对油气井油管、套管ISO新抗挤模型的研究

在石油和天然气行业中,油管、套管是油气井生产中重要的设施,准确地预测油管、套管抗挤强度能够防止或减少油管、套管失效事故的发生。针对API 5C3计算精度偏低、对抗挤强度影响因素考虑不全面等问题,API/ISO工作组修订了现行API 5C3标准,给出了含制造缺陷（椭圆度、壁厚不均度、残余应力、制造微裂纹等）的抗挤新模型,从而大大提高了套管强度计算的科学性。研究中发现,ISO抗挤新模型并不适合所有尺寸套管强度的计算,当前研究的成果与实际情况存在一定差异,这并非是ISO工作组要研究、修订API 5C3的初衷。因此,建议后续研究者对ISO新模型进行必要的修正或改进,给出更可靠合理的计算模型。这要比单一用API 5C3设计油管、套管强度更合理,既避免了材料的浪费又能保证材料的安全可靠性。     

ISO 10400油套管强度新模型

随着套管制造工艺的不断改进和制造水平的显著提高，现有的API5C3模型已不能正确地预测套管的实际抗挤强度。通过对ISO10400新标准的研究，给出了考虑微裂纹等各种缺陷的油套管抗挤新模型及两端堵口的抗内压韧性断裂模型。计算的精确度用部分数据与API作了对比，证明了抗挤新模型的可靠性和优越性。新模型对改善油套管设计和生产商改进油套管质量具有一定的参考价值。     

套管全管壁屈服挤毁压力计算

分析了API屈服挤毁公式和ISO全管壁屈服挤毁压力公式,认为:API Bulletin 5C3屈服挤毁设计的基本原理是管内壁屈服即失效,实际上,内壁开始屈服时套管还有很大的抗挤余量,对于D/t＜15的厚壁及特厚壁套管,若按API提供的这种最小屈服挤毁公式计算,会造成管材浪费或选择套管难的问题;而ISO全管壁屈服挤毁压力公式并非是全管壁屈服公式,可能并不适合所有壁厚段套管强度的计算。为此,根据弹塑性力学理论推导出了任意屈服半径处及全管壁屈服时的挤毁强度公式。通过计算对比可知,对于D/t≤15的厚壁管（API Bulletin 5C3用屈服公式计算套管强度）用von Mises屈服准则计算的套管内壁起始屈服挤毁强度值,要比现行的API Bulletin 5C3屈服挤毁值高15. 45%,而全管壁屈服挤毁值至少要比API Bulletin 5C3屈服挤毁值高出32. 78%。      

套管膨胀后抗挤毁性能的有限元模拟分析

采用弹塑性有限元建立了可膨胀套管膨胀和挤毁过程的力学模型,对N80钢级材料的φ114.3 mm膨胀套管在不同膨胀率条件下膨胀后的挤毁强度进行了计算,给出了采用API 5C3标准和有限元法计算的膨胀后套管挤毁强度以及膨胀后挤毁强度与残余应力之间的关系曲线,发现用API 5C3标准计算膨胀后套管的挤毁强度存在较大缺陷,以及随着套管膨胀后残余应力增加,膨胀后套管的挤毁强度降低.     

钛合金油套管抗挤毁性能计算与实验

钛合金材料由于具有高的比强度,低弹性模量,优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性,已经成为严酷工况环境下油井管和海洋油气开发工具的热门候选材料,但采用API、ISO的标准体系中的油套管挤毁计算方法得出的钛合金油套管抗挤毁强度缺乏验证。为此,在考虑制造缺陷的条件下,通过比较ISO/TR 10400标准中计算方法、外压强度挤毁准则计算方法、有限元模拟等3种不同方法计算出的钛合金油套管的抗挤毁强度,并与同等条件下钢制油套管的抗挤毁强度进行对比,得出了钛合金油套管的抗挤毁强度变化规律,最后选取了4种规格的钛合金油套管进行了实物外挤毁试验验证。研究结果表明:①钛合金油套管抗挤毁强度均随着径厚比的升高而下降,在径厚比值较低时,钛合金油套管和钢制油套管的抗挤毁强度相差不大,而当径厚比值较高时,钛合金油套管抗挤毁强度则显著低于钢制油套管;②强度挤毁准则方法计算出来的钛合金油井管抗挤毁强度和实际试验值较为接近,同时在径厚比大于15时,计算结果乘以0.9的系数,具有较好的安全性。结论认为,该项研究成果可以为钛合金油套管的设计、使用和管理提供参考。     

