套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)軟件發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展建議

王思敏+張士彬+趙慶+蔣宏偉+楊光+史肖燕+王倩

摘 要：隨著油氣勘探開發(fā)的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，套管柱設(shè)計(jì)應(yīng)能適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件，避免套管損壞及控制成本，以保證油氣資源安全高效開采和資源保護(hù)。該文在參考了一定的套管設(shè)計(jì)軟件成果和文獻(xiàn)后，總結(jié)國內(nèi)外套管設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展現(xiàn)狀，對比分析國內(nèi)外套管設(shè)計(jì)軟件的差異，并結(jié)合國內(nèi)情況，提出未來的套管優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件應(yīng)考慮在實(shí)際生產(chǎn)過程中不同工況下套管強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，增加適合高溫高壓、復(fù)雜地形、復(fù)雜工況的設(shè)計(jì)模塊，以及套管成本核算功能，同時增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量和靈活性，形成國內(nèi)實(shí)用性強(qiáng)，使用方便的套管設(shè)計(jì)軟件。

關(guān)鍵詞：套管設(shè)計(jì) ?軟件開發(fā) ?發(fā)展現(xiàn)狀 ?模塊功能 ?未來發(fā)展趨勢

中圖分類號：TQ052 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0222-02

油氣的生產(chǎn)和傳輸都依靠著套管進(jìn)行，套管對鉆井和油氣生產(chǎn)有著非常重要的影響。套管的損壞會導(dǎo)致油氣溢漏，阻塞油氣輸出，嚴(yán)重時會導(dǎo)致井口報廢等問題，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，能源損失和安全隱患。因此，準(zhǔn)確的套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核工作關(guān)系到鉆井安全和油井壽命，也影響鉆井成本[1]。而設(shè)計(jì)和校核的過程需要大量的計(jì)算和分析，離不開計(jì)算機(jī)軟件的支持。近些年，國內(nèi)外套管設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展十分迅速，下面詳細(xì)介紹國內(nèi)外套管設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展情況。

1 國內(nèi)套管設(shè)計(jì)軟件現(xiàn)狀

在國內(nèi)，套管設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展時間較短，市場上成熟的產(chǎn)品較少，軟件設(shè)計(jì)比較粗糙，功能比較單一，針對性高但適用的廣泛性較差，與國外相比還有一定的差距。套管設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)有兩類，一類是以中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院主導(dǎo)開發(fā)的“鉆井設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)”軟件和怡恒陽光公司開發(fā)的Navigator Drilling Studio為代表的相對較成熟，適用范圍較廣的軟件產(chǎn)品。其他大多數(shù)套管設(shè)計(jì)軟件是高?；蛴吞?，以研究或本油田的生產(chǎn)需要為目的開發(fā)的軟件。國內(nèi)套管設(shè)計(jì)軟件的現(xiàn)狀如下。

1.1 鉆井設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)—— 套管設(shè)計(jì)模塊

套管設(shè)計(jì)模塊根據(jù)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，對各層套管進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件包括套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)、套管串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)編輯、套管柱下入摩阻與扭矩計(jì)算、套管柱下入過程井口載荷模擬分析。強(qiáng)度設(shè)計(jì)和校核部分可實(shí)現(xiàn)用戶自定義抗拉、抗外擠和抗內(nèi)壓安全系數(shù)，自定義掏空井深、井涌深度以及鉆井液密度?？箶D強(qiáng)度計(jì)算方法提供單向應(yīng)力、雙軸應(yīng)力、三軸應(yīng)力三種。計(jì)算有效內(nèi)壓時管外流體類型提供鉆井液、鹽水、清水三種選擇?？估O(shè)計(jì)時提供考慮或不考慮浮力兩種選擇。下入摩阻與扭矩計(jì)算和井口載荷模擬分析部分，計(jì)算套管在不同運(yùn)動狀態(tài)（下入、旋轉(zhuǎn)下入）下的軸向載荷、側(cè)向載荷以及井口載荷的大小。該軟件較完整地實(shí)現(xiàn)了一般套管設(shè)計(jì)的功能，可廣泛應(yīng)用于不同油田的工程設(shè)計(jì)中，并能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)報告，以及井身結(jié)構(gòu)圖、各層次套管外載荷和強(qiáng)度分布圖，便于用戶觀察和分析。

