射孔对生产套管强度的影响规律研究

为了深入了解射孔对生产套管强度的影响,采用弹塑性有限元分析方法,分别对未射孔套管和不同射孔密度套管的极限承载力进行了分析.计算和试验结果都表明,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.因此,在套管柱设计时应该考虑射孔的影响.     

水力射孔对套管强度的影响研究

水力射孔技术是一种新型的完井方式，深穿透水力射孔技术辅助定向水力压裂可以实现油气层改造和油气井增产。但是，水力射孔套管会在孔眼处造成应力集中，使得局部应力过大而削弱了套管和水泥环的强度，可能会影响套管的使用寿命。因此，文章利用有限元软件建立了射孔套管的三维有限元模型，分析了水力射孔后套管管体的应力分布，重点研究了水力射孔参数-孔密、孔径、孔深、射孔方位角等对套管强度的影响规律。分析结果表明，沿着最大水平地应力方向深穿透水力射孔，选择合适的孔密、孔径可将射孔对套管的损害降至最小。研究结果为提高水力射孔完井设计水平提供了一定的参数依据。     

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。     

磨损套管爆破强度应力应变分布规律研究

套管磨损后,其壁厚大大减薄,抗内压爆破能力大大下降,从而会造成大量的钻井事故或油气井早期报废。利用有限元分析软件,研究了有水泥环和无水泥环磨损套管模型爆破压力下的应力应变分布规律。研究结果表明,在逐渐加载至爆破压力的过程中,应变与加载内压的关系会由线性变为非线性;爆破压力下,磨损套管内外壁面的应力分布曲线在周向20°位置存在一个明显的转折点;套管外表面周向20～140°段径向位移会随着磨损量的增大而减小。     

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。     

两种套管剩余强度计算方法的对比与应用

在深井、超深井的钻探过程中,套管磨损问题越来越突出,严重影响了钻井施工和后续的开发生产。以X井为对象,在分析套管磨损量的基础上,分别运用最小壁厚法和弹塑性有限元分析法对磨损套管的剩余强度进行了计算。计算分析表明,弹塑性有限元分析法计算的剩余抗内压和抗外挤强度比最小壁厚法的结果均稍大,且更贴近实际,该方法的计算结果对现场选择套管及采取防磨措施具有重要的指导意义。     

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。     

射孔对套管强度的影响研究

针对油田射孔段套管损坏严重的问题，采用有限元分析软件，按照平面问题，以实体建模的形式，研究了射孔对套管强度的影响。明确了射孔直径、密度及相位等与套管强度的关系。指出射孔段应采用加厚套管，提高屈服强度30％左右，才能满足生产的需要。     

套管缺陷及高抗挤套管抗挤强度研究

套管在生产过程中，由于本身制造的缺陷，降低了套管的抗外挤强度。为了更好地描述套管在非均匀栽荷情况下套管强度计算模式，文章建立了套管在非均匀栽荷作用下力学模型。根据弹性力学理论推导出理想圆形套管抗挤强度模式，综合考虑了套管缺陷对套管抗挤强度的影响，结合算例得出若干结论，为研究高抗挤套管在非均匀载荷作用下的抗挤强度提供初步的理论依据。     

局部内缺陷套管剩余抗扭强度分析

关于含缺陷套管抗扭强度的研究较少,基于弹性失效准则分析缺陷套管强度又较为保守。为此,基于材料塑性破坏准则,运用非线性有限元方法并结合正交试验设计,对局部内缺陷套管剩余抗扭强度进行分析,探究了缺陷长度、宽度、深度、套管外径和径厚比等参数对套管剩余抗扭强度的影响规律。研究结果表明:随缺陷深度增加,抗扭强度呈线性大幅度降低;当缺陷长度小于临界长度时,抗扭强度随长度增加而增大,超过临界长度后,抗扭强度随长度增加而降低;当缺陷宽度小于临界宽度时,抗扭强度随宽度增加而增大,超过临界宽度后,抗扭强度随宽度增加而降低;随套管径厚比增加,无因次抗扭强度近似呈线性减小。缺陷深度是影响抗扭强度最重要的因素,缺陷宽度次之,缺陷长度和套管径厚比有一定的影响,而套管外径的影响可以忽略。在此基础上,拟合了抗扭强度计算公式,公式预测值与有限元分析结果误差较小,可为工程上局部内缺陷套管强度评价提供参考。     

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。     

非均匀载荷对TP130TT套管抗挤强度的影响

认识影响新型套管(TP130TT×152.4mm×16.90mm)的抗挤强度的诸种因素,对正确选用这种套管具有重要的指导意义。采用有限元法,计算和分析了套管缺陷(壁厚不均度、椭圆度)及非均匀载荷等因素对套管抗挤强度的影响规律。计算结果表明,在非均匀外挤载荷作用下,这种套管仍具有较高的抗挤能力;在静水压力的作用下,套管抗挤强度随着其壁厚不均度和椭圆度的增加而降低。     

