P110钢级Ф139.7mm×10.54mm高抗挤套管抗挤毁性能分析及挤毁强度预测

为了研究P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管挤毁位置几何参数对挤毁强度的影响,对套管抗挤毁强度进行准确预测,抽取不同批次试样9根,分别进行拉伸试验、残余应力检测和几何参数测量,并结合套管全尺寸挤毁试验结果,分析了影响该规格套管抗外压挤毁性能的主要因素及套管挤毁失效位置与几何缺陷的关系。此外,还对挤毁压力的理论/实际偏差与管体壁厚、壁厚不均度、管径、椭圆度及残余应力的关系进行了分析,拟合得出P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管挤毁强度更精准的预测公式。结果表明,在屈服强度相近、壁厚不均度在1.35%~9.21%、椭圆度小于0.56%的前提下,P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管的壁厚对抗挤毁强度的影响程度远远大于管体外径、壁厚不均度和椭圆度的影响。     

外压作用下套管抗挤强度研究

为提高套管挤毁压力的计算精度,应用统计方法对213根套管全尺寸挤毁试验数据进行了方差分析。结果表明,径厚比、屈服强度是套管抗挤强度的主要影响因素,不圆度、壁厚不均度、残余应力等因素对套管抗挤强度的影响呈随机性分布。利用有限元方法对外径不圆度、壁厚不均度和残余应力的不同组合进行模拟分析得出,数值相同的外径不圆度、壁厚不均度及平均残余应力组合不同时,套管的挤毁压力相差很大。提出了新的套管挤毁压力计算公式,计算表明精度可满足工程要求。     

套管产品质量控制及性能指标

对比分析了材料成分、热处理工艺,获得合理的应力——应变曲线、椭圆度、壁厚不均度、残余应力对套管抗挤强度的影响,提出套管产品质量控制的关键环节,针对于J55、K55无缝管应在尽可能靠近管内壁处取样,按NACE方法A和A溶液检验。对于L80 1型、C90 1型、T95 1型套管及接箍按NACE方法D和A溶液检验。对于油套管设计留有充分的安全余量或选用较薄壁管以降低投资,或降低钢级以提高抗硫化物应力开裂都具有重要意义。     

套管抗挤毁强度主要影响因素试验研究

对17根Ф177.80mm套管进行几何尺寸测量、材料性能及外压挤毁试验,研究了几何尺寸、屈服强度及残余应力对套管抗挤毁强度的影响。结果表明:各因素综合影响套管的抗挤毁强度;椭圆度变化>0.5%、壁厚不均匀度>10%或其不同截面间变化>5%均将明显降低套管的抗挤毁强度;椭圆度及其不同截面间变化<0.2%,将明显提高套管的抗挤毁强度。在屈服强度达到钢级要求的同时,控制好套管的几何尺寸精度并降低残余应力,可以生产出具有较高抗挤毁强度的套管。     

石油套管抗挤性能研究

以 139.7 mm×7.72 mm/9.17 mm SEW N80和P110套管为例建立几何模型,利用套管抗挤强度计算公式、有限元分析及套管挤毁试验研究了套管抗挤毁性能的影响因素。结果表明,径厚比、屈服强度是造成套管挤毁失效的主要影响因素;外径不圆度、残余应力的影响次之;壁厚不均度影响最小。另外,外径不圆度、壁厚不均度及残余应力的综合作用对套管的抗挤毁性能也有一定的影响。     

非均匀载荷对TP130TT套管抗挤强度的影响

认识影响新型套管(TP130TT×152.4mm×16.90mm)的抗挤强度的诸种因素,对正确选用这种套管具有重要的指导意义。采用有限元法,计算和分析了套管缺陷(壁厚不均度、椭圆度)及非均匀载荷等因素对套管抗挤强度的影响规律。计算结果表明,在非均匀外挤载荷作用下,这种套管仍具有较高的抗挤能力;在静水压力的作用下,套管抗挤强度随着其壁厚不均度和椭圆度的增加而降低。     

