Hölje design

för att utforma ett hölje sträng, måste man ha kunskap om:

• syftet med brunnen
• geologiskt tvärsnitt
• tillgängligt hölje och bitstorlekar
• cementering och borrningsmetoder
• Riggprestanda
• säkerhets-och miljöbestämmelser

för att komma fram till den optimala lösningen måste designingenjören betrakta höljet som en del av ett helt borrsystem. En kort beskrivning av de element som är involverade i designprocessen presenteras nästa.

designmål

ingenjören som ansvarar för att utveckla brunnsplanen och höljesdesignen står inför ett antal uppgifter som kort kan karakteriseras.

• säkerställa brunnens mekaniska integritet genom att tillhandahålla en konstruktionsbas som står för alla förväntade belastningar som kan uppstå under brunnens livslängd.
• Designsträngar för att minimera brunnskostnaderna under brunnens livslängd.
• ge tydlig dokumentation av konstruktionsbasen till operativ personal på brunnsplatsen. Detta kommer att bidra till att förhindra överskridande av designkuvertet genom tillämpning av belastningar som inte beaktas i den ursprungliga designen.

medan avsikten är att tillhandahålla tillförlitlig brunnkonstruktion till en lägsta kostnad, uppstår ibland fel. De flesta dokumenterade fel uppstår eftersom röret utsattes för belastningar för vilka det inte var konstruerat. Dessa misslyckanden kallas” off-design ” – fel. ”On-design” – misslyckanden är ganska sällsynta. Detta innebär att höljesdesignpraxis oftast är konservativa. Många fel uppstår vid anslutningar. Detta innebär att antingen fält makeup metoder inte är tillräckliga, eller anslutnings konstruktion basis är inte förenligt med röret-kropp design basis.

tillbaka till toppen

designmetod

designprocessen kan delas in i två distinkta faser.

preliminär design

vanligtvis är de största möjligheterna att spara pengar närvarande när du utför denna uppgift. Denna designfas inkluderar:

• datainsamling och tolkning
• bestämning av hölje sko djup och antal strängar
• val av hål och hölje storlekar
• lera-Vikt design
• riktad design

kvaliteten på de insamlade data kommer att ha en stor inverkan på lämpligt val av hölje storlekar och skodjup och om höljets designmål uppfylls framgångsrikt.

tillbaka till toppen

detaljerad design

den detaljerade designfasen inkluderar val av rörvikter och kvaliteter för varje höljessträng. Urvalsprocessen består av att jämföra rörklassificeringar med designbelastningar och tillämpa minsta acceptabla säkerhetsstandarder (dvs. designfaktorer). En kostnadseffektiv design uppfyller alla designkriterier med det billigaste tillgängliga röret.

obligatorisk information

objekten som listas nästa är en checklista, som tillhandahålls för att hjälpa brunnsplanerarna/höljesdesignerna i både den preliminära och detaljerade designen.

• Formationsegenskaper: portryck; formationsfrakturtryck; formationsstyrka (borrhålsfel); temperaturprofil; placering av klämma salt-och skifferzoner; placering av permeabla zoner; Kemisk stabilitet/känsliga skiffer (lera typ och exponeringstid); förlorade cirkulationszoner, Grunt gas; placering av sötvattensand; och närvaro av H2S och/eller CO2.
• Riktningsdata: ytläge; geologiskt mål(er); och brunninterferensdata.
• krav på minsta diameter: minsta hålstorlek som krävs för att uppfylla borrnings-och produktionsmål; loggverktyg ytterdiameter (OD); slangstorlek(er); förpackare och relaterad utrustningskrav; säkerhetsventil under ytan OD (offshore well); och kompletteringskrav.
• produktionsdata: packer-fluid densitet; producerad-fluid sammansättning; och värsta fall belastningar som kan uppstå under färdigställande, produktion, och workover operationer.
• Övrigt: tillgängligt lager; lagstadgade krav; och begränsningar av riggutrustning.

tillbaka till toppen

preliminär designmetod

• syftet med preliminär design är att fastställa:
• hölje och motsvarande borrstorlekar
• Höljesinställningsdjup
• antalet höljessträngar

Höljesprogram (brunnsplan) erhålls som ett resultat av preliminär design. Hölje programdesign sker i tre stora steg:

