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%。      

套管塑性抗挤强度有限元仿真分析

在石油钻采过程中,套管用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑,以保证钻井过程的安全进行和完井后油井的正常运行,具有好的抗挤毁能力十分重要。文章提出了采用ANSYS非线性屈曲分析仿真计算套管抗挤强度的方法,分别计算了API标准塑性挤毁套管和非API标准高抗挤套管的抗挤强度。将仿真结果与API标准值和高抗挤套管的试验值对比,发现相对误差很小,验证了该方法的可行性和正确性,可采用ANSYS非线性屈曲仿真计算为高抗挤套管的研制提供参考。     

套管尺寸偏差与挤毁强度关系的新认识

为了探讨API 5CT规范规定的套管尺寸公差对套管挤毁强度的影响,选取了J55钢级Ф139.7 mm×7.72 mm、L80钢级Ф177.8 mm×10.36 mm和P110钢级Ф244.5 mm×13.84 mm 3种有代表性的油田常用套管,采用有限元法对其在不同外径和壁厚偏差影响下的套管挤毁强度进行了非线性分析、计算,得到了单独考虑外径、壁厚及同时考虑外径和壁厚尺寸偏差下的套管挤毁强度及其变化规律。计算可知,在API 5CT规范规定的尺寸公差范围内,即使套管外径和壁厚的最不利偏差同时出现在同一横截面上,套管的挤毁强度仍然会在API额定值之上,椭圆度对套管挤毁强度的影响大于壁厚不均度的影响,套管圆周上壁厚最薄点决定着套管挤毁强度,壁厚不均度对套管挤毁强度的影响非常小,API给出的大外径套管额定挤毁强度偏保守。对于尺寸公差符合API 5CT规范的套管,其挤毁强度一般会高于API额定值一定幅度。      

考虑制造缺陷的套管抗挤强度计算新模型

API 5C3未考虑套管的制造工艺及缺陷对套管抗挤强度的影响,已不能准确地预测套管实际抗挤强度。API/ISO工作组针对API 5C3存在的不足,修订了现行API 5C3标准,给出了含制造缺陷的抗挤新模型,大大提高了套管强度计算的科学性。研究中发现,ISO抗挤新模型并不适合所有壁厚段套管强度的计算,为此,在研究和评价ISO新抗挤模型的基础上,提出了考虑制造缺陷的抗挤强度计算新模型。通过与ISO/TG提供的上百个实物挤毁数据对比验证,本文所给出计算式的计算精确度明显好于API 5C3挤毁公式及ISO新模型,为套管强度的设计提供了新的参考依据。     

钛合金油套管抗挤毁性能计算与实验

钛合金材料由于具有高的比强度，低弹性模量，优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性，已经成为严酷工况环境下油井管和海洋油气开发工具的热门候选材料，但采用API、ISO的标准体系中的油套管挤毁计算方法得出的钛合金油套管抗挤毁强度缺乏验证。为此，在考虑制造缺陷的条件下，通过比较ISO/TR 10400标准中计算方法、外压强度挤毁准则计算方法、有限元模拟等3种不同方法计算出的钛合金油套管的抗挤毁强度，并与同等条件下钢制油套管的抗挤毁强度进行对比，得出了钛合金油套管的抗挤毁强度变化规律，最后选取了4种规格的钛合金油套管进行了实物外挤毁试验验证。研究结果表明：①钛合金油套管抗挤毁强度均随着径厚比的升高而下降，在径厚比值较低时，钛合金油套管和钢制油套管的抗挤毁强度相差不大，而当径厚比值较高时，钛合金油套管抗挤毁强度则显著低于钢制油套管；②强度挤毁准则方法计算出来的钛合金油井管抗挤毁强度和实际试验值较为接近，同时在径厚比大于15时，计算结果乘以0.9的系数，具有较好的安全性。结论认为，该项研究成果可以为钛合金油套管的设计、使用和管理提供参考。     

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。     

Ф177．8mm×9．19mmP110高抗挤套管试验研究

对Ф177．8mm×9．19mmP110高抗挤套管建立了力学模型和有限元计算模型，同时对其实物挤毁试验数据乖有限元计算结果进行了综合分析。分析结果表明，高抗挤套管抗挤强度大于API标准挤毁压力，但实际套管并非理想圆管，其本身存在残余应力、圆度和壁厚偏差大等制造缺陷，致使其实际抗挤强度远小于理想状态的有限元计算值。     

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.     

