深井套管安全可靠性评价方法

考虑到深井套管载荷的不确定性和套管几何尺寸、性能参数等随机性,采用随机理论分析,给出了套管外载与强度的概率分布计算方法,采用Monte-Carlo方法模拟了非均匀载荷作用下套管强度的随机分布规律。应用"强度-应力"干涉理论,建立了套管安全可靠度计算方法,对不同类型套管在不同外载条件下危险截面处的可靠度进行了分析,得到了区域套管可靠度与安全系数的关系。结果表明,当套管抗外挤、抗内压可靠度为0.50~1.00时,套管的安全系数为1.00~1.25,在载荷变化条件相同时,安全系数的变化幅度小于可靠度的变化幅度,当安全系数大于1.25时,套管可靠度为1.00。套管安全可靠度分析可为套管传统安全系数的选取和外载不确定的情况下套管柱的设计与评价提供依据。      

用可靠性理论解析API套管强度的计算公式

针对美国石油学会(API)制定的套管强度计算公式中引用的若干个修正系数理论意义不明确的问题,讨论了API套管多个属性参量的分布规律和分布参数.采用基于Monte-Carlo方法的Latin Hypercube随机模拟方法,模拟得出了套管强度的分布规律以及套管几何尺寸和管材力学性能的随机性对套管强度随机性的影响规律.运用可靠性理论建立了套管强度的可靠度计算模型,分析并对比了不同可靠度下的套管强度值,计算得出了API套管强度值的可靠度.研究结果表明,套管属性的随机性越大,套管强度的可靠性越低,API套管弹性挤毁抗挤强度公式的修正系数能够合理地提高其强度可靠性,但应用修正系数后的抗内压强度公式是偏于安全的.     

用数理统计方法预测油套管腐蚀剩余寿命

在稠油开采过程中,由CO2腐蚀造成的油套管损坏事故频繁发生,有必要对油套管进行可靠性评估和剩余寿命预测。文中分析了油套管腐蚀机理和规律,研究了腐蚀概率分布规律;通过长效实验,结合室内加速腐蚀实验数据,运用数理统计方法预测了腐蚀发展规律;通过预测油套管剩余强度和安全系数可以预知套管的剩余寿命。预测结果与实际情况接近,证实了油气井套管CO2腐蚀符合指数概率分布类型。以概率统计预测的腐蚀速率为依据,结合套管强度设计方法,可以有效预测油套管剩余寿命。     

套管钻井多轴疲劳试验与可靠性研究

根据套管钻井中套管柱承受的载荷状况,借助现有的技术水平和手段,首先进行了套管试件的拉-拉单轴高周疲劳试验,通过相关的试验数据获得了套管试件在不同应力水平下的疲劳寿命及其统计分布,为进一步获得试件的基于概率的等效P-S-N曲线奠定基础。然后通过拉压-扭转双轴循环复合疲劳试验,验证了等效P-S-N曲线的正确性。最后根据P-S-N曲线,采用有限元疲劳分析软件,进行典型工况下套管的疲劳可靠性分析,计算得到套管体中的最大等效循环应力,并据此计算出要求可靠度(或存活率)下套管的疲劳寿命,再由钻井周期得到套管疲劳的剩余寿命。     

高酸性气田套管柱安全可靠性评价方法研究

普光气田H2S和CO2含量高,属于高酸性气田,如何评价套管柱的安全可靠性、确保气田长期稳定开发成为关键问题之一。在分析载荷对套管作用机理的基础上,研究了套管载荷计算模型,并根据可靠性理论,将套管柱整体作为串联系统,结合酸性气田套管柱失效形式的分析,提出了套管柱单元及整体系统可靠度计算模型,建立了酸性气田套管柱安全可靠性评价方法。实例分析结果表明：P101-2H井开发初期套管柱系统安全可靠度为100%,证明了井身结构设计的合理性,经过10-20 a的开发,由于腐蚀、射孔、地层活动等因素造成套管强度减小,导致套管柱整体可靠度降低,存在发生失效的可能性。     

基于可靠性理论的套管失效风险评价方法

针对套管几何参数、力学性能和外载存在随机性的特点,对传统套管安全系数设计与评价方法不足之处进行了分析。根据结构可靠性理论,建立了套管抗外挤强度和抗内压强度的失效风险评价方法。采用Monte-Carlo随机抽样法,模拟出了套管强度的随机分布规律,得出了不同载荷条件下套管失效概率以及安全系数与套管失效概率之间的对应关系。研究表明,基于可靠性理论建立的套管失效风险评价方法,可对套管的安全可靠度进行定量评价。对于不同的套管类型和外载条件,安全系数相等,而失效概率并不相同。计算出的失效概率评价指标,可为传统安全系数的选取和外载条件不确定性情况下套管设计与评价提供依据。     

