一种套管磨损风险的实时预警方法技术

本发明专利技术属于油气井建井安全领域，具体涉及一种套管磨损风险的实时预警方法。其特征在于：首先通过计算选取钻杆接头与套管间的最大侧向力，利用钻速方程，确定磨损时间，求取套管的磨损面积与深度；然后求出套管剩余抗内压强度和剩余抗挤强度，计算套管剩余抗内压安全系数和剩余抗挤安全系数，根据得到的套管剩余抗内压安全系数和剩余抗挤安全系数划分风险等级；最后根据风险等级来确定套管磨损情况并进行实时预警。该发明专利技术的优点在于：可根据井眼轨迹，计算出套管在磨损风险最大位置处的磨损深度；可对当前已钻和待钻井眼中套管的磨损量进行预评估，便于后期采取套管防护措施。

【技术实现步骤摘要】
一种套管磨损风险的实时预警方法
本专利技术属于油气井建井安全领域，具体涉及一种套管磨损风险的实时预警方法。
技术介绍
在深井、超深井、大斜度井、水平井等钻探过程中，日益暴露出套管磨损问题。磨损可使套管壁厚减薄，一定条件下可造成套管变形、甚至破坏，从而降低套管抗挤强度和抗内压强度，降低了套管抗挤抗压的安全系数，以致不能保证后续作业生产安全。目前，专利技术专利“一种石油套管磨损自动检测系统”(申请公布号：CN101603418A)通过实时监测设备，收集和分析循环钻井液中磁性磨屑量来检测套管磨损状况。而钻井过程中，套管与钻杆接触应力最大处的磨损程度最严重，该处是发生磨损失效的危险点，但该系统无法确定钻杆与套管接触应力最大的部位，同样只能根据磨屑量来评估进尺井段套管的磨损总量，不能识别出磨损的危险点，未能对钻井作业安全进行准确指导。另有专利技术专利“估计套管磨损”(申请公布号：CN105473807A)通过用摄像机捕获钻井中泥浆振动筛上的钻屑和套管磨粒的影像，并用计算机识别，进而估算出进尺井段套管磨损的总体积。但CN105473807A的技术方案统计分析的是返回铁屑的总和，得出套管磨损的总体积，仅能反映进尺井段套管磨损的平均程度，故无法得出危险点处的磨损深度，难于合理指导套管磨损风险井的安全钻井作业。为确保复杂井况下油气井套管的安全服役，套管磨损风险预警就显得尤为关键，因此专利技术一种套管磨损风险的实时预警方法是很有必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种套管磨损风险的实时预警方法，解决套管磨损后由于强度降低所面临的风险预警问题；本专利技术采用以下技术方案，一种套管磨损风险的实时预警方法，其特征在于，首先通过计算选取钻杆接头与套管间的最大侧向力，利用钻速方程，确定磨损时间，求取套管的磨损面积与深度；然后求出套管剩余抗内压强度和剩余抗挤强度，计算套管剩余抗内压安全系数和剩余抗挤安全系数，根据得到的套管剩余抗内压安全系数和剩余抗挤安全系数划分风险等级；最后根据风险等级来确定套管磨损情况并进行实时预警；具体步骤如下：步骤1：根据井身轨迹和钻柱结构，分段求取钻杆接头与套管间侧向力，记为F＝F1，F2，…Fi，…Fn，并取最大的侧向力，记为Fmax，其中，Fi算式为(1)；其中：其中：Kb＝1-γn/γt(3)式中：Fi为套管与钻杆间的侧向力(N)，ρ为井眼曲率半径(m)，de为钻杆接头外径(mm)，di为套管内径(mm)，Z为计算系数，e为常数(取2.718)，μ为套管与钻杆接头的摩擦系数，L为井深(m)，βi为井斜角(弧度)，q为钻柱线重(N/m)，β0为最大井斜角(弧度)，Kb为浮力系数，Lt为井斜开始点至井口的高度(m)，γn为钻井液密度(kg/m3)，γt为套管密度(kg/m3)；步骤2：确定钻杆接头与套管的磨损时间T，其算式为(4)；T＝T1+T2(4)其中：ri＝f(X1i,X2i,X3i，X4i，X5i)(6)式中：T为钻杆接头与套管的磨损时间(h)，T1为已发生磨损的时间(h)，通过井史数据资料获取，T2为预计磨损时间(h)，n为即将钻遇地层的分段数，Li为第i段地层中