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。      

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。     

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。     

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。     

J55膨胀套管抗挤毁强度的计算与模拟

研究了J55膨胀管的壁厚误差、椭圆度、残余应力对其抗挤强度的影响。并利用ANSYS有限元对J55膨胀管实际抗挤毁过程进行了仿真模拟,结果表明:壁厚的减小降低抗挤强度,壁厚的增加提高抗挤强度。随着椭圆度的增加,套管抗挤强度不断地减小。轴向残余拉应力使套管的抗挤强度明显降低,径向残余应力对套管抗挤强度的影响基本上呈线性规律。通过理论计算结果和模拟结果的比较,验证了模拟的合理性。     

几何尺寸影响下的高钢级套管挤毁变形探讨

针对V140套管内封隔器不坐封且井下工具下入遇阻等问题,在某油田随机抽取6根139.7mm×12.09mmV140套管进行全面尺寸测量,确定椭圆度和壁厚不均度,然后选2根椭圆度变化较大的试样进行挤毁试验,模拟测试实际工况下套管变形情况。结果表明,椭圆度和壁厚不均度跳跃变化越大,套管越易变形,即套管抗挤强度越小;内壁椭圆度越大越易降低套管抗挤强度。因此,在套管生产过程中,不仅要使其椭圆度和壁厚不均度符合规定要求,还应使其变化跳跃性不要太大;不能忽略套管内壁椭圆度的变化,建议制订必要的套管内壁椭圆度控制规范。     

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.     

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。     

考虑弯矩和剪切影响的造斜段套管抗挤强度分析

水平井造斜段套管受弯曲、剪切和挤压等载荷共同作用,受力条件复杂多变,常发生错断或挤毁等安全事故。为此,根据水平井造斜段套管井眼轨迹的几何特性,考虑弯曲、剪切和挤压联合作用,建立造斜段套管力学模型,应用拉梅厚壁筒理论和第四强度理论,导出水平井造斜段套管抗挤强度公式。应用公式计算了不同井眼曲率、不同壁厚2种套管的抗挤强度,并进行了ANSYS有限元验证。分析结果表明:每25 m井眼曲率由3.75°增加到15.00°,P110套管的抗挤强度下降约53%,TP140套管的抗挤强度下降约28%;每25 m井眼曲率为3.75°时,φ139.7mm×12.7 mm P110套管的抗挤强度为89.8 MPa,比φ139.7 mm×10.54 mm P110套管大27%。随着井眼曲率的增加,弯曲套管的抗挤强度降低明显。研究结果可为提高水平井造斜段套管的安全性提供参考。     

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。     

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。     

BSG-80TT高抗挤套管的研制

研究开发了"HFW+热张力减径+全管热处理+高温矫直"高抗挤套管生产技术。在制管过程中,通过对套管几何尺寸精度、力学性能、残余应力等技术指标进行控制,成功开发出准Φ139.7 mm×9.17 mm BSG-80TT高抗挤套管。试验结果表明,该BSG-80TT高抗挤套管具有较高屈服强度的同时,还具有良好的冲击韧性和抗外压挤毁性能,抗挤强度超出API TR 5C3规定值50%以上。     

BSG-P110TT石油套管的研制

为提高石油套管的抗挤毁性能,以TG26T钢为材料,设计了P110钢级石油套管钢种的化学成分,通过对TG26T钢的相变点温度、淬透性、回火温度及时间的研究,制定了P110钢级Φ139.7 mm×10.54 mm高抗挤石油套管的热处理工艺,并进行了现场应用。试验结果表明,在淬火温度为900℃、保温40 min,回火温度600℃、保温60 min,空冷的条件下,开发的P110钢级BSG-P110TT石油套管各项力学性能、抗外压挤毁性能均满足API SPEC 5CT标准的要求,通过油田现场应用,符合施工及作业要求。     

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.     

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。     

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随着不圆度和壁厚不均度的增加，套管的临界挤毁压力逐渐减少，并且不圆度对套管抗挤强度影响较大。一般情况下，石油套管同时存在着不圆度和壁厚不均度等初始几何缺陷，这些制造缺陷的存在势必降低套管的抗挤毁性能。API Bul 5C3给出了抗挤强度的计算公式，但仅仅提供了管材屈服强度、管径、壁厚等基本输入参量，而未考虑管体不圆度和壁厚不均度等初始几何缺陷的影响。实践证明，不圆度和壁厚不均度对套管抗挤强度的影响是相当可观的。文章运用有限元法详细研究了初始不圆度和壁厚不均度对套管抗挤强度的影响规律，并提出进一步降低和控制套管初始几何缺陷的工艺措施。     

非均匀载荷下厚壁套管塑性挤毁强度研究

针对理想圆管在非均匀载荷下抗挤强度计算公式计算值偏高的问题，提出实际套管在非均匀载荷下塑性挤毁提前因子的概念，并建立了计算修正公式。这个计算公式考虑了实际套管含残余应力、不圆度、壁厚不均度等制造缺陷的影响，与套管的实际承载特征较为符合。计算结果表明，利用修正公式算法的计算值与实际试验值较接近，能满足工程设计需要，为复杂地层的套管柱设计提供了新的理论依据。     

地应力变化与油井套管挤毁规律研究

油井生产过程中,近套管地层地应力大小和不均匀性逐渐增加,并趋于原始不均匀地应力。生产中后期,套管腐蚀加剧,壁厚减小,管壁应力明显增加,套管易发生挤毁。为了探讨地应力变化与套管挤毁之间的关系,针对因腐蚀壁厚减小的套管,采用强度和稳定性理论进行挤毁规律研究。结合胜利油田某井场油井套管腐蚀情况,选取典型油井建立了套管计算模型。结合生产过程地应力的变化进行套管强度计算,得到生产初期和中后期不同壁厚套管的应力大小和剩余强度。对比不同壁厚套管的应力和失稳临界载荷,得知套管在壁厚腐蚀减小过程中首先发生失稳损坏,且生产中后期套管周围地应力大小和不均匀性明显增加,更易发生套管挤毁现象。所得结论可为初步研究套管在地应力变化时的挤毁机理提供理论依据。     

基于有限元法对小椭圆度连续管挤毁压力研究

连续管在滚筒上缠绕和卸绕,由最初的近乎理想圆不断地椭圆化。与理想圆相比,椭圆化在很大程度上降低了连续管的挤毁压力。建立了小椭圆度连续管的有限元模型,并加载分析,将其结果与试验数据相比较,可以发现,该模型有着较高的可靠性。此外,通过该模型计算φ88.9 mm×4.83 mm、材料屈服强度514 MPa连续管不同椭圆度下的挤毁强度,并回归该规格连续管挤毁强度与椭圆度关系式。     

超深井用140钢级套管模拟井射孔试验研究

随机抽取国产超深井用140钢级139.7mm×12.09mm和177.8mm×12.65mm的套管各3支进行模拟井射孔试验,对射孔前后套管材料的力学性能、微观组织及几何尺寸进行了对比检测,并以实测参数建模,运用有限元方法分析了射孔后套管的挤毁强度。试验及检验结果表明:6支套管在射孔后均未见宏观裂纹,材料的力学性能及套管尺寸参数满足相关标准要求;139.7mm×12.09mm套管在175℃的井底高温下抗挤强度下降14.4%,177.8mm×12.65mm套管在175℃的井底高温下抗挤强度下降11.7%。测试的140钢级套管射孔后的各项性能满足油田使用要求。