应用三角级数计算不均匀壁厚圆管临界外压——兼评“不均匀壁厚圆管的临界外压计算”一文中临界外压计算公式

套管的临界外压是套管抗挤设计的基础。不均匀壁厚是套管最常见的缺陷。长期以来,不均匀壁厚圆管的临界外压计算方法一直有争议。本文应用三角级数作为变形曲线,论证了这一问题在多自由度情况下的解答计算表明,逼近方法可行, 所得近似公式的精确度良好,这进一步证实了《套管强度计算与设计》一书中所给出的公式,以及不均匀壁厚圆管的内外圆偏心增大时,临界外压将增大的结论是正确的文章指出,“不均匀壁厚圆管的临界外压计算“一文只用1个自由度的变形曲线,无论是应用变分原理或以弯矩作为应变能计算依据,所得的精度都较差,因而结论是不可靠的。     

应用三角级数计算不均匀壁厚圆管临界外压——兼评“不均匀壁厚圆管的临界外压计算”一文中临界外压计算公式

套管的临界外压是套管抗挤设计的基础。不均匀壁厚是套管最常见的缺陷。长期以来,不均匀壁厚圆管的临界外压计算方法一直有争议。本文应用三角级数作为变形曲线,论证了这一问题在多自由度情况下的解答计算表明,逼近方法可行,所得近似公式的精确度良好,这进一步证实了《套管强度计算与设计》一书中所给出的公式,以及不均匀壁厚圆管的内外圆偏心增大时,临界外压将增大的结论是正确的文章指出,"不均匀壁厚圆管的临界外压计算"一文只用1个自由度的变形曲线,无论是应用变分原理或以弯矩作为应变能计算依据,所得的精度都较差,因而结论是不可靠的。     

蠕变性地层中套管有效外挤压力的计算方法探讨

在套管柱设计中,套管外挤压力的计算十分重要。在《钻井手册（甲方）》中,蠕变性地层段的套管外挤压力取为上覆岩层压力,而SY/T 5724—2008《套管柱结构与强度设计》中却将蠕变性地层段套管的外挤压力与岩石的泊松比联系起来,二者不相容。结合钻井施工过程的岩石力学理论,对蠕变性地层段的套管有效外挤压力进行分析。结果表明,SY/T 5724—2008《套管柱结构与强度设计》中关于蠕变性地层段的套管有效外挤压力的计算公式是错误的。建议采用《钻井手册（甲方）》中的蠕变性地层段的套管有效外挤压力计算公式进行套管柱结构设计。      

抗挤强度新算法对套管柱设计安全系数的影响

新版的API 5C3—2008标准已经颁布实施,其附录中给出了新的套管挤毁强度计算公式。将其与API 5C3—1994标准中套管挤毁强度计算公式(旧公式)进行了对比分析,并按新公式计算了油田常用套管的抗挤强度值。认为新公式建模更合理,计算结果更精确,且计算结果相对于旧公式的值发生了较大的变化。对于140钢级以下的套管,当套管径厚比大于20时,新公式计算值大于旧公式值;当径厚比小于20时,新公式值小于旧公式值。对140钢级以上的套管,这一变化的径厚比的界限值为22。基于对套管抗挤强度值的新认识,给出了套管柱设计时油田常用套管的合理抗挤安全系数建议值。     

不均匀壁厚圆管的临界外压计算——兼评《套管强度计算与设计》一书中临界外压公式的问题

抗挤能力的计算是套管设计的一项重要内容均匀壁厚的圆管,在弹性范围内的临界外压计算,已有比较成熟的理论但实际上,套管并不是理想的圆柱管壳。它往往存在初始椭圆度和壁厚不均度两种缺陷,这些缺陷对套管的抗外挤能力是有影响的。不同的临界外压计算方法,对这些缺陷的影响处理方法也是不一样的。本文用变分原理求出了变壁厚圆管临界外压的计算公式,并详细分析了《套管强度计算与设计》一书中用能量法推导临界外压公式过程中存在的问题这是由于用近似的屈曲形状函数,又不恰当地用位移的二阶导数来计算应变能造成的,若用位移表达式来计算应变能,就可得到与本文介绍的一样的公式了。     