1.2 怡恒陽光—— Navigator Drilling Studio軟件

Navigator Drilling Studio軟件中套管設(shè)計(jì)部分包括套管設(shè)計(jì)與分析模塊、套管強(qiáng)度校核模塊和套管下入分析模塊。套管設(shè)計(jì)與分析模塊支持直井、水平井、定向井、多分支井和欠平衡井的套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)。支持雙軸和三軸應(yīng)力計(jì)算方法，允許自定義套管數(shù)據(jù)、外載荷和設(shè)計(jì)系數(shù)，采用有限元分析和套管可通過最大井眼曲率相結(jié)合的分析方法判斷套管下入度，并可進(jìn)行下套管屈曲分析、抗拉分析和抗扭分析等。套管強(qiáng)度校核模塊，默認(rèn)采用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的安全系數(shù)為判斷依據(jù)。軟件還提供可配置外載荷功能，解決因地區(qū)差異導(dǎo)致外載荷不同的問題。最后的結(jié)果都可生成一鍵生成Word報表，自動繪制井身結(jié)構(gòu)圖、下套管的管柱結(jié)構(gòu)圖。

1.3 高校和油田開發(fā)的套管設(shè)計(jì)軟件

近些年，國內(nèi)高校和油田也在研發(fā)套管設(shè)計(jì)軟件[2-3]。西安石油大學(xué)、西南石油學(xué)院等高校研究在高溫下套管強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法，在三軸應(yīng)力算法中加入了溫度系數(shù)進(jìn)行校核，并開發(fā)出了軟件。北京石油大學(xué)利用數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)化查詢語言方法，優(yōu)化套管組合選取的模型，實(shí)現(xiàn)含鹽膏層井復(fù)合套管柱的設(shè)計(jì)[1][4]。大慶石油學(xué)院研究受泥巖蠕變，巖層滑動產(chǎn)生的非均勻外載荷時，套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)軟件[5]。另外還有其他高校和油田開發(fā)了需要考慮摩阻因素的水平井和考慮化學(xué)腐蝕等因素的深井、超深井的套管設(shè)計(jì)軟件[6]。

這類軟件的主要特點(diǎn)是，操作簡單，功能集中，往往是針對某一特殊要求，解決特定環(huán)境下套管設(shè)計(jì)問題。同時，功能模塊比較單一，數(shù)據(jù)庫建設(shè)尚不完善，還無法實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

2 國外套管設(shè)計(jì)軟件現(xiàn)狀

相比于國內(nèi)，國外套管設(shè)計(jì)軟件的研究和開發(fā)較早，形成了相對成熟和先進(jìn)的套管設(shè)計(jì)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)較高水平的套管設(shè)計(jì)，在鉆井工程中被廣泛使用。

2.1 Landmark—— CasingSeat和StressCheck軟件

CasingSeat模塊用于井身結(jié)構(gòu)與套管下深設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時考慮重要邊界條件和設(shè)計(jì)參數(shù)來優(yōu)選套管下深。用戶可以自定義設(shè)計(jì)邊界值，如井眼穩(wěn)定、過平衡邊界和井涌允值;也可自定義參數(shù)，如司鉆反應(yīng)時間、流量差門限、泥漿池增量、關(guān)閥時間等。同時，軟件可根據(jù)當(dāng)前的庫存，以及用戶定義的井眼和套管尺寸的組合關(guān)系，自動形成不同組合的井身結(jié)構(gòu)方案，并自動進(jìn)行復(fù)合管串的成本計(jì)算。StressCheck模塊用于套管、尾管、不同直徑組合套管的強(qiáng)度校核。該軟件的突出特點(diǎn)有：綜合的三軸應(yīng)力計(jì)算模型，能根據(jù)不同工況下的抗內(nèi)壓、抗外擠和軸向載荷計(jì)算公式，快速、精確地進(jìn)行套管強(qiáng)度校核;設(shè)計(jì)系數(shù)可依載荷工況而定，本體和接箍的系數(shù)可分別計(jì)算;包含簡單和復(fù)雜的外部載荷剖面，具有固井質(zhì)量、滲透層、泥漿降解和環(huán)空氣串等選項(xiàng);可模擬鹽巖蠕變所引起的外擠載荷;考慮了在鉆井、采油和注入時的溫度變化所引起的載荷以及溫度對屈服極限的折減率。另外，StressCheck軟件包含了完整的API管材庫和接箍數(shù)據(jù)，同時支持用戶自定義管材以及與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。endprint

