腐蚀套管剩余强度数值模拟分析

套管腐蚀损坏是油气田开发过程中的重要问题之一.国内外研究主要集中在套管腐蚀速率预测及防护技术方面,对于腐蚀套管剩余强度的分析研究较少.采用数值模拟的方法对圆弧形和半月形这两种套管腐蚀后的主要形态进行分析.结果表明：套管剩余抗拉强度随圆弧形腐蚀缺陷长度的增加而增加,剩余抗挤、抗内压强度随圆弧形腐蚀缺陷长度的增加而减小;套管剩余抗拉强度随半月形腐蚀缺陷长度增加而增加,剩余抗挤强度随缺陷长度增加而减小,套管剩余抗内压、抗拉强度随缺半月形腐蚀陷深度的增加而线性减小,套管剩余抗拉、抗挤和抗内压强度都随套管壁厚的增加而增加,与圆弧形腐蚀缺陷规律相同.     

深井、超深井套管磨损后剩余强度分析

建立了磨损套管的三维有限元模型,结合N80套管实际尺寸和材料参数,模拟计算了不同磨损形态、磨损长度及深度对磨损后套管剩余强度的影响。计算结果表明,套管磨损深度和壁厚不变时,磨损套管的剩余抗拉强度与磨损长度成指数反比例关系,剩余抗挤强度与磨损长度成指数正比例关系;当磨损长度一定时,套管剩余抗拉强度和抗挤强度随磨损深度的增加而线性降低。根据数值模拟计算结果得到了磨损套管剩余强度与磨损长度、磨损深度之间关系的计算公式,为校核、计算套管磨损后剩余强度提供了参考。     

套管钻井中套管柱疲劳可靠性及相关力学特性研究

利用CAE仿真技术和可靠性疲劳实验方法,研究了套管钻井中的有关力学问题.分析了不同径厚比套管的受力状态、磨损套管剩余强度、套管柱的振动模态和疲劳可靠度.研究结果表明,径厚比越大,套管管体Mises应力越大,套管发生失稳的临界荷载越小.对于均匀磨损,随着磨损长度的增大,套管的剩余抗拉和抗扭强度逐渐变大,并达到一个极限值;对于非均匀磨损,其剩余抗拉强度与磨损长度之间的关系均近似服从指数分布.两种磨损状态下,套管柱剩余抗拉和抗扭强度都随磨损量的增加而降低;套管柱外径对套管横向振动固有频率的影响大于径厚比对其的影响,纵向固有频率主要取决于管柱长度.运用可靠性方法,基于概率分析设计了单轴和双轴疲劳可靠性试验,得到了套管柱的单轴和双轴概率疲劳特性,推导出套管钻井的P-S-N曲线方程.     

延缓大庆油田标准层套损的套管优选

大庆油田部分区域集中出现标准层套管剪切损坏,虽已采用标准层不固井工艺延缓套管损坏,但除此之外,套管壁厚、钢级等参数对标准层套管剪切损坏的临界条件也有影响。为此,考虑套管和地层弹塑性力学特征,针对标准层不固井的工程条件,应用考虑大变形后应力平衡状态的拉格朗日格式有限元方程,提出了地层整体移动剪切套管过程的三维有限元计算方法。考虑套管变形和套管断裂的2种失效条件,计算并对比不同壁厚和钢级套管失效的临界值。结果表明:考虑套管断裂的地层剪切套管临界滑移量明显小于考虑套管变形的临界滑移量;同规格、同钢级套管损坏的临界滑移量随套管壁厚增大呈线性减小,随其延伸率增大近似呈线性增大。因此,在满足强度校核的前提下,大庆油田标准层宜采用低钢级小壁厚套管以延缓套管损坏。      

套管钻井用套管外表面磨损后剩余强度分析

在分析讨论套管钻井管柱磨损形态的基础上,结合API5C5实物试验尺寸要求,通过有限元计算分析方法,对钻井套管完钻后含有外表面磨损缺陷的套管柱的极限剩余抗挤强度和极限剩余抗拉强度进行了研究,分别获得了均匀磨损和偏磨条件下,套管钻井套管柱外表面磨损缺陷的临界长度尺寸数值,以及不同破坏失效准则条件下的剩余抗挤强度和剩余抗拉强度的计算方程,为套管钻井中套管柱的设计、计算奠定了理论基础。     

弯曲套管抗挤强度有限元ANSYS分析方法

针对我国各油田套变井数量上升，工程参数计算复杂的情况，通过建立ANSYS有限元模型，研究了4种常用套管尺寸的抗挤强度与套管弯曲率的关系，提出了使用有限元编程方法，快捷、高效计算在不同套管弯曲率条件下，套管抗挤强度、最大应力的方法，对指导套变井防砂、套管修复及常规油井酸化、压裂等工程作业具有重要的指导意义。弯曲套管最大应力随井眼曲率的增大而增大，最大应力点在弯曲的外侧。同一井眼曲率下，外径越大的套管相应点应力值越大。套管弯曲率增加，抗挤强度下降。弯曲率超过40°·hm^-1以后，抗挤强度下降变缓。     

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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。     

外表面体积型缺陷对高压管件剩余强度的影响

应用ANSYS软件研究了高压管件在105 MPa内压作用下外表面体积型缺陷的类型、缺陷深度、轴向长度和缺陷宽度等形状参数对高压管件Mises应力的影响规律。研究结果表明,对于矩形缺陷,轴向长度对管件强度的影响较大,轴向长度与最大应力呈二次函数关系;Mises应力随着缺陷宽度的增加逐渐减小,当宽度达到一定值后应力趋于一稳定值,在缺陷深度小于2 mm时,缺陷宽度对缺陷处应力的影响很小,深度大于2 mm时,缺陷宽度对缺陷处应力的影响逐渐增大。缺陷深度是影响管件剩余强度的最重要因素,随着深度的增加,缺陷处Mises应力均明显增加;孔径对缺陷处最大应力的影响规律与孔的深度有关。通过计算给出了缺陷尺寸参数的临界值,为高压管件安全评价提供了参考依据。     