套管方程(上)——套管可下深度公式及强度校核

本篇主要探讨双轴应力设计套管柱的方法问题,建立求段长公式[ΔH]=(V u-(F(P_2/m)~2-3u~2)~(1/2))/F,确定套管可下深度。本文认为第四强度理论的实质是用能量原理把多元应力一元化。因此物体在复杂应力状态下,其安全系数也应为一元。套管在拉挤二向应力下的安全系数为:m=[A_2 AB B~2)-1/2,由此形成强度条件。以上两式应互相印证。一元论是贯穿本文全篇的基本思想。套管柱设计至今没有一套成熟的公式和方法,许多人在不断地探索,以求得合理的套管设计公式和计算方法,本文主要就套管柱在拉挤状态下的设计公式和方法作一初步探讨。     

不均匀壁厚圆管的临界外压计算——兼评《套管强度计算与设计》一书中临界外压公式的问题

抗挤能力的计算是套管设计的一项重要内容均匀壁厚的圆管,在弹性范围内的临界外压计算,已有比较成熟的理论但实际上,套管并不是理想的圆柱管壳。它往往存在初始椭圆度和壁厚不均度两种缺陷,这些缺陷对套管的抗外挤能力是有影响的。不同的临界外压计算方法,对这些缺陷的影响处理方法也是不一样的。本文用变分原理求出了变壁厚圆管临界外压的计算公式,并详细分析了《套管强度计算与设计》一书中用能量法推导临界外压公式过程中存在的问题这是由于用近似的屈曲形状函数,又不恰当地用位移的二阶导数来计算应变能造成的,若用位移表达式来计算应变能,就可得到与本文介绍的一样的公式了。     

套管三轴挤压应力计算分析

在油井套管设计中广泛采用了三轴应力设计方法，具体设计公式依据Ｌａｍｅ公式推导得出，其理论推导是严格是正确的。但由于理论公式的使用条件及工况等方面的限制，三轴应力公式也有一定的局限性。分析其实际应用情况，并与其它公式计算结果对比，通过本文理论推导和对比分析，使我们对三轴应力公式有较进一步的认识，同时也对套管挤压失稳理论及公式有个对比了解。     

射孔开裂套管的剩余强度研究

经有限元分析提出了射孔开裂套管应力强度因子近似计算公式,采用最新的套管材料断裂韧性实验数据,研究了孔裂套管临界承载能力,阐述了J55、N80孔裂套管剩余强度与裂纹长度的关系,指出在套管设计中应考虑裂纹对套管强度的影响和消除套管射孔开裂的重要性。     

套管抗挤强度设计计算的快速算法

套管柱设计,一般分两步进行,先根据外挤压力大小进行抗挤强度设计,然后自下而上进行抗拉强度校核。目前国内外在套管抗挤强度设计方面,计算繁杂。为解决这一问题,特根据套管双轴应力公式与可下深度表达式,经过数学推导,得到一种快速算法。该法只需作简单运算,通过查表,得出某段套管降低系数Ψ值,以求得套管在有拉伸载荷作用下抗挤强度和抗挤可下深度。这样,可按套管柱设计的一般方法进行设计。     

套管抗挤强度设计计算的快速算法

套管柱设计,一般分两步进行,先根据外挤压力大小进行抗挤强度设计,然后自下而上进行抗拉强度校核。目前国内外在套管抗挤强度设计方面,计算繁杂。为解决这一问题,特根据套管双轴应力公式与可下深度表达式,经过数学推导,得到一种快速算法。该法只需作简单运算,通过查表,得出某段套管降低系数Ψ值,以求得套管在有拉伸载荷作用下抗挤强度和抗挤可下深度。这样,可按套管柱设计的一般方法进行设计。     

考虑气井全生命周期安全的套管柱强度设计方法研究

针对塔里木油田、西南油气田在气井套管强度设计中存在的校核方法笼统,对实际工况考虑不够全 面的问题,通过分析钻完井工艺流程中套管的受力情况,提出了根据单井在钻井、完井、生产等生周期内出现各种极端工况时套管所受载荷来进行套管强度设计的模式。在 ＳＹ／Ｔ５７２４－２００８《套管柱结构与强度设计》的基础上,总结了套管设计中还需要考虑的几种工况以及载荷计算方法。列举套管设计实例,通过分析各种极端工况下管柱的受力情况,设计合理的套管,再进行强度校核,相比传统校核方法考虑的更全面,有利于提高套管的安全性、经济性.     

