專利名稱：應(yīng)力性套損預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油田油、水井套損的預(yù)測方法，屬于應(yīng)力性套損預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
套損是指影響油田生產(chǎn)管道生產(chǎn)的、非正常的損毀或變形，油田油、水井套損的預(yù)測，在國內(nèi)外各大油田均沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的技術(shù)報(bào)道和應(yīng)用；套管應(yīng)力載荷變化的監(jiān)測方法，是利用現(xiàn)有套管井徑測量儀器，即聲波井徑儀器、磁法井徑儀器及機(jī)械井徑儀器等，來監(jiān)測套管徑向應(yīng)變變化，如果徑應(yīng)變沿圓周方向是均勻的，與原始套管比較，井徑擴(kuò)大可以判斷外載荷類型為內(nèi)壓，井徑縮小可以判斷外載荷類型為均勻外壓；如果徑應(yīng)變沿圓周方向是非均勻的，可以判斷套管載荷為非均勻外載荷；而地層應(yīng)力變化的監(jiān)測，可以利用斯侖貝謝或阿特拉斯等石油公司的偶極聲波測井儀器來監(jiān)測地應(yīng)力的變化，該儀器僅在鉆井期間井眼穩(wěn)定性控制以及壓裂預(yù)測方面進(jìn)行過應(yīng)用，在套損預(yù)測方面也沒有成功的報(bào)道。
在美國石油工程師協(xié)會(huì)(API)標(biāo)準(zhǔn)1984版、1994版5C3公式中有四個(gè)計(jì)算套管抗均勻外擠強(qiáng)度的公式，這四個(gè)公式是按徑厚比不同采用不同公式計(jì)算的。API標(biāo)準(zhǔn)中抗內(nèi)壓強(qiáng)度公式是薄壁管壁厚按0.875修正的公式，而對(duì)套管的彈塑性強(qiáng)度公式?jīng)]有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的測井儀器只能監(jiān)測套管應(yīng)變及地層應(yīng)力，而不能對(duì)套損進(jìn)行預(yù)測的問題，本發(fā)明提供一種應(yīng)力性套損預(yù)測方法，該方法可預(yù)測套損發(fā)生的可能性，在套損發(fā)生前對(duì)套管采取補(bǔ)救措施，可以減緩或避免套損發(fā)生，大幅度地減少修理費(fèi)用。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是1、近期預(yù)測方法是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的a、利用套管井徑測量儀器監(jiān)測套管的徑向應(yīng)變；b、套管應(yīng)力載荷反演方法在不考慮套管軸向應(yīng)力影響的情況下，把套管看作是平面條件下的圓環(huán)受力問題，在極坐標(biāo)(r、θ)下，套管應(yīng)力滿足如下方程∂σr∂r+1r∂τθr∂θ+σr-σθr=0∂τrθ∂r+1r∂σθ∂θ+2τrθr=0---(1)]]>式中σr-徑向應(yīng)力，σθ-切向應(yīng)力，τrθ、τθr-剪切應(yīng)力；應(yīng)力邊界條件σr|r=r1=-Pi;τrθ|r=r1=0;σr|r=r2=-Po-S2(1-cos2θ);τrθ|r=r2=-S2sin2θ;---(2)]]>式中Pi-套管初始內(nèi)壓，Po-套管初始外壓，S-非均勻外載荷。通過邊界條件求得圓環(huán)彈塑性變形產(chǎn)生的徑向應(yīng)變?yōu)閡r=(1-μ2)PpEr[-A(1-μ)rp+2(1-2μ)Brp1-μ-(2A1rp1-μ-4μB1rp31-μ-2C1(1-μ)rp3]]>-4D1rp)cos2θ]+(1-μ2)Er[-δ1(1-μ)rp+2(1-2μ)δ2rp1-μ]---(3)]]>式中A＝(So-Si+S/2)A′ B＝SiB′-(So+S/2)C′A1=-1+k2+4k44(1-k2)3,B1=k22r22(1-k2)3]]>C1=-rp4(1+k2)4(1-k2)3,D1=rp2(1+k3)(1+k+k2)2(1-k)3(1+k)4]]>k=rpr2,A′=rp2r22r22-rp2]]>B′=rp22(r22-rp2),C′=r222(r22-rp2)]]>δ=-23σslogrpr1]]>δ1＝-δA′+(Po-Pi)A′δ2＝δB′+PiB′-PoC′c、將方程(1)中的σr、σθ代入Von Mises屈服條件(σr-σθ)2+(σθ-σz)2+(σz-σr)2+6τrθ2=2σs2,]]>利用彈塑性區(qū)邊界r＝rp處應(yīng)力連續(xù)求出彈塑性強(qiáng)度。