钛合金油套管抗挤毁性能计算与实验

钛合金材料由于具有高的比强度，低弹性模量，优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性，已经成为严酷工况环境下油井管和海洋油气开发工具的热门候选材料，但采用API、ISO的标准体系中的油套管挤毁计算方法得出的钛合金油套管抗挤毁强度缺乏验证。为此，在考虑制造缺陷的条件下，通过比较ISO/TR 10400标准中计算方法、外压强度挤毁准则计算方法、有限元模拟等3种不同方法计算出的钛合金油套管的抗挤毁强度，并与同等条件下钢制油套管的抗挤毁强度进行对比，得出了钛合金油套管的抗挤毁强度变化规律，最后选取了4种规格的钛合金油套管进行了实物外挤毁试验验证。研究结果表明：①钛合金油套管抗挤毁强度均随着径厚比的升高而下降，在径厚比值较低时，钛合金油套管和钢制油套管的抗挤毁强度相差不大，而当径厚比值较高时，钛合金油套管抗挤毁强度则显著低于钢制油套管；②强度挤毁准则方法计算出来的钛合金油井管抗挤毁强度和实际试验值较为接近，同时在径厚比大于15时，计算结果乘以0.9的系数，具有较好的安全性。结论认为，该项研究成果可以为钛合金油套管的设计、使用和管理提供参考。     

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随着不圆度和壁厚不均度的增加，套管的临界挤毁压力逐渐减少，并且不圆度对套管抗挤强度影响较大。一般情况下，石油套管同时存在着不圆度和壁厚不均度等初始几何缺陷，这些制造缺陷的存在势必降低套管的抗挤毁性能。API Bul 5C3给出了抗挤强度的计算公式，但仅仅提供了管材屈服强度、管径、壁厚等基本输入参量，而未考虑管体不圆度和壁厚不均度等初始几何缺陷的影响。实践证明，不圆度和壁厚不均度对套管抗挤强度的影响是相当可观的。文章运用有限元法详细研究了初始不圆度和壁厚不均度对套管抗挤强度的影响规律，并提出进一步降低和控制套管初始几何缺陷的工艺措施。     

抗挤强度新算法对套管柱设计安全系数的影响

新版的API 5C3—2008标准已经颁布实施,其附录中给出了新的套管挤毁强度计算公式。将其与API 5C3—1994标准中套管挤毁强度计算公式(旧公式)进行了对比分析,并按新公式计算了油田常用套管的抗挤强度值。认为新公式建模更合理,计算结果更精确,且计算结果相对于旧公式的值发生了较大的变化。对于140钢级以下的套管,当套管径厚比大于20时,新公式计算值大于旧公式值;当径厚比小于20时,新公式值小于旧公式值。对140钢级以上的套管,这一变化的径厚比的界限值为22。基于对套管抗挤强度值的新认识,给出了套管柱设计时油田常用套管的合理抗挤安全系数建议值。     

油井管强度计算方法新ISO标准讨论

对ISO/TR 10400 :2007 和API Bul 5C3 :1994 标准的油井管强度计算方法进行了对比分析,认为ISO/TR 10400 : 2007 对油井管的强度计算方法的分类更符合油井管受力和强度性能的实际情况。新方法将可靠性工程方法引入了油井管的 强度性能计算,在方法上有大的进步,且新公式将管子的制造公差、管子矫直方式、热处理方式、探伤门槛值等因素考虑在内,建 模更加合理,计算结果更加精确。新方法分别给出了油井管的极限挤毁强度公式和设计挤毁强度公式,能满足不同情况下的使 用需要。对比分析结果表明,新方法油井管内压韧性破裂强度公式比旧标准计算值大,对径厚比小于20 的套管,新挤毁强度公 式计算结果比旧标准值小,对径厚比大于20 的套管,新挤毁强度公式计算结果比旧标准值大。ISO/TR 10400 :2007 对油井强度认识的变化必然会影响现有的管柱强度设计方法。     