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API规格偏梯形螺纹接头套管连接强度计算

通过对塔里木油田250.83 mm套管使用情况调研,发现目前使用的250.83 mm套管采用API 244.48 mm偏梯形螺纹接头,其连接强度远低于管体。设计了与250.83 mm套管管体匹配的250.83 mm非API规格偏梯形螺纹套管接头。通过力学计算和有限元分析,证实250.83 mm管体配250.83 mm非API规格偏梯形螺纹接头套管比现有250.83 mm管体配API 244.48 mm标准偏梯形螺纹接头的套管连接强度大幅度提高。通过对API标准套管接头连接强度公式进行分析,得出了既可满足API套管连接强度计算,又可满足非API标准套管接头连接强度计算的公式。     

非均匀载荷下套管强度的计算

将非均匀地应力场中套管载荷和套管内应力分布的理论公式推广到包含内压的情况,并采用Tresca屈服准则和Mises屈服准则,分别推导了在忽略套管轴向载荷和考虑套管轴向载荷两种情况下套管强度破坏时挤毁压力的计算公式。引入等效外挤压力概念,使该公式与标准API公式在形式上完全一致。计算结果表明,在非均匀载荷情况下,套管强度破坏的危险性会增加。     

非均匀载荷下厚壁套管塑性挤毁强度研究

针对理想圆管在非均匀载荷下抗挤强度计算公式计算值偏高的问题，提出实际套管在非均匀载荷下塑性挤毁提前因子的概念，并建立了计算修正公式。这个计算公式考虑了实际套管含残余应力、不圆度、壁厚不均度等制造缺陷的影响，与套管的实际承载特征较为符合。计算结果表明，利用修正公式算法的计算值与实际试验值较接近，能满足工程设计需要，为复杂地层的套管柱设计提供了新的理论依据。     

射孔套管抗挤强度理论分析

为了深入研究射孔对套管抗外挤强度的影响程度 ,将射孔套管三维力学模型简化为平面孔板力学模型 ,在外挤压力作用下 ,根据弹性力学理论 ,推导出射孔套管抗挤强度系数的理论公式 ,其理论计算结果与国外文献的实验结果吻合。利用推导的抗挤强度系数理论公式分析孔径、孔密及相位角的变化对其抗挤强度系数的影响 ,其结果为优化射孔设计提供了简便的方法。     

套管变形对抗挤强度的影响

在实际生产中,套管损坏时的挤毁压力与套管理论抗挤强度相差较大,这表明API规范的套管挤毁压力公式已不能满足实际生产的要求,而考虑套管缺陷的抗挤强度公式,使计算的准确度大幅度提高.目前,对于抗挤强度的研究均以套管呈原始状态、未发生任何变形为前提.但在套管下放后、未固井前,由于套管自由悬持于钻井液中,会受到自身重力、浮力和内外压力的共同作用,因此会发生轴向拉伸和径向压缩.此时套管的抗挤强度较原始状态发生了改变,通过计算可知径厚比较之原始值变大,由此得到考虑套管变形的新抗挤强度公式.新建公式的计算结果与试验结果更为接近,比API公式计算值准确度提高了30％.     

长封固段固井套管热应力分析

对于长封固段固井所用套管,由于井眼温度场的作用,使得固井温度平衡后产生一定的热应力。根据固井过程中及固井结束后井眼温度场变化,利用热弹性力学理论,推导了描述固井前后套管柱热应力的公式,并以此为基础建立了考虑热应力作用的套管柱安全系数计算新方法。研究发现：在热应力作用下套管柱抗拉、抗外挤安全系数有所降低,更易使套管产生破坏;使用常规套管安全系数计算方法设计长封固段套管柱有可能导致套管柱产生强度破坏。 [     

影响套管挤压强度的主要因素

对影响套管极限外压的主要因素径厚比、变壁厚、初始椭圆率和材料机械性质等,进行了分析和计算;说明了套管抗挤设计中的若干基本概念,并从理论上解释了有关公式中的若干系数;对套管抗挤计算提出了一些建议.本文的理论分析和计算可供实际使用.