套管挤毁试验研究与有限元分析

预测套管的挤毁失效压力一直是管柱力学研究的热点,针对这一问题,利用在套管外壁粘贴应变片的方法,研究了套管挤毁失效过程中的应变情况.同时,在考虑套管残余应力、几何缺陷等因素的条件下,建立了预测套管挤毁失效压力的有限元模型,并根据试验结果对模型进行了修正.利用该修正的有限元模型,计算了套管的挤毁压力.试验结果和有限元分析结果表明,该模型具有较高的计算精度,可以用来计算套管的挤毁失效压力.     

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.     

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。     

深水套管环空圈闭压力计算及控制技术分析

针对深水井测试及生产过程中套管环空圈闭压力增加导致套管挤毁和破坏的问题,建立了环空圈闭压力计算模型,利用平面应变问题的基本方程和拉梅方程对环空圈闭段套管应力、应变和位移进行了求解,分析了油藏与海底温度、流体性质与生产流速、井身结构与套管材质以及固井水泥返高等因素对环空圈闭压力的影响。在此基础上,对目前国际上采取的环空圈闭压力控制技术进行了分析,认为安装破裂盘和使用可压缩泡沫材料这2种技术方案可有效控制深水套管环空圈闭压力,确保深水油气开发井筒完整性和作业安全性。     

套管在单轴压缩载荷下的失效规律

针对均匀载荷下套管挤毁失效规律的研究颇多,并已形成了API 5C3和ISO标准;然而,非均匀载荷对套管的挤毁强度也具有显著影响,目前对其套管挤毁失效规律的探索与试验则较少。为此,利用YAW电液伺服压力试验机,开展了无水泥环和含水泥环的P110SS套管局部受到单轴压缩载荷的非均匀挤毁试验,得到了P110SS套管在单轴压缩载荷下的位移变化规律,套管在挤压过程中始终没有出现任何裂纹,表明该套管在变形过程中不会爆裂而发生井下事故;基于套管外壁粘贴电阻应变片测量套管在测试过程中应变的方法,得到了无水泥环和含水泥环的套管局部屈服载荷、局部失稳载荷以及其在单轴压缩载荷下的变形规律和失效机理,分析了水泥环对单轴压缩载荷下套管局部屈服载荷和局部失稳载荷的影响。结论认为,加载过程中刚开始发生屈服的套管,并不代表其失去承载能力或其承载能力下降,相反其承载能力有较大的提高。     

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。     

地应力方向对椭圆套管强度的影响规律分析

在考虑套管初始椭圆度和非均匀水平地应力作用位置的基础上,通过建立套管-水泥环-地层受力模型,采用弹塑性有限元方法对具有初始椭圆度套管的抗挤毁强度与非均匀水平地应力作用位置的关系进行分析,并与绝对圆形套管数值分析结果进行对比。研究结果表明,套管抗挤毁强度与非均匀地应力的作用方向有关。当最大水平地应力作用方向与套管长轴方向平行时,初始椭圆度将增大套管的抗挤毁强度;当最大水平地应力作用方向与套管长轴方向垂直时,初始椭圆度将降低套管的抗挤毁强度。可以通过合理正确地利用地应力的作用位置来提高套管的抗挤毁强度,进而延长套管的使用寿命。     

套管挤毁机理的研究

根据API BUL 5C3关于套管受外压大部分属于塑性挤毁的理论,采用高压水下应奕测量技术,对直径177．8mm*10.36mm110钢级套管在不同外压力下的环向应变进行了测量,并对套管挤毁过程中的应变分布和变化规律做了分析,研究分析表明,套管的不圆度和壁厚不均度等缺陷对套管抗挤毁性能有较大影响,其中壁厚不均度的影响比不圆度的影响更大,套管受外压挤毁的机理是首先在几何缺陷较大的某些局部区域出现塑性屈曲形成塑性铰,随后套管出现结构失稳被挤毁。     

基于特征值和弧长法计算套管抗挤强度

文章基于ABAQUS软件特征值和弧长法研究套管可承受的外挤临界值。ABAQUS特征值用于确定套管弹性挤毁的外挤临界值;而弧长法克服了Newton-Raphson方法极值点发散、无法跟踪极值点以后的位移—载荷路径的缺点,全程跟踪后屈曲载荷位移路径,并给出准确的外挤临界解值。通过弧长法分析还发现弯曲度对套管抗挤毁能力产生的影响较为显著,随着弯曲度增大,套管抗挤毁能力逐渐降低;随着缺欠模态的增加套管的抗挤毁性能也逐渐降低。文章以TP140V钢级不同规格的套管做模型,在单轴载荷条件下得到套管极限挤毁值,结果表明：有限元计算套管挤毁值与实物试验检测值基本一致,误差在3%左右,且模拟的挤毁形貌与实物挤毁形貌相同。随着国内非标管材用量不断增加,对于受压溃设备能力限制而无法获得极限挤毁值的套管,该方法具有借鉴和参考意义,并且相较于API5C3算法,弧长法具有计算准确及适用产品范围广特点。     