φ177.8mm×9.19mmP110高抗挤套管试验研究

对φ177.8mm×9.19mm P110高抗挤套管建立了力学模型和有限元计算模型,同时对其实物挤毁试验数据和有限元计算结果进行了综合分析.分析结果表明,高抗挤套管抗挤强度大于API标准挤毁压力,但实际套管并非理想圆管,其本身存在残余应力、圆度和壁厚偏差大等制造缺陷,致使其实际抗挤强度远小于理想状态的有限元计算值.     

油、套管抗内压爆裂设计研究

三高(高压、高产及高含H2S)气井中的油、套管设计,按现行API 5C3标准,油、套管强度常常不能满足设计要求,许多套管的实际安全系数低于设计标准,给设计造成一定的困惑。ISO10400:2007给出了两端堵口的油、套管抗内压韧性爆裂模型,但计算精度不够理想,而且有些预测值要明显高于实物爆裂值。为此,根据材料屈强比对油、套管爆裂强度影响规律进行研究,给出了具有更高精度的油、套管抗内压爆裂计算新模型。数据计算对比表明,油、套管抗内压爆裂计算新模型的计算值与实物爆裂值吻合。该研究方法对优化油、套管设计和改善油、套管制造质量提供了重要的参考依据。     

厚壁套管等效外挤载荷计算

鉴于ISO 10400新标准提出的计算厚壁套管抗挤强度公式是针对均匀外挤载荷的,不适应非均匀外挤载荷下套管抗挤强度计算的状况,根据虚功原理和Mises屈服准则,提出了2种计算等效外挤载荷的方法。将作用在套管上的非均匀载荷转化成与之具有相同破坏能力的均匀载荷。算例分析表明,2种方法计算的等效外挤载荷具有较好的一致性,基于新标准的挤毁理论,套管在非均匀载荷条件下的抗挤强度也有较大的提高。     

油管套管抗内压强度计算研究

高温高压高含硫气井中的油管、套管一旦爆裂失效,将可能导致油套串通,甚至含硫气体串出地面,危害性较大。因此,在油管、套管强度设计中,不但要合理地计算出最小的抗内压屈服强度,而且还要准确地预测出极限强度即爆裂强度。针对API Bulletin 5C3:1994屈服计算公式存在的不足以及ISO/TR 10400:2007爆裂强度计算模型计算精度不够理想的问题,根据屈强比（Y/T）对油管、套管爆裂失效强度影响规律,提出了具有更高精度的油管、套管抗内压爆裂计算新模型,通过与试验数据计算对比,证明了新模型的可靠性和合理性,对优化“三高”气井油管、套管抗内压强度设计提供了新的参考依据。     

用可靠性理论解析API套管强度的计算公式

针对美国石油学会(API)制定的套管强度计算公式中引用的若干个修正系数理论意义不明确的问题,讨论了API套管多个属性参量的分布规律和分布参数.采用基于Monte-Carlo方法的Latin Hypercube随机模拟方法,模拟得出了套管强度的分布规律以及套管几何尺寸和管材力学性能的随机性对套管强度随机性的影响规律.运用可靠性理论建立了套管强度的可靠度计算模型,分析并对比了不同可靠度下的套管强度值,计算得出了API套管强度值的可靠度.研究结果表明,套管属性的随机性越大,套管强度的可靠性越低,API套管弹性挤毁抗挤强度公式的修正系数能够合理地提高其强度可靠性,但应用修正系数后的抗内压强度公式是偏于安全的.