φ177.8mm×9.19mmP110高抗挤套管试验研究

对φ177.8mm×9.19mm P110高抗挤套管建立了力学模型和有限元计算模型,同时对其实物挤毁试验数据和有限元计算结果进行了综合分析.分析结果表明,高抗挤套管抗挤强度大于API标准挤毁压力,但实际套管并非理想圆管,其本身存在残余应力、圆度和壁厚偏差大等制造缺陷,致使其实际抗挤强度远小于理想状态的有限元计算值.     

钛合金油套管抗挤毁性能计算与实验

钛合金材料由于具有高的比强度,低弹性模量,优异的韧性、疲劳性能和耐蚀性,已经成为严酷工况环境下油井管和海洋油气开发工具的热门候选材料,但采用API、ISO的标准体系中的油套管挤毁计算方法得出的钛合金油套管抗挤毁强度缺乏验证。为此,在考虑制造缺陷的条件下,通过比较ISO/TR 10400标准中计算方法、外压强度挤毁准则计算方法、有限元模拟等3种不同方法计算出的钛合金油套管的抗挤毁强度,并与同等条件下钢制油套管的抗挤毁强度进行对比,得出了钛合金油套管的抗挤毁强度变化规律,最后选取了4种规格的钛合金油套管进行了实物外挤毁试验验证。研究结果表明:①钛合金油套管抗挤毁强度均随着径厚比的升高而下降,在径厚比值较低时,钛合金油套管和钢制油套管的抗挤毁强度相差不大,而当径厚比值较高时,钛合金油套管抗挤毁强度则显著低于钢制油套管;②强度挤毁准则方法计算出来的钛合金油井管抗挤毁强度和实际试验值较为接近,同时在径厚比大于15时,计算结果乘以0.9的系数,具有较好的安全性。结论认为,该项研究成果可以为钛合金油套管的设计、使用和管理提供参考。     

非均匀载荷作用下套管抗挤强度初探

API套管规范确定了套管在均匀流体静压载荷作用下的抗挤强度计算方法,非非均匀载荷对套管抗挤强度的影响几乎没有进行研究或作出规定,实际上,大多数油井套管的损坏是由非均匀载荷引起的。根据弹性力学理论,建立了套管在非均匀载荷作用下的力学模型,并应用逆解法对该力学模型进行求解,得到了在非均匀载荷作用下套管的抗挤强度计算式,研究表明,套管抗非均匀载荷的强度远远低于抗均匀载荷的强度,增强壁厚比提高钢级更为有效,该模型在理论研究上和现场应用中都有十分重要 的意义。     

严重出砂井中采油套管损坏的力学分析

对于出砂严重的疏松砂岩油藏,非均匀载荷也是引起套管损坏的一个重要因素。针对此类油藏中非均匀载荷的形式特点,根据弹性力学理论,建立了3种适用于严重出砂井的套管承受非均匀外载的力学模型,包括套管承受椭圆形外载力学模型、对径集中载荷力学模型以及正交对径集中载荷的力学模型,并采用逆解法进行了求解,得到了此3种非均匀载荷下套管的抗挤强度计算公式,为研究严重出砂地层中非均匀载荷作用下的套管挤毁问题提供了初步的理论依据。研究表明,套管承受3种非均匀形式载荷的能力远远低于API抗挤强度,约为均载情况下的3%~25%,其中套管在对径集中载荷作用下最易发生破坏;另外,随着套管承受椭圆形外载的非均匀程度逐渐降低,其抗挤强度逐渐升高。     

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。     

筛管压溃强度计算公式及适用性

针对筛管受地层中围压作用压溃失效缺乏通用计算分析模型的问题,利用ABAQUS软件建立了考虑初始椭圆度影响的平行布孔筛管有限元模型,研究外压作用下筛管的压溃行为。通过与文献中的实验结果对比表明,该有限元模型可准确地预测筛管的压溃强度。基于不同几何特征、材料特性以及布孔参数等筛管压溃强度数值模拟结果,建立了筛管压溃强度的简化计算公式。利用该计算公式,计算不同几何尺寸和材料属性的筛管压溃强度,与实验结果相比平均误差为7.0%。为了便于工程应用,分析了利用DNV,API等标准规范确定该公式中筛管对应的布孔前套管的静水压溃强度的可行性。结果表明,所建立的防砂筛管压溃强度计算公式可为实际工程中防砂筛管的强度预测与参数优化提供理论支持。     

