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。     

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。     

考虑制造质量因素的套管柱抗挤强度设计应用研究

文中针对现有高压高产高含硫复杂深井套管设计中,存在抗挤安全系数严重偏低而无套管可选的问题,基于Tamano和Klever考虑套管制造方法和制造质量因素的研究成果,导出了套管最小抗挤强度计算模型,通过对油田现有套管的制造质量的实测结果,应用该模型计算出的油田实际所用套管的抗挤强度较API抗挤强度高出34.5%~45.2%,通过对油田固井套管柱抗挤安全系数校核说明,套管柱的实际抗挤安全系数大于规范要求,套管柱抗挤是安全的。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

纯外压下套管弹塑性抗挤强度的计算

采用双剪统一强度理论,推导出理想套管的弹性极限外压的计算公式,并考虑到实际制造缺陷进行了修正。将采用不同屈服准则的计算结果与试验值及API公式计算结果做了比较,证明计算新公式更符合Tresca准则,并可准确地预计套管的实际抗挤强度。探讨了材料的SD效应和初始几何缺陷在不同数量级下对套管抗挤强度的影响,为套管的制造提供了重要依据。     

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对于套管挤毁问题较为严重的油气水井，采用非API标准的特厚壁套管来提高其抗挤强度，是今后预防套管挤毁的重要发展方向。目前，特厚壁套管的抗挤强度计算和尺寸系列尚未形成工业标准，文章提出特厚壁套管的抗挤强度计算方法和尺寸系列，供设计者和厂家参考。API/ISO套管挤毁工作组曾对本文公式进行了测评，结果曼示具有较高的计算精度。大量计算表明，特厚壁套管的抗挤强度大大提高，约为加厚前原套管抗挤强度的1．5～4倍，甚至6倍。最后还介绍了特厚壁套管在中原油田的现场应用情况。