在塑性區(qū)取方程(1)中τrθ＝0，套管彈塑性強(qiáng)度為Pp′=-Q10+Q102-4Q9Q112Q9---(4)]]>式中Q9=S12+Q52+Q72]]>Q10＝2S1Q3+2Q5Q6+2Q7Q8Q11=Q32+Q62+Q82+6τrθ2-2σs2]]>S1＝σθ-σrS2＝σθ+σrQ1=δ1r2+2δ2]]>Q2=-δ1r2+2δ2,Q3=-2δ1r2]]>Q4＝4δ2Q5＝σθ-μS2Q6＝Q2-μQ2Q7＝μS2-σrQ8＝Q1-μQ4δ=-23σslogrpr1]]>δ1＝-δA′+(Po-Pi)A′ δ2＝δB′+PiB′-PoC′上述公式(3)、(4)中符號(hào)說明ur-套管內(nèi)壁徑向位移，Pp-套管應(yīng)力載荷，Pp′-套管彈塑性強(qiáng)度，μ-泊松比，r1-套管內(nèi)半徑，r2-套管外半徑，rp-彈塑性交界處半徑，r-測量點(diǎn)半徑，E-楊氏模量，Pi-套管初始內(nèi)壓，Po-套管初始外壓，S-非均勻外載荷，Si-抗內(nèi)壓載荷，So-抗均勻外載荷，其它各符號(hào)為中間變量。
d、將步驟a中監(jiān)測得到的徑向應(yīng)變值代入到公式(3)中，反演出套管應(yīng)力載荷，即式中的Pp；e、利用公式(4)計(jì)算出套管在相應(yīng)載荷作用下的極限強(qiáng)度Pp′；f、將上述步驟d、e計(jì)算出的Pp、Pp′相比較，判斷套損發(fā)生的可能性；2、遠(yuǎn)期預(yù)測方法是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的a、利用偶極聲波測井儀器監(jiān)測地應(yīng)力；b、利用近期預(yù)測方法中的公式(4)計(jì)算出套管在相應(yīng)載荷作用下的極限強(qiáng)度Pp′；c、將上述步驟a監(jiān)測得到的地應(yīng)力與步驟b計(jì)算得出的極限強(qiáng)度進(jìn)行比較，來判斷套損發(fā)生的可能性。
本發(fā)明的有益效果是由于本發(fā)明按照彈塑性理論導(dǎo)出了圓環(huán)彈塑性變形產(chǎn)生的徑向應(yīng)變公式和套管彈塑性強(qiáng)度公式，根據(jù)該公式可計(jì)算出套管應(yīng)力載荷及在相應(yīng)載荷作用下的極限強(qiáng)度。通過應(yīng)力載荷和極限強(qiáng)度的比較，可預(yù)測套損發(fā)生的可能性；在套損發(fā)生前對(duì)套管采取補(bǔ)救措施，可以減緩或避免套損發(fā)生，大幅度地減少修理費(fèi)用。


圖1是本發(fā)明的套管均勻外載應(yīng)力模型圖；圖2是本發(fā)明的套管非均勻外載應(yīng)力模型圖；圖3是本發(fā)明的套管均勻與非均勻外載共同作用應(yīng)力模型圖；圖4是本發(fā)明以139.7×7.72mm套管為例計(jì)算的抗內(nèi)壓強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)徑向變形圖；圖5是本發(fā)明以139.7×7.72mm套管為例計(jì)算的抗均勻外壓強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)徑向變形圖；圖6是本發(fā)明以139.7×7.72mm套管為例計(jì)算的抗非均勻外壓強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)徑向變形具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明圖1、圖2、圖3是本發(fā)明的套管應(yīng)力模型圖，把套管看作是平面條件下的圓環(huán)受力問題，在極坐標(biāo)(r、θ)下，套管應(yīng)力滿足如下方程∂σr∂r+1r∂τθr∂θ+σr-σθr=0∂τrθ∂r+1r∂σθ∂θ+2τrθr=0---(1)]]>式中σr-徑向應(yīng)力，σθ-切向應(yīng)力，τrθ、τθr-剪切應(yīng)力；應(yīng)力邊界條件σr|r=r1=-Pi;τrθ|r=r1=0;σr|r=r2=-Po-S2(1-cos2θ);τrθ|r=r2=-S2sin2θ;---(2)]]>式中Pi-套管初始內(nèi)壓，Po-套管初始外壓，S-非均勻外載荷。通過邊界條件求得圓環(huán)彈塑性變形產(chǎn)生的徑向應(yīng)變?yōu)?
