[发明专利]一种套管磨损风险的实时预警方法

权利要求书

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，…F_i，…F_n，并取最大的侧向力，记为F_max，其中，F_i算式为(1)；

其中：

其中：

K_b＝1-γ_n/γ_t (3)

式中：F_i为套管与钻杆间的侧向力，N；ρ为井眼曲率半径，m；d_e为钻杆接头外径，mm；d_i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；β_i为井斜角，弧度；q为钻柱线重，N/m；β₀为最大井斜角，弧度；K_b为浮力系数；L_t为井斜开始点至井口的高度，m；γ_n为钻井液密度，kg/m³；γ_t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：

r_i＝f(X_1i,X_2i,X_3i,X_4i,X_5i) (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；L_i为第i段地层中的钻头进尺，m；r_i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；X_1i为第i段地层中岩层特性对机械钻速的影响；X_2i为第i段地层中井深对机械钻速的影响；X_3i为第i段地层中井底压差对机械钻速的影响；X_4i为第i段地层中机械参数对机械钻速的影响；X_5i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：

L_w＝0.001n_td_e (8)

n_t＝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；F_max为钻杆接头与套管间的最大侧向力，N；L_w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；n_t为钻柱转动次数；d_e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-(d_i-d_e) (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；d_i为套管内径，mm；d_e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P_cw；

其中：

λ＝0.127δ+0.0039η-0.440(P_rs/P_fy) (15)

式中：P_cw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，其中普通级套管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为套管偏磨深度，mm；K_e为套管弹性常数折减系数，其中J55、K55和所有抗硫钢，K_e取0.9；N80、P110和Q125，K_e取1.0；E为杨氏模量，取值为2.0×10⁵～2.1×10⁵MPa；ν为泊松比，取值为0.2～0.3；d为套管外径，mm；K_y为套管屈服强度折减系数，对J55、K55、N80和所有抗硫钢，K_y＝0.85；P_min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；P_rs为套管残余应力，MPa；P_fy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P_cw代入公式(18)中计算出套管的抗挤安全系数k_cw，其算式为(19)；

k_cw＝P_cw/P_设外 (18)

式中：k_cw为套管的抗挤安全系数，P_cw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，其中普通级套管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P_iw；

其中：

b＝0.1693-1.1774×10^-4P_min (21)

式中：P_iw为磨损套管的剩余抗内压强度，MPa；P_min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P_iw代入公式(22)计算套管抗内压安全系数K_iw，其算式为(23)；

k_iw＝P_iw/P_设内 (22)

其中：

b＝0.1693-1.1774×10^-4P_min (24)

式中：k_iw为套管的抗内压安全系数；P_min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；P_μ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为套管偏磨深度，mm；b为套管材料应力-应变强度硬化因子；d为套管外径，mm；

步骤9：以抗内压安全系数为套管风险等级图版的横坐标轴，抗外挤安全系数为套管风险等级图版的纵坐标轴；将套管抗内压安全系数大于1.15，抗挤安全系数大于1.05范围的套管风险等级划分为1级；将套管抗内压安全系数介于1.1～1.15，抗挤安全系数介于1.0～1.05范围的套管风险等级划分为2级；将套管抗内压安全系数小于1.1，抗挤安全系数小于1.0范围的套管风险等级划分为3级；从而绘制出磨损套管风险等级图版；

步骤10：将步骤6中所得的抗外挤安全系数和步骤8中所得的抗内压安全系数分别代入到步骤9绘制的图版中，确定磨损套管的风险等级；

步骤11：依据划分的套管风险等级进行预警，根据风险等级确定套管防磨措施；

若套管的风险等级为1级，则套管处于安全的服役状态；若套管的风险等级为2级，则套管有发生失效的风险，此时需要采取套管防磨措施；若套管的风险等级为3级，则套管发生磨损失效，需重新下入一层套管。