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。     

深井盐层套管非均匀载荷计算与套管设计方法研究

深入分析复杂盐层奈件下套管承受的载荷是盐层套管安全设计的关键。结合中原油田第三系盐膏层地质条件，利用FLAC软件建立了高倾斜韵律盐层的套管载荷分析三维模型，改变套管外的水泥封固奈件，探讨了盐层套管承受的非均匀载荷和套管内的应力分布，提出了盐层套管的设计方法。研究表明：环空水泥胶结不良时盐层容易对套管产生非均匀的挤压载荷；在高倾斜韵律盐层中，套管受到的非均匀载荷更高；盐层的非均匀载荷使套管内切向应力和轴向应力的集中比均匀外挤载荷下高得多；非均匀载荷下套管抗挤安全系数可以依据von Mises屈服准则来确定。     

严重出砂井中采油套管损坏的力学分析

对于出砂严重的疏松砂岩油藏,非均匀载荷也是引起套管损坏的一个重要因素。针对此类油藏中非均匀载荷的形式特点,根据弹性力学理论,建立了3种适用于严重出砂井的套管承受非均匀外载的力学模型,包括套管承受椭圆形外载力学模型、对径集中载荷力学模型以及正交对径集中载荷的力学模型,并采用逆解法进行了求解,得到了此3种非均匀载荷下套管的抗挤强度计算公式,为研究严重出砂地层中非均匀载荷作用下的套管挤毁问题提供了初步的理论依据。研究表明,套管承受3种非均匀形式载荷的能力远远低于API抗挤强度,约为均载情况下的3%~25%,其中套管在对径集中载荷作用下最易发生破坏;另外,随着套管承受椭圆形外载的非均匀程度逐渐降低,其抗挤强度逐渐升高。     

蠕变地层与油井套管相互作用力学模型

在油井生产过程中,地层的蠕变使套管承受的外部挤压载荷逐渐接近于上覆岩层压力。当套管的外部挤压载荷大于套管的抗挤强度时,套管将产生屈服、变形甚至破裂。目前采用的蠕变地层与套管相互作用的力学模型存在理论上的错误,无法正确计算套管的外部挤压载荷。根据实际建井过程和力学原理,建立了正确的蠕变地层与套管相互作用的力学模型。如果地层不具有蠕变性,地应力不会作用在套管上;如果地层具有蠕变性,且持续时间比较长时,套管所受的外挤载荷为地层的上覆岩层压力。现场检测到的套管非轴对称形变主要是由套管壁厚不均匀、材质不均匀、套管受到刮伤及套管一侧黏土膨胀等因素所致,而不是地层的非均匀地应力造成的。     

非均匀载荷作用下套管抗挤强度初探

API套管规范确定了套管在均匀流体静压载荷作用下的抗挤强度计算方法,非非均匀载荷对套管抗挤强度的影响几乎没有进行研究或作出规定,实际上,大多数油井套管的损坏是由非均匀载荷引起的。根据弹性力学理论,建立了套管在非均匀载荷作用下的力学模型,并应用逆解法对该力学模型进行求解,得到了在非均匀载荷作用下套管的抗挤强度计算式,研究表明,套管抗非均匀载荷的强度远远低于抗均匀载荷的强度,增强壁厚比提高钢级更为有效,该模型在理论研究上和现场应用中都有十分重要 的意义。     

水泥环厚度和弹性模量对套管抗挤强度的影响

建立了二维平面轴对称和平面应变有限元模型，利用有限元法分析了套管在水泥环作用下受到的均匀与非均匀外挤载荷的变形特征。分析表明，套管最大应力在套管内壁产生，均匀载荷下，增大弹性模量，减小水泥环厚度，保持水泥环厚度在10-20mm范围可以有效提高套管抗挤强度。非均匀载荷下，载荷椭圆度越大，套管内壁应力越大。均匀载荷下套管抗挤强度是非均匀载荷抗挤强度的5～8倍。非均匀载荷下，增大水泥环弹性模量和提高水泥环厚度可以减小套管内壁最大应力，提高套管抗挤强度。     

