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气井完井工程方案设计及典型案例分析1
页岩气井采用水平井开发,油层套管在大弯曲狗腿度和长水平段的高摩阻和弯曲应力作用下,需要套管有比较高的拉伸/压缩+弯曲条件下的抗挤和密封性能。 水平井对套管抗弯曲性能的影响 螺纹连接的选择必须满足高拉伸、压缩和弯曲条件下的气密封性,避免在储层改造和弯曲变形下发生泄漏。 螺纹连接气密封性的影响 硫化氢环境会引起材料性能退化,应力达到一定数值时,材料可能不具有抗硫化物应力开裂的能力,需考虑降低应力水平的设计。 硫化氢等腐蚀的影响 超深井、大斜度井磨损风险大,国内外深井中套管磨损问题突出 套管磨损的影响 DY4井3350m-3460m油层套管四十臂井径仪测井解释 DY101井套管磨损实照 部分深井发育有岩盐、膏岩、泥岩等蠕变性强的地层。地层蠕变、塑性流动会产生不均匀载荷,增加套管挤毁风险,事故日益增多 膏岩层等特殊地层的影响 川东北某气田套变井段与地层岩性对照图 大庆、胜利、吉林、中原等各油田盐膏层蠕变导致套管损坏井占60%以上 普光气田近期通井测井发现盐膏层发育的嘉4-5段套变率达80%以上 生产套管强度设计 套管安全强度设计需求 四个关键参数: 井内为清水时最大掏空深度:测试求产过程中防止套管挤毁; 井内为静止清水时最高套压:封隔环空的最高允许压力; 井内为纯天然气时允许最低和最高套压:关井期间的井筒安全。 参照API、ISO 10400等标准,需综合考虑各方法的优缺点和适用条件 ISO10400的设计强度与API 5C3计算值对比 与API5C3的抗挤强度差异,% 生产套管强度计算 套管强度设计方法 考虑双轴应力作用(轴向拉力对抗挤强度降低)的强度校核是当前深井套管强度设计最常用方法,但有不满足三轴应力强度可能,采用两种方法相结合提高安全性。 川科1井套管强度设计表 (三)扣型选择 随着油、气井钻井条件的日益苛刻和油气开采技术的迅速发展,API螺纹已不能满足高温高压井、大斜度井、深井、超深井的工程技术要求。 API螺纹的局限性 连接强度低 使用性能差 气密封性不足 公扣 母扣 API螺纹主要靠螺纹牙侧面的过盈啮合实现密封,存在泄漏通道。 圆螺纹连接强度低,一般仅为管体屈服强度的60%-80%,同时易滑扣。 无扭矩台肩,上扣长度难以控制,同时接箍内存在台肩,易被冲蚀。 特殊螺纹的主要特点及优点 特殊螺纹与API螺纹的不同主要体现螺纹齿状、密封结构形式、扭矩台肩等三方面。 圆扣 梯形扣 公扣 母扣 扭矩台肩 金属对金属密封 螺纹牙形 API螺纹: 特殊螺纹: (1)特殊螺纹的扭矩台肩----抗过扭强度高 逆向台肩 直角台肩 (2)金属对金属密封----良好密封性能 弧面/柱面 锥面/锥面 弧面/弧面 (3)螺纹牙型----连接效率高,抗拉强度高 楔形 偏梯形(改良) 倒钩形 API螺纹主要靠螺纹牙侧面的过盈啮合和丝扣油充填丝扣间隙以达到防止泄漏,实现密封。 圆螺纹在齿根和齿顶部位、偏梯扣在螺纹对扣面和齿根部位存在泄漏通道。 API螺纹无法满足压缩、弯曲条件下的密封性能要求。 常规气井可采用API螺纹,高温高压含硫气井应采用特殊扣螺纹,页岩气井视情况采用特殊扣螺纹。 特殊扣型选择流程 针对高压气井复杂工况,必须通过对螺纹性能评估后才能选择适合的特殊螺纹。直井和定向井,大斜度井和水平井应选择不同的螺纹。对于含硫气井,还应选择端部应力小的螺纹,防止端部应力腐蚀开裂。 适应复合载荷能力 气密性效果 防粘扣能力 抗过载扭矩能力 密封性能评估 抗弯曲性能 操作及使用要求 特殊螺纹的应用注意事项很多,现场判断一组螺纹拧接是否合格 主要通过上扣扭矩图来判断。 标准扭矩图 合格现场扭矩图 扭 矩 值 圈数 最大扭矩 最佳扭矩 最小扭矩 密封干涉 台肩位置 螺纹干涉 注意:有些螺纹扭矩图的密封干涉拐点是看不出来的。主要是因为密封面长短及形状设计不同所致。 高扭矩打滑 低扭矩打滑 上扣打滑 螺纹摩擦系数高 原因: 1、丝扣油不合格; 2、扣没有对正; 3、螺纹公差配合不当。 原因: 1、液压钳扭矩低,钳牙磨损; 2、扭矩值不正确。 (四)生产套管典型结构 高温高压气井 使用套管回接结构 降低上部管柱的拉伸载荷、防止套管磨损。 美国派尼伍兹西南高含硫气田,?168mm油层套管采用了钢材屈服强度仅586MPa(屈服强度85Ksi)壁厚28.6mm的特厚壁套管。 增加套管的壁厚 降低含硫气井套管的应力水平,满足高含硫气井的高强度要求与抗硫能力之间的矛盾。地层蠕变等非均匀度严重时,采用双层套管等措施来防止套管挤毁事故发生。 不仅利于降低应力水平,以便于采用较低钢级套管,而且有利于下入大直径油管及配套井下工具适应高产气井安全生产的需要。 北海某油田采用95
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