套管抗挤强度设计计算的快速算法

套管柱设计,一般分两步进行,先根据外挤压力大小进行抗挤强度设计,然后自下而上进行抗拉强度校核。目前国内外在套管抗挤强度设计方面,计算繁杂。为解决这一问题,特根据套管双轴应力公式与可下深度表达式,经过数学推导,得到一种快速算法。该法只需作简单运算,通过查表,得出某段套管降低系数Ψ值,以求得套管在有拉伸载荷作用下抗挤强度和抗挤可下深度。这样,可按套管柱设计的一般方法进行设计。     

套管抗挤强度设计计算的快速算法

套管柱设计,一般分两步进行,先根据外挤压力大小进行抗挤强度设计,然后自下而上进行抗拉强度校核。目前国内外在套管抗挤强度设计方面,计算繁杂。为解决这一问题,特根据套管双轴应力公式与可下深度表达式,经过数学推导,得到一种快速算法。该法只需作简单运算,通过查表,得出某段套管降低系数Ψ值,以求得套管在有拉伸载荷作用下抗挤强度和抗挤可下深度。这样,可按套管柱设计的一般方法进行设计。     

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。     

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。     

射孔冲击相变对射孔套管抗挤性能的影响

油气井套管抗挤毁性能与材料屈服强度关系紧密,聚能射流穿孔过程中可能诱发孔眼附近材料相变从而影响射孔套管抗挤强度。首先对射孔后的P110套管取样,通过扫描电镜观察孔眼附近样本组织成分是否发生变化;然后对无孔眼、机加孔眼和射孔孔眼试件进行静力拉伸试验,对比射流冲击影响下试件抗拉性能的变化;最后通过有限元仿真分析了射孔冲击相变区的存在对套管抗挤性能的影响。研究结果表明,聚能射孔会导致材料组织成分变化而影响材料机械性能;当相变对射孔套管抗挤强度起正向增强作用时幅度有限,起负向削弱作时用射孔套管剩余抗挤强度下降显著。     

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。     

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。     

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。     

�غ���׹ܿ���ǿ�ȼ��㼰�ֳ�Ӧ��

对于套管挤毁问题较为严重的油气水井，采用非API标准的特厚壁套管来提高其抗挤强度，是今后预防套管挤毁的重要发展方向。目前，特厚壁套管的抗挤强度计算和尺寸系列尚未形成工业标准，文章提出特厚壁套管的抗挤强度计算方法和尺寸系列，供设计者和厂家参考。API/ISO套管挤毁工作组曾对本文公式进行了测评，结果曼示具有较高的计算精度。大量计算表明，特厚壁套管的抗挤强度大大提高，约为加厚前原套管抗挤强度的1．5～4倍，甚至6倍。最后还介绍了特厚壁套管在中原油田的现场应用情况。     

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。     

套管水泥环刚度与强度对抗挤性能影响分析

油气井固井水泥环的作用就是减小和改善套管的受力状况，延长套管的使用寿命。套管水泥环组合体在一定的外挤压力作用下，均有可能进入屈服状态或发生强度破坏，而水泥环弹性模量、泊松比及其几何参数均表现为组合体刚度对抗挤性能的影响，所以在套管抗挤性能分析中，应该同时考虑组合体刚度以及套管、水泥环的强度对组合体抗挤性能的影响。文章根据厚壁筒弹塑性力学理论，建立了组合体刚度以及套管、水泥环强度对抗挤性能影响的控制方程，揭示了套管、水泥环强度及组合体刚度对抗挤性能的影响规律，得到套管水泥环组合体抗挤性能控制图。在均匀外挤压力作用下，套管、水泥环的强度将确定组合体抗挤性能的刚度控制区，在组合体刚度控制区内，水泥环对套管抗挤强度的提高程度取决于组合体刚度控制线斜率，在套管钢级和壁厚一定条件下，提高水泥环材料弹性模量，增大组合体刚度控制线斜率，可以提高套管水泥环组合体的抗挤性能。     