的钻头进尺(m)，ri为第i段地层中的机械钻速(m/h)，与多种因素有关，f为第i段地层中机械钻速与钻井工艺参数之间的关系，X1i为第i段地层中岩层特性对机械钻速的影响，X2i为第i段地层中井深对机械钻速的影响，X3i为第i段地层中井底压差对机械钻速的影响，X4i为第i段地层中机械参数对机械钻速的影响，X5i为第i段地层中水力参数对机械钻速的影响；步骤3：求取套管磨损面积S，其算式为(7)；其中：Lw＝0.001ntde(8)nt＝60NT(9)式中：S为套管磨损面积(mm2)，E为磨损效率，μ为套管与钻杆接头的摩擦系数，Fmax为钻杆接头与套管间的最大侧向力(N)，Lw为钻柱与套管间的相对运动累计路程(m)，H为布氏硬度(N/m2)，nt为钻柱转动次数，de为钻杆接头外径(mm)，N为钻柱转速(r/h)，T为钻杆接头与套管的磨损时间(h)；步骤4：利用公式(10)求取套管偏磨深度c1；c1＝k-(di-de)(10)其中：式中：c1为套管偏磨深度(mm)，k为钻杆接头的轴线与套管轴线的距离(mm)，di为套管内径(mm)，de为钻杆接头外径(mm)，S为套管磨损面积(mm2)，x1和x2为套管磨损截面上的两圆交点的横坐标；步骤5：利用公式(12)求取磨损套管的剩余抗挤强度Pcw；其中：λ＝0.127δ+0.0039η-0.440(Prs/Pfy)(15)式中：Pcw为磨损套管的剩余抗挤强度(MPa)，P1为套管的弹性挤毁压力(MPa)，P2为套管的弹塑性屈服挤毁压力(MPa)，λ为套管的制造缺陷影响因子(普通级套管λ取0.21～0.23，高抗挤套管λ取0.17～0.175，高抗挤抗硫套管λ取0.125～0.130)，c为套管壁厚(mm)，c1为套管磨损深度(mm)，Ke为套管弹性常数折减系数(J55、K55和所有抗硫钢，Ke取0.9；N80、P110和Q125，Ke取1.0)，E为杨氏模量(2.0×105～2.1×105MPa)，ν为泊松比(0.2～0.3)，d为套管外径(mm)，Ky为套管屈服强度折减系数(对J55、K55、N80和所有抗硫钢，Ky＝0.85)，Pmin为套管最小屈服强度(MPa)，δ为套管内壁不圆度，η为套管壁厚不均度，Prs为套管残余应力(MPa)，Pfy为套管的实际屈服强度(MPa)；步骤6：将步骤5中磨损套管的剩余抗挤强度Pcw代入公式(18)中计算出套管的抗挤安全系数kcw，其算式为(19)；kcw＝Pcw/P设外(18)式中：kcw为套管的抗挤安全系数，Pcw为磨损套管的剩余抗挤强度(MPa)，P设外为套管的设计外压载荷(MPa)，P1为套管的弹性挤毁压力(MPa)，P2为套管的弹塑性屈服挤毁压力(MPa)，λ为套管的制造缺陷影响因子(普通级套管λ取0.21～0.23，高抗挤套管λ取0.17～0.175，高抗挤抗硫套管λ取0.125～0.130)；步骤7：将步骤4中求取的套管偏磨深度c1代入到公式(20)中，得到磨损套管的剩余抗内压强度Piw；其中：b＝0.1693-1.1774×10-4Pmin(21)式中：Piw为磨损套管的剩余抗内压强度(MPa)，Pmin为套管最小屈服强度(MPa)，c为套管壁厚(mm)，c1为套管偏磨深度(mm)，d为套管外径(mm)，a为内压强度系数(调质和13Cr材料套管取1.0，其他情况取2.0)，b为套管材料应力-应变强度硬化因子；步骤8：将步骤7中磨损套管的剩余抗内压强度Piw代入公式(22)计算套管抗内压安全系数Kiw，其算式为(23)；kiw＝Piw/P设内(22)其中：b＝0.1693-1.1774×10-4Pmin(24)式中：kiw为套管的抗内压安全系数，Pmin为套管最小屈服强度(MPa)，d为套管外径(mm)，P设内为设计内压载荷(MPa)，Pμ为套管拉伸屈服强度(MPa)，c为套管壁厚(mm)，a为套管内压强度系数(调质和13Cr材料套管取1.0，其他情况