磨损套管抗内压强度试验与有限元分析

当套管受到严重偏磨时,套管抗内压和抗外压能力显著下降。鉴于此,从理论和试验2个方面分别研究了磨损套管的抗内压强度,研究结果表明:(1)在内压作用下,磨损套管的周向应变发生局部变化,最大值主要发生在磨损与未磨损的过渡区,最小值集中在磨损最严重的区域,因此套管截面在磨损区域"内凹";(2)在相同内压力作用下,随着磨损量的增大,磨损最严重处先周向变形减小且内收缩,继而周向变形增大,与磨损区相对的另一侧,从向外鼓胀变形转而向内收缩,套管截面出现椭圆变形;(3)在套管内壁的磨损初期相对磨损量对套管的初始抗内压性能影响相对较大。     

固井缺陷对磨损套管抗内压强度的影响

套管磨损和固井缺陷是钻井过程中必然存在的现象。应用相似准则设计出磨损套管的相似模型,对不同固井质量缺陷和不同磨损情况的套管进行组合实验,将实验结果与有限元分析相结合来研究模型套管在不同固井缺陷和不同磨损量下的抗内压强度。将模型套管推广到原型,利用有限元方法分别计算了水泥环—套管—地层系统在不同水泥环缺失范围、不同套管磨损程度下的抗内压性能。研究结果表明:当水泥环有缺损时,不但不能增强套管的抗内压能力,反而降低了套管的抗内压强度。水泥环的缺失范围越小,应力集中现象越严重。     

油管与套管抗内压强度研究

在深井、超深井钻井过程中,由于钻杆与套管长时间的接触会造成上层套管受到不均匀磨损,导致套管抗内压强度降低,给安全钻井带来隐患.文中针对API 5C3模型已不能准确预测套管实际抗内压强度的问题,研究了材料的屈强比对油、套管爆裂强度的影响规律,给出了具有更高精度的油、套管抗内压爆裂计算新模型.结果表明,该模型计算出的油管套...     

含磨损缺陷套管抗内压强度数值计算研究

由弹性力学变分原理引入有限单元法基本方程，进而给出了磨损区域边界上任意点法向量解析解和数值解的方法。假设磨损缺陷模型为圆弧状，并认为是平面问题，采用Serendipity等参单元变结点有限单元格式，分别按照平面应力和平面应变问题进行分析研究，阐明了考虑磨损深度、磨损区域半径和套管壁厚影响时的套管抗内压强度定量变化规律，分析了在不同磨损量及其相应抗内压强度下套管内应力强度分布规律，并依据等效内压设计套管柱的可行性及安全性进行定量分析，编制计算机程序。     

深井内壁磨损套管剩余抗内压强度研究

深井钻井过程中,钻柱对套管内壁造成磨损多为"月牙形"磨损。在弹塑性力学分析的基础上,应用长槽形磨损模型分析磨损套管的抗内压强度变化规律。采用有限元数值模拟计算分析了磨损套管剩余强度的变化规律。根据磨损位置产生的附加弯曲应力,对原有的长槽形磨损模型进行了改进,并与试验结果进行了对比分析。分析结果表明,套管接头直径对套管抗内压强度影响较小。使用目前套管柱强度设计中常用的均匀磨损模型进行套管强度设计,偏于安全。改进后建立的磨损套管抗内压计算模型能更准确地描述磨损套管的剩余强度,与试验值更为接近,可为套管柱强度设计提供更为合理的理论参考。     

非均匀套管磨损对套管强度的影响

在深井、大位移井钻井过程中,由于钻杆与套管长时间的接触会造成上层套管受到不均匀磨损,导致套管抗挤强度和抗内压强度降低,给安全钻井带来隐患。根据ISO 10400推荐的套管抗挤强度和抗内压强度计算模型,考虑磨损后套管壁厚不均度、内壁不圆度的影响,推导出了非均匀磨损套管抗挤强度和抗内压强度的计算模型,分析了套管磨损厚度对套管抗挤强度和抗内压强度的影响。计算结果表明,非均匀磨损套管的抗挤强度和抗内压强度降低百分比随套管磨损厚度的增加而增加;在相同的磨损厚度情况下,磨损后套管的抗挤强度比抗内压强度降低得更快;与磨损后CS 110T套管抗挤强度试验数据相比较,由理论计算出的非均匀套管磨损抗挤强度与实测值的相对误差在5%以内。该计算模型为深井、大位移井钻井过程中非均匀套管磨损提供了新的评价方法。     

套管抗内压强度试验研究

通过进行全尺寸套管水压试验,确定了177.8mm×12．65mmT140S偏梯形螺纹接头套管(BCSG)的抗内压极限值。对套管在内压载荷作用下的失效形式和失效机理进行了分析;揭示了套管的失效过程和原因。认为这种套管接箍与管体外螺纹接头强度不等,其接箍是弱环节。在选用这种套管时应以接箍强度为设计依据。     

套管磨损程度分析与套管剩余强度计算

影响井下套管磨损的主要因素有井身结构、钻具组合、材料性能和钻井参数,由此建立了套管磨损程度的数学模型,并利用开发的应用软件计算出了在给定参数条件下的磨损厚度,给出了磨损后的屈服强度,同时综合分析了腐蚀对套管剩余强度的影响。     

