大规模体积压裂情况下套管弯曲力计算方法

目前的套管弯曲力计算模型仅考虑了温度变化引起的弯曲力放大因子,忽略了弯曲段管体自重沿轴线上分量产生的轴向力。针对这种情况,综合考虑温度和自重的影响,推导出温度和自重双重作用下管体的弯曲力计算公式,并对套管弯曲力进行校正,根据双轴应力公式计算出套管抗击强度显著降低。分析结果表明,轴向力增大会对套管强度产生严重影响,压裂时其内压传递到管外,管内突然泄压会导致管内压力瞬间降到0,此时是套管抗外挤失效最危险工况;拉伸载荷计算不精确可直接影响套管抗外挤和抗内压强度校核,运用提出的计算模型可以较为精确地计算出压裂后套管轴向力。所得结论对页岩气井套管的强度优化设计具有参考意义。     

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。     

非均匀载荷下套管强度的计算

将非均匀地应力场中套管载荷和套管内应力分布的理论公式推广到包含内压的情况,并采用Tresca屈服准则和Mises屈服准则,分别推导了在忽略套管轴向载荷和考虑套管轴向载荷两种情况下套管强度破坏时挤毁压力的计算公式。引入等效外挤压力概念,使该公式与标准API公式在形式上完全一致。计算结果表明,在非均匀载荷情况下,套管强度破坏的危险性会增加。     

水平井多级压裂套管柱建模及套管抗挤强度分析

页岩气水平井在压裂作业过程中具有压力大、作用时间长、井筒内温度变化幅度大等特点,由温度变化引起的温度应力对套管抗挤强度有显著的影响。考虑套管与井壁、封隔器的作用,建立了水平井多级套管柱的受力模型、温度应力模型,推导出了考虑温度和套管与井壁作用产生轴向应力影响下的套管抗挤强度公式,通过MATLAB编程计算分析了壁厚、钢级、温度变化幅度、注液压力对套管抗挤强度的影响规律。计算结果表明:温度变化幅度、套管内压、壁厚对套管抗挤强度有显著的影响,温差、内压越大套管抗挤强度越小,最高可使套管的抗挤强度降低24%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

非均匀载荷作用下套管抗挤强度初探

API套管规范确定了套管在均匀流体静压载荷作用下的抗挤强度计算方法,非非均匀载荷对套管抗挤强度的影响几乎没有进行研究或作出规定,实际上,大多数油井套管的损坏是由非均匀载荷引起的。根据弹性力学理论,建立了套管在非均匀载荷作用下的力学模型,并应用逆解法对该力学模型进行求解,得到了在非均匀载荷作用下套管的抗挤强度计算式,研究表明,套管抗非均匀载荷的强度远远低于抗均匀载荷的强度,增强壁厚比提高钢级更为有效,该模型在理论研究上和现场应用中都有十分重要 的意义。     

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。     

基于ANSYS的水平井下套管摩阻分析计算

随着水平井和大位移井的日益普遍,由于套管柱自重和井眼弯曲等多种因素的影响,水平井和大位移井中的套管柱存在较高的摩阻力,摩阻过大将会影响到套管柱的顺利下入,水平井中套管柱轴向力的准确预测也为套管强度设计提供了重要的基础数据。用CAE大型有限元软件ANSYS,对江沙8-H水平井的?139.7 mm套管的受力和变形进行了数值模拟,计算了刚性扶正器处的接触力和刚性扶正器间套管的横向位移,并得到了套管柱在水平井中的摩阻力。计算模型考虑了套管的刚度和刚性扶正器对摩阻力影响,计算结果与现场实测数据比较吻合。计算结果表明,水平井中套管摩阻对轴向力的影响较大,且刚性扶正器间套管较长时,扶正器间大部分套管仍会与井壁接触,导致扶正效果降低。该计算方法为钻井工程设计提供了理论支持。     

油井管强度计算方法新ISO标准讨论

对ISO/TR 10400 :2007 和API Bul 5C3 :1994 标准的油井管强度计算方法进行了对比分析,认为ISO/TR 10400 : 2007 对油井管的强度计算方法的分类更符合油井管受力和强度性能的实际情况。新方法将可靠性工程方法引入了油井管的 强度性能计算,在方法上有大的进步,且新公式将管子的制造公差、管子矫直方式、热处理方式、探伤门槛值等因素考虑在内,建 模更加合理,计算结果更加精确。新方法分别给出了油井管的极限挤毁强度公式和设计挤毁强度公式,能满足不同情况下的使 用需要。对比分析结果表明,新方法油井管内压韧性破裂强度公式比旧标准计算值大,对径厚比小于20 的套管,新挤毁强度公 式计算结果比旧标准值小,对径厚比大于20 的套管,新挤毁强度公式计算结果比旧标准值大。ISO/TR 10400 :2007 对油井强度认识的变化必然会影响现有的管柱强度设计方法。     

拉弯复合载荷作用下的API短圆套管螺纹力学行为

套管下入水平井弯曲段时,套管螺纹是否已发生屈服对于随后的钻进和油气井生产有至关重要的影响,而目前国内外对于井眼曲率（弯矩）对套管螺纹连接强度和密封性能影响的研究极少。笔者基于虚功原理、接触非线性理论及vonMises屈服准则,建立了API短圆套管螺纹连接的三维计算模型,研究了拉弯复合载荷下连接螺纹的应力分布规律,指出井眼曲率（弯矩）对套管的连接强度和密封性能影响极大,并通过大量计算绘制了给定井眼曲率时的最大许用套管悬重图,综合考虑连接强度和密封能力推荐了API短圆套管螺纹标准所列锥度、螺距、螺纹长度、牙高参数系列中的最优值。     

套管强度计算的理论问题

采用反证法探讨了前人在基础理论的推理过程中存在的问题,证明双向应力椭圆理论与实际载荷条件并不矛盾。应用多元函数单调性理论,证明了在三轴应力条件下管体中最大应力强度值出现在套管内壁。采用理论推导和计算方法,对套管轴向应力计算公式进行了讨论。通过实例计算,对比分析了用“三向应力圆”理论与其他几种理论计算的抗挤强度值。结果表明,应用“三向应力圆”理论计算的值偏大。     

考虑制造缺陷的套管抗挤强度计算新模型

API 5C3未考虑套管的制造工艺及缺陷对套管抗挤强度的影响,已不能准确地预测套管实际抗挤强度。API/ISO工作组针对API 5C3存在的不足,修订了现行API 5C3标准,给出了含制造缺陷的抗挤新模型,大大提高了套管强度计算的科学性。研究中发现,ISO抗挤新模型并不适合所有壁厚段套管强度的计算,为此,在研究和评价ISO新抗挤模型的基础上,提出了考虑制造缺陷的抗挤强度计算新模型。通过与ISO/TG提供的上百个实物挤毁数据对比验证,本文所给出计算式的计算精确度明显好于API 5C3挤毁公式及ISO新模型,为套管强度的设计提供了新的参考依据。     

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。     

对四川三迭系盐岩层套管挤毁问题的研究

四川地区三迭系盐岩层分布广泛，盐岩层蠕变挤毁套管的客观条件是存在的。围绕异常压力这一主要矛盾，首先确定非均布载荷下套管强度的变化规律，得到套管强度的计算方法；其次描述盐岩层的蠕变规律，给出蠕变外挤载荷数值；按照非均布载荷下套管实际强度大于盐岩层蠕变外挤载荷的原则，确保井内套管安全。应用实例表明上述技术思路是可行的。     

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。