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。     

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。     

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。     

水泥环对套管射孔后抗挤毁强度的影响

建立了未射孔套管、不带水泥环射孔套管、外裹水泥环套管的有限元分析模型,对这3种情况下套管的抗挤毁强度进行了对比分析。得出如下重要结论(1)射孔使套管抗挤毁强度显著降低,降低幅度为29%;(2)固结良好的水泥环对于加强射孔套管强度有明显作用,使射孔套管的抗挤毁强度提高188%;(3)水泥环不能抵消射孔对套管抗挤毁强度的伤害,外裹固结良好水泥环的套管,射孔后其抗挤毁强度与无孔套管相比下降156%。     

地应力方向对椭圆套管强度的影响规律分析

在考虑套管初始椭圆度和非均匀水平地应力作用位置的基础上,通过建立套管-水泥环-地层受力模型,采用弹塑性有限元方法对具有初始椭圆度套管的抗挤毁强度与非均匀水平地应力作用位置的关系进行分析,并与绝对圆形套管数值分析结果进行对比。研究结果表明,套管抗挤毁强度与非均匀地应力的作用方向有关。当最大水平地应力作用方向与套管长轴方向平行时,初始椭圆度将增大套管的抗挤毁强度;当最大水平地应力作用方向与套管长轴方向垂直时,初始椭圆度将降低套管的抗挤毁强度。可以通过合理正确地利用地应力的作用位置来提高套管的抗挤毁强度,进而延长套管的使用寿命。     

基于特征值和弧长法计算套管抗挤强度

文章基于ABAQUS软件特征值和弧长法研究套管可承受的外挤临界值。ABAQUS特征值用于确定套管弹性挤毁的外挤临界值;而弧长法克服了Newton-Raphson方法极值点发散、无法跟踪极值点以后的位移—载荷路径的缺点,全程跟踪后屈曲载荷位移路径,并给出准确的外挤临界解值。通过弧长法分析还发现弯曲度对套管抗挤毁能力产生的影响较为显著,随着弯曲度增大,套管抗挤毁能力逐渐降低;随着缺欠模态的增加套管的抗挤毁性能也逐渐降低。文章以TP140V钢级不同规格的套管做模型,在单轴载荷条件下得到套管极限挤毁值,结果表明：有限元计算套管挤毁值与实物试验检测值基本一致,误差在3%左右,且模拟的挤毁形貌与实物挤毁形貌相同。随着国内非标管材用量不断增加,对于受压溃设备能力限制而无法获得极限挤毁值的套管,该方法具有借鉴和参考意义,并且相较于API5C3算法,弧长法具有计算准确及适用产品范围广特点。     

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。     

套管偏磨曲率对其抗挤毁强度影响的有限元分析

随着油田开采的不断深入,应用于深井、超深井的套管经常发生偏磨现象。套管偏磨降低了其使用性能,尤其降低了其抗挤毁能力,使石油套管经常因偏磨而损坏,严重影响了原油的正常生产。文章主要运用有限元软件,研究了不同钻杆直径造成的套管偏磨对套管抗挤毁能力的影响。结果表明,随着钻杆直径增大,偏磨区域增大,但偏磨区域曲率变小。其综合影响是偏磨“月牙形”的曲率对套管的挤毁能力影响很小,而偏磨深度对套管的挤毁压力影响很大,因此实际钻井时,钻杆直径对套管抗挤强度的影响可以给以较少的考虑。     

浅谈弯曲条件下评价套管抗挤毁强度的试验方法

随着油田的开发,地层愈来愈复杂,特别是盐膏层,由于地层蠕动对套管抗挤毁强度要求越来越高,而对在特定的条件下对套管抗挤毁强度的研究多采用有限元分析。本文通过全尺寸试验评价方法,探索一种在弯曲条件下评价套管抗挤毁的试验方法,对大曲率井的开发有着重要的指导意义。     

磨损套管抗挤强度计算模型

套管磨损后其承载能力降低,因此对磨损套管进行抗挤毁能力预测或评估就显得尤为重要。采用数值模拟和实物试验相结合的方法,系统分析了磨损套管的挤毁失效机理、影响抗挤强度的因素及影响规律。分析得出,月牙形磨损套管的挤毁属"三铰"失稳,严重磨损处首先屈服进入塑性区并产生很大变形,从而导致整体结构发生弹塑性失稳。磨损套管的抗挤强度随剩余套管壁厚、磨损半径和轴向载荷分别呈指数、幂函数和线性函数式变化。以此为基础,从未磨损套管实际抗挤强度计算入手,建立了完整的磨损套管抗挤强度计算模型,并对模型进行了试验验证,试验结果表明,模型计算值与试验实测值的相对误差在5%以内。所建立的磨损套管抗挤强度计算模型可用于磨损套管和未磨损套管抗挤强度的预测和评估。      

