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.     

有限元计算套管挤毁强度几何建模参数讨论

为了探讨有限元分析计算套管挤毁强度时合理的几何建模参数取值方法,分析了API规范中套管挤毁强度值的来源及尺寸精度对高抗挤套管挤毁强度值的影响,选用油田常用的5种不同规格和钢级的套管,分别按照API规范中的外径最大偏差、壁厚最大偏差以及同时按照外径和壁厚最大偏差建模,进行了套管挤毁强度的有限元分析计算。结果发现,同时按照外径和壁厚最大偏差建模的计算结果与API规范给出的套管挤毁强度最接近。认为在有限元分析中应按照实际情况,考虑套管尺寸偏差进行几何建模,这样所得到的套管挤毁强度分析结果才具有工程参考意义。     

残余应力对套管抗挤强度影响的有限元分析

在套管的生产过程中会产生残余应力,这种残余应力将大大降低套管的拉伸屈服极限及压缩屈服极限,进而降低套管的抗挤强度。长期以来,这个问题一直没有引起人们的充分重视而加以克服。根据弹性力学理论,建立了套管的力学模型,通过有限元分析和计算,得到了存在残余应力情况下套管的抗挤强度。研究表明,残余应力在很大程度上影响着套管的抗挤强度,因此,为了提高套管的抗挤强度,应尽量降低管体的残余应力。     

套管挤毁问题研究现状及发展趋势

在查阅了大量文献基础上,从套管挤毁影响因素、新型抗挤套管的研制与开发及套管挤毁研究采用的方法等方面,综述了套管挤毁研究的国内外动态,指出了套管抗挤毁问题研究的发展趋势。     

套管磨损后剩余抗挤强度的数值分析

假设套管内壁的磨损缺陷为圆弧,并视为平面问题,采用平面8结点等参元,分别按平面应力和平面应变问题,分析其抗挤强度。按平面应力分析时,得到的抗挤强度数值结果比根据最小壁厚从API标准(API Bul 5C2)中查得的数据还要小。在这两种情况下,抗挤强度都随磨损缺陷深度的增加和半径的减小而降低,而平面应变分析得到的抗挤强度数值结果比平面应力分析得到的结果要高。为了评价平面分析的精度,又假设套管的磨损缺陷为圆柱面加两个球面或椭球面,采用空间20结点等参元进行分析,结果表明:当套管无缺陷部分的长度保持不变时,其抗挤强度随缺陷长度的增加而降低并趋向一个下限值;当套管含缺陷部分的长度保持不变时,其抗挤强度随套管长度的增加而增加并趋向一个上限值;当缺陷较长时,空间数值分析结果与平面数值分析结果相近;当无缺陷部分的长度较长时,若其它条件不变,则缺陷端部为球面所得的结果与缺陷端部为椭球面所得的结果几乎没有差别;端部在轴向施加固定约束所得的抗挤强度比端部自由时要大。     

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。      

套管钻井扭转残余应力对套管抗挤强度的影响

套管钻井中套管管柱的旋转动力来自井口所施加的扭矩。讨论了在套管钻井中不同扭矩下扭转状态的确定方法，对应不同的扭矩，套管具有弹性、弹塑性和塑性三种不同的扭转状态；讨论了不同扭转状态下残余应力的分布情况，计算了在弹塑性扭转和塑性扭转情况下的平均残余应力，推导了考虑残余应力影响下的套管抗挤强度修正公式。算例分析结果显示，在发生弹塑性扭转的情况下残余应力使套管抗挤强度下降了0．033％，在保证管体不发生几何形状改变的条件下，可忽略残余应力对套管抗挤强度的影响。     

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。     

内壁磨损套管抗挤毁强度计算

套管磨损后壁厚变薄，抗挤毁能力随之降低，若对此估计不足，有可能因此而导致钻井事故或油气井的早期报废。以最小壁厚分别为4．2mm和5．2mm的N-80φ139．7mm×7．7mm套管为例，得出了磨损套管抗挤毁强度计算公式，对一些磨损套管的剩余抗挤毁强度做了理论计算，并对计算结果和试验值进行了比较。结果表明，该公式的计算误差小于109／5，符合工程设计的需要。     

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。     

非均匀载荷下厚壁套管抗挤强度分析

非均匀地应力下套管柱强度设计须考虑非均匀载荷对其强度的影响，对此国内外众多学者进行了大量研究，并取得许多有益成果。但这些研究主要以径向的非均匀外载为边界载荷，没有考虑套管外壁受非均匀剪切力的作用；其次，对非均匀载荷下套管磨损、残余应力、不圆度和壁厚不均度等缺陷的影响未作考虑。为此，建立了厚壁套管受径向非均匀挤压和周向受非均匀剪切的力学模型，应用弹性力学逆解法进行了求解，分析了非均匀载荷下厚壁套管的应力分布规律。研究表明，非均匀载荷作用下沿最小水平地应力方向、套管的内壁是承载危险区。由此提出了非均匀载荷等效为均匀外挤载荷的方法，给出了含缺陷套管在非均匀载荷下抗挤强度的分析方法。     

复合磨损对弯曲套管抗挤强度的影响

在大位移井、水平井和三维定向井的弯曲造斜段,由于井眼轨迹复杂,造成套管弯曲变形、扁化、严重磨损或磨穿,井下摩阻扭矩过高导致卡钻和断钻具等井下事故频发,出现了许多新的套管损坏问题。鉴于此,建立了弯曲套管力学模型,发现随着套管弯曲曲率增加,截面扁化程度加剧,套管抗挤强度降低。同时分析了复合磨损对套管抗挤强度的影响;在单尺寸月牙磨损理论假设的基础上,根据参与磨损的钻杆接头尺寸不同,建立了复合锐进型月牙磨损和复合钝进型月牙磨损两种几何模型;采用解析法计算了复合磨损情况下套管的抗挤强度;通过有限元模拟验证,发现在相同磨损深度下,复合月牙磨损与最小磨损半径单月牙磨损的套管抗挤强度十分接近,最大误差控制在5%以内,且误差随磨损深度的增加而减小。研究结果可为复杂井井眼轨迹设计提供参考。     

非均布载荷下石油套管抗挤强度问题研究

对石油套管承受非均匀挤压应力作用时的抗挤强度问题进行了理论分析和有限元数值模拟,理论解与有限元结果一致,弥补了目前工程中仅能依靠有限元方法进行仿真和API标准只能给出均布载荷下套管强度的不足,为实际工程提供理论指导。     

高抗挤套管开发现状分析

介绍了高抗挤套管的定义及国内外开发现状,分析了管材屈服强度、管体几何尺寸、管体残余应力及非均匀载荷等因素对套管抗挤性能的影响。指出了目前国内高抗挤套管开发及套管抗挤性能研究中存在的基础研究薄弱以及产品单一等问题。最后对高抗挤套管的开发提出了建议:应结合实际工况要求,从材料成分设计、组织及织构控制、设备能力及加工工艺、成本因素入手,针对性地开发高抗挤套管产品;加大焊接高抗挤套管的开发;除采用钢铁材料,还应考虑其他材料(比如镍基合金)高抗挤套管的开发。     

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。