高压、超高压油气井装备抗内压强度设计计算分析

为解决传统计算公式与方法已几乎无法满足目前对高压、超高压油气井装备强度设计的需求,利用理论分析方法,对不同抗内压强度计算公式进行详细分析,引入压力容器行业高压、超高压的计算公式与方法,并对某高温高压井抗内压强度进行分析,提出适用于超高压油气井的油套管抗内压强度计算公式。研究结果表明:不同抗内压强度公式的基本思想与设计准则不同,在使用时应注意限制条件,现有的抗内压强度计算公式不适用于高压、超高压油气井,材料性能不能充分利用且存在一定安全隐患;对超过100 MPa的油气井,可以采用弹塑性理念计算抗内压强度,对于油套管可以减小强度等级同时增加壁厚来满足抗内压强度要求。研究结果对高压、超高压油气井装备抗内压强度设计具有一定参考价值。

油管抗内压强度及爆破失效机理研究

利用水压试验机对油管进行爆破试验,检测在爆破过程中油管外壁的应变变化。运用弹塑性力学理论建立模拟油管爆破过程的有限元模型,得到油管外壁应变随内压变化的曲线,并与试验值对比,从而探索油管爆破的失效机理。结果表明,油管爆破过程中,壁厚较薄处首先产生较大的应变进而造成油管在此处爆裂。利用有限元法进一步分析发现,与管体椭圆度相比,壁厚不均度对油管抗内压强度影响较为显著。将有限元模拟与应变测试结合起来以提高有限元模拟的精度,对研究油管爆破失效机理、预测油管抗内压强度具有一定的参考价值。

套管内壁磨损对其抗内压性能的影响

用弹塑性有限元方法 ,建立了套管的有限元力学模型。给出了磨损量、抗内压强度系数的确切定义。对套管内壁不同磨损量的抗内压强度系数进行了分析计算 ,得出了套管的抗内压强度与内壁磨损量成抛物线关系。并分析了不同磨损量时 ,在内压作用下 ,套管管体达到屈服时 ,磨损量与抗内压系数、套管内VonMises应力以及套管内的位移变化关系。并得出了P110× 2 4 4 .4 8mm× 11.99mm套管结构尺寸下 ,磨损套管抗内压系数与其磨损量的经验公式 ,为磨损套管柱设计提供理论数据。

含磨损缺陷套管抗内压强度数值计算研究

由弹性力学变分原理引入有限单元法基本方程,进而给出了磨损区域边界上任意点法向量解析解和数值解的方法。假设磨损缺陷模型为圆弧状,并认为是平面问题,采用Serendipity等参单元变结点有限单元格式,分别按照平面应力和平面应变问题进行分析研究,阐明了考虑磨损深度、磨损区域半径和套管壁厚影响时的套管抗内压强度定量变化规律,分析了在不同磨损量及其相应抗内压强度下套管内应力强度分布规律,并依据等效内压设计套管柱的可行性及安全性进行定量分析,编制计算机程序。

月牙形磨损缺陷套管的抗内压强度研究

套管磨损多呈"月牙形",其直接后果是降低套管的抗挤强度和抗内压强度,如何计算磨损套管的抗挤强度、抗内压强度制约着如何安全地设计套管柱。因此笔者对"月牙形磨损"套管在不同磨损程度时的周向应力进行研究,并重点对其抗内压强度的计算方法进行了探索。笔者以P110的95/8 in套管为例,建立了计算磨损套管周向应力的解析模型,并用弹塑性有限元方法建立了套管的有限元力学模型,通过有限元分析来验证解析模型的正确性,最后以此为基础得出了磨损套管的抗内压强度计算公式。

套管抗内压强度试验研究

通过进行全尺寸套管水压试验 ,确定了 177.8mm× 12 .6 5mmT140S偏梯形螺纹接头套管 (BCSG)的抗内压极限值。对套管在内压载荷作用下的失效形式和失效机理进行了分析 ;揭示了套管的失效过程和原因。认为这种套管接箍与管体外螺纹接头强度不等 ,其接箍是弱环节。