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%。      

非均匀外挤力作用下套管强度特征分析

通过ANSYS有限元软件分析了套管在非均匀外挤力作用下的大变形特征，定义了套管在非均匀外挤力作用下破坏的临界条件，得到了此时的临界非均匀外挤力。为了表征套管在非均匀外挤力作用下的强度特征，定义了套管的等效破坏载荷，分析了等效破坏载荷与壁厚、载荷不均匀度的关系，并给出了计算实例。     

水泥环厚度和弹性模量对套管抗挤强度的影响

建立了二维平面轴对称和平面应变有限元模型,利用有限元法分析了套管在水泥环作用下受到的均匀与非均匀外挤载荷的变形特征。分析表明,套管最大应力在套管内壁产生,均匀栽荷下,增大弹性模量,减小水泥环厚度,保持水泥环厚度在10～20mm范围可以有效提高套管抗挤强度。非均匀载荷下,载荷椭圆度越大,套管内壁应力越大。均匀载荷下套管抗挤强度是非均匀载荷抗挤强度的5～8倍。非均匀载荷下,增大水泥环弹性模量和提高水泥环厚度可以减小套管内壁最大应力,提高套管抗挤强度。     

超深高温弯曲井眼套管抗挤强度模型研究及应用

在定向井或水平井开发深层盐下油气资源时,套管柱在盐膏层的造斜段中受非均匀外挤载荷、井眼弯曲载荷及高温综合效应影响下易发生失效,严重影响井筒管柱完整性和生产安全。文章基于非均匀载荷下套管抗挤强度计算模型,引入井眼弯曲载荷和高温效应对套管屈服强度折减影响,建立了超深高温弯曲井眼套管抗挤强度评价模型,用以评价超深井中套管柱在盐膏层造斜段的抗挤强度可靠性。结果表明：井下套管剩余抗挤强度系数随套管外挤力非均匀系数增加呈近似抛物线型降低,随井眼曲率和井筒温度升高呈近似线性降低;套管外径和壁厚越大,井眼曲率和井筒温度对其抗挤强度折减越明显,而非均匀外挤载荷对三种规格套管抗挤强度影响相当。该研究成果在某盐膏层斜井中进行了现场应用,很好指导了该井套管的选型,并为同井型的套管实际抗挤强度评价及套管选型提供了技术支撑。     

非均匀椭圆外载作用下套管的形变及修复

结合大港油田的实际情况,确立了在非均匀地应力作用下套管外部载荷的求解公式,建立了非线性有限元模型,借助ANSYS分析软件对套管在非均匀椭圆形外载作用下的变形和所受应力等情况进行分析研究。引入等效破坏载荷的概念,利用等效破坏载荷来衡量套管所承受的载荷大小,在分析套管破坏的基础上,进一步模拟分析其修复过程。     

水泥环性质对套管抗挤强度影响的有限元分析

套管常在油层和泥岩部位严重损坏，分析认为这是生产过程中地应力发生了变化，导致油层孔隙压力或泥岩力学性质改变，造成地应力重新分布的结果。因此，水泥环的质量对套管的影响较大。建立了二维平面轴对称和平面应变有限元模型，利用Ansys有限元软件分析了套管在水泥环影响下的变形特征。分析表明，最大应力在套管内壁产生，均匀我荷下套管抗挤强度是非均匀载荷的5～7倍，而且栽荷椭圆度越大，套管内壁应力越大。增大水泥环弹性模量可以有效减小套管最大应力，因此，均匀我荷下应适当提高水泥环弹性模量，以达到提高套管抗挤强度的目的。     

