非均匀载荷条件下射孔套管抗挤强度的影响规律研究

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孔眼处存在的射孔裂纹将对射孔套管的抗挤强度产生显著影响。首先针对不同型号钢级的套管进行射孔侵彻实验;然后对无孔眼、机加孔眼和射孔孔眼试件进行静力外挤试验,对比射孔裂纹影响下试件抗外挤性能的变化;最后通过有限元仿真分析了射孔裂纹的存在对套管抗挤性能的影响。结果表明:射孔初始裂纹会加剧孔眼处套管的应力集中现象,并使得射孔套管的抗外挤强度显著下降。此外,相较于孔密与相位,孔径对射孔套管抗外挤强度的降低效果最为显著。

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。

非均匀载荷下页岩气套管抗挤强度全尺寸试验及新机理

为研究页岩气套管非均匀载荷下抗挤强度及失效机理,采用全尺寸试验方法,开展平面非均匀载荷、弧面非均匀载荷、平面载荷和均匀载荷组合、弧面载荷和均匀载荷组合等4种非均匀载荷情况的试验研究。试验结果表明:非均匀载荷下套管失效机理为套管承载非均匀载荷后,引起的直径变化率发生变化。随着载荷的增大,当直径变化率达到临界状态下,套管发生失效,即达到套管临界承载能力;套管直径变化率与套管抗挤强度近似呈反相关,直径变化率越大,套管的抗挤强度越小。当套管直径变化率小于0.5%时,套管抗挤强度降低不明显,当套管直径变化率≥0.5%时,套管抗挤强度影响显著,套管直径变化率范围为1.0%~2.0%,抗挤性能下降15%~20%。建议页岩气套管可以选择厚壁套管,提高抗径向变形能力,或者基于应变设计理论控制套管径向变形,或者采用弹性介质封固方式以减少外力对套管径向变形的影响,而不是一味追求增加套管的抗挤强度。所得结论对页岩气套管选材或减少页岩气套管失效具有指导作用。

椭圆度及壁厚不均度对套管抗挤强度的影响

随着各类石油套管对可靠性和使用寿命要求的不断提高,对石油套管的抗挤能力分析提出了更高的要求。影响套管抗挤能力的参数除了材料本身的强度以外,还包括套管的椭圆度、壁厚不均度等。以φ101.6 mm×7.8 mm规格的试样套管为对象,建立套管抗挤强度的计算模型,利用有限元方法对套管的抗挤强度进行模拟计算,分析与验证椭圆度和壁厚不均度这两个参数对套管抗挤强度的影响,从而为合理选用套管以及开发高抗挤套管提供经验与指导。

水泥环对在役套管柱抗挤强度影响分析

为确定水泥环约束下的在役套管抗挤强度,基于有限元分析方法,研究分析了水泥环对套管抗挤强度的影响。结果表明,在地层无移动或无蠕变位移情况下,水泥环对外压作用下套管的变形有约束效应,可提高套管外压挤毁压力,且随着水泥环与套管之间的间隙增加,水泥环的增强效应逐渐减小至零。的研究成果为合理利用套管的剩余强度、延长老井套管柱剩余寿命提供了技术支持。

套管水泥环组合抗挤强度模型及其弹性分析

建立了套管水泥环组合抗挤强度模型,导出了管外水泥环对套管屈服抗挤强度的影响系数,提出了套管水泥环组合抗挤强度弹性概念;计算分析了管外水泥环的存在对套管屈服抗挤强度的影响程度,并对套管水泥环组合抗挤强度对套管水泥环参数变化的敏感性,即套管水泥环组合抗挤强度弹性进行了计算分析。

非均匀载荷对割缝管抗挤强度的影响

文章在建立非均匀外载模型的基础上,对结构为N80钢级割缝管的抗挤强度进行了研究。采用有限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,分析计算了非均匀外挤载荷作用下割缝管的抗挤强度。分析了不同模型在相同不均匀系数、同一模型在不同的不均匀系数的情况下对等效抗挤强度的影响。研究表明,管体抗非均匀载荷的能力远远低于抗均匀载荷的能力,非均匀载荷作用下不均匀系数是影响强度的关键因素。其结果有利于指导在非均匀载荷作用下割缝的设计,对分析套管变形损坏的机理提供了依据,有利于对套损预防提出有效的建议。

套管抗挤强度的可靠性评价方法

套管抗挤强度是衡量套管强度性能的一项重要指标。采用置信度与可靠性设计相结合的高精度小子样方法,对阿科公司统计的套管(7in,29ppf,L80-13Cr)抗挤强度的48个试验数据进行了分析,并与阿科公司的分析方法进行了比较。初步验证了这种方法,计算结果稳定,计算精度高,可获得比API名义值较大的合理的数值结果,使套管抗挤强度性能得到更加充分的利用,并节省试样,为合理评价套管的抗挤强度提供了理论和方法,起到了优化管柱节约成本的作用。

几何缺陷对套管抗挤强度影响的有限元分析

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。APIBul 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 。

磨损套管抗挤强度的新算法研究

油气井钻井过程中,由于钻具和套管相互摩擦,造成套管内壁磨损并引起磨损套管抗挤强度降低,直接后果是:降低油气井寿命,严重时将导致某段油气井报废或整口油气井报废。因此,套管柱设计尤其是水平井、大位移井、深井、超深井钻井必须考虑磨损对抗挤、抗内压强度的影响,而现有计算方法在计算磨损套管抗挤强度时通常忽略了制造缺陷对挤毁强度的影响,计算值与实测值差异较大。为此,文章研究了磨损套管的挤毁机理,认为计算磨损套管的抗挤强度应重点考虑磨损对抗挤强度的影响,同时考虑制造缺陷对套管抗挤强度的影响。基于此,文章进行了大量研究,应用叠加原理,建立了计算磨损套管抗挤强度的新算法。通过对此算法和其它算法的计算结果与试验数据比较分析表明,新算法优于其它算法并与试验数据更接近,能较好满足工程要求,为磨损套管柱设计提供了理论依据。