射孔对水泥环与套管性能影响的分析计算

在建立水泥环-套管射孔数学模型和有限元分析模型后,计算分析了射孔对水泥环-套管性能的影响,得出如下结论:(1)射孔是造成套管损坏的主要原因,无水泥环固结,完好套管产生的应力是射孔套管的13;(2)射孔套管壁厚和水泥环固结状态对射孔套管性能影响较大,壁厚12.395mm射孔套管是壁厚7.720mm射孔套管抗挤强度的1.5倍以上,水泥环与套管固结良好且上下固定,可以提高套管抗挤强度;(3)生产中保持内压和外载相近,可以明显减小射孔套管应力;(4)增大水泥环弹性模量,保持水泥环弹性模量在30~35GPa之间,可以提高射孔水泥环-套管抗挤强度。     

基于统一强度理论的石油套管柱抗挤强度

为了研究石油套管柱的力学性能,采用统一强度理论,合理考虑中间主应力效应和材料拉压比的影响,推导了石油套管柱的单轴抗挤强度、双轴抗挤强度和三轴抗挤强度计算公式,建立了石油套管柱双轴抗挤强度和三轴抗挤强度与单轴抗挤强度的关系,并分析了材料的拉压比、中间主应力效应、径厚比、压缩屈服强度、荷载大小和荷载工况等因素对不同类型抗挤强度的影响特性。研究结果表明:材料的拉压强度不等特性(SD效应)对石油套管柱的单轴抗挤强度、双轴抗挤强度和三轴抗挤强度均有显著影响,材料拉压比越大,套管柱的单轴抗挤强度越小,双轴抗挤强度越大,而三轴抗挤强度与双轴抗挤强度的差值和材料拉压比的关系与外荷载有关;中间主应力效应对石油套管柱的单轴抗挤强度、双轴抗挤强度和三轴抗挤强度也有显著影响,随统一强度理论参数b值的增加,套管柱的单轴抗挤强度和双轴抗挤强度不断增大,考虑中间主应力效应可以充分发挥材料的自承载能力和强度潜能,具有可观的经济效益;径厚比、压缩屈服强度、荷载大小和荷载工况对套管柱的单轴抗挤强度、双轴抗挤强度和三轴抗挤强度也具有一定影响。该结果适用于具有SD效应和中间主应力效应的材料,并将多种屈服准则下石油套管柱的单轴抗挤强度、双轴抗挤强度和三轴抗挤强度表达式分别统一起来,具有广泛的适用性,可为石油套管柱的抗挤强度设计提供借鉴。     

盐膏层TP140特厚壁套管抗挤特性研究

针对塔里木地区深层的盐膏层塑性流动性强，一般API套管难以满足要求的难题，以塔里木地区应用的TP140V特厚壁盐膏层套管为分析对象，建立了套管、水泥环、地层力学模型，运用有限元方法分析了特厚壁套管在非均匀载荷作用下的抗挤特性。研究表明，在相同非均匀载荷作用下，Φ273.1 mmTP140特厚壁套管较普通套管最大应力降低了36%，特厚壁套管具有更强的抵抗非均匀载荷的能力。但是随着载荷的非均匀程度升高，仍然可能导致套管损坏。因此，应该在有盐膏层的区域准确预测两向水平载荷的大小，为正确选用厚壁套管提供依据；水泥环厚度对套管抗挤性能的影响不大，故盐膏层井段的环空间隙大小均能满足固井质量要求即可。     

深井超深井套管选择中的若干问题

提出了选择深井、超深井套管应注意的若干问题.根据套管的受力、使用环境等条件合理的选用非API套管;避免使用高强度套管;APIBTC螺纹厚壁套管接箍的强度低于管体的强度,使用厚壁套管解决抗挤强度时,必须考虑接箍的强度;腐蚀环境下套管的选择;根据不同井况选择不同螺纹形式,特殊螺纹与API螺纹不能互换使用;非API的新型套管下井前,可通过全尺寸模拟试验对其结构和密封完整性进行评价.     

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％.