磨损套管螺纹接头密封面力学特性

螺纹接头磨损是影响套管密封完整性的主要原因之一。由于套管螺纹接头结构特征复杂,常规计算模型无法得到解析解,实验研究也较困难,因此针对磨损条件下接头密封面力学特性的研究很少。鉴于此,建立了均匀磨损、偏心筒型磨损和月牙型磨损3种磨损形式的套管螺纹接头三维弹塑性有限元模型,基于ABAQUS软件分析了磨损深度为5 mm时套管螺纹接头在复杂载荷条件下的应力应变特征,研究了上扣扭矩、轴向拉力和弯矩作用下3种磨损形式对套管螺纹接头密封面力学特性的影响。研究结果表明,均匀磨损套管螺纹接头的密封面上存在较大塑性应变,且接触力比其他磨损形式大,密封失效风险较高。偏心筒型和月牙型磨损使得套管螺纹接头密封面接触面积、环形密封带最窄处接触宽度都有所降低,增加了接头局部漏失风险,影响套管螺纹接头的密封可靠性。     

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。     

高压对气井套管接头螺纹接触应力的影响研究

高温高压气井对螺纹密封性的要求要比油井更为严格。对于高压气井中的整个管柱,每一段处于不同的力学环境中,发生泄漏的可能性也不同,因此研究压力对气井套管接头螺纹接触应力的影响,对高压气井套管的合理使用尤为重要。利用弹塑性有限元分析方法,建立了API偏梯型螺纹套管接头的有限元模型,分析了气井压力对套管接头接触应力的影响,提供了研究压力对套管接头螺纹接触应力影响的方法。对于井口压力或井底压力超过34MPa的高压气井,应选用气密性良好的特殊螺纹接头,建议采用金属对金属的螺纹接头套管,以加强螺纹部位的连接强度和密封性能。     

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。     

射孔冲击相变对射孔套管抗挤性能的影响

油气井套管抗挤毁性能与材料屈服强度关系紧密,聚能射流穿孔过程中可能诱发孔眼附近材料相变从而影响射孔套管抗挤强度。首先对射孔后的P110套管取样,通过扫描电镜观察孔眼附近样本组织成分是否发生变化;然后对无孔眼、机加孔眼和射孔孔眼试件进行静力拉伸试验,对比射流冲击影响下试件抗拉性能的变化;最后通过有限元仿真分析了射孔冲击相变区的存在对套管抗挤性能的影响。研究结果表明,聚能射孔会导致材料组织成分变化而影响材料机械性能;当相变对射孔套管抗挤强度起正向增强作用时幅度有限,起负向削弱作时用射孔套管剩余抗挤强度下降显著。     

射孔对套管强度的影响

射孔是造成套管损坏的重要原因之一 ,它的影响特点和程度取决于多种因素。利用有限元ANSYS分析软件 ,对 139 7和 177 8mm套管在压裂、注水和常规开采情况下 ,不同的射孔孔径、射孔密度和射孔相位给套管强度造成的影响作了分析。结果表明 ,射孔后套管内的应力随射孔孔径、射孔密度和射孔相位的增加而增大 ,并使套管的抗拉、抗压强度降低 ;但在一定射孔孔径、射孔密度和射孔相位下 ,射孔产生的最大应力和应变不超过允许的范围。分析研究结果为套管柱的合理设计提供了一定的理论依据     

对应用SY/T5322—2000标准进行套管柱强度设计的几点讨论

通过对套管强度设计最新标准SY／T5322-2000的几个相关问题的分析,着重讨论了标准中三轴抗 拉强度计算公式和套管有效外挤载荷计算方法,改正了标准中的几个计算公式;同时还对新旧标准套管内 压载荷计算方法进行了对比分析。     

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。     

螺旋布孔射孔对套管强度的影响

射孔是造成套管损坏的重要原因之一,建立了射孔套管的有限元力学模型,采用弹塑性有限元法,分别对螺旋布孔射孔套管采用不同的射孔孔径、射孔密度和射孔相位给套管强度造成的影响进行了模拟和分析.分析了不同孔径、孔密及相位角的射孔套管在外挤压力作用下的孔眼应力集中系数的变化规律.结果表明,射孔后套管的极限承载能力均有不同程度的下降,下降幅度与射孔密度有关,射孔后套管内的应力随射孔孔径、射孔密度和射孔相位的增加而增大,并使套管的抗拉、抗压强度降低.因此,在套管柱设计时应该考虑射孔的影响.最后,通过对几种布孔方案进行对比分析,找出了射孔套管的优选布孔方案.为射孔完井优选设计提供了合理的模型,为射孔段套管柱的合理设计提供了承载能力计算的可靠依据.     

套管内壁磨损对其抗挤毁性能影响的有限元分析

运用有限元法,建立起计算模型,对内壁管损套管的抗挤毁强度进行了定量计算,并与 全尺寸实物试验结果进行了对比。指出套管的抗挤毁强度与内壁磨损程度基本成线性关系。同时指出,在计算套管的抗挤毁强度时,用均匀磨损模型代替非均匀磨损模型,计算结果有较大误差。