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西安石油大学本科毕业设计（论文）

Φ244.5×11.99mm N80偏梯形螺纹套管固井失效分析

摘 要：在油田生产中，套管起着保护井眼、加固井壁、隔绝井眼中的油、气、水层及封固各种复杂地层的作用。保持油井正常生产，套管柱在油气田开发中经受长期考验。在下井及固井过程，套管柱承受外挤力、内压力和轴向拉伸三种外载。某油田固井施工中使用某厂生产的φ244.5×11.99mmN80偏梯形螺纹套管，作业过程中发现距井口723m及1670m两处套管柱发生泄露。经井下超声波照相检测，以上两处套管内壁均存在纵向裂纹缺陷，且距离接箍部位较近。对于上述问题，生产厂认为，该批套管是经过检验符合API标准出厂的；但油田认为，由于受工厂管理水平影响，存在该批套管出厂前有可能漏检，而且，该批套管到货后，由于未进行严格的商品检验及下井前的生产检验，故发生泄漏的两部位套管管体内壁很有可能存在漏检的超标缺陷（如折叠或裂纹等），并在固井试压过程中发生管体纵向破裂，导致水泥浆短路。本文即在该批套管检验的基础上，通过断裂力学分析，确定套管导致泄漏的临界缺陷尺寸，为事故性质判定提供参考。

关键词：N80套管；失效分析；断裂力学；有限元

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Φ244.5X11.99mm N80 Buttress thread casing cementing Failure Analysis Abstract: In the oil field production, casing role in preserving the well bore, reinforced wall, isolated well in the eyes of the oil, gas and water layers, and plugging and sealing of the complex formation effect. Remain well normal production casing string in development and undergo the test. In the go down and cementing process casing to withstand external squeeze pressure, internal pressure and axial stretch of three external loading. An oil field cementing the use of a factory production φ244.5 × 11.99mmN80 Buttress thread casing, the operating process of discovery from the wellhead 723m and 1670m 2 casing leaks. The downhole ultrasonic camera inspection, these two casing walls are a vertical crack defects, and the distance collar positions closer. For these problems, the production plant that revealed casing is tested meet API standard factory; but oil that, due to the factory management level, the differential batch casing factory may be missed, but also revealed casing arrival, due to not strictly commodity inspection and go down before the production test, so a leak of two Parts of the casing inner wall is likely to exist undetected in the standard defects (such as folding or cracks, etc.), and cementing pressure test occurred during the tube longitudinal rupture, resulting in slurry circuit. This article is in the batch tube test basis, through fracture mechanics analysis to determine the pipe leading to the leakage of critical defect size, for the incident nature of determining reference.

Keywords: N80 casing；Failure analysis；Fracture mechanics；Finite element

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目录

第一章 绪 论 ........................................................ 1

1.1 套管损坏问题的提出 ............................................... 1

1.2 套管在井中的失效形式 ............................................. 3

1.3 国内外套管损坏情况 ............................................... 6

1.3.1 国内套管损坏情况 ............................................. 6

1.3.2 国外套管损坏情况 ............................................. 7

1.4 国内外研究现状 ................................................... 7

1.4.1 国外研究概述 ................................................. 7

1.4.2 国内研究情况 ................................................. 9

1.4.3 套损问题的主要原因及研究思路与方向 .......................... 10

1.5 课题背景及研究意义 .............................................. 11

1.6 课题研究方法 .................................................... 12

第二章 套管成品检测和机械性能检测 ................................... 14

2.1 套管几何尺寸检测 ................................................ 14

2.1.1 套管外径检测 ................................................ 14

2.1.2 套管壁厚检测 ................................................ 15

2.2 套管机械性能检测 ................................................ 16

2.2.1 套管机械性能检测的项目 ...................................... 17

2.2.2 套管性能检测的试验条件及检测结果 ............................ 17

第三章 套管应力强度因子计算 .......................................... 19

3.1 轴向载荷计算 .................................................... 19

3.2 内压力计算 ...................................................... 20

3.3 应力强度因子表达式及其模型 ...................................... 22

3.4 材质断裂韧性指标的确定 .......................................... 23

3.5 裂纹尺寸确定 .................................................... 23

3.6 计算材质断裂韧性KIC ............................................. 23

3.7 内压力载荷下的应力强度因子计算 .................................. 24

3.8 各种内压载荷作用下该套管所能允许存在的缺陷深度临界尺寸计算 ...... 26

第四章 套管有限元分析 ................................................ 28

4.1 模型建立 ........................................................ 28

4.2 问题描述及模型加载分析 .......................................... 29

4.3 实验结果分析 .................................................... 34

4.4 有限元分析命令流 ................................................ 34

I

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第五章 结论 .......................................................... 38

参考文献 .............................................................. 40

致谢 .................................................................. 42

附录 .................................................................. 43 附录 1 标准套管和带API圆螺纹偏梯形螺纹及直连型接头套管的尺寸和重量 .. 43 附录 2 一条或多条径向内裂纹，内壁受均布压力的计算方法和查表............ 46

II

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第一章 绪 论

1.1 套管损坏问题的提出

油田生产中，套管可以保护井壁，分隔油气层，并可以用来分层开采，注水。油井长期开采过程中，套管要承受地层压力、高压注水、压裂酸化作用。油井现场开采实际情况表明，油气井生产中套管承受的外要高于完井套管受到的地层压力，油井长期开采地层压力发生变化，在地层压力作用下套管发生变形损坏。油田经过长期开发，油气井会出现大量套管变形损坏。

套管为油气运输提供通道，影响着油田开发的经济效益。近年来，油田为提高产量采用强化采油措施，如高压注水、注气、压裂酸化、造成地应力变化，而套管强度设计较少考虑地层发生变化产生的压力对套管抗挤强度的影响。对于套管材料机械性能，几何参数和井下受力不同，套管的抗挤强度会有较大差别。因此，套管在长期开采中由于受到压力的作用会发生变形损坏。国内外油田套管损坏呈上升趋，油气井套管损坏严重的地区主要有中国、美国、俄罗斯、北海白垩纪盆地等。套管的损坏严重妨碍油田的正常生产，造成油田的经济损失。因此，研究套管损坏机理，分析造成套管变形力学因素，可以提出有效的套管损坏防治方案，提高套管的抗挤强度，以提高油田经济效益。在建井期间发现的油套管缺陷或发生的失效不仅会给油田造成巨大的经济损失，而且对建井工程（钻井、固井、完井、试压等）作业质量、作业周期及其管柱在开发其的预定功能发挥等也会造成不可估量的损失。

一 油套管缺陷及失效类型

油套管缺陷

（1） 冶金、制造缺陷

金制造缺陷有凹坑、结疤、折叠、分层、裂纹、轧制螺旋裂纹、韧性低、晶粒粗大等。

（2） 机加工缺陷

机加工的缺陷有几何尺寸超差，螺纹加工超差，如套管外螺纹LC内顶扣超标、接箍螺纹小端附近无螺纹、套管螺纹长度短、长短圆螺纹不匹配、带螺纹短和接箍套管现场试压泄露，电镀锌接箍内表面电流烧蚀和电击穿烧伤，接箍与外螺纹端联接J值小于标准设计值等。

（3） 机械损伤缺陷

由机械造成的损伤缺陷有套管磨损（及失稳破坏）、吊卡内口磨损损坏、大钳牙痕损伤等

二 失效类型

（1） 断裂及破裂

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