膨胀管抗外挤强度试验研究

膨胀管膨胀后其抗外挤能力降低是制约膨胀管技术发展的重要因素。通过试验模拟实体膨胀管膨胀时的力学环境,分析了管材壁厚及残余应力在塑性膨胀过程中的变化规律。结果表明:膨胀管大塑性变形会导致壁厚减少,壁厚不均匀程度放大,并产生残余应力;膨胀管内表面产生拉应力,外表面产生压应力,应力差值在薄壁端最大,薄壁端也是膨胀管在外压作用下的屈服点;在膨胀管变形过程中薄壁端的变形速率高于厚壁端的变形速率,产生的残余应力与实测值基本相符,说明膨胀管原始壁厚的不均匀变形是残余应力增加、抗外挤能力降低的主要因素。     

壁厚不均缺陷对膨胀套管性能的影响

采用有限元法分析了壁厚不均缺陷对膨胀套管性能的影响。分析研究结果表明(1)壁厚不均的膨胀套管膨胀后壁厚不均度增大;(2)壁厚不均的膨胀套管膨胀后各部位壁厚均减小,最薄侧壁厚减薄量随壁厚不均度的增加呈上升趋势,而最厚侧壁厚减薄量随壁厚不均度的增加呈下降趋势;(3)壁厚不均度对膨胀套管自由端面轴向总位移影响很小;(4)膨胀套管壁厚不均度小于0.2时,所需最大膨胀力变化不大;壁厚不均度大于0.20时,所需最大膨胀力迅速降低;(5)壁厚不均度对膨胀套管膨胀后的残余应力影响很小。     

套管尺寸偏差与挤毁强度关系的新认识

为了探讨API 5CT规范规定的套管尺寸公差对套管挤毁强度的影响,选取了J55钢级Ф139.7 mm×7.72 mm、L80钢级Ф177.8 mm×10.36 mm和P110钢级Ф244.5 mm×13.84 mm 3种有代表性的油田常用套管,采用有限元法对其在不同外径和壁厚偏差影响下的套管挤毁强度进行了非线性分析、计算,得到了单独考虑外径、壁厚及同时考虑外径和壁厚尺寸偏差下的套管挤毁强度及其变化规律。计算可知,在API 5CT规范规定的尺寸公差范围内,即使套管外径和壁厚的最不利偏差同时出现在同一横截面上,套管的挤毁强度仍然会在API额定值之上,椭圆度对套管挤毁强度的影响大于壁厚不均度的影响,套管圆周上壁厚最薄点决定着套管挤毁强度,壁厚不均度对套管挤毁强度的影响非常小,API给出的大外径套管额定挤毁强度偏保守。对于尺寸公差符合API 5CT规范的套管,其挤毁强度一般会高于API额定值一定幅度。      

J55膨胀套管实物试验研究

选取6根Ф139.7 mm(51/2英寸)J55套管,在膨胀锥角5、8和10°及膨胀速度5和10m/min条件下,对其中5根套管内壁做润滑处理后进行实物膨胀试验研究,另外1根套管只做原始抗挤强度试验。结果表明,磷化润滑处理后的套管与心头间的摩擦因数小于牛油石灰润滑处理后套管与心头间的摩擦因数,改善膨胀套管内壁的润滑条件,可以大大减小膨胀液压力;随着摩擦因数的减小,膨胀后套管的轴向缩短率增大,壁厚减薄幅度减小,有利于提高膨胀后套管的抗挤强度;膨胀前套管的抗外挤毁压力为51.3 MPa,膨胀后套管的平均抗外挤毁压力为28.7 MPa,其抗外挤毁压力降低了44.1%。     

膨胀波纹管抗外挤强度的影响因素分析

为了找出影响膨胀波纹管抗外挤强度的影响因素,通过ABAQUS有限元软件对波纹管的抗外挤强度进行模拟,研究了波纹管的不圆度、波纹管的壁厚、井筒直径等对波纹管抗外挤强度的影响。结果表明,不圆度和壁厚对膨胀后波纹管抗外挤强度的影响较大,随着波纹管不圆度的减小,波纹管的抗外挤强度迅速的增大,壁厚越大波纹管的抗外挤强度也越大;另外,增大波纹管应用的井筒直径可以有效的提高波纹管的膨胀性能,降低波纹管膨胀后的不圆度,但是大尺寸的井筒直径降低了波纹管膨胀后的抗外挤强度。     

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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。     