ISO10400油管套管抗内压爆裂设计

随着高温（150℃）、高压（100 MPa）、高含H2S（2%-70%）气井日益增多,该类气井中的油管、套管一旦爆裂失效,将会导致油套管串通,甚至含硫气体溢出地面,危害巨大。在油套管的设计中,尽管API 5C3给出了油管、套管的最小抗内压强度,但没有给出最大的爆裂失效强度,而准确预测出油管、套管的抗内压极限强度即爆裂强度是非常重要的。分析了ISO10400：2007标准,介绍了油管、套管抗内压爆裂计算模型,并用套管实测爆裂强度与该模型计算爆裂强度进行了对比。结果表明,该模型计算出的油管套管爆裂强度精度较高,能够较好地反映油管套管真实的抗内压强度,对改善油管套管设计具有一定的参考价值。

固井缺陷对磨损套管抗内压强度的影响

套管磨损和固井缺陷是钻井过程中必然存在的现象。应用相似准则设计出磨损套管的相似模型,对不同固井质量缺陷和不同磨损情况的套管进行组合实验,将实验结果与有限元分析相结合来研究模型套管在不同固井缺陷和不同磨损量下的抗内压强度。将模型套管推广到原型,利用有限元方法分别计算了水泥环—套管—地层系统在不同水泥环缺失范围、不同套管磨损程度下的抗内压性能。研究结果表明:当水泥环有缺损时,不但不能增强套管的抗内压能力,反而降低了套管的抗内压强度。水泥环的缺失范围越小,应力集中现象越严重。

月牙形磨损套管抗内压强度计算

将内壁磨损套管月牙模型简化为偏心圆筒模型,通过直角坐标向双极坐标的转换和选取曲线坐标中表示应力的复势,得出了偏心磨损套管等效应力和剩余抗内压强度计算方法。磨损套管等效应力解析解和数值解对比分析表明,随着磨损深度的增加和作用在内表面压力的增大,磨损套管危险截面内、外表面的等效应力呈指数增大;磨损套管抗内压强度随磨损深度线性减少。采用双极坐标公式计算偏心磨损套管等效应力与有限元分析结果相差小于0.9%。偏心磨损套管抗内压强度理论解和月牙形磨损套管抗内压强度试验值之间相对误差小于10%。将月牙形磨损套管简化为偏心圆筒模型,采用偏心磨损套管抗内压强度公式计算月牙形磨损套管抗内压强度是可行的。

深井内壁磨损套管剩余抗内压强度研究

深井钻井过程中,钻柱对套管内壁造成磨损多为"月牙形"磨损。在弹塑性力学分析的基础上,应用长槽形磨损模型分析磨损套管的抗内压强度变化规律。采用有限元数值模拟计算分析了磨损套管剩余强度的变化规律。根据磨损位置产生的附加弯曲应力,对原有的长槽形磨损模型进行了改进,并与试验结果进行了对比分析。分析结果表明,套管接头直径对套管抗内压强度影响较小。使用目前套管柱强度设计中常用的均匀磨损模型进行套管强度设计,偏于安全。改进后建立的磨损套管抗内压计算模型能更准确地描述磨损套管的剩余强度,与试验值更为接近,可为套管柱强度设计提供更为合理的理论参考。

磨损套管抗内压强度的通用计算模型

将承受内外压的偏心筒模型作为磨损套管的计算模型,以磨损引起的磨损率(偏心率)为磨损指标,根据弹塑性力学理论和Tresca强度理论,利用双极坐标系和应力函数法,得到偏心筒应力解析解和套管抗内压强度通用计算公式。结果表明:套管抗内压强度对磨损率较为敏感,随着磨损率的增大,套管抗内压强度减小;月牙形、槽形磨损套管的抗内压强度也可按本文公式计算,所得计算结果与现有的实验、理论、ISO10400标准、弹塑性有限元法结果相比,相对误差的平均值最大不超过7%。

油管与套管抗内压强度研究

在深井、超深井钻井过程中,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,导致套管抗内压强度降低,给安全钻井带来隐患。文中针对API 5C3模型已不能准确预测套管实际抗内压强度的问题,研究了材料的屈强比对油、套管爆裂强度的影响规律,给出了具有更高精度的油、套管抗内压爆裂计算新模型。结果表明,该模型计算出的油管套管爆裂强度精度较高,能够较好地反映油管套管真实的抗内压强度,对改善油管套管设计具有一定的参考价值。