• Mud-programmet är förberett
• höljesstorlekarna och motsvarande borrstorlekar bestäms
• inställningsdjupet för enskilda höljessträngar finns

Mud-programmet

den viktigaste mud-programparametern som används i höljesdesign är ”mud weight.”Det fullständiga mud-programmet bestäms av:

• portryck
• Formationsstyrka (fraktur och borrhålsstabilitet)
• litologi
• Hålrengöring och sticklingar transportförmåga
• potentiell formationsskada, stabilitetsproblem och borrhastighet
• Formationsutvärderingskrav
• miljö-och myndighetskrav

tillbaka till toppen

hål-och rördiametrar

hål-och Höljesdiametrar baseras på de krav som diskuteras nästa.

produktion

kraven på produktionsutrustning inkluderar:

• slangar
• under ytan säkerhetsventil
• dränkbar pump och gas lyft Dorn storlek
• Kompletteringskrav (t.ex. grus förpackning)
• vägning fördelarna med ökad slangprestanda för större rör mot högre kostnad för större hölje under brunnens livslängd

utvärdering

Utvärderingskrav inkluderar loggning tolkning och Verktygsdiametrar.

borrning

Borrningskrav inkluderar:

• en minsta bitdiameter för adekvat riktningskontroll och borrprestanda
• tillgänglig borrhålsutrustning
• Riggspecifikationer
• tillgänglig utrustning för förebyggande av utblåsning (BOP)

dessa krav påverkar normalt det slutliga hålet eller höljets diameter. På grund av detta bör höljesstorlekar bestämmas från insidan utåt från botten av hålet. Designsekvensen är vanligtvis enligt följande:

• korrekt slangstorlek väljs, baserat på reservoarinflöde och slangintag prestanda
• den erforderliga produktionshöljets storlek bestäms, med tanke på slutförandekrav
• borrens diameter väljs för borrning av hålets produktionssektion, med tanke på borrnings-och cementeringsbestämmelser
• det minsta höljet genom vilket borren kommer att passera bestäms
• processen upprepas

stora kostnadsbesparingar är möjliga genom att bli mer aggressiva (med mindre avstånd) under detta del av den preliminära designfasen. Detta har varit en av de främsta motivationerna i den ökade populariteten för slimhålsborrning. Typiska höljes-och stenbitstorlekar anges i Tabell 1.

• 

  Tabell 1-vanliga Bitstorlekar som passerar genom API-hölje

• 

  Tabell 1 fortsatt-vanligen använda Bitstorlekar som kommer att passera genom API hölje

tillbaka till toppen

Höljesskodjup och antalet strängar

efter valet av borrbit och höljesstorlekar måste inställningsdjupet för enskilda höljessträngar bestämmas. I konventionella roterande borrningsoperationer, inställningsdjupet bestäms huvudsakligen av lervikten och sprickgradienten, som schematiskt avbildas i Fig. 1, som ibland kallas en brunnsplan. Ekvivalent lera vikt (EMW) är trycket dividerat med sant vertikalt djup och omvandlas till enheter av lbm/gal. EMW är lika med den faktiska lera vikten när vätskekolonnen är likformig och statisk. Pore-och frakturgradientlinjer måste dras på ett djup vs. EMW-diagram. Dessa är de fasta linjerna i Fig. 1. Säkerhetsmarginaler införs och trasiga linjer dras, som fastställer designområdena. Förskjutningen från det förutsagda portrycket och sprickgradienten står nominellt för kicktolerans och ökad ekvivalent cirkulerande densitet (ECD) under borrning. Det finns två möjliga sätt att uppskatta inställningsdjup från denna siffra.

• 

  Fig. 1-hölje inställning djup-bottom-up design.

tillbaka till toppen

bottom-up design

detta är standardmetoden för val av hölje. Från punkt A i Fig. 1 (Den högsta lervikt som krävs vid det totala djupet), dra en vertikal linje uppåt till punkt B. A skyddande 7 5/8-in. höljesträngen måste ställas in på 12 000 fot, motsvarande punkt B,för att möjliggöra säker borrning på sektionen AB. För att bestämma inställningsdjupet för nästa hölje, rita en horisontell linje BC och sedan en vertikal linje-CD. På ett sådant sätt bestäms punkt D för inställning av 9 5/8-in. hölje vid 9,500 ft. Proceduren upprepas för andra höljessträngar, vanligtvis tills ett specificerat ythöljesdjup uppnås.