深井超深井套管柱系统可靠性研究

分析深井、超深井套管柱不同失效形式的极限状态方程,给出了相应的失效概率理论公式。在井深方向上将套管柱离散为多个基本单元,建立深井、超深井系统可靠度计算模型。以西部油田某超深井（井深7 380m）为例,利用系统可靠度模型对套管柱基本单元和整体可靠度进行定量计算,分析套管柱的可靠性影响因素和主要失效形式。计算结果表明,影响深井、超深井套管整体可靠度的主要因素为套管抗挤强度、外挤载荷和轴向压力;深井、超深井套管失效形式主要为失稳和挤毁。     

油气井管柱完整性技术研究进展与展望

在回顾油气井管柱完整性概念的提出与发展历程的基础上,介绍了我国在钻柱构件适用性评价、"三超"(超深、超高温、超高压)气井油套管柱可靠性设计与完整性评价、"三超"气井油管腐蚀行为与评价、热采井基于应变设计与选材评价技术等方面的最新研究进展及其应用情况。指出现有油气井管材与管柱技术仍不能满足"三超"、严重腐蚀、非常规、特殊工艺和特殊结构井等服役环境,进而提出了进一步加强油气井管柱完整性技术研究与科技攻关的建议:1持续完善和发展中国西部深层油气勘探开发套管柱优化设计与管材选用及完整性评价技术;2急需建立有针对性的非常规页岩气开发套管柱优化设计、选材及完整性评价技术;3建立"三超"高含CO2气井环境及压裂酸化工况复杂油管优化设计、选材选型、完整性评价技术;4深入研究含缺陷油气井管柱缺陷检测、安全评价、风险评估、寿命预测、维修补强等关键技术;5建立油气井管柱完整性管理体系和配套的支撑技术体系。     

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文章在综合分析了目前已有套管寿命预测方法的基础上，首次提出了从可靠性角度对套管寿命进行预测的思想。通过对套管故障树的定性和定量分析，得出了套管的可靠性寿命预测模型，推导出了套管在工作一定时间之后不可靠度的计算式，给套管的寿命预测提供了一个新的研究方法。在此基础上，按照套管可靠性寿命预测模型编制了计算程序，并以中原油田某井为例对模型进行了初步的验证。     

基于有限元的套管可靠度概率分析方法

传统的套管强度设计是基于影响因素的确定值而分析计算的,参数的不确定性往往被忽略或通过安全系数来补偿。为此,借助概率有限元方法,充分考虑几何模型的复杂性以及套管功能函数影响因素的随机性,建立了多随机性因素作用下的套管可靠度的Monte-Carlo模拟方法,预测了套管的安全可靠性。通过敏感性分析可以看出,外挤载荷影响因素为主时,载荷大小及其不均匀性、水泥环厚度和套管内压力对套管可靠度影响最大,在套管强度分析时,重点考虑这些因素更有实际意义。灵敏度分析只能计算影响因素与响应间的相关性系数,对于影响因素与响应呈非线性变化的情况,需要结合其他方法进行分析。最后指出,套管可靠度概率分析方法建立的基础是套管功能函数随机输入变量的统计特征,可信度较高的随机影响因素概率数字特征是该方法计算精度的决定性因素,因此,需要在钻井过程中建立完备的参数统计特征库。     

复杂工况油套管柱失效控制与完整性技术研究进展及展望

随着对深层碳酸盐岩、新区、页岩等油气勘探开发力度的加大,油气田的地层条件和介质环境变得更为苛刻复杂,油套管柱变形、泄漏、腐蚀、挤毁、破裂等失效事故时有发生;加上特殊结构井和特殊工艺井、特殊增产改造措施等对油套管柱提出的新要求,油套管柱面临着一系列新的挑战和难题需要破解。为此,围绕我国石油天然气工业增储上产的迫切需求和深井超深井、特殊结构和特殊工艺井、强酸/大排量高压力反复酸化压裂增产改造等复杂工况油套管柱失效频发的技术难题,历经十余年攻关,取得了一系列试验研究进展与重要技术成果,主要包括:①形成了基于气井全生命周期的油套管腐蚀选材评价、腐蚀控制和油套管柱完整性技术;②形成了油套管柱螺纹连接结构和密封可靠性设计评价及配套技术;③研发并形成了低渗透致密气井经济高效开发"API长圆螺纹套管+CATTS101高级螺纹密封脂"套管柱技术;④建立了高温高压等复杂工况油套管柱结构和密封完整性试验平台和评价技术。进而根据当前国家大力提升油气勘探开发力度的新要求和面临的新问题,提出了继续深入开展深层、酸性环境、页岩气等复杂工况油套管柱失效控制与完整性研究攻关的若干建议。结论认为,上述技术成果有力地支撑了...     