外压作用下套管抗挤强度研究

为提高套管挤毁压力的计算精度,应用统计方法对213根套管全尺寸挤毁试验数据进行了方差分析。结果表明,径厚比、屈服强度是套管抗挤强度的主要影响因素,不圆度、壁厚不均度、残余应力等因素对套管抗挤强度的影响呈随机性分布。利用有限元方法对外径不圆度、壁厚不均度和残余应力的不同组合进行模拟分析得出,数值相同的外径不圆度、壁厚不均度及平均残余应力组合不同时,套管的挤毁压力相差很大。提出了新的套管挤毁压力计算公式,计算表明精度可满足工程要求。     

基于KT模型的椭圆度对套管抗挤强度的影响

椭圆度会降低套管的抗挤强度,但对其影响程度及规律并未得到统一认识。文中以考虑因素较为全面的KT抗挤强度计算模型为基础,建立了椭圆度与套管抗挤强度关系模型。研究结果认为:套管的抗挤强度随椭圆度的增大而降低,但降低趋势逐渐变缓;套管的抗挤强度降低值随径厚比(D/t)的增大呈先增大后减小的趋势,存在一个临界D/t值,可使椭圆形套管的抗挤强度降低值最大;钢级越高,椭圆形套管的抗挤强度降低值最大的临界D/t值越小。文中较为全面地揭示了椭圆度对套管抗挤强度的影响程度及规律,进一步深化了椭圆度对套管抗挤强度影响的认识。     

非均匀载荷下预制孔参数对抗挤强度的影响

在建立泥岩蠕变非均匀外载模型的基础上，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，计算了受非均匀外挤载荷作用下N80、P110钢级的预制孔管体的抗挤强度，分析了在非均匀我荷作用下不同孔密、孔径、相位、壁厚及钢级对其抗挤强度的影响程度，为预制孔参数的优化设计提供了依据。     

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。     

深井岩盐层套管外载的三维有限元分析

深埋于地下的岩盐在一定地应力和温度作用下发生蠕变,对井中的套管产生随时间而变化的外载,致使套管变形甚至挤毁,为此,针对塔里木油田羊塔地区岩盐层的温度、应力状态及其蠕变特性,建立了岩盐层、水泥环和套管耦合的三维有限元力学模型,研究了地应力状态及其大小、井内液体支撑压力对岩盐层套管受力的影响规律。研究表明,非均匀地应力作用下,盐岩蠕变产生的套管外载是非均匀的,在最小地应力方向的套管外载最大,此时若按上覆地层压力计算套管外挤载荷局限性较大。应用新模型对深井、超深井封固岩盐层的?250.83 mm套管、?177.8 mm套管和?206.38 mm 3种技术套管的强度进行了分析,计算结果与该油田技术套管挤毁的情况吻合,可见新建模型是合理的,可为深井岩盐层套管强度设计提供理论依据。     

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。     

射孔套管抗挤强度综合因素有限元分析

射孔完井是国内外使用最广泛的完井方法,但是大量的现场实践表明,射孔对套管强度有较严重的影响,所以确定套管射孔后的抗挤强度的变化趋势是合理选择套管的重要依据。利用非线性弹塑性有限元法建立了螺旋布孔的射孔套管强度分析的空间有限元力学模型,该模型可以通过任意改变射孔孔径、孔密、相位角、壁厚、套管尺寸以及不同钢级套管的材料力学特性参数等,对射孔套管抗挤强度进行各种综合因素的有限元力学分析。经分析认为:高钢级或高强度套管能有效提高射孔套管抗挤强度;随着孔径、孔密的增加,套管的抗挤强度降低;相位角在180°时,套管的抗挤强度最低。研究结果为合理地选择套管、延长其使用寿命提供了一定的理论依据。     

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。     

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。     

水泥环弹性模量和泊松比与地层性质匹配关系研究

针对现有文献在固井水泥环对套管载荷影响的研究中存在片面性的现状,以套管和水泥环受力优化为目标,采用有限元方法系统分析了水泥环弹性模量和泊松比与井场周围不同地层的匹配关系。通过实例分析与讨论,分别研究了均匀地应力和非均匀地应力条件下水泥环性质对套管强度的影响规律,提出了改善套管受力状况不应以牺牲水泥环为代价的原则。通过数据和实例分析表明:如果能根据井场周围不同性质的地层优选水泥环弹性模量和泊松比则可大大改善套管受力状况;而且,不论地层参数如何,理想固井水泥环应该是高强度、低刚度、小泊松比。