ur=(1-μ2)PpEr[-A(1-μ)rp+2(1-2μ)Brp1-μ-(2A1rp1-μ-4μB1rp31-μ-2C1(1-μ)rp3]]>-4D1rp)cos2θ]+(1-μ2)Er[-δ1(1-μ)rp+2(1-2μ)δ2rp1-μ]---(3)]]>式中A＝(So-Si+S/2)A′B＝SiB′-(So+S/2)C′A1=-1+k2+4k44(1-k2)3,B1=k22r22(1-k2)3]]>C1=-rp4(1+k2)4(1-k2)3,D1=rp2(1+k3)(1+k+k2)2(1-k)3(1+k)4]]>k=rpr2,A′=rp2r22r22-rp2]]>B′=rp22(r22-rp2),C′=r222(r22-rp2)]]>δ=-23σslogrpr1]]>δ1＝-δA′+(Po-Pi)A′δ2＝δB′+PiB′-PoC′將σr、σθ代入Von Mises屈服條件(σr-σθ)2+(σθ-σz)2+(σz-σr)2+6τrθ2=2σs2,]]>利用彈塑性區(qū)邊界r＝rp處應(yīng)力連續(xù)求出彈塑性強(qiáng)度。在塑性區(qū)取方程(1)中τrθ＝0，其結(jié)果造成非均勻載荷強(qiáng)度略偏大。套管彈塑性強(qiáng)度為Pp′=-Q10+Q102-4Q9Q112Q9---(4)]]>式中Q9=S12+Q52+Q72]]>Q10＝2S1Q3+2Q5Q6+2Q7Q8Q11=Q32+Q62+Q82+6τrθ2-2σs2]]>S1＝σθ-σrS2＝σθ+σrQ1=δ1r2+2δ2]]>Q2=-δ1r2+2δ2,Q3=-2δ1r2]]>Q4＝4δ2Q5＝σθ-μS2Q6＝Q2-μQ2Q7＝μS2-σrQ8＝Q1-μQ4δ=-23σslogrpr1]]>δ1＝-δA′+(Po-Pi)A′ δ2＝δB′+PiB′-PoC′上述公式(3)、(4)中符號(hào)說明ur-套管內(nèi)壁徑向位移，Pp套管應(yīng)力載荷，Pp′-套管彈塑性強(qiáng)度，μ-泊松比，r1-套管內(nèi)半徑，r2-套管外半徑，rp-彈塑性交界處半徑，r-測量點(diǎn)半徑，E-楊氏模量，Pi-套管初始內(nèi)壓，Po-套管初始外壓，S-非均勻外載荷，Si-抗內(nèi)壓載荷，So-抗均勻外載荷，其它各符號(hào)為中間變量。
在實(shí)際使用過程中，可用兩種方法對(duì)套損進(jìn)行預(yù)測。一種方法是遠(yuǎn)期預(yù)測，利用偶極聲波測井儀器來監(jiān)測地應(yīng)力；然后，根據(jù)本發(fā)明中套管彈塑性強(qiáng)度公式(4)計(jì)算套管在相應(yīng)載荷作用下的極限強(qiáng)度。將地應(yīng)力和極限強(qiáng)度進(jìn)行比較，來判斷套損發(fā)生的可能性；另一種方法是近期預(yù)測，利套管井徑測量儀器，即聲波井徑儀器、磁法井徑儀器及機(jī)械井徑儀器等，來監(jiān)測套管徑向應(yīng)變，如果徑應(yīng)變沿圓周方向是均勻的，與原始套管比較，井徑擴(kuò)大可以判斷外載荷類型為內(nèi)壓，井徑縮小可以判斷外載荷類型為均勻外壓；如果徑應(yīng)變沿圓周方向是非均勻的，可以判斷套管載荷為非均勻外載荷，然后利用套管應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系公式(3)計(jì)算出套管應(yīng)力載荷。最后，利用套管彈塑性強(qiáng)度公式(4)計(jì)算套管在相應(yīng)載荷作用下的極限強(qiáng)度；將套管應(yīng)力載荷和極限強(qiáng)度進(jìn)行比較，來判斷套損發(fā)生的可能性。
上述兩種方法對(duì)套損發(fā)生可能性的預(yù)測，如果套管應(yīng)力載荷(或地層應(yīng)力)很接近套管極限強(qiáng)度，則套損發(fā)生的可能性就大；如果套管應(yīng)力載荷(或地層應(yīng)力)增加比較快，則套損發(fā)生的可能性也很大，需要密切監(jiān)視載荷變化；如果套管應(yīng)力載荷(或地層應(yīng)力)比較穩(wěn)定，并且與相應(yīng)載荷下的極限強(qiáng)度相比較小，則套損發(fā)生的可能性也較??；其它情況可依此類推。兩種方法可以單獨(dú)使用，也可以同時(shí)使用，同時(shí)使用可以互補(bǔ)，取得最好的預(yù)測效果；可以在套損發(fā)生前對(duì)套管采取補(bǔ)救措施，減緩或避免套損發(fā)生，大幅度地減少修理費(fèi)用。
