以弹—塑性变形理论为基础，以应变为主控参数，引入均匀延伸率、蠕变速率等技术指标，建立了热采井基于应变的套管柱设计方法、管材性能指标体系、螺纹连接及适用性评价方法^[27]，代替传统的应力设计方法。联合开发了80SH新型套管，制定了4项石油行业标准。采用常规固井技术在新疆油田完成了8口井现场试验，完成7轮注汽后测井验证，应用效果良好。

2．4．1明确了热采井套管损坏机理，提出从管柱设计入手，预防套管损坏

热采井变形、缩径、断裂、脱扣的根源是发生了塑性变形；热采井套管剪切的重要原因是蒸汽泄漏导致泥岩层膨胀，而泄漏根源是高温密封失效；以弹塑性理论为依据，建立基于应变的套管柱设计方法，充分考虑管材塑性变形特征，发挥材料潜能，保障套管柱全寿命周期使用安全。

2．4．2继承现有应力设计方法，确定套管基本钢级

采用三轴强度设汁，满足钻完井套管强度要求。三轴强度校核结果表明，作业工况下，管柱承受的载荷均在80％VME应力椭圆内，且整个管柱载荷线在其安全区域内。

2．4．3提出应变设计判据，建立设计应变和许用应变确定方法

1)以试验和解析计算为基础，通过仿真分析，获得全寿命内蠕变应变和土壤应变，确定管柱设计应变。

ed＝et+ec+eb+es+ef<ea＝d／F

式中ed为设计应变；et为热应变(解析)；ec为蠕变应变(仿真)；eb为弯曲应变(解析)；es为土壤应变(仿真)；ef为屈曲应变(解析)；ea为许用应变；d为均匀延伸率(试验)；F为安全系数(大于等于1.5)。

2)以试验为手段，建立材料许用应变确定方法。

2．4．4建立了热采工况模拟试验评价方法，评估管柱服役安全性

2．4．5指导完成了Cr-Mo+微合金中温低合金耐热钢HSTG80SH开发，热采工况使用性能优于国内主要热采套管

2．4．6开展现场试验，验证技术有效性，完善技术体系

采用常规固井方式，完成风城区5口井、红003区3口井现场试验，完成7轮注汽后测井，管柱服役状态良好。

2．4．7建立了套管柱设计、选材、螺纹连接及评价技术标准体系和热采井套管柱设计程序

①SY／T 6952．1—2014基于应变设计的热采井套管柱第1部分设计方法；②SY／T 6952．2—2013基于应变设计的热采井套管柱第2部分套管；③SY／T 6952．3—2013基于应变设计的热采井套管柱  第3部分适用性评价方法；④SY／T 6952．4—2014基于应变设计的热采井套管柱  第4部分套管螺纹连接。图4为热采井套管柱设计程序。

 

油气井管柱的完整性对钻完井及生产作业高效、安全及经济性具有重要影响。通过近20年来的持续研究和攻关，形成了多项关键技术并有效支撑了油气田的发展。当前，我国油气田勘探开发的工况环境发生了很大变化，“三超”、严重腐蚀、非常规、特殊工艺和特殊结构井等油气井管柱服役环境日趋复杂，现有技术仍不能满足安全与经济性要求，给油气井管材与管柱提出了更高的要求。所以，必须持续发展油气井管柱完整性技术，为油气井管柱服役安全及油田高效、经济开发提供技术支撑。

1)西部深层勘探开发，高钢级、大壁厚套管用量持续增加，山前构造、岩盐层、泥岩层引发的非均匀载荷，定向井、水平井弯曲载荷及地层载荷，管材不完整性及作业损伤造成服役性能下降，及与环境介质的协同作用，导致套管大量失效。以塔里木油田为例^[36]：2008—2012年发生套管失效63井次，其中：钻井过程失效17口井，磨损4口、变形5口、破裂4口、断裂3口、脱扣1口。开发生产过程中套损失效46井次，占73％。塔里木在用套管116种，涉及材质5种、钢级8种、24种规格、l9种扣型、厂家7家以上；联合开发了19种高钢级套管，但仍不能有效抑制管柱失效。需要持续完善和发展套管柱优化设计与管材选用及完整性评价技术。

2)非常规页岩气开发，由于长距离水平井下套管摩阻效应、造斜段弯曲载荷效应、水平段大载荷多级压裂、循环压裂引发的复杂载荷谱、地层应力等综合作用，套管柱失效频繁，安全性与经济性的矛盾突出。以西南油气田为例^[37]：威远和长宁气田长距离水平井段反复压裂下套管柱变形问题突出，2013年布置的12口井中8口井套管发生失效。套管钢级从P110至Q125，再到V140，迫于经济压力，又开始选用Q125；套管扣型先是普通圆螺纹，后改为气密封特殊螺纹。套管选用技术需要完善。随着页岩气的大规模开发，急需建立针对性的套管柱优化设计、选材及完整性评价技术。

3)西部“三超”高含CO2气井环境及压裂酸化工况复杂，由于高温、高压、复杂腐蚀介质环境、大载荷压裂及酸化作业工艺、反复开关井引发的动载效应的联合作用，油管泄漏和腐蚀严重。以塔里木油田为例^[36]，近5年油管失效123井次，其中：试油完井过程失效21井次，其中脱扣3次、断裂4次、接箍开裂12次、本体纵裂1次、本体挤毁2次、腐蚀穿孔3次、丝扣腐蚀3次。其中接箍开裂、油管断裂占43％。开发生产过程失效102井次，其中腐蚀穿孔 95次，接箍开裂7次。克拉气田等重点区块50％以上环空带压，安全风险显著上升，库存滞留及管材成本压力巨大。在用油管96种，涉及规格6种、材质7种、钢级3种、壁厚12种、扣型9种、厂家7家以上，联合开发了超级13Cr气密封油管9种，仍然不能满足生产需求；油管性能评价从二级提升到四级，仍然不能有效预防失效。需要深入研究揭示油管的点蚀、应力腐蚀机理、掌握腐蚀规律和影响因素、研究腐蚀与泄漏的耦合效应、密封机理及影响因素、密封判据，建立优化设计、选材选型、完整性评价技术。

4)在役油气井管柱在生产和使用过程中产生的各种缺陷及损伤往往使其服役性能偏离原始设计，复杂环境下安全风险突显，失效事故频发。全国油气田套损井比例居高不下，已超过10%；油管腐蚀比较普遍；钻柱构件断裂频繁。需要深入研究含缺陷油气井管柱缺陷检测、安全评价、风险评估、寿命预测、维修补强等关键技术。

5)从油气井管柱全寿命周期的安全可靠性及经济性出发，深入开展复杂工况油气井管柱完整性技术研究，建立油气井管柱完整性管理体系和配套的支撑技术体系，保障油气田安全、经济、高效勘探开发和长期安全运行。

 

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