椭圆度及壁厚不均度对套管抗挤强度的影响

随着各类石油套管对可靠性和使用寿命要求的不断提高,对石油套管的抗挤能力分析提出了更高的要求。影响套管抗挤能力的参数除了材料本身的强度以外,还包括套管的椭圆度、壁厚不均度等。以Φ101.6mm×7.8 mm规格的试样套管为对象,建立套管抗挤强度的计算模型,利用有限元方法对套管的抗挤强度进行模拟计算,分析与验证椭圆度和壁厚不均度这两个参数对套管抗挤强度的影响,从而为合理选用套管以及开发高抗挤套管提供经验与指导。     

套管的残余应力对抗挤毁强度的影响

运用弹性力学理论,建立石油套管的力学模型,通过理论和有限元计算,得到残余应力与石油套管抗挤毁强度之间的关系.研究表明残余应力在很大程度上影响着石油套管的抗挤毁强度,当切向残余应力存在时,适当的压应力明显有利于提高石油套管的抗挤毁强度,而拉应力的存在会显著降低石油套管的抗挤毁强度;当石油套管上存在轴向残余应力时,拉应力使石油套管的抗挤毁强度降低,而压应力使石油套管的抗挤毁强度有所提高;非均匀分布挤压载荷对石油套管抗挤毁强度的影响同均匀分布载荷相似.因此,为了提高石油套管的抗挤毁强度,应根据管体的受力状态,使石油套管的管体上产生最佳的残余应力,提高石油套管的抗挤毁强度,延长使用寿命.     

Φ114.3 mm×8.56 mm 140V套管抗外挤能力研究

针对石油套管抗外挤能力计算这一热点问题,选取10支Φ114.3 mm×8.56 mm 140V套管进行几何尺寸和机械性能检测,并通过挤毁试验得到其抗挤强度;在考虑几何缺陷和实际力学性能的情况下,建立计算套管抗挤强度的有限元模型,对比模拟结果、理论计算结果及试验结果表明：模拟结果与试验结果相近,偏差-0.77%～+7.0%,而理论计算结果误差较大,偏差23.84%～37.56%。该有限元模型还可用来分析壁厚不均度和椭圆度对该规格套管抗挤强度的影响。     

Φ139.7 mm×12.7 mm CB125HC高抗挤套管抗外挤性能研究

利用实物试验和有限元模拟研究了几何参数对高抗挤套管抗挤性能的影响。检测10支同批次Φ139.7 mm×12.7 mm CB125HC套管的外径、壁厚等几何参数,利用立式挤毁试验系统进行挤毁试验,得到套管抗挤强度值。对检测的几何参数和挤毁结果进行分析,研究壁厚不均度、椭圆度等对套管抗挤能力的影响。利用实测数据建立有限元模型,计算各个样品的抗挤强度值并与API计算值和实测值进行比较。结果表明:高抗挤套管的抗挤强度远大于API计算值,说明API公式不适用于高抗挤套管,有限元结果与试验结果相近,用有限元方法可快速预测高抗挤套管的抗挤能力。     

SEW高抗挤套管抗外压挤毁性能研究

研究了80~125钢级SEW高抗挤套管的材料性能、尺寸精度、残余应力和抗外压挤毁性能。研究结果表明:屈服强度是影响SEW高抗挤套管抗挤强度的决定性因素,径壁比、外径不圆度、壁厚不均度和残余应力是影响SEW高抗挤套管抗挤强度的主要因素;提高套管的屈服强度和尺寸精度,减小径壁比,降低残余应力均可提高套管的抗外压挤毁性能。     