几何尺寸影响下的高钢级套管挤毁变形探讨

针对V140套管内封隔器不坐封且井下工具下入遇阻等问题,在某油田随机抽取6根139.7mm×12.09mmV140套管进行全面尺寸测量,确定椭圆度和壁厚不均度,然后选2根椭圆度变化较大的试样进行挤毁试验,模拟测试实际工况下套管变形情况。结果表明,椭圆度和壁厚不均度跳跃变化越大,套管越易变形,即套管抗挤强度越小;内壁椭圆度越大越易降低套管抗挤强度。因此,在套管生产过程中,不仅要使其椭圆度和壁厚不均度符合规定要求,还应使其变化跳跃性不要太大;不能忽略套管内壁椭圆度的变化,建议制订必要的套管内壁椭圆度控制规范。     

API J55套管的膨胀性能分析

可膨胀的套管管材是膨胀套管技术的核心技术之一。模拟井眼中的套管膨胀力学环境，对3根国产114.3 mm API J55套管（壁厚6.35 mm）在原始状态和热处理状态下分别进行了径向6.2％及16.5％的膨胀试验，对膨胀前后套管的几何精度、材料相关性能及套管的实物性能进行了检验。发现标准API　J55套管在进行幅度为16.5％的径向膨胀后，仍然具有较好的基本性能指标，但同时发现该种套管由于材料性能方面的原因，存在变形困难的问题，还发现套管在膨胀后抗挤强度下降显著。分析结果对于可膨胀套管管材研究具有重要参考价值     

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.     

水泥环对油气井套管力学性能影响的分析计算

油田生产中岩层在油井开采中应力变化较大,生产层段的岩层产生的应力作用于套管,挤压套管造成套管损坏,影响了油井的正常生产。通过建立二维平面轴对称和平面应变模型,利用Ansys有限元软件分析套管在水泥环影响下的变形特征。分析表明,油井开采中地应力作用于水泥环,套管最大应力在套管内壁产生,均匀载荷下套管抗挤强度是非均匀载荷的7倍以上。载荷椭圆度越大,套管内壁应力越大且分布不均。增大水泥环弹性模量可以有效减小套管最大应力,生产中应保持水泥环弹性模量在20-35GPa范围,可以提高套管的抗挤强度。均匀载荷下,应采用J55套管,非均匀载荷下,应采用P110套管,可以有效地减小套管产生的应力,提高套管的抗挤强度。     

基于KT模型的椭圆度对套管抗挤强度的影响

椭圆度会降低套管的抗挤强度,但对其影响程度及规律并未得到统一认识。文中以考虑因素较为全面的KT抗挤强度计算模型为基础,建立了椭圆度与套管抗挤强度关系模型。研究结果认为:套管的抗挤强度随椭圆度的增大而降低,但降低趋势逐渐变缓;套管的抗挤强度降低值随径厚比(D/t)的增大呈先增大后减小的趋势,存在一个临界D/t值,可使椭圆形套管的抗挤强度降低值最大;钢级越高,椭圆形套管的抗挤强度降低值最大的临界D/t值越小。文中较为全面地揭示了椭圆度对套管抗挤强度的影响程度及规律,进一步深化了椭圆度对套管抗挤强度影响的认识。     

壁厚椭圆度缺陷对膨胀套管性能的影响

套管的椭圆度缺陷对套管的强度等性能有显著的影响。利用有限元法建立了考虑壁厚不均缺陷的膨胀套管的非线性接触力学模型，进行了有限元模拟分析，得到了套管椭圆度在膨胀前后的变化规律及其对膨胀后套管力学性能的影响，为膨胀套管的设计和进一步研究提供了一定的理论依据。     

Ф177．8mm×9．19mmP110高抗挤套管试验研究

对Ф177．8mm×9．19mmP110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乖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。     

套管膨胀后的抗挤强度计算

对膨胀套管膨胀后抗挤强度下降的原因进行了分析,考虑材料的包辛格效应及大的环向残余应力水平对套管抗挤强度的影响,对API屈服强度套管挤毁公式进行了修订,给出了膨胀后套管抗挤强度的计算方法,并对相关参数取值方法进行了讨论,以实测数据对理论计算结果进行了验证,证明修订后的公式具有高的计算精度。