率用公式(8)進(jìn)行計(jì)算：

(8)

式(8)中，T為絕對(duì)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(jì)算腐蝕速率，然后根據(jù)油田套管的生產(chǎn)使用時(shí)間可計(jì)算該套管的腐蝕壁厚。

1.3 基于磨損后的套管腐蝕預(yù)測(cè)

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(duì)應(yīng)周向應(yīng)力，MPa；σ為對(duì)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(jì)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(jì)算出未磨損套管周向應(yīng)力，此時(shí)通過積分求解就可以計(jì)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(duì)式(13)進(jìn)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(jì)算磨損后的腐蝕速率，在計(jì)算公式中使用參數(shù)ɑ，ɑ的計(jì)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(duì)溫度，K；ΔP為腐蝕體系的壓力變化，MPa。磨損后的腐蝕速率計(jì)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(píng)價(jià)內(nèi)容

本次套管選型主要依據(jù)《海洋鉆井手冊(cè)》相關(guān)要求，對(duì)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(jìn)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(shí)的內(nèi)壓載荷分別為：(1)當(dāng)進(jìn)行空氣鉆井或發(fā)生井噴后井眼內(nèi)充滿氣體。(2)在進(jìn)行下一開鉆井作業(yè)時(shí)，突然發(fā)生井涌氣體侵入井筒。(3)當(dāng)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(shí)底塞碰壓或下一開鉆井作業(yè)前進(jìn)行套管試壓作業(yè)。(5)在進(jìn)行下一開鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)候，發(fā)生在套管內(nèi)的動(dòng)載荷。

2)采油生產(chǎn)時(shí)的內(nèi)壓載荷分別為：(1)在油田生產(chǎn)中后期時(shí)，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(dāng)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(shí)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(shí)工況。(2)在全掏空/部分掏空工況時(shí)，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(shí)，需對(duì)全部掏空的情況進(jìn)行校核。同時(shí)，可能鉆遇淺層氣時(shí)，導(dǎo)管和表層套管也應(yīng)對(duì)全部掏空載荷進(jìn)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(shí)的載荷。(3)鉆井液循環(huán)漏失時(shí)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(shí)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(shí)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(yán)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(yùn)移工況下的載荷只適用于作業(yè)人員無法對(duì)生產(chǎn)套管外環(huán)空進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)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(shí)主要為井內(nèi)下入套管時(shí)發(fā)生的沖擊載荷。2)解卡過提時(shí)的載荷是模擬套管柱下到任一深度處遇卡時(shí)解卡所需要的上提力。3)固井套管碰壓時(shí)的載荷是模擬在固井過程中膠塞相碰撞時(shí)作用于井口的壓力。4)套管裝定(坐掛)時(shí)的載荷為管柱撞到障礙物或在運(yùn)動(dòng)過程中坐卡瓦時(shí)將產(chǎn)生振動(dòng)載荷。

利用軟件根據(jù)以上工況對(duì)套管強(qiáng)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(duì)套管進(jìn)行綜合評(píng)估，確定套管是否滿足作業(yè)強(qiáng)度要求。

3 實(shí)例計(jì)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(jì)算磨損和腐蝕對(duì)套管壽命的影響，導(dǎo)致實(shí)際使用損耗大于預(yù)測(cè)結(jié)果。在調(diào)整井生產(chǎn)服役階段，對(duì)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(jìn)行計(jì)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(jìn)行腐蝕計(jì)算，分別計(jì)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(duì)該油田磨損條件下腐蝕后的壁厚進(jìn)行套管強(qiáng)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(gè)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(qiáng)度要求，因此油田現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中、尤其在高溫高壓深井中的套管選型時(shí)應(yīng)進(jìn)行套管磨損腐蝕條件下的強(qiáng)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(shí)際靜態(tài)和動(dòng)態(tài)腐蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合磨損機(jī)理，在安全的前提下選擇經(jīng)濟(jì)適用套管。

4)該技術(shù)分析方法可以根據(jù)實(shí)測(cè)套管剩余壁厚反向驗(yàn)證磨損深度及參數(shù)，以便在其他井鉆井作業(yè)時(shí)進(jìn)行套管防磨和減阻措施。