含体积型缺陷管道的剩余强度分析

随着油气管道输送技术的进一步发展,对管道的剩余强度分析愈发重要。为研究缺陷参数对管道剩余强度的影响规律,将ABAQUS有限元分析方法与响应曲面法相结合,根据剩余强度有限元分析结果回归出一个精度较高的二次模型,建立了剩余强度与各缺陷参数的关系方程。得出结论:长轴夹角、缺陷深度、缺陷长度三个因素影响效果明显,而缺陷宽度的影响效果较为细微;同时,缺陷长度和缺陷深度、缺陷长度和长轴夹角之间的交互作用影响效果较为显著。     

含双腐蚀缺陷高钢级油气管道剩余强度研究

为了加强含双腐蚀缺陷高钢级管道的安全评价,基于塑性失效准则,利用Workbench有限元分析软件对缺陷处的等效应力和剩余强度进行了模拟,考察了缺陷长度、缺陷深度和缺陷间距等参数对剩余强度的影响,利用99%相互作用准则确定极限作用距离,形成双腐蚀缺陷剩余强度评价方法,并进行数据验证。结果表明,随着内压的增加,管道先后经历弹性阶段、屈服阶段和强化阶段;在缺陷深度较深时,轴向间距对缺陷轴向分布时的最大等效应力影响较大,不同环向间距下的最大等效应力几乎不发生变化。当相邻腐蚀轴向间距系数n小于2.5、相邻腐蚀环向间距系数c小于1.26时,需考虑缺陷间的相互作用和影响;修正后公式可用于计算含双点腐蚀缺陷的高等级钢剩余强度,结果较DNV-RP-F101规范更接近有限元分析结果,最大相对误差不超过1.74%。研究结果可为提高管道完整性管理水平提供理论依据和实际参考。     

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。     

偏磨套管破裂强度三维弹塑性有限元分析

为了更真实地模拟套管在内压下的破裂过程及影响因素,基于弹塑性大变形理论,建立套管三维有限元模型,对偏磨套管的破裂问题进行了研究。结合实验数据,提出了新的判断套管破裂的强度准则,给出了“月牙形”模型中偏磨率和“偏心筒”模型中偏心率的关系,并讨论了偏磨半径和偏磨率对偏磨套管破裂强度的影响。结果显示,套管内壁应力达到极限强度作为套管破裂的强度准则较为准确;偏磨半径对套管破裂强度影响较小;破裂压力随偏磨率的增加近似呈线性下降。研究结果可为套管柱设计提供理论支持。     

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。     

井下套管磨损深度及剩余强度分析

为了了解井下套管磨损深度及剩余强度,为后续钻进及试采作业提供依据,文中从方便、实用的角度出发,根据国内油田钻井井史所能提供的数据,用磨损效率模型分析了套管月牙形磨损的磨损深度;给出了井下套管磨损深度的计算方法和计算公式。用弹性力学中的双极坐标法将偏心磨损套管强度计算这一具有2个非同心圆边界的问题转变为轴对称同心圆问题,从而便于解析分析;经过推导,得到在内外压作用下磨损套管内的环向应力表达式,以磨损套管最薄处内壁环向应力达到管材屈服极限为判断条件,得到磨损套管剩余抗挤强度和剩余抗内压强度。上述磨损深度、剩余强度计算方法在羊塔8井、牧7井等深度在5000 m以上的重点探井中得到了实际应用,为安全试油提供了依据。     

测井仪外壳体强度蒙特卡罗模拟分析

随着钻井井眼直径不断减小和测井深度的不断增加,测井仪器承受的外部压强不断增大,对测井仪外壳体强度要求越来越高。以四探头高精度自然伽马测井仪外壳体设计为例,首先对外壳体初步设计,然后将设计参数诸如结构几何尺寸(长度、内径、外径)、设计压力、屈服强度、应力和外壳体材料的弹性模量、泊松比等作为输入参数,采用蒙特卡罗方法,对外壳体强度进行模拟分析,在置信度为95%时,外壳体的可靠度为100%,则外壳体的初步设计参数满足设计要求。为测井仪外壳体强度的设计提供了新的思路,具有一定的工程应用价值。     

非线性有限元法用于腐蚀管道失效压力预测

采用非线性有限元法建立了含缺陷管道爆破失效的数值模型,以此预测腐蚀缺陷管道的失效压力。分析了模型中的单元划分、材料模式、非线性求解方法、失效判据等技术要点,对不同管材、规格以及缺陷尺寸的全尺寸管道爆破试验结果进行了分析和计算,验证了所建模型的准确性。基于有限元计算结果,同时考虑缺陷长度、深度、宽度等因素的影响,拟合出含缺陷管道的失效压力预测公式,与其他方法以及试验结果相比,该公式计算误差较小。     

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用弹塑性有限元方法 ,建立了套管的有限元力学模型。给出了磨损量、抗内压强度系数的确切定义。对套管内壁不同磨损量的抗内压强度系数进行了分析计算 ,得出了套管的抗内压强度与内壁磨损量成抛物线关系。并分析了不同磨损量时 ,在内压作用下 ,套管管体达到屈服时 ,磨损量与抗内压系数、套管内VonMises应力以及套管内的位移变化关系。并得出了P110× 2 4 4 .4 8mm× 11.99mm套管结构尺寸下 ,磨损套管抗内压系数与其磨损量的经验公式 ,为磨损套管柱设计提供理论数据。