超高强度套管TP165V开发及蠕变应力分析

针对蠕变地层用套管套损问题,设计开发一种新型超高强度套管,套管钢级达到165 ksi,横向冲击值不低于55 J,纵向冲击值不低于70 J,套管抗挤毁强度超过182 MPa。采用有限元方法分析套管受到的蠕变应力和弹性应力。试验表明套管极限抗挤毁强度超过200 MPa;以中原油田产层最大地应力约50 MPa为例,套管实际抗挤毁强度达到最大地层压力4倍。研究发现套管弹性应力和蠕变应力随着两向地应力差异增加而增加,且蠕变应力增加幅度高于弹性应力;当盐膏层被溶解产生孔洞后,胶结面处应力先增加后减小,最后趋于稳定。     

超高强度抗挤套管的开发

中原油田东濮凹陷地区发育相当成熟的岩层要求套管单轴抗挤强度不低于103MPa,以抵御恶劣的地质条件。为了能和上下管柱设计使用的API标准规格的Φ177.8mm×10.36mm以及Φ177.8mm×11.51mm套管方便地连接,设计了非API标准规格的Φ180mm×11.51mm套管。采用纯净钢技术制造了这种规格的BG160TT超高强度抗挤套管。试制结果表明:该套管屈服强度不低于1210MPa,冲击功不小于110J,抗挤强度不低于110MPa。该超高强度抗挤套管已在中原油田东濮凹陷地区成功下井使用。     

石油套管抗挤毁解决方案及发展

介绍了套管抗挤毁强度预报方法的演变过程和最新进展,对比了各理论的先进性和局限性;按照K-T理论分析了影响套管抗挤毁强度的主要因素,其中制造质量因素主要包括椭圆度和残余应力;介绍了国内外油气井套管抗挤毁的各种方案和产品;对比了各系列产品和方案的优缺点及控制重点。提出了深井异常高压地层采用特厚壁套管,抗挤毁套管采用调质热处理工艺,以及提高抗挤毁设计安全系数等一系列建议。     

泡沫钛制备及力学性能评价研究

利用占位体烧结法在不同的占位体粒径、体积分数以及不同的烧结温度、时间条件下制备出泡沫钛。采用光学金相、扫描电镜等对泡沫钛的孔隙结构进行分析;通过室温压缩实验对泡沫钛的力学性能进行评价。结果表明,泡沫钛孔隙横截面呈圆形,纵截面呈椭圆形,其孔隙率与占位体体积分数的差值随占位体粒径、体积分数的增加、烧结温度的升高、时间的延长呈升高的变化趋势。同时,烧结温度越高,所制备的泡沫钛孔壁越致密。与传统的泡沫材料不同,泡沫钛应力-应变关系曲线并没有出现明显的应力平台,抗压缩强度和弹性模量随孔隙率的增加呈下降的变化趋势,当孔隙率为67.6%时,抗压缩强度和弹性模量分别达到14.4 MPa和1.17 GPa。抗压缩强度随孔径的增大呈先升高再降低的变化趋势,而弹性模量随孔径的增加基本不变,当孔径达到1.15～1.53 mm时,其抗压缩强度和弹性模量分别达到48.9 MPa和1.72 GPa。     

RTTS封隔器卡瓦咬伤套管裂纹塑性扩展分析

为了解RTTS封隔器卡瓦处套管的咬伤裂纹在内压作用下的塑性扩展规律,避免此处套管在后续工况中发生疲劳断裂,运用断裂力学理论建立了RTTS封隔器卡瓦处套管二维裂纹与三维裂纹扩展模型,分析了套管二维裂纹和三维裂纹失稳扩展塑性区尺寸。结果表明,卡瓦处套管径向裂纹的塑性扩展显著降低了套管的抗内压强度;内压产生的环向应力是导致卡瓦处套管径向裂纹失稳扩展的主要根源;卡瓦处套管径向裂纹扩展的塑性区尺寸随套管内压的增大而非线性增大。研究可为优选套管管材和控制施工套压提供参考。     