四川地区膏盐层对套管的影响分析

四川地区膏盐层广泛分布，膏盐层蠕变挤毁套管的客观条件是存在的。但是实钻资料表明，四川地区膏盐层套管挤毁现象需要满足一定条件才会发生。根据实钻资料和盐岩蠕变实验数据，利用相关分析方法，就四川地区膏盐层对套管的影响问题进行研究，指出大厚度、高纯度盐岩和非均布地应力以及不当的工程措施是蠕变挤毁套管的基本条件。分析结果为解决套管挤毁问题提供了良好的基础。     

考虑制造缺陷的套管抗挤强度计算新模型

API 5C3未考虑套管的制造工艺及缺陷对套管抗挤强度的影响,已不能准确地预测套管实际抗挤强度。API/ISO工作组针对API 5C3存在的不足,修订了现行API 5C3标准,给出了含制造缺陷的抗挤新模型,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壁厚段套管强度的计算,为此,在研究和评价ISO新抗挤模型的基础上,提出了考虑制造缺陷的抗挤强度计算新模型。通过与ISO/TG提供的上百个实物挤毁数据对比验证,本文所给出计算式的计算精确度明显好于API 5C3挤毁公式及ISO新模型,为套管强度的设计提供了新的参考依据。     

非均匀载荷对高密射孔管抗挤强度的影响

在建立非均匀外载模型的基础上， 对N80射孔管进行了研究。依建立的三维有限元模型及弹塑性理论为基础，借助有限元软件，对射孔管体抗非均匀载荷能力进行了数值模拟。并依其非均匀载荷下的大位移特征和强度特征，分别定义了临界载荷和等效抗挤强度。同时分析了不同模型在相同不均匀系数、同一模型在不同的不均匀系数的情况下对等效抗挤强度的影响。结果表明，射孔管抗非均匀载荷的强度远远低于抗均匀载荷的强度，其中不均匀系数起着关键作用。有利于指导在非均匀载荷作用下射孔管的抗挤强度的设计，对分析套管变形损坏的机理提供了依据，有利于对套管损坏预防提出有效的方案。     

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。     

非均匀套管磨损对套管强度的影响

在深井、大位移井钻井过程中,由于钻杆与套管长时间的接触会造成上层套管受到不均匀磨损,导致套管抗挤强度和抗内压强度降低,给安全钻井带来隐患。根据ISO 10400推荐的套管抗挤强度和抗内压强度计算模型,考虑磨损后套管壁厚不均度、内壁不圆度的影响,推导出了非均匀磨损套管抗挤强度和抗内压强度的计算模型,分析了套管磨损厚度对套管抗挤强度和抗内压强度的影响。计算结果表明,非均匀磨损套管的抗挤强度和抗内压强度降低百分比随套管磨损厚度的增加而增加;在相同的磨损厚度情况下,磨损后套管的抗挤强度比抗内压强度降低得更快;与磨损后CS 110T套管抗挤强度试验数据相比较,由理论计算出的非均匀套管磨损抗挤强度与实测值的相对误差在5%以内。该计算模型为深井、大位移井钻井过程中非均匀套管磨损提供了新的评价方法。     

SEW高抗挤套管开发

采用"HFW+热张力减径+整管热处理+热矫直"工艺开发了80及110钢级SEW高抗挤套管,并对开发的SEW高抗挤套管进行了力学性能和抗腐蚀性能测试。结果表明,同无缝高抗挤套管相比,SEW高抗挤套管在尺寸精度、残余应力及抗外压挤毁性能方面具有较大的优势,且采用上述工艺,较好地解决了焊缝冲击韧性低及抗腐蚀性能差的问题。因此,在其他条件相同时,采用SEW高抗挤套管可解决无缝高抗挤套管带来的抗挤强度不足问题。     

盐膏层TP140特厚壁套管抗挤特性研究

针对塔里木地区深层的盐膏层塑性流动性强，一般API套管难以满足要求的难题，以塔里木地区应用的TP140V特厚壁盐膏层套管为分析对象，建立了套管、水泥环、地层力学模型，运用有限元方法分析了特厚壁套管在非均匀载荷作用下的抗挤特性。研究表明，在相同非均匀载荷作用下，Φ273.1 mmTP140特厚壁套管较普通套管最大应力降低了36%，特厚壁套管具有更强的抵抗非均匀载荷的能力。但是随着载荷的非均匀程度升高，仍然可能导致套管损坏。因此，应该在有盐膏层的区域准确预测两向水平载荷的大小，为正确选用厚壁套管提供依据；水泥环厚度对套管抗挤性能的影响不大，故盐膏层井段的环空间隙大小均能满足固井质量要求即可。     

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。     

深井套管强度设计中实际外挤载荷的数值分析

套管的受力分析是套管强度设计的基础。通过建立套管-水泥环-地层模型,对实际钻井工况下的外挤载荷进行ANSYS有限元计算分析。分析结果表明,地应力和地层弹性常数对套管的外挤载荷影响十分显著。用现行方法进行深井套管强度设计时,套管外挤载荷按下入过程中静液柱压力来分析,未考虑地层因素的影响,与实际值差异较大。按照地层因素来确定套管外挤载荷,不同地应力和地层弹性常数得到不同的套管外挤载荷,更符合工程实际,可为深井套管柱强度设计提供合理参考。