塔里木井筒完整性评价方法(编辑修改稿)

塔里木井筒完整性评价方法(编辑修改稿)内容摘要：

钻杆接箍外圆半径，m；—套管内圆半径，m。 由图中的几何关系，几何磨损面积为：A=x1x2r2x2+k+R2x2dx 式中：、分别为两圆的交点，可根据两圆的方程求得。 则套管磨损后的剩余壁厚为：t0=t+Rrk （22）根据截面总磨损面积，求取值。 即：ηHNμπDn=x1x2r2x2+k+R2x2dx （23）上式可通过迭代法求出k值，带入原式，求得剩余壁厚t01) 内壁磨损套管环向应力分析如下图所示，在外来压力条件下，套管壁环向应力分布为： 图27 外来压力条件下套管壁环向应力分布于是我们可以得到：σϕ=2p0b2a2+b2b2c22a2a+2ccosϕ2a2+b2c24a2b2式中，b=D2 a=bt+t’2 c=(tt39。 )/22) 内壁磨损后套管剩余抗挤强度上文中我们已经提到，套管磨损一般为非均质磨损，其形式主要为月牙形磨损。 磨损套管截面下图所示，阴影重叠部分是月牙形磨损部分。 由于该部位壁厚最薄，且存在较大不圆度和壁厚不均度等几