考虑磨损的弯曲套管抗挤强度研究及应用

为避免异常高压造斜井段套管挤毁和变形等复杂情况,针对该井段套管抗挤强度开展了研究,建立了弯曲套管抗挤受力模型及套管磨损量化理论模型,研究了套管抗挤强度随井眼曲率、轴向载荷及磨损深度变化的规律。研究结果表明:套管抗挤强度随井眼曲率、轴向载荷的增加逐渐下降,且服从良好的二次函数关系;综合考虑轴向载荷及弯曲作用下,套管抗挤强与磨损深度服从良好的线性下降关系。针对目标井所用的244. 5 mm技术套管,在设计的每100 m井段10°造斜率下校核了不同磅级与不同钢级下的套管抗挤强度,推荐了满足强度要求的套管规格。综合考虑轴向载荷及磨损,在设计的10°造斜率下,计算得到剩余套管抗挤强度最低为54. 106 MPa,较套管API名义抗挤强度降低约7. 194 MPa,降幅11. 74%,剩余抗挤安全系数为1. 312(1. 125),满足标准设计要求,同时计算了推荐套管所能承受的最大曲率范围。指出弯曲载荷下的套管抗挤强度受弯曲率及磨损深度影响较大。研究结果对于造斜井段的套管抗挤强度设计具有一定的借鉴意义。     

均匀载荷下高密射孔参数对套管抗挤强度的影响

套管射孔后破坏了管体的一致性，其抗挤强度有一定的降低。射孔对套管抗挤强度的影响程度取决于多种因素。对N80铜级的高密射孔套管进行了研究，采用有限单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，对高密射孔套管的抗挤强度进行了有限元分析，研究了不同孔密、孔径及相位对其抗挤强度的影响程度。结果表明：射孔套管的抗挤强度在相位一定时随孔径、孔密的增加而降低；在孔密、孔径一定的条件下，相位对其影响较大且不是单调函数。该结果为优化射孔设计提供了经济有效的方法。     

弯曲井眼中套管抗挤强度计算

目前弯曲井眼中套管抗挤强度计算时没有考虑井眼弯曲的影响,无法确保固完井作业及生产过程中套管的安全。为此,根据弹性力学理论建立了井眼曲率和不均匀外挤力综合影响下的套管抗外挤强度公式。直接建立三维的套管模型,模型长度取10倍的套管外径,在套管的一端施加约束,另一端加弯矩来模拟井眼的弯曲。计算结果表明,在井眼曲率较大时,弯曲井眼中大尺寸厚壁套管抗外挤强度下降较为明显;理论计算的抗外挤强度通常小于模拟值,按照理论设计的套管是偏安全的,但不均匀度较大时需考虑模型计算的误差是否满足要求。     

弯曲段套管的扁化变形及其对抗挤强度的影响

受井眼构型影响,弯曲段套管会发生塑性弯曲变形,进而其抗外挤强度降低。鉴于此,基于套管变形方程、胡克定律、Lame理论及强度理论,推导出考虑扁化变形后套管抗挤强度。以油气田生产常用的4种规格套管为例,定量考察了井眼曲率对扁化率和套管抗挤强度的影响。研究结果表明:随井眼曲率的增加,4种规格套管的扁化率均非线性增加,开始增长速率快,之后缓慢趋近于1;薄壁套管更易发生扁化变形;随井眼曲率的增加,扁化套管的抗挤强度非线性减小;当井眼曲率由每30 m井段2°增加到每30 m井段4°时,?139. 7 mm×12. 7 mm P110套管的抗挤强度降低14. 68 MPa;当井眼曲率由每30 m井段8°增加到每30 m井段10°时,套管抗挤强度降低7. 30 MPa;扁化套管抗挤强度降低率随井眼曲率非线性增长,初始增速快,之后减慢;相同外径套管,壁厚越大抗挤强度降低率越大。由于考虑了井眼构型约束下套管的塑性扁化变形,与常规方法相比较,研究的套管抗挤强度计算方法更精确。     

温度作用影响套管抗挤强度的定量评价方法——以页岩气水平井大型压裂施工为例

目前通常采用大规模水力压裂的方法对页岩气储层进行改造,由于施工排量大、施工时间长,造成井筒温度下降速度快且幅度大,由温度作用而产生的拉应力会降低套管抗挤强度,不利于安全生产。针对页岩气水平井压裂施工工艺及工况条件,建立了水力压裂时的热传导控制方程,并利用有限差分法对其进行求解,分别探讨了不同井口温度下常规水力压裂和大规模水力压裂时井底温度的变化情况;然后再根据API套管挤毁压力计算公式求得了不同钢级套管在不同温度变化时套管抗挤强度的变化值。结果表明:①较之于常规水力压裂,大型水力压裂时,井底温度变化对套管抗挤强度影响较大且对不同钢级的套管抗挤强度的影响程度也有所不同,其中高钢级套管的抗挤强度受影响较小,而低钢级套管抗挤强度受影响则较大;②当在冬季进行施工及水平井垂深更深时,这种由于温度作用造成套管抗挤强度的降低更为明显。结论认为,在对页岩气水平井大规模水力压裂时,必须考虑因为井底温度变化所造成的套管强度降低的问题,并进行合理的套管设计。     

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。     

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。      

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。