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。     

油井管强度计算方法新ISO标准讨论

对ISO/TR 10400 :2007 和API Bul 5C3 :1994 标准的油井管强度计算方法进行了对比分析,认为ISO/TR 10400 : 2007 对油井管的强度计算方法的分类更符合油井管受力和强度性能的实际情况。新方法将可靠性工程方法引入了油井管的 强度性能计算,在方法上有大的进步,且新公式将管子的制造公差、管子矫直方式、热处理方式、探伤门槛值等因素考虑在内,建 模更加合理,计算结果更加精确。新方法分别给出了油井管的极限挤毁强度公式和设计挤毁强度公式,能满足不同情况下的使 用需要。对比分析结果表明,新方法油井管内压韧性破裂强度公式比旧标准计算值大,对径厚比小于20 的套管,新挤毁强度公 式计算结果比旧标准值小,对径厚比大于20 的套管,新挤毁强度公式计算结果比旧标准值大。ISO/TR 10400 :2007 对油井强度认识的变化必然会影响现有的管柱强度设计方法。     

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。     

抗挤强度新算法对套管柱设计安全系数的影响

新版的API 5C3—2008标准已经颁布实施,其附录中给出了新的套管挤毁强度计算公式。将其与API 5C3—1994标准中套管挤毁强度计算公式(旧公式)进行了对比分析,并按新公式计算了油田常用套管的抗挤强度值。认为新公式建模更合理,计算结果更精确,且计算结果相对于旧公式的值发生了较大的变化。对于140钢级以下的套管,当套管径厚比大于20时,新公式计算值大于旧公式值;当径厚比小于20时,新公式值小于旧公式值。对140钢级以上的套管,这一变化的径厚比的界限值为22。基于对套管抗挤强度值的新认识,给出了套管柱设计时油田常用套管的合理抗挤安全系数建议值。     

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。     

侧钻井弯曲段套管抗挤强度研究及应用

为了确保侧钻井造斜段套管抗挤强度能够满足钻井作业过程中的安全要求,建立了套管在受到弯曲载荷状态下的力学模型,对其进行理论分析,并利用ANSYS有限元软件模拟验证,研究套管抗挤强度与弯曲曲率、径厚比及轴向载荷之间的关系。研究结果表明:套管的抗挤强度随套管弯曲率的增加而降低,且管壁越薄下降速度越快,当套管弯曲率到达套管极限时,套管抗挤强度几乎相等;在一定的曲率条件下,套管抗挤强度随着径厚比的增加而降低;同一套管规格和尺寸条件下,外径小的抗挤强度随径厚比下降速度趋势远大于外径较大的套管;随着曲率的增加,径厚比与套管抗挤强度关系变的越来越平缓,因此,径厚比对抗挤强度的影响不是固定的。在弯曲条件下,同时考虑弯曲载荷和综合轴向载荷时,随着套管弯曲率的增加,轴向载荷对套管抗挤强度的影响在逐渐减少。研究成果可以为侧钻井造斜段套管的抗挤强度的设计提供参考。     

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。     

石油套管抗挤性能研究

以 139.7 mm×7.72 mm/9.17 mm SEW N80和P110套管为例建立几何模型,利用套管抗挤强度计算公式、有限元分析及套管挤毁试验研究了套管抗挤毁性能的影响因素。结果表明,径厚比、屈服强度是造成套管挤毁失效的主要影响因素;外径不圆度、残余应力的影响次之;壁厚不均度影响最小。另外,外径不圆度、壁厚不均度及残余应力的综合作用对套管的抗挤毁性能也有一定的影响。     

P110钢级Ф139.7mm×10.54mm高抗挤套管抗挤毁性能分析及挤毁强度预测

为了研究P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管挤毁位置几何参数对挤毁强度的影响,对套管抗挤毁强度进行准确预测,抽取不同批次试样9根,分别进行拉伸试验、残余应力检测和几何参数测量,并结合套管全尺寸挤毁试验结果,分析了影响该规格套管抗外压挤毁性能的主要因素及套管挤毁失效位置与几何缺陷的关系。此外,还对挤毁压力的理论/实际偏差与管体壁厚、壁厚不均度、管径、椭圆度及残余应力的关系进行了分析,拟合得出P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管挤毁强度更精准的预测公式。结果表明,在屈服强度相近、壁厚不均度在1.35%~9.21%、椭圆度小于0.56%的前提下,P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm套管的壁厚对抗挤毁强度的影响程度远远大于管体外径、壁厚不均度和椭圆度的影响。     

影响套管挤压强度的主要因素

对影响套管极限外压的主要因素径厚比、变壁厚、初始椭圆率和材料机械性质等,进行了分析和计算;说明了套管抗挤设计中的若干基本概念,并从理论上解释了有关公式中的若干系数;对套管抗挤计算提出了一些建议.本文的理论分析和计算可供实际使用.     