特殊通径抗硫化物应力腐蚀及抗挤毁套管的研发

分析了影响套管抗硫化物应力腐蚀(SSC)性能和抗挤毁性能的主要因素,指出抗SSC性能主要受材料组织结构、化学成分、硬度和强度、夹杂物等因素影响;抗挤毁性能主要受管体几何尺寸和力学性能的影响。介绍了一种特殊通径抗SSC及抗挤毁套管的研制过程及主要工序控制。经检验:生产的套管夹杂物少,力学性能稳定,尺寸精度高,满足特殊通径、抗SSC及抗挤毁套管的综合性能需求。     

油套管标准变化对其性能要求及评价的影响

介绍了新版API Spec 5CT、API Spec 5B、API RP 5C5等标准主要修订的内容,分析了各标准变化对油套管性能要求的影响;重点讨论了特殊螺纹接头气密封评价、储气库井用套管评价、页岩气井用套管评价以及射孔段套管评价等的标准和方法。分析认为:与旧版标准相比,新版API Spec 5B增加了螺纹直径、椭圆度测量及其要求,API Spec 5CT第9版增加了C110钢级套管,API RP 5C5—2017增加了高温条件下的接头性能评价。从油套管主要标准变化可以看出,为了满足非常规井的勘探开发需要,对油套管的性能要求主要体现在:特殊螺纹接头密封性能、抗高温性能、耐腐蚀性能、高抗挤性能、接头抗疲劳性能等。     

加载速率对SnAgCu钎焊接头抗剪强度的影响

研究了加载速率对SnAgCu(SAC)无铅钎料钎焊接头抗剪强度和断裂模式的影响,试验钎料的Ag元素含量为1%～3%(质量分数),微拉剪接头的加载速率为0.01～10mm/s.结果表明,当加载速率小于1mm/s时,抗剪强度随加载速率的增大而增大,断裂模式为发生在接头钎料内部的延性断裂.当加载速率增大到10mm/s时,其抗剪强度反而减小,断裂模式为发生在界面金属间化合物层的脆性断裂.另外,在加载速率较低时,抗剪强度随Ag元素含量的增加而增加;但在较高加载速率下,Ag元素含量为2%的钎料接头抗剪强度最低.     

射孔枪毛刺和胀枪及其应力强度三维仿真

为了获得射孔枪动态应力分布规律,准确分析胀枪程度和毛刺外翻高度,应用LS-DYNA软件,以7″×12. 65mm TP140套管和5″×11. 00 mm 32CrMo4射孔枪组合为例,建立了射孔弹-射孔枪(含盲孔)-套管三维有限元模型,采用网格不固定、不依附于质点、可相对坐标系作任意运动的ALE法,结合算子分离算法,实现爆轰过程、药型罩固流转化、射流高速侵彻射孔枪的大变形和流固耦合仿真。结果表明,射孔枪产生4. 3 mm外凸毛刺,套管外壁产生1. 8 mm外凸毛刺,枪套间累计毛刺高度为5. 2 mm,如果间隙接近或小于5. 2 mm,易发生卡枪。射孔枪平均孔径为Φ18. 7 mm,套管平均孔径为Φ7. 7 mm,说明穿透射孔枪盲孔过程消耗了大量能量,盲孔壁厚设计应引起重视。在射孔枪各孔相连的宽为125 mm的宽带内,其最小应力也达到了774 MPa,均超过材料屈服强度,在高爆轰压力作用下,将产生向外鼓胀,即会发生所谓的"胀枪"。     

煅烧对羟基磷灰石微球孔隙特征的影响

研究煅烧温度和保温时间对羟基磷灰石微球孔隙特征的影响,分别用比表面积-孔隙率分析仪,扫描电镜对其孔隙特征进行表征。结果表明,随煅烧温度增加,羟基磷灰石微球的孔径尺寸逐渐增加,但孔体积逐渐降低;当煅烧温度为500℃时,孔径尺寸随着保温时间的增加而呈现逐渐增大的趋势,而孔体积则有降低趋势,但是总体变化不大。     