2.2 斯倫貝謝—— TDAS軟件

TDAS軟件適用于注水井和深的HPHT氣井，用戶可使用TDAS獲取整個三軸應(yīng)力和API工況的分析功能。用戶輸入基本的數(shù)據(jù)，包括井軌跡、套管類型、外徑、泥漿比重和下深。設(shè)置規(guī)則定義可接受的設(shè)計(jì)因素和工況情況。同時依據(jù)管柱的功能，TDAS能自動產(chǎn)生井徑和設(shè)計(jì)工況。創(chuàng)建壓力、溫度、遇阻/超拉和軸向的工況條件信息，TDAS便能分析油氣井或地?zé)峋胁煌疃认碌膽?yīng)力和伸長量。用戶能定義套管性能數(shù)據(jù)，例如外徑、重量、壁厚、材料、鋼級和接頭，溫度影響因素，各向異性特征。TDAS也能夠分析和設(shè)計(jì)接頭強(qiáng)度，避免在接頭處發(fā)生損壞導(dǎo)致套管失效。另外，TDAS軟件具有成本控制的功能，它能從8000多個API管和接頭的數(shù)據(jù)庫中優(yōu)選套管，用戶也能夠自主更新管材庫。

2.3 DrillingSoftware軟件—— CasingDesign

模塊

CasingDesign軟件適用于陸地、淺海和深海的直井和定向井，井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和套管強(qiáng)度校核。用戶可選擇默認(rèn)的破裂、坍塌和軸向拉伸的安全系數(shù)，也可自定義安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。提供四種校核模式：海洋鹽水密度梯度、軸向拉力、開發(fā)和生產(chǎn)，以及兩種校核方法：二軸應(yīng)力和三軸應(yīng)力。軟件設(shè)計(jì)時考慮油氣密度梯度、過平衡泥漿比重、井口額定值等對套管設(shè)計(jì)的影響，并且考慮了溫度對套管強(qiáng)度的影響。軟件可自動根據(jù)井底溫度，利用線性插值法來分析不同井深的溫度，也可根據(jù)用戶輸入的每段套管底部的溫度，來計(jì)算屈服強(qiáng)度的變化，并畫出套管屈服強(qiáng)度隨溫度的變化曲線。掏空設(shè)計(jì)時，可根據(jù)不同工況選擇不同比例的掏空系數(shù)，并加入掏空點(diǎn)的安全系數(shù)計(jì)算。數(shù)據(jù)庫包含4000種不同的接箍，用戶還可自定義接箍數(shù)據(jù)。軟件的導(dǎo)航非常清楚，方便用戶設(shè)計(jì)以及查看瀏覽。

2.4 DrillNet—— CasingModules軟件

DrillNET是用來設(shè)計(jì)套管下深，套管柱強(qiáng)度以及提高固井質(zhì)量和速度的軟件。Casing Stress Check模塊主要用于套管強(qiáng)度校核，校核時，考慮各種潛在壓力因素，模擬套管串在實(shí)際環(huán)境中承受的壓力狀態(tài)。該軟件能夠處理定向井以及深海井等多種套管設(shè)計(jì)問題，并能靈活地滿足油田各種需求。軟件可以在地層壓力剖面和套管下深位置的基礎(chǔ)上，分析約束條件和壓力，并核查套管設(shè)計(jì)是否符合用戶定義的最小設(shè)計(jì)參數(shù)。它能模擬破裂和坍塌壓力，并評估套管彎曲部分的軸向載荷和彎曲影響。該模塊可計(jì)算出套管鞋的位置，然后分析井涌余量，堵塞邊界以及不同套管鞋處的壓力。Casing Wear模塊用于計(jì)算和預(yù)測由于鉆桿在井下旋轉(zhuǎn)和井下的套管、隔水管以及接頭相互接觸、摩擦造成的套管磨損程度和位置，并計(jì)算磨損對破裂和坍塌壓力的影響。該模塊加強(qiáng)了計(jì)算磨損的數(shù)學(xué)算法，能計(jì)算鉆柱和套管接觸點(diǎn)的磨損量，分析鉆柱防護(hù)套的位置和數(shù)量，比較磨損和深度的關(guān)系等。并包含套管數(shù)據(jù)庫和磨損因子數(shù)據(jù)庫。

2.5 Petroviser—— Casing Design軟件

Casing Design軟件用于套管設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算。為包括凍土層在內(nèi)的各種特殊地層井的套管設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。無論對于直井、定向井和水平井，軟件都能夠計(jì)算影響套管和套管組合的基本載荷大小。擁有計(jì)算水泥返高、管柱液面高度、各層套管鞋深度等功能。軟件計(jì)算非常形象化，輸出的報告中可以顯示多種圖形，包括：套管外部壓力和內(nèi)部壓力的圖形，超額的外部和內(nèi)部壓力，和套管設(shè)計(jì)圖表。報告可被打印出來。

3 對我國未來套管設(shè)計(jì)軟件的建議

3.1 套管設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)需加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究