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。     

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。      

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。     

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%。      

石油套管几何缺陷对抗挤强度的影响

在考虑几何缺陷等因素的条件下,建立了计算套管挤毁的有限元模型,并根据试验结果对模型进行了验证。该模型具有较高的计算精度,可用于石油套管挤毁计算的有限元模拟。将不圆度和壁厚不均度分开考虑,分别计算出其中一种缺陷因素影响下套管的抗挤强度。结果表明,理想圆管的承载能力高于存在几何缺陷的套管;不圆度对抗挤强度的影响较大;壁厚不均度的影响相对较小。     

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％.     

不均匀磨损深度对套管应力的影响研究

为研究套管内壁不均匀磨损深度对套管抗挤强度和套管应力的影响,建立了磨损套管-水泥环-围岩组合体力学模型,应用有限元分析软件和ISO 10400推荐的套管抗挤强度计算模型对不同磨损深度下的套管应力和抗挤强度进行计算。计算结果表明:套管最大外挤力和套管抗挤强度与不均匀磨损深度之间均呈线性关系,随着不均匀磨损深度的增加,套管最大外挤力缓慢增大,而套管抗挤强度显著降低;随着不均匀磨损深度的增加,最大磨损深度处套管内壁应力显著增加,而未磨损处套管内壁应力几乎不受影响;随着不均匀磨损深度的增加,最大磨损深度处套管外挤力逐渐减小,而磨损边缘处套管外挤力显著增大;当套管内壁不均匀磨损深度达2.4 mm时,套管抗挤强度降幅达26%,此时套管存在挤毁风险。研究结果可为页岩气藏开发中磨损套管应力分析提供参考。     

套管抗挤毁强度主要影响因素试验研究

对17根Ф177.80mm套管进行几何尺寸测量、材料性能及外压挤毁试验,研究了几何尺寸、屈服强度及残余应力对套管抗挤毁强度的影响。结果表明:各因素综合影响套管的抗挤毁强度;椭圆度变化>0.5%、壁厚不均匀度>10%或其不同截面间变化>5%均将明显降低套管的抗挤毁强度;椭圆度及其不同截面间变化<0.2%,将明显提高套管的抗挤毁强度。在屈服强度达到钢级要求的同时,控制好套管的几何尺寸精度并降低残余应力,可以生产出具有较高抗挤毁强度的套管。     

中短半径水平井弯曲段套管剩余抗挤强度分析

为得到套管柱剩余抗挤强度与水平井弯曲段造斜率间的定量关系,采用理论推导和三维有限元模拟的方法,分析了3种不同外径尺寸的套管在弯曲荷载和外挤压力作用下的剩余抗挤强度。计算结果表明,弯曲作用产生的套管截面不圆度对套管剩余抗挤强度影响不大;套管柱剩余抗挤强度与水平井弯曲段造斜率问较好地符合二次反比例关系;在造井眼斜率相同时,套管柱剩余抗挤强度与套管柱的径厚比服从指数反比例分布关系。研究结果为中短半径水平井弯曲井段套管柱抗挤强度的设计提供参考依据。     

内壁磨损套管抗挤毁强度计算

套管磨损后壁厚变薄，抗挤毁能力随之降低，若对此估计不足，有可能因此而导致钻井事故或油气井的早期报废。以最小壁厚分别为4．2mm和5．2mm的N-80φ139．7mm×7．7mm套管为例，得出了磨损套管抗挤毁强度计算公式，对一些磨损套管的剩余抗挤毁强度做了理论计算，并对计算结果和试验值进行了比较。结果表明，该公式的计算误差小于109／5，符合工程设计的需要。