水泥环性质对套管抗挤强度影响的有限元分析

套管常在油层和泥岩部位严重损坏，分析认为这是生产过程中地应力发生了变化，导致油层孔隙压力或泥岩力学性质改变，造成地应力重新分布的结果。因此，水泥环的质量对套管的影响较大。建立了二维平面轴对称和平面应变有限元模型，利用Ansys有限元软件分析了套管在水泥环影响下的变形特征。分析表明，最大应力在套管内壁产生，均匀我荷下套管抗挤强度是非均匀载荷的5～7倍，而且栽荷椭圆度越大，套管内壁应力越大。增大水泥环弹性模量可以有效减小套管最大应力，因此，均匀我荷下应适当提高水泥环弹性模量，以达到提高套管抗挤强度的目的。     

非均匀载荷对割缝管抗挤强度的影响

文章在建立非均匀外载模型的基础上，对结构为N80钢级割缝管的抗挤强度进行了研究。采用有限元法建立了三维有限元模型，根据弹塑性力学理论，借助有限元软件，分析计算了非均匀外挤载荷作用下割缝管的抗挤强度。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。研究表明，管体抗非均匀载荷的能力远远低于抗均匀载荷的能力，非均匀载荷作用下不均匀系数是影响强度的关键因素。其结果有利于指导在非均匀载荷作用下割缝的设计，对分析套管变形损坏的机理提供了依据，有利于对套损预防提出有效的建议。     

非均匀载荷下双层套管的传递系数

传递系数是衡量双层组合套管效果的主要指标。由于应力应变关系的复杂性,用理论方法求解非均匀载荷作用下该种套管的传递系数十分困难。文中用有限元方法计算了不同类型非均匀载荷作用下的传递系数,对其变化规律进行了分析。在大量计算结果的基础上,进行了传递系数计算公式的回归分析,给出了椭圆分布载荷作用下传递系数的拟合曲线及回归公式。这些结果弥补了理论分析的不足,为双层组合套管的设计提供了有效的计算依据。计算过程还证实了双层组合套管的一些试验结果,对该种套管的特点有了进一步的认识。在计算均匀载荷作用下传递系数时,文中方法与理论方法的相对误差小于0.6%;在进行曲线拟合时,最大相对误差小于2%。     

射孔参数对套管强度影响有限元分析

在不同的孔密、孔径和相位角情况下,应用板壳弹性体线性理论模型,对射孔套管进行了有限元分析,并对射孔套管强度的影响程度进行了计算。结果表明:孔密小于32孔/米时,套管强度的影响程度不大;孔径小于16mm时,套管强度的影响程度可以忽略;90°相位角套管强度影响程度最低。     

基于ISO 13679热循环试验要求的 套管特殊螺纹强度分析

依照ISO 13679《套管和油管接头试验程序推荐作法》CAL Ⅲ C系热循环试验程序,采用Abaqus有限元分析软件,对JIP ø177.8 mm×10.36 mm规格P110钢级新型套管特殊螺纹的强度进行分析评价。考虑接触问题计算的非线性,建立了套管特殊螺纹热力耦合有限元模型,对接头的C系加载路径进行了简化,计算了接头在10个阶段的应力场与温度场耦合作用下的热应力。结果显示:随着温度由低温到高温的变化,特殊螺纹部分螺牙、接箍中面等塑性变形加大; 而局部由于高、低温反复作用可能会产生组织的变化,使先前本应屈服的区域强度反而提高,但特殊螺纹整体上在C系加载完成后仍能保持结构完整; 高温状态,材料的屈服强度降低,其变形更多的处于弹性变形阶段,室温状态时特殊螺纹的关键部位发生屈服的可能性更大。通过计算机仿真评价方法,按照ISO 13679的试验内容和程序对特殊螺纹进行评价,可以大幅节约时间与经济成本,可在一定程度上代替接头的实物评价。     

注蒸汽井套管热应力分析及管柱强度设计

介绍了适合注蒸汽井温度场、套管三维热应力分析的有限元计算理论和方法。经过大量的计算，得出了注汽井四种工况下的温度场、套管三维热应力分布规律。考虑套管的受热、受力特点，研制出了相应的套管柱设计软件。现场实践证明，该理论和方法符合注汽井实际。结论认为，隔热管要居中且接箍处要隔热；水泥需近到井口；Ｎ８０套管需提拉预应力；油层部位套管应采取高钢级耐热套管。