磨损套管抗内压强度试验与有限元分析

当套管受到严重偏磨时,套管抗内压和抗外压能力显著下降。鉴于此,从理论和试验2个方面分别研究了磨损套管的抗内压强度,研究结果表明:(1)在内压作用下,磨损套管的周向应变发生局部变化,最大值主要发生在磨损与未磨损的过渡区,最小值集中在磨损最严重的区域,因此套管截面在磨损区域"内凹";(2)在相同内压力作用下,随着磨损量的增大,磨损最严重处先周向变形减小且内收缩,继而周向变形增大,与磨损区相对的另一侧,从向外鼓胀变形转而向内收缩,套管截面出现椭圆变形;(3)在套管内壁的磨损初期相对磨损量对套管的初始抗内压性能影响相对较大。

油、套管抗内压爆裂设计研究

三高(高压、高产及高含H2S)气井中的油、套管设计,按现行API 5C3标准,油、套管强度常常不能满足设计要求,许多套管的实际安全系数低于设计标准,给设计造成一定的困惑。ISO10400:2007给出了两端堵口的油、套管抗内压韧性爆裂模型,但计算精度不够理想,而且有些预测值要明显高于实物爆裂值。为此,根据材料屈强比对油、套管爆裂强度影响规律进行研究,给出了具有更高精度的油、套管抗内压爆裂计算新模型。数据计算对比表明,油、套管抗内压爆裂计算新模型的计算值与实物爆裂值吻合。该研究方法对优化油、套管设计和改善油、套管制造质量提供了重要的参考依据。

基于Abaqus磨损套管抗内压强度数值分析

本文分别按平面模型和空间模型,研究磨痕深度和磨痕长度对套管抗内压强度的影响。得出套管的抗内压强度是随着磨痕深度和长度的增加而降低的。同时把平面模型的结果与根据最小壁厚由API抗内压强度公式计算的结果做了比较,前者在磨损的情况下比后者要小。对于空间模型,随着磨痕长度的增加,抗内压强度趋近于一个下限值。

水泥环对磨损套管抗内压强度的影响研究

用弹性有限元方法,建立套管-水泥环的有限元力学模型。对套管-水泥环内壁不同磨损量时的抗内压强度进行了计算,分析了在不同磨损量时,在内压作用下,套管管体达到屈服时,V onM ise应力随套管最小壁厚和圆周方向的变化情况,并比较了在相同磨损量下,套管和套管-水泥环之间V on M ise以及抗内压强度之间的大小关系,最后得出了在相同磨损情况下,水泥环对磨损套管抗内压强度的影响效果。

月牙型磨损套管抗内压强度有限元计算

在油田钻井过程中,由于钻具在井中旋转及起下钻会对套管内壁造成磨损,导致其抗内压强度降低,对油井安全构成威胁。本文使用有限元分析软件ANSYS建立套管模型,简化为平面应力问题进行分析,研究当套管内壁取不同磨损量,对磨损后套管施加载荷,计算在不同磨损量下套管的抗内压强度。结果表明,在一定的内压力范围内,套管的抗内压强度与内壁的磨损量基本成线性关系。分析结果为油井管柱下套管提供理论指导。

水电站埋式输水钢管抗内压可靠性及经济性研究

将随机可靠度理论与规范设计方法相结合,建立了水电站埋式钢管抗内压可靠度的计算模型。利用该计算模型,分析埋式输水钢管与围岩间缝隙、围岩弹性抗力系数、水锤比对埋式输水钢管抗内压可靠性及经济性指标的影响。分析结果表明,上述各项指标均能满足水电站埋式输水钢管抗内压所必须的既安全可靠又经济实用的要求。对研究课题的提出背景、影响埋式输水钢管抗内压安全的不确定性因素分析、埋式输水钢管抗内压可靠度模型的研制以及实际算例分析等,作了较详细的介绍。

套管抗内压的模拟实验研究

目前钻井作业的趋势是深井、超深井、水平井和定向井,套管磨损问题变得尤为突出。套管磨损后,抗内压强度下降,不仅会给油田生产安全造成威胁,还很容易引发环境污染。笔者对月牙型磨损套管进行模拟实验,研究其在内压作用下的周向应变分布规律。研究结果表明:随着套管磨损量的增加,套管抗内压强度减小,在磨损最严重的部位的应变量首先随磨损量增加而减小,然后随磨损量增加而增加,外表面出现内凹现象;位于磨损与未磨损的过渡区所受的周向应变值受磨损量的影响最大,随磨损量的增大而较大幅度增大。

割缝环模型和有限元模型分析磨损套管剩余抗内压强度

套管磨损造成其抗内压强度降低,为以后的作业留下安全隐患,文中分析了割缝环模型和有限元模型两种方法计算磨损套管的剩余抗内压强度。