厚壁套管等效外挤载荷计算

鉴于ISO 10400新标准提出的计算厚壁套管抗挤强度公式是针对均匀外挤载荷的,不适应非均匀外挤载荷下套管抗挤强度计算的状况,根据虚功原理和Mises屈服准则,提出了2种计算等效外挤载荷的方法。将作用在套管上的非均匀载荷转化成与之具有相同破坏能力的均匀载荷。算例分析表明,2种方法计算的等效外挤载荷具有较好的一致性,基于新标准的挤毁理论,套管在非均匀载荷条件下的抗挤强度也有较大的提高。     

磨损套管抗挤强度计算模型

套管磨损后其承载能力降低,因此对磨损套管进行抗挤毁能力预测或评估就显得尤为重要。采用数值模拟和实物试验相结合的方法,系统分析了磨损套管的挤毁失效机理、影响抗挤强度的因素及影响规律。分析得出,月牙形磨损套管的挤毁属"三铰"失稳,严重磨损处首先屈服进入塑性区并产生很大变形,从而导致整体结构发生弹塑性失稳。磨损套管的抗挤强度随剩余套管壁厚、磨损半径和轴向载荷分别呈指数、幂函数和线性函数式变化。以此为基础,从未磨损套管实际抗挤强度计算入手,建立了完整的磨损套管抗挤强度计算模型,并对模型进行了试验验证,试验结果表明,模型计算值与试验实测值的相对误差在5%以内。所建立的磨损套管抗挤强度计算模型可用于磨损套管和未磨损套管抗挤强度的预测和评估。      

水泥环对套管强度影响的理论和试验研究

针对有关水泥封固质量是否对套管柱强度有帮助作用的讨论 ,采用弹性力学分析方法推导了平面应力和平面应变状态下水泥环与套管接触处的接触压力表达式 ,对水泥环分担内、外压的能力进行了计算。采用全尺寸实物试验方法对套管有无水泥环情况下的抗挤毁能力做了对比试验。分析和试验指出 ,水泥环对提高套管柱整体抗挤毁能力较之提高抗破裂能力作用更大一些 ,但封固良好的水泥环对提高套管抗挤毁能力的作用有限。如果水泥封固质量不高 ,高压介质经过短时间渗透直接作用在套管外表面 ,水泥环的卸载作用被短路 ,对提高套管抗挤强度无任何帮助 ,所以在管柱设计时不应考虑水泥环对套管强度的增强作用。     

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。     

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。     

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.     

J55膨胀套管实物试验研究

选取6根Ф139.7 mm(51/2英寸)J55套管,在膨胀锥角5、8和10°及膨胀速度5和10m/min条件下,对其中5根套管内壁做润滑处理后进行实物膨胀试验研究,另外1根套管只做原始抗挤强度试验。结果表明,磷化润滑处理后的套管与心头间的摩擦因数小于牛油石灰润滑处理后套管与心头间的摩擦因数,改善膨胀套管内壁的润滑条件,可以大大减小膨胀液压力;随着摩擦因数的减小,膨胀后套管的轴向缩短率增大,壁厚减薄幅度减小,有利于提高膨胀后套管的抗挤强度;膨胀前套管的抗外挤毁压力为51.3 MPa,膨胀后套管的平均抗外挤毁压力为28.7 MPa,其抗外挤毁压力降低了44.1%。     

爆炸耦合载荷作用的射孔套管强度模拟分析

为了研究爆炸和压力耦合载荷对射孔套管强度的影响,进行套管静水压挤毁理论分析。建立仿真模型,分析准静态载荷作用下非约束套管的力学特性,得到全尺寸套管和射孔套管的固有频率,以及套管的挤毁强度数据,拟合得到套管挤毁强度公式。验证数值仿真结果的可靠性。进一步对完整套管和射孔套管施加约束,进行仿真研究。比较分析结果,施加约束套管的抗挤能力比非约束套管的高; 在约束条件下,射孔套管的强度比完整套管的强度降低约10%; 在射孔布置方面,60°相位优于90°相位。     

非均匀椭圆载荷下套管抗外挤能力仿真分析

大部分油井套管的损坏是由非均匀载荷所造成的,因此分析外挤载荷的非均匀性对套管抗外挤能力的影响很有必要。根据非均匀椭圆载荷作用下套管的受力特点,建立有限元仿真分析模型。利用ANSYS非线性屈曲分析理论得到不同椭圆载荷下、不同受力面的套管抗外挤强度。结果表明:外挤载荷椭圆度比例越大,受力面越大,套管承受外挤载荷能力越差,越容易发生挤毁失效。     

集中载荷作用下的套管抗挤能力分析

根据油田套管损坏情况,建立了集中载荷作用下的套管抗挤能力计算模型,利用能量法和曲杆理论,分析研究了承受180°对称分布集中载荷、90°均匀分布集中载荷和120°均匀分布集中载荷下中厚壁套管抗挤能力,得出了理想圆管抗挤强度和套管屈曲临界挤毁压力的计算公式,通过分析比较理论解与有限元解,其最大相对误差不超过1%,得出了套管抵抗局部载荷的能力低于抵抗均布载荷的结论。     