Top-down design

från inställningsdjupet för 16-in. ythölje (här antas vara vid 2000 ft), rita en vertikal linje från frakturgradienten prickad linje, punkt A, till portrycket streckad linje, punkt B. Detta fastställer inställningspunkten för den 11 kg-in. hölje på cirka 9800 ft. Rita en horisontell linje från punkt B till korsningen med den prickade frac-gradientlinjen vid punkt C; dra sedan en vertikal linje till punkt D vid portryckskurvans korsning. Detta fastställer 9 5/8-in. hölje inställning djup. Denna process upprepas tills bottenhålet nås.

det finns flera saker att observera om dessa två metoder. För det första ger de inte nödvändigtvis samma inställningsdjup. För det andra ger de inte nödvändigtvis samma antal strängar. I top-down-designen saknas bottenhålstrycket med en liten mängd som kräver en kort 7-tum. liner avsnitt. Detta lilla fel kan åtgärdas genom att återställa ythöljets djup. Top-down-metoden är mer som att faktiskt borra en brunn, där höljet är inställt vid behov för att skydda den tidigare höljesskon. Denna analys kan hjälpa till att förutse behovet av ytterligare strängar, med tanke på att portrycket och sprickgradientkurvorna har viss osäkerhet i samband med dem.

i praktiken kan ett antal lagstadgade krav påverka skodjupdesignen. Dessa faktorer diskuteras nästa.

tillbaka till toppen

Hålstabilitet

detta kan vara en funktion av lera vikt, avvikelse och stress vid brunnsborrväggen, eller kan vara kemisk i naturen. Ofta uppvisar hålstabilitetsproblem tidsberoende beteende (vilket gör skoval till en funktion av penetrationshastighet). Det plastflödande beteendet hos saltzoner måste också beaktas.

differentiell stickning

sannolikheten för att bli differentiellt fast ökar tillsammans med:

• en ökning av differenstrycket mellan borrhålet och bildningen
• en ökning av permeabiliteten hos bildningen
• en ökning av vätskeförlust av borrvätskan (dvs. tjockare Lerkaka)

Zonal isolering. Grunt sötvattensand måste isoleras för att förhindra kontaminering. Förlorade cirkulationszoner måste isoleras innan en högre tryckbildning penetreras.

tillbaka till toppen

Riktningsborrning gäller

en höljessträng körs ofta efter att en vinkelbyggnadssektion har borrats. Detta undviker keyseating problem i den krökta delen av borrhålet på grund av den ökade normala kraften mellan väggen och borrröret.

osäkerhet i förutsagda bildningsegenskaper

Prospekteringsbrunnar kräver ofta ytterligare strängar för att kompensera för osäkerheten i prognoserna för portryck och sprickgradient.

ett annat tillvägagångssätt som kan användas för att bestämma höljesinställningsdjup är beroende av plottbildning och spricktryck jämfört med håldjup, snarare än gradienter, som visas i Fig. 2 och Fig. 1. Denna procedur ger emellertid vanligtvis många strängar och anses vara mycket konservativ.

• 

  Fig. 2-hölje inställning djup-top-down design.

problemet med att välja höljets inställningsdjup är mer komplicerat i undersökande brunnar på grund av brist på information om geologi, portryck, och spricktryck. I en sådan situation måste ett antal antaganden göras. Vanligtvis tas formationstryckgradienten som 0,54 psi/ft för håldjup mindre än 8000 ft och tas som 0,65 psi / ft för djup större än 8000 ft. Överbelastningsgradienter tas vanligtvis som 0,8 psi/ft vid grunt djup och som 1,0 psi / ft för större djup.

tillbaka till toppen

TOC djup

top-of-cement (Toc) djup för varje hölje sträng bör väljas i den preliminära konstruktionsfasen, eftersom detta val kommer att påverka axiella belastningsfördelningar och yttre tryckprofiler som används under den detaljerade konstruktionsfasen. TOC-djup är vanligtvis baserade på:

• Zonal isolering
• regulatoriska krav
• tidigare sko djup
• Formation styrka
• Buckling
• ringformig tryckuppbyggnad (i undervattensbrunnar)

Buckling beräkningar utförs inte förrän den detaljerade konstruktionsfasen. Därför kan TOC-djupet justeras, som ett resultat av buckling-analysen, för att minska buckling i vissa fall.

