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。     

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。     

非均布载荷下石油套管抗挤强度问题研究

对石油套管承受非均匀挤压应力作用时的抗挤强度问题进行了理论分析和有限元数值模拟,理论解与有限元结果一致,弥补了目前工程中仅能依靠有限元方法进行仿真和API标准只能给出均布载荷下套管强度的不足,为实际工程提供理论指导。     

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。     

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。     

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。     

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。     

套管缺陷及高抗挤套管抗挤强度研究

套管在生产过程中，由于本身制造的缺陷，降低了套管的抗外挤强度。为了更好地描述套管在非均匀栽荷情况下套管强度计算模式，文章建立了套管在非均匀栽荷作用下力学模型。根据弹性力学理论推导出理想圆形套管抗挤强度模式，综合考虑了套管缺陷对套管抗挤强度的影响，结合算例得出若干结论，为研究高抗挤套管在非均匀载荷作用下的抗挤强度提供初步的理论依据。     

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。     

套管塑性抗挤强度有限元仿真分析

在石油钻采过程中,套管用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑,以保证钻井过程的安全进行和完井后油井的正常运行,具有好的抗挤毁能力十分重要。文章提出了采用ANSYS非线性屈曲分析仿真计算套管抗挤强度的方法,分别计算了API标准塑性挤毁套管和非API标准高抗挤套管的抗挤强度。将仿真结果与API标准值和高抗挤套管的试验值对比,发现相对误差很小,验证了该方法的可行性和正确性,可采用ANSYS非线性屈曲仿真计算为高抗挤套管的研制提供参考。     

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。     

非均匀载荷作用下套管挤压失效数值分析

在已有的理论研究与试验工作的基础上,采用有限元数值方法,分析计算了受非均匀地应力作用下套管－水泥环结构的受力与变形,讨论了两个敏感参数─—非均匀载荷比和套管椭圆度对套管失效的影响问题。计算分析发现,随地应力非均匀程度的增加,套管形变经历了由两向挤压－挤压到两向拉伸－挤压组合方式的转变,而套管应力的变化相对较小。由此可得出初步结论：与非均匀地应力作用相对应的套管结构的拉伸－挤压形变,有可能是导致套管失效的主要机制;套管椭圆度的存在使得套管的强度和刚度被进一步的削弱。     

内外液压作用下套管柱屈曲载荷的级数解

关于油井套管柱的屈曲问题虽已经有一些研究文献，但深入系统地研究该问题的文献并不多，由于其微分方程求解困难。各文献并没有给出一致的套管临界屈曲载荷，并且给出的结果普遍偏高，文章首次将套管和内，外部液体一起考虑，建立微分方程，并用无穷级数法求解，得到了比较准确的临界屈曲载荷，论述了管柱内，外壁侧向液压对管柱发生屈曲的影响，对于开口管柱，当其处于微弯状态时，内、外壁同压力上起管柱任一截面的弯矩等于作用于底端的轴向力和沿轴线均匀分布的液柱重力所产生的弯矩。其结果可供油井设计和施工参考。     

围岩流变对套管载荷的影响分析

针对由于地层具有流变特性对套管载荷的影响以及由于泥岩浸水等因素造成的地层流变特性改变而对套损产生影响等问题,根据开尔文模型推导了流变地层中套管载荷和地层粘度的关系,从而反映了套管载荷随时间的变化,在此基础上分析了流变地层岩石力学参数对套管载荷的影响.分析认为地层的粘性不同,其流变程度不同,导致套管达到最大载荷的时间不同.由于泥岩浸水导致岩石弹性模量降低,在相同地应力场作用下会明显加大最终作用在套管上的载荷,从而大大增加了套损的危险性.研究结果揭示了围岩流变导致套管损坏的机理.     

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。     

水泥环对套管载荷影响的理论研究

用解析方法对非均匀地应力情况下水泥环对套管载荷影响的研究表明,水泥环对套管载荷的影响取决于水泥环厚径比、水泥环与地层材料的差异系数以及地层与套管的刚度比这3个因素,其中刚度比起着重要作用.当刚度比λ≥1-2ν(ν为水泥环泊松比)时,用较高弹性模量的水泥固井可以降低套管载荷;当刚度比λ<1-2ν时,用较低弹性模量的水泥固井可以降低套管载荷.一般情况下,增加水泥环的厚度可以降低套管载荷.水泥环与套管光滑接触情况下,套管载荷非均匀程度降低,基本上呈均布载荷.     

非均匀椭圆外载作用下套管的形变及修复

结合大港油田的实际情况,确立了在非均匀地应力作用下套管外部载荷的求解公式,建立了非线性有限元模型,借助ANSYS分析软件对套管在非均匀椭圆形外载作用下的变形和所受应力等情况进行分析研究。引入等效破坏载荷的概念,利用等效破坏载荷来衡量套管所承受的载荷大小,在分析套管破坏的基础上,进一步模拟分析其修复过程。     

泥岩浸水膨胀对套管损坏影响分析

泥岩浸水膨胀产生局部地应力异常是导致油水井套管损坏的主要原因之一,通过理论和数值模拟,研究了泥岩膨胀产生的附加套管载荷,泥岩浸水范围不同、井周的地层参数不同对泥岩浸水膨胀后产生的附加载荷不同。泥岩浸水速度和最终浸水程度与临近层的压力有关,压力越高浸水速度和浸水范围越大,产生的膨胀载荷越大,在实际生产过程中应该控制不同产层之间的压力差,减小泥岩浸水导致套损情况发生。     

套管的随机可靠性设计方法

本文在分析了目前国内外各种套管设计方法的基础上,结合我国套管设计的现状和生产的实际 一种新的处理现场载荷变化和套管性能的方法。着重介绍了随机可靠性设计的基本原理、方法及随机可靠性分析方法和计算公式。