實(shí)施例實(shí)施例1套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度圖4中系列1是套管內(nèi)外壓差為0時(shí)套管抗內(nèi)壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，套管彈塑性強(qiáng)度Pp′為66MPa，當(dāng)外載荷(內(nèi)壓)達(dá)到這一數(shù)值時(shí)開始進(jìn)入彈塑性階段，其變化規(guī)律不再是線性關(guān)系，其應(yīng)變變化范圍也只有0.1毫米到0.2毫米的變化，現(xiàn)有套損檢測儀器監(jiān)測其變化十分困難。套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度增加越來越緩慢，但數(shù)值仍然比較大，套管抗內(nèi)壓能力還是比較大的，油田套損主要類型不是這種。系列2、3、4是內(nèi)壓為10、20、30MPa時(shí)的情形，可見隨內(nèi)壓增加套管抗內(nèi)壓能力降低了。系列5、6、7是外壓為10、20、30MPa時(shí)的情形，由于外壓抵消了部分內(nèi)壓，套管抗內(nèi)壓能力有所提高。
實(shí)施例2抗均勻外壓強(qiáng)度圖5中系列1是套管內(nèi)外壓差為0時(shí)套管抗均勻外壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，套管彈塑性強(qiáng)度Pp′為66MPa，當(dāng)外載荷(外壓)達(dá)到這一數(shù)值時(shí)開始進(jìn)入彈塑性階段，其變化規(guī)律不再是線性關(guān)系，其應(yīng)變變化范圍從0.2毫米到2.5毫米的變化，用套管井徑測量儀器監(jiān)測套管的徑向應(yīng)變ur，通過本發(fā)明的公式(3)可以反演出套管應(yīng)力載荷Pp。套管抗均勻外壓強(qiáng)度增加越來越緩慢，但數(shù)值仍然比較大，套管抗外壓能力還是比較大的，油田套損主要類型也不是這種。系列2、3、4是內(nèi)壓為10、20、30MPa時(shí)的情形，隨內(nèi)壓增加套管抗外壓能力有所提高。系列5、6、7是外壓為10、20、30MPa時(shí)的情形，隨外壓增加套管抗均勻外壓能力降低了。
實(shí)施例3抗非均勻外壓強(qiáng)度圖6系列1是套管內(nèi)外壓差為0時(shí)套管抗非均勻外壓應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，套管彈塑性強(qiáng)度為5.6MPa，不到均勻時(shí)的10％，當(dāng)外載荷(非均勻外壓)達(dá)到這一數(shù)值時(shí)開始進(jìn)入彈塑性階段，其變化規(guī)律不再是線性關(guān)系，抗載強(qiáng)度迅速下降，其應(yīng)變變化范圍從0.3毫米到15毫米的變化，用套管井徑測量儀器監(jiān)測套管的徑向應(yīng)變ur，通過本發(fā)明的公式(3)可以反演出套管應(yīng)力載荷Pp。這種類型的套損危害最大。系列2、3、4是內(nèi)壓為10、20、30MPa時(shí)的情形，隨內(nèi)壓增加套管抗非均勻外壓能力降低了。系列5、6、7是外壓為10、20、30MPa時(shí)的情形，由于外壓增加降低了套管外載非均勻程度，套管抗非均勻外壓能力有所提高。