Riktningsplan

för höljesdesignändamål består upprättandet av en riktningsplan av att bestämma brunnbanan från ytan till de geologiska målen. Riktningsplanen påverkar alla aspekter av höljesdesign inklusive:

• lera vikt och lera Kemi val för hålstabilitet
• Skosäte val
• hölje axiella belastningsprofiler
• hölje slitage
• Böjspänningar
• Buckling

det är baserat på faktorer som inkluderar:

• geologiska mål
• Ytplacering
• störningar från andra brunnar
• vridmoment och drag överväganden
• hölje slitage överväganden
• Bottenhålssammansättning
• borr-bit prestanda i den lokala geologiska inställningen

för att redogöra för variansen från de planerade bygg -, släpp-och svänghastigheterna, som uppstår på grund av de BHAs som används och operativa metoder som används, läggs högre doglegs ofta över borrhålet. Detta ökar den beräknade böjspänningen i den detaljerade designfasen.

tillbaka till början

detaljerad designmetod

lastfall

för att välja lämpliga vikter, kvaliteter och anslutningar under detaljkonstruktionsfasen med hjälp av ljudteknisk bedömning måste designkriterier fastställas. Dessa kriterier består normalt av lastfall och deras motsvarande designfaktorer som jämförs med rörklassificeringar. Lastfall placeras vanligtvis i kategorier som inkluderar:

• Sprängbelastningar
• Borrbelastningar
• produktionsbelastningar
• Kollapsbelastningar
• axiella belastningar
• kör-och cementeringsbelastningar
• servicebelastningar

tillbaka till topp

designfaktorer (DF)

………………..(1)

där

DF = designfaktor (den minsta acceptabla säkerhetsfaktorn) och

SF = säkerhetsfaktor.

det följer att

………………..(2)

genom att multiplicera belastningen med DF kan en direkt jämförelse göras med rörklassificeringen. Så länge betyget är större än eller lika med den modifierade belastningen (som vi kommer att kalla designbelastningen) har designkriterierna uppfyllts.

tillbaka till toppen

andra överväganden

efter att ha utfört en design baserad på burst, kollaps och axiella överväganden uppnås en initial design. Innan en slutlig design uppnås måste designproblem (anslutningsval, slitage och korrosion) åtgärdas. Dessutom kan andra överväganden också ingå i designen. Dessa överväganden är triaxiella spänningar på grund av kombinerad belastning (t.ex. ballong och termiska effekter)—detta kallas ofta ”service life analysis”; andra temperatureffekter; och buckling.

belastningar på hölje och slangsträngar

för att utvärdera en given höljesdesign krävs en uppsättning belastningar. Höljesbelastningar är resultatet av:

• köra höljet
• cementera höljet
• efterföljande borrning
• Produktions-och brunnsarbetsoperationer

Höljesbelastningar är huvudsakligen tryckbelastningar, mekaniska belastningar och termiska belastningar. Tryckbelastningar produceras av vätskor i höljet, cement och vätskor utanför höljet, tryck på ytan genom borrning och arbetsoperationer och tryck som bildas under borrning och produktion.

mekaniska belastningar är förknippade med:

• höljets hängande vikt
• chockbelastningar under körning
• Packerbelastningar under produktion och workovers
• Hängbelastningar

temperaturförändringar och resulterande termiska expansionsbelastningar induceras i höljet genom borrning, produktion och workovers, och dessa belastningar kan orsaka buckling (böjspänning) belastningar i ocementerade intervaller.

de höljesbelastningar som vanligtvis används i preliminär höljesdesign är:

• externa tryckbelastningar
• interna tryckbelastningar
• mekaniska belastningar
• termiska belastningar och temperatureffekter

men varje rörelseföretag har vanligtvis sin egen speciella uppsättning designbelastningar för hölje, baserat på deras erfarenhet. Om du utformar en höljesträng för ett visst företag måste denna belastningsinformation erhållas från dem. Eftersom det finns så många möjliga belastningar som måste utvärderas, görs de flesta höljesdesign idag med datorprogram som genererar lämpliga belastningssatser (ofta skräddarsydda för en viss operatör), utvärderar resultaten och kan ibland bestämma en minimikostnadsdesign automatiskt.

tillbaka till toppen

anmärkningsvärda papper i OnePetro

Adams, AJ och Hodgson, T. 1999. Kalibrering av hölje / Slangdesignkriterier med hjälp av strukturella Tillförlitlighetstekniker. SPE borr & kompl 14 (1): 21-27. SPE-55041-PA. http://dx.doi.org/10.2118/55041-PA.