取2.0)，c1为套管磨损深度(mm)，b为套管材料应力-应变强度硬化因子，d为套管外径(mm)；步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种套管磨损风险的实时预警方法，其特征在于：首先通过计算选取钻杆接头与套管间的最大侧向力，利用钻速方程，确定磨损时间，求取套管的磨损面积与深度；然后求出套管剩余抗内压强度和剩余抗挤强度，计算套管剩余抗内压安全系数和剩余抗挤安全系数，根据得到的套管剩余抗内压安全系数和剩余抗挤安全系数划分风险等级；最后根据风险等级来确定套管磨损情况并进行实时预警；具体步骤如下：步骤1：根据井身轨迹和钻柱结构，分段求取钻杆接头与套管间侧向力，记为F＝F1，F2，…Fi，…Fn，并取最大的侧向力，记为Fmax，其中，Fi算式为(1)；

【技术特征摘要】
1.一种套管磨损风险的实时预警方法，其特征在于：首先通过计算选取钻杆接头与套管间的最大侧向力，利用钻速方程，确定磨损时间，求取套管的磨损面积与深度；然后求出套管剩余抗内压强度和剩余抗挤强度，计算套管剩余抗内压安全系数和剩余抗挤安全系数，根据得到的套管剩余抗内压安全系数和剩余抗挤安全系数划分风险等级；最后根据风险等级来确定套管磨损情况并进行实时预警；具体步骤如下：步骤1：根据井身轨迹和钻柱结构，分段求取钻杆接头与套管间侧向力，记为F＝F1，F2，…Fi，…Fn，并取最大的侧向力，记为Fmax，其中，Fi算式为(1)；其中：其中：Kb＝1-γn/γt(3)式中：Fi为套管与钻杆间的侧向力(N)，ρ为井眼曲率半径(m)，de为钻杆接头外径(mm)，di为套管内径(mm)，Z为计算系数，e为常数(取2.718)，μ为套管与钻杆接头的摩擦系数，L为井深(m)，βi为井斜角(弧度)，q为钻柱线重(N/m)，β0为最大井斜角(弧度)，Kb为浮力系数，Lt为井斜开始点至井口的高度(m)，γn为钻井液密度(kg/m3)，γt为套管密度(kg/m3)；步骤2：确定钻杆接头与套管的磨损时间T，其算式为(4)；T＝T1+T2(4)其中：ri＝f(X1i,X2i,X3i,X4i,X5i)(6)式中：T为钻杆接头与套管的磨损时间(h)，T1为已发生磨损的时间(h)，通过井史数据资料获取，T2为预计磨损时间(h)，n为即将钻遇地层的分段数，Li为第i段地层中的钻头进尺(m)，ri为第i段地层中的机械钻速(m/h)，与多种因素有关，f为第i段地层中机械钻速与钻井工艺参数之间的关系，X1i为第i段地层中岩层特性对机械钻速的影响，X2i为第i段地层中井深对机械钻速的影响，X3i为第i段地层中井底压差对机械钻速的影响，X4i为第i段地层中机械参数对机械钻速的影响，X5i为第i段地层中水力参数对机械钻速的影响；步骤3：求取套管磨损面积S，其算式为(7)；其中：Lw＝0.001ntde(8)nt＝60NT(9)式中：S为套管磨损面积(mm2)，E为磨损效率，μ为套管与钻杆接头的摩擦系数，Fmax为钻杆接头与套管间的最大侧向力(N)，Lw为钻柱与套管间的相对运动累计路程(m)，H为布氏硬度(N/m2)，nt为钻柱转动次数，de为钻杆接头外径(mm)，N为钻柱转速(r/h)，T为钻杆接头与套管的磨损时间(h)；步骤4：利用公式(10)求取套管偏磨深度c1；c1＝k-(di-de)(10)其中：式中：c1为套管偏磨深度(mm)，k为钻杆接头的轴线与套管轴线的距离(mm)，di为套管内径(mm)，de为钻杆接头外径(mm)，S为套管磨损面积(mm2)，x1和x2为套管磨损截面上的两圆交点的横坐标；步骤5：利用公式(12)求取磨损套管的剩余抗挤强度Pcw；其中：

【专利技术属性】
技术研发人员：曾德智，张海鑫，李皓，董宝军，喻智明，刘冰，张恩搏，施太和，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51