所以準(zhǔn)確地說，套損增加并不是注水的錯(cuò)，而是當(dāng)?shù)貙拥慕Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，例如地層的滑移、斷層復(fù)活及泥巖蠕變等導(dǎo)致套管非均勻加載，容易出現(xiàn)套損；油田注入水應(yīng)該密切注意注入水去向，加強(qiáng)兩個(gè)剖面測井、井身及地層結(jié)構(gòu)變化等監(jiān)測，嚴(yán)格避免非均勻加載出現(xiàn)。這就解釋了為什么有時(shí)注水壓力不太高卻很容易出現(xiàn)套損，而有時(shí)注水壓力很大卻不出現(xiàn)套損問題。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)力性套損預(yù)測方法，其特征在于近期預(yù)測方法是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的a、利用套管井徑測量儀器監(jiān)測套管的徑向應(yīng)變ur；b、套管應(yīng)力載荷反演方法在不考慮套管軸向應(yīng)力影響的情況下，把套管看作是平面條件下的圓環(huán)受力問題，在極坐標(biāo)(r、θ)下，套管應(yīng)力滿足如下方程 應(yīng)力邊界條件 通過邊界條件求得圓環(huán)彈塑性變形產(chǎn)生的徑向應(yīng)變?yōu)閡r=(1-μ2)PpEr[-A(1-μ)rp+2(1-2μ)Brp1-μ-(2A1rp1-μ-4μB1rp31-μ-2C1(1-μ)rp3]]>-4D1rp)cos2θ]+(1-μ2)Er[-δ1(1-μ)rp+2(1-2μ)δ2rp1-μ]---(3)]]>c、將方程(1)中的σr、σθ代入Von Mises屈服條件(σr-σθ)2+(σθ-σz)2+(σz-σr)2+6τrθ2=2σs2,]]>利用彈塑性區(qū)邊界r＝rp處應(yīng)力連續(xù)求出彈塑性強(qiáng)度。在塑性區(qū)取方程(1)中τrθ＝0，套管彈塑性強(qiáng)度為Pp′=-Q10+Q102-4Q9Q112Q9--(4)]]>d、將步驟a中監(jiān)測得到的徑向應(yīng)變值代入到公式(3)中，反演出套管應(yīng)力載荷，即式中的Pp；e、利用公式(4)計(jì)算出套管在相應(yīng)載荷作用下的極限強(qiáng)度P′p；f、將上述步驟d、e計(jì)算出的Pp、P′p相比較，判斷套損發(fā)生的可能性；
2.一種應(yīng)力性套損預(yù)測方法，其特征在于遠(yuǎn)期預(yù)測方法是通過下述步驟實(shí)現(xiàn)的a、利用偶極聲波測井儀器監(jiān)測地應(yīng)力；b、利用權(quán)利要求1中的公式(4)計(jì)算出套管在相應(yīng)載荷作用下的極限強(qiáng)度P′p；c、將上述步驟a監(jiān)測得到的地應(yīng)力與步驟b計(jì)算得出的極限強(qiáng)度P′p進(jìn)行比較，來判斷套損發(fā)生的可能性。
全文摘要
一種應(yīng)力性套損預(yù)測方法。解決了套損預(yù)測的問題。其特征在于首先，監(jiān)測套管的徑向應(yīng)變及地層應(yīng)力；其次，在不考慮套管軸向應(yīng)力影響的情況下，把套管看作是平面條件下的圓環(huán)受力問題，推導(dǎo)出圓環(huán)彈塑性變形產(chǎn)生的徑向應(yīng)變公式(3)及套管彈塑性強(qiáng)度公式(4)，利用公式(3)、(4)計(jì)算出套管應(yīng)力載荷及在相應(yīng)載荷作用下的極限強(qiáng)度。最后，通過套管應(yīng)力載荷(或地層應(yīng)力)與套管極限強(qiáng)度的比較，來判斷套損發(fā)生的可能性。在套損發(fā)生前對(duì)套管采取補(bǔ)救措施，可以減緩或避免套損發(fā)生，大幅度地減少修理費(fèi)用。
文檔編號(hào)G01L1/00GK1598529SQ20041004380
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月13日
發(fā)明者付澤民 申請(qǐng)人:大慶油田有限責(zé)任公司