Adams, A. J. och MacEachran, A. 1994. Påverkan på höljets utformning av termisk Expansion av vätskor i slutna Annuli. SPE borr & Compl 9 (3): 210-216. SPE-21911-PA. http://dx.doi.org/10.2118/21911-PA.

Halal, A. S. och Mitchell, R. F. 1994. Hölje Design för instängd ringformig tryckuppbyggnad. SPE borr & Compl 9 (2): 107-114. SPE-25694-PA. http://dx.doi.org/10.2118/25694-PA.

Halal, as, Mitchell, RF och Wagner, rr 1997. Flersträngad hölje Design med Wellhead rörelse. Presenteras vid SPE Production Operations Symposium, Oklahoma City, Oklahoma, USA, 9-11 mars. SPE-37443-MS. http://dx.doi.org/10.2118/37443-MS.

Hammerlindl, D. J. 1977. Rörelse, krafter och spänningar i samband med Kombinationsrörsträngar förseglade i Packers. J Pet Technol 29( 2): 195-208; Trans. AIME, 263. SPE-5143-PA. http://dx.doi.org/10.2118/5143-PA.

Klementich, E. F. och Jellison, M. J. 1986. En livslängd modell för hölje strängar. SPE borra Eng 1 (2): 141-152. SPE-12361-PA. http://dx.doi.org/10.2118/12361-PA.

Prentice, C. M. 1970. ”Maximal Belastning” Hölje Design. J. Pet Tech 22 (7): 805-811. SPE-2560-PA. http://dx.doi.org/10.2118/2560-PA.

tillbaka till toppen

anmärkningsvärda böcker

Aadnoy, Bs 2010 Modern Brunndesign. Rotterdam, Nederländerna: Balkema Publications. WorldCat eBook eller WorldCat

CIRIA Report 63, rationalisering av säkerhets-och Servicefaktorer i strukturella koder. 1977. London: byggbranschen forskning och information Association. WorldCat

Det Norske Veritas. 1981. Regler för konstruktion, konstruktion och inspektion av Offshore-strukturer. Hovik, Norge: DNV. WorldCat

Economides, MJ, Waters, Lt och Dunn-Norman S. 1998. Petroleum Väl Konstruktion. New York City: John Wiley & Söner. WorldCat

Eurokod 3, gemensamma enhetliga regler för stålkonstruktioner. 1984. Europeiska gemenskapernas kommission. WorldCat

Mitchell, R. F.: ”hölje Design,” I borrteknik, Red. R. F. Mitchell, vol. 2 av Petroleum Engineering Handbook, Red. L. W. Lake. (USA: Society of Petroleum Engineers, 2006). 287-342. SPEBookstore och WorldCat

Mitchell, R. F., & Miska, S. (Red.). (2011). Grunderna i borrteknik. Richardson, TX: Society of Petroleum Engineers. SPEBookstore och WorldCat

Rabia, H. 1987. Grunderna i hölje Design. London: Graham & Trotman. WorldCat

rekommendationer för lastning och säkerhetsföreskrifter för konstruktion. 1978. Rapport nr 36, Nordic Committee on Building Regulations, NKB, Köpenhamn. WorldCat

tillbaka till toppen

andra anmärkningsvärda artiklar

Bull. D7, hölje landning rekommendationer, första upplagan. 1955. Dallas: API. Standard: API-BULL D7

Rackvitz, R. och Fiessler, F. 1978. Strukturell Tillförlitlighet Under Kombinerade Slumpmässiga Belastningssekvenser. Datorer och strukturer 9: 489. Abstrakt

tillbaka till toppen

hölje design WorldCat lista

Se även

hölje och slangar

riskbaserad hölje design

PEH: Casing_Design