套管水泥环组合应力计算边界条件分析

合理的套管应力计算是套管柱强度设计和套管损坏判别的依据。目前常用计算套管应力的方法是将非均匀地应力作用于已经形成的套管水泥环组合体之上,再根据计算结果进行套管应力及变形分析,而实际上非均匀地应力所引起的应力集中效应在固井之前已经在井壁岩石处释放,并不能作用到套管水泥环组合体之上。在非均匀地应力作用下一般形成椭圆形井眼,水泥凝固之前井壁岩石在非均匀地应力和井内液柱压力的作用下已经达到平衡,套管与水泥环组合不需要承担由非均匀地应力所产生的载荷,短期内套管水泥环组合承受均匀的液柱压力;油田长期开发过程中由于地层岩石具有流变性,逐渐将部分甚至全部垂向地应力转嫁到套管水泥环组合体之上,使其承受均匀地应力的作用,从而造成套管被挤扁和缩径。非均匀地应力形成的椭圆形水泥环改变了套管柱周向应力分布,但并不能将非均匀地应力作为套管水泥环应力计算的边界条件。      

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。     

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。     

热采井中偏梯形套管螺纹有限元分析

采用有限元方法分析了热采井中的偏梯形套管螺纹接头在不同载荷工况下的力学特性。结果认为,套管在承受轴向拉伸载荷的工况下,最大等效应力的发生区域集中在套管螺纹和接箍螺纹的两端;在套管温度升至300℃的工况下,螺纹接头已发生塑性屈服,并且塑性区域有从接头两端向接头中部发展的趋势;套管温度降至地层原始温度30℃的工况下,塑性屈服区域减小,仅局限在接头两端。在轴向拉伸载荷的工况下,最大接触压力发生在套管螺纹的第1圈,并且每圈上的接触压力分布并不是均匀的;高温载荷下,螺纹间的接触压力值和接触位置发生了改变;恢复至初始温度时,套管螺纹接触面上的接触压力增大。     

套管在单轴压缩载荷下的失效规律

针对均匀载荷下套管挤毁失效规律的研究颇多,并已形成了API 5C3和ISO标准;然而,非均匀载荷对套管的挤毁强度也具有显著影响,目前对其套管挤毁失效规律的探索与试验则较少。为此,利用YAW电液伺服压力试验机,开展了无水泥环和含水泥环的P110SS套管局部受到单轴压缩载荷的非均匀挤毁试验,得到了P110SS套管在单轴压缩载荷下的位移变化规律,套管在挤压过程中始终没有出现任何裂纹,表明该套管在变形过程中不会爆裂而发生井下事故;基于套管外壁粘贴电阻应变片测量套管在测试过程中应变的方法,得到了无水泥环和含水泥环的套管局部屈服载荷、局部失稳载荷以及其在单轴压缩载荷下的变形规律和失效机理,分析了水泥环对单轴压缩载荷下套管局部屈服载荷和局部失稳载荷的影响。结论认为,加载过程中刚开始发生屈服的套管,并不代表其失去承载能力或其承载能力下降,相反其承载能力有较大的提高。     

非均匀载荷对割缝管抗挤强度的影响

文章在建立非均匀外载模型的基础上，对结构为N80钢级割缝管的抗挤强度进行了研究。采用有限元法建立了三维有限元模型，根据弹塑性力学理论，借助有限元软件，分析计算了非均匀外挤载荷作用下割缝管的抗挤强度。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。研究表明，管体抗非均匀载荷的能力远远低于抗均匀载荷的能力，非均匀载荷作用下不均匀系数是影响强度的关键因素。其结果有利于指导在非均匀载荷作用下割缝的设计，对分析套管变形损坏的机理提供了依据，有利于对套损预防提出有效的建议。     

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。     

表面缺陷深度对套管强度影响规律数值模拟研究

利用有限元软件ANSYS建立深井套管内磨损时的三维有限元模型,模拟计算深井状态下套管受力,分别获得了均匀磨损和非均匀磨损情况下,不同磨损长度和磨损深度时套管在外挤压力作用下的Mises应力值。研究结果表明：当套管磨损深度和外挤压力不变时,套管Mises应力随着磨损长度增加而呈指数关系增加,当磨损长度超过临界值时,套管Mises应力将会保持不变;当磨损长度一定时,均匀磨损时套管最大Mises应力也随着磨损深度增加而呈指数增加;非均匀磨损时套管最大Mises应力与磨损长度呈线性关系增长。并利用数值模拟计算结果回归出Mises破坏失效准则条件下的套管有效应力与磨损长度和磨损深度之间的计算公式,为磨损后套管应力计算提供参考。