高压对气井套管接头螺纹接触应力的影响研究

高温高压气井对螺纹密封性的要求要比油井更为严格。对于高压气井中的整个管柱,每一段处于不同的力学环境中,发生泄漏的可能性也不同,因此研究压力对气井套管接头螺纹接触应力的影响,对高压气井套管的合理使用尤为重要。利用弹塑性有限元分析方法,建立了API偏梯型螺纹套管接头的有限元模型,分析了气井压力对套管接头接触应力的影响,提供了研究压力对套管接头螺纹接触应力影响的方法。对于井口压力或井底压力超过34MPa的高压气井,应选用气密性良好的特殊螺纹接头,建议采用金属对金属的螺纹接头套管,以加强螺纹部位的连接强度和密封性能。     

中短半径水平井弯曲井段套管受力分析

套管柱在高井眼曲率的水平井弯曲井段将产生较大弯曲应力和较大的径向变形，有可能导致强度破坏和变形失稳。为了研究套管在弯曲载荷作用下的应力分布及变形情况，采用三维实体单元，运用有限元方法建立了中短半径水平井弯曲井段套管的计算模型，分析了三种不同外径尺寸的套管在一定围压和不同弯曲载荷作用下的最大径向变形量和最大等效应力值，并分析其随井眼曲率的变化规律。计算表明，井眼曲率增大，弯曲井段套管的径向变形和应力也随之增大；同一井眼曲率下，外径较大的套管，径向变形和应力也较大。通过研究，对高井眼曲率下中短半径水平井弯曲井段套管柱强度设计提供了理论依据。     

动态载荷作用下UGS管柱非线性屈曲特性研究

为探究动态载荷作用下地下储气库(UGS)受压段管柱非线性屈曲特性,根据储气库井筒结构特点,建立了柔性约束下UGS管柱非线性屈曲力学模型,采用慢动力法阶跃式施加管柱外载荷,并结合考虑接触的管柱屈曲动力学方程,分析了动态载荷作用下管柱的非线性屈曲特性.以UGS-ZY 11井现场数据为例,通过ABAQUS模拟计算进行对比研究...     

深层高温高压气井完井测试管柱失效分析

深层高温高压油气井完井测试管柱的安全可靠对于确保深层油气的安全高效开发具有重要意义。考虑测试过程中的温压变化、管柱端部约束及屈曲摩阻等因素综合影响,建立了测试管柱受力分析模型,开发了深层高温高压气井完井测试管柱力学分析软件,对新疆顺南地区某井测试管柱进行了温度压力分析、受力变形计算和力学强度校核,揭示了该井完井测试管柱失效的原因。结果表明:利用开发的软件能够较为准确地分析高温高压井测试管柱所处的温压环境,并能对其进行受力变形分析和强度校核,可用于工程实际;该井测试管柱表面受到的局部腐蚀损伤和产生的裂纹会使管柱强度降低,是导致其失效的主要原因;该地区高温高压井中腐蚀对管柱力学强度的影响应给予特别重视。该研究可为高温高压井完井测试管柱优化设计及安全控制提供理论依据。     

温差作用下回接套管柱井口抬升影响分析

井口抬升会导致油气井井筒完整性破坏,影响油井的后续生产作业安全。为了研究回接套管柱在固井-生产作业中的井口应力分布及抬升高度变化规律,采用有限元方法,根据顺北区块某井现场工况,利用ABAQUS软件建立了不同工况下多层套管-水泥环-地层多体系统热-固耦合分析有限元模型,分析了回接套管从固井阶段开始到生产时的应力和位移变化,得到了井口应力、抬升高度变化过程及其相关参数的影响规律。分析结果表明:随着水泥浆返高的增加,井口抬升高度单调增加,这表明随着水泥环缺失的严重性增加,套管自由段数越长,在温差作用下可伸长抬升的高度也就越大;随着水泥浆返高的增加,井口固定时回接套管的Mises应力先增大、后减小,并不呈现单调递增或递减的趋势。所得结果可为现场回接套管柱井口抬升现象分析提供一定的参考。     

塔里木盆地超深井311.2mm井眼钻柱动力学特性及参数设计

当前超深井钻柱安全性评价仍采用静力学方法,无法合理描述钻柱的动态安全性。通过建立超深井钻柱的动力学模型,并利用节点迭代方法和Newmark方法对其进行离散和求解,随后在分析钻柱动力学特性的基础上,利用动态应力求得钻柱的动态安全系数。通过不同钻压、转速条件下计算钻柱的动态安全系数,较好地确定了钻柱的合理工作参数范围。以塔标1井身结构三开井眼为例,得到了塔里木盆地超深井311.2 mm井眼所用钻柱的合理工作参数。