工具锥角对膨胀套管环向残余应力的影响

为了研究膨胀工具锥角对套管膨胀后环向残余应力分布的影响,采用有限元分析方法对常见的5°～11°锥角下Φ139.7 mm×8.5 mm的套管膨胀过程进行了非线性数值分析,得到不同锥角下整个套管膨胀后环向残余应力在套管轴向、周向和壁厚方向的分布规律。结果表明,套管膨胀后环向残余应力在套管轴向和圆周方向上分布不均匀,其数值呈波动趋势,波动幅度可达100MPa左右,且波动幅度随工具锥角的增大而减小。无论膨胀工具锥角如何变化,套管内壁至套管厚度中间的单元层始终受到残余拉应力,套管外壁及靠近外壁的单元层始终受到残余压应力,残余拉应力和残余压应力在壁厚厚度上所占比例分别约为75%和25%,且残余拉应力最大值位于套管壁厚中间部位,残余压应力最大值位于套管外壁。锥角变化对环向残余应力的大小有一定影响,当锥角从5°增加到11°时,残余拉应力和压应力最大值均上升,增加幅度分别约为套管材料屈服强度的3.4%和5.1%。     

J55钢套管材料在地层水服役环境中的安全性评价和可靠性预测

建立了J55钢套管抗挤强度和抗拉强度有限元模型,分析了均匀腐蚀和局部腐蚀J55钢套管的力学性能,对比了缓蚀剂加注前后油气井采出水中J55钢套管的力学性能及使用寿命。结果表明：建立的模型可以有效用于J55钢套管的力学分析;局部腐蚀会显著降低J55钢套管的剩余强度,且相同腐蚀深度(1 mm)条件下,局部腐蚀J55钢套管的剩余抗拉强度比均匀腐蚀J55钢套管的降低23.3%;在不含缓蚀剂的油气井采出水中,J55钢套管的力学性能显著降低且平均使用寿命仅为2.8 a,添加缓蚀剂后,J55钢套管力学性能显著提高,且使用寿命也大幅提高。     

BG110T抗挤套管的试验研究(下)——残余应力、平均壁厚、屈服强度对临界抗挤强度的影响

结合BG110T和BG110TT套管的研制开发,系统研究了轧管热处理工艺对套管残余应力、壁厚公差、屈服强度以及临界抗挤压力的影响。研究结果表明,孔型设计采用壁厚正公差,采用多机架均整及严格控制回火温度与矫直温度,可使套管屈服强度提高,残余应力降低,从而有效地提高了套管的抗挤毁性能。当残余应力控制在100MPa以内,壁厚公差控制在+8%左右时,套管的临界抗挤压力可达到API标准值的1.6倍。     

BG110T抗挤套管的试验研究(上)——残余应力、平均壁厚、屈服强度对临界抗挤强度的影响

结合BG110T和BG110TT套管的研制开发,系统研究了轧管热处理工艺对套管残余应力、壁厚公差、屈服强度以及临界抗挤压力的影响。研究结果表明,孔型设计采用壁厚正公差,采用多机架均整及严格控制回火温度与矫直温度,可使套管屈服强度提高,残余应力降低,从而有效地提高了套管的抗挤毁性能。当残余应力控制在100MPa以内,壁厚公差控制在+8%左右时,套管的临界抗挤压力可达到API标准值的1.6倍。     

浇注料孔径分布与强度关系的灰色系统研究

利用灰色系统理论研究了气孔孔径分布对刚玉质低水泥浇注料分别在110, 1100和1500 ℃下热处理后强度的影响.研究结果发现在所有热处理温度范围内,45～90 μm的孔径区间对浇注料强度的影响最为显著;在相同热处理温度下,孔径分布与浇注料抗折强度的关联度大于与耐压强度的关联度;随着热处理温度的升高,不同孔径区间与浇注料耐压强度的总体关联度先增加,后减小,而与浇注料抗折强度的总体关联度则一直增大.