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。     

套管外表面均匀磨损和偏磨后的挤毁试验研究

在套管钻井中,由于套管外表面被磨损后外径、壁厚和径厚比等都发生了改变,抗挤强度下降,严重影响整口井的安全。为了模拟套管外表面在井下受到的均匀磨损和偏磨情况,选择同一规格的7根套管试样对其外表面进行小磨损量的均匀磨损和偏磨挤毁试验、对比分析和研究。结果表明,径厚比是影响套管磨损后抗挤强度的主要因素;随着磨损量的增加,试验值与API挤毁公式计算值差值增大,表明套管局部长度外表面磨损量较大时API公式不再适用,需要修正。     

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。     

深井套管柱安全可靠性影响因素分析

套管挤毁给油田造成了巨大的经济损失。采用弹性力学解析及有限元方法,给出了考虑磨损时套管剩余抗挤强度、抗内压强度以及非均匀地应力作用下套管外壁等效外挤载荷的计算方法,分析了非均匀地应力作用下不同套管磨损量对套管强度以及不同地层性质对套管地应力外挤力的影响。研究表明,当磨损度为109／6时,套管的剩余抗外挤强度和剩余抗内压强度降低约30％;套管内壁的Mises应力和套管外壁地应力外挤力随地层弹性模量的增大均明显减小,说明地层越硬,套管将偏于安全。     

水泥环对套管射孔后抗挤毁强度的影响

建立了未射孔套管、不带水泥环射孔套管、外裹水泥环套管的有限元分析模型,对这3种情况下套管的抗挤毁强度进行了对比分析。得出如下重要结论(1)射孔使套管抗挤毁强度显著降低,降低幅度为29%;(2)固结良好的水泥环对于加强射孔套管强度有明显作用,使射孔套管的抗挤毁强度提高188%;(3)水泥环不能抵消射孔对套管抗挤毁强度的伤害,外裹固结良好水泥环的套管,射孔后其抗挤毁强度与无孔套管相比下降156%。     

液压加固补贴对破漏套管的仿真研究

针对胜利油田长距离套管损坏井连续破漏及管体刺漏等套管失效工况,以∅139.7 mm×7.72 mm的N80套管为例,借助于ABAQUS有限元软件建立了破漏套管经液压加固补贴后的有限元模型,并对套管组合体模型的承载极限进行了定量分析。研究结果表明:破漏套管表面裂缝的存在对套管组合体承受外挤工况的影响较大,而对组合体承受轴向拉力、轴向压力以及内压等工况的影响甚微;当破漏套管最小裂缝宽度小于2.5 mm时,经液压加固补贴后的组合体在轴向拉力、轴向压力、内压以及外挤等4种载荷工况下的承载极限均高于无损套管的承载极限,满足现场工况要求;而当最小裂缝宽度大于6.5 mm时,补贴后的套管组合体承受的极限外挤载荷小于63.4 MPa,抵抗极限外挤的能力有所降低;通过更改补贴管材质,可明显提高补贴组合体在内压及外挤工况下的极限承载能力。研究结果对现场施工作业具有一定的指导作用。     

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。     

超深高温弯曲井眼套管抗挤强度模型研究及应用

在定向井或水平井开发深层盐下油气资源时,套管柱在盐膏层的造斜段中受非均匀外挤载荷、井眼弯曲载荷及高温综合效应影响下易发生失效,严重影响井筒管柱完整性和生产安全。文章基于非均匀载荷下套管抗挤强度计算模型,引入井眼弯曲载荷和高温效应对套管屈服强度折减影响,建立了超深高温弯曲井眼套管抗挤强度评价模型,用以评价超深井中套管柱在盐膏层造斜段的抗挤强度可靠性。结果表明：井下套管剩余抗挤强度系数随套管外挤力非均匀系数增加呈近似抛物线型降低,随井眼曲率和井筒温度升高呈近似线性降低;套管外径和壁厚越大,井眼曲率和井筒温度对其抗挤强度折减越明显,而非均匀外挤载荷对三种规格套管抗挤强度影响相当。该研究成果在某盐膏层斜井中进行了现场应用,很好指导了该井套管的选型,并为同井型的套管实际抗挤强度评价及套管选型提供了技术支撑。     

内外压对套管接头极限承载能力影响

为研究石油套管接头极限抗内压和抗外压能力,运用弹塑性力学基本知识,采用解析方法将套管和接箍简化为过盈装配的组合厚壁筒,从理论上分析并计算出API偏梯形套管螺纹接头在机紧装配、拉伸、内压、地层外挤压力等载荷工况下的弹塑性极限承载能力及应力状态.分析并总结了内压和地层外挤压力对偏梯形螺纹连接强度的影响.     

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。