套管設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)是建立在巖石力學(xué)、地球物理等基礎(chǔ)學(xué)科上的，軟件應(yīng)結(jié)合地應(yīng)力模塊，根據(jù)實(shí)際測井資料和鄰井資料， 收集井下溫度、壓力數(shù)據(jù)、以及是否有腐蝕氣體、斷層、地層傾角等信息，準(zhǔn)確地預(yù)測井下地質(zhì)環(huán)境的變化，判斷地層的非均質(zhì)性、地層傾角、巖石性質(zhì)、斷層、地震活動和地殼運(yùn)動等。以便提高井身結(jié)構(gòu)和套管設(shè)計(jì)地準(zhǔn)確性，減小套管擠毀、腐蝕等復(fù)雜事故的發(fā)生。

3.2 套管設(shè)計(jì)軟件應(yīng)能滿足多種環(huán)境的設(shè)計(jì)需求

海上油氣儲備豐富，國家正大力發(fā)展海上油氣開發(fā)工作，因此我國的套管設(shè)計(jì)軟件應(yīng)包含淺海、深海套管設(shè)計(jì)模塊，以適應(yīng)海上鉆井的需要。同時近年來，我國非常重視深井、超深井的開發(fā)，套管設(shè)計(jì)軟件中應(yīng)結(jié)合大學(xué)的理論研究成果，將溫度對套管抗壓強(qiáng)度的影響考慮進(jìn)去。另外，蠕變地層擠毀套管的問題，近些年也多次出現(xiàn)。對于蠕變地層，套管設(shè)計(jì)軟件應(yīng)預(yù)測地應(yīng)力的變化，模擬蠕變所引起的外擠載荷，再進(jìn)行套管強(qiáng)度計(jì)算和校核。對于特殊復(fù)雜的適合雙層組合套管的井，應(yīng)增加雙層組合套管設(shè)計(jì)模塊。

3.3 套管設(shè)計(jì)軟件應(yīng)能滿足油氣生產(chǎn)時的需求

套管設(shè)計(jì)不僅要滿足鉆井時的需求，還應(yīng)滿足生產(chǎn)需求。套管設(shè)計(jì)軟件應(yīng)能對鉆井和油氣生產(chǎn)時不同工況下的套管強(qiáng)度進(jìn)行校核，預(yù)防在實(shí)際生產(chǎn)過程中的套管損壞。另外，在生產(chǎn)過程中，也經(jīng)常發(fā)生套管磨損的情況，因此，套管設(shè)計(jì)軟件應(yīng)增加套管地下磨損量計(jì)算模塊，分析磨損對套管強(qiáng)度的影響。最后，為了實(shí)現(xiàn)成本最小化，軟件應(yīng)利用優(yōu)化算法，在滿足安全條件的套管組合方案中，選出最合理的套管組合方案[7]。

3.4 增強(qiáng)套管設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)庫的管理

增加非標(biāo)的套管數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，例如高強(qiáng)度、高抗擠，抗CO2、H2S的經(jīng)濟(jì)型套管。減小標(biāo)準(zhǔn)套管在設(shè)計(jì)時的局限性，更能適應(yīng)高溫高壓、條件惡劣、腐蝕加劇的地質(zhì)環(huán)境下套管強(qiáng)度設(shè)計(jì)。增加用戶自定義的套管數(shù)據(jù)，包括套管柱、接箍等，擴(kuò)展套管數(shù)據(jù)庫[8]。

3.5 提升軟件的可操作性和智能性

軟件界面和人機(jī)交互需要進(jìn)一步提升，讓套管設(shè)計(jì)更加人性化，智能化。例如，增加設(shè)計(jì)導(dǎo)航，能繪出顏色鮮艷線條明顯的圖片等。改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出方式，使之更加多樣，模版更為豐富，滿足不同油田和井隊(duì)的設(shè)計(jì)報告需要。

4 結(jié)語

套管設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，是鉆井和油氣生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟，套管設(shè)計(jì)軟件一直是國內(nèi)外關(guān)注和研究的重點(diǎn)。比較國內(nèi)外的套管設(shè)計(jì)軟件發(fā)展和現(xiàn)狀，未來的套管設(shè)計(jì)軟件，應(yīng)結(jié)合三維應(yīng)力模型，對影響套管柱使用壽命的各種因素進(jìn)行分析，建立套管柱破壞失效數(shù)學(xué)模型;同時對影響套管柱成本的因素進(jìn)行分析，結(jié)合工程實(shí)際，建立套管柱成本數(shù)學(xué)模型，形成一套綜合考慮各種因素的套管柱優(yōu)化設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)。

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