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。

磨损对套管抗挤强度影响的有限元分析

随着石油工业的不断发展 ,深井、超深井、水平井和大位移井越来越多 ,而这类井由于其自身的特殊性 ,在钻井过程中钻具在井中旋转及起下钻对套管内壁造成磨损 ,导致其抗挤强度、抗内压强度等使用性能降低 ,对油气井的安全构成威胁 ,因此 ,套管设计时应当考虑磨损对抗挤强度的降低问题。APIBul 5C3挤毁压力公式没有考虑磨损对套管抗挤强度的影响。文章主要通过有限元法并辅以理论分析 ,深入研究套管内壁磨损对其抗挤毁性能的影响规律 ,分别详细比较“月牙形”磨损模型与偏心筒近似磨损模型、最小壁厚均匀磨损模型之间的差异 。

套管抗挤强度分析及计算

为提高套管挤毁压力预测精度,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,研究了外径不圆度、壁厚不均度、残余应力等因素对套管抗挤强度的影响。分析结果表明,径厚比、屈服强度是套管抗挤强度的主要因素,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位置组合进行了模拟分析。结果表明,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。最后提出了一个套管抗挤强度计算公式,计算简单,精度可满足工程要求。

全井段套管磨损量预测与磨损后抗挤强度计算方法研究

在钻井过程中,由于钻具和套管相互摩擦,造成套管内壁磨损导致强度降低,直接影响后期安全作业。阐述了套管磨损的机理和影响因素,研究得出基于实钻井眼轨迹管柱摩阻扭矩分析的全井段套管磨损量预测方法。应用该方法对某井全井段套管可能产生的磨损量进行了预测。提出一种磨损后套管抗挤强度的计算方法。研究表明,运用该方法计算出的结果接近试验值,计算精度满足工程要求,可为磨损套管柱强度评估和后期作业强度设计提供理论依据。

非均匀载荷下厚壁套管抗挤强度分析

非均匀地应力下套管柱强度设计须考虑非均匀载荷对其强度的影响,对此国内外众多学者进行了大量研究,并取得许多有益成果。但这些研究主要以径向的非均匀外载为边界载荷,没有考虑套管外壁受非均匀剪切力的作用;其次,对非均匀载荷下套管磨损、残余应力、不圆度和壁厚不均度等缺陷的影响未作考虑。为此,建立了厚壁套管受径向非均匀挤压和周向受非均匀剪切的力学模型,应用弹性力学逆解法进行了求解,分析了非均匀载荷下厚壁套管的应力分布规律。研究表明,非均匀载荷作用下沿最小水平地应力方向、套管的内壁是承载危险区。由此提出了非均匀载荷等效为均匀外挤载荷的方法,给出了含缺陷套管在非均匀载荷下抗挤强度的分析方法。

含磨损缺陷套管抗挤强度的数值分析

为了确定在内壁上有新月形磨损缺陷套管的抗挤强度，本文采用有限元法，分别按平面应力、平面应变和空间问题进行分析。研究结果表明，其抗挤强度远小于按最小壁厚从手册中查得的值，它随磨损缺陷深度的增加和半径的减小而降低：当磨损缺陷的轴向尺寸足够大时，则完全可以按照平面问题处理．

特厚壁套管抗挤强度计算及现场应用

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 ,结果显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。

射孔套管抗挤强度理论分析

为了深入研究射孔对套管抗外挤强度的影响程度 ,将射孔套管三维力学模型简化为平面孔板力学模型 ,在外挤压力作用下 ,根据弹性力学理论 ,推导出射孔套管抗挤强度系数的理论公式 ,其理论计算结果与国外文献的实验结果吻合。利用推导的抗挤强度系数理论公式分析孔径、孔密及相位角的变化对其抗挤强度系数的影响 ,其结果为优化射孔设计提供了简便的方法。

非均匀载荷下磨损套管抗挤强度研究

针对非均匀载荷下套管磨损后抗挤强度降低的问题,将磨损简化为套管的壁厚不均度和内壁不圆度几何缺陷。在此基础上,建立了非均匀载荷下磨损套管抗挤强度计算方程。该方程计算值与试验值的对比表明,该方程计算结果是可靠的,可为复杂地层磨损套管柱设计提供理论依据。研究表明,当载荷不均匀程度较小时,磨损对套管抗挤强度的影响较大;当载荷不均匀程度较大时,磨损对套管抗挤强度的影响较小。

套管抗挤强度统计分析研究

针对美国石油协会的套管抗挤强度计算公式与实测套管挤毁压力差距较大的问题,利用统计学方法,详细分析了套管实物挤毁试验检测数据,得到了各因素影响套管抗挤强度的定量指标.研究表明,套管抗挤强度主要由径厚比决定;套管计算屈服外压和失稳外压等其他参数及其交互作用对套管的抗挤强度也有显著影响;套管外径和壁厚数据的变异系数比外径不圆度和壁厚不均度对套管抗挤强度的影响更显著.最后给出了套管抗挤强度统计计算公式,为生产厂和用户提供了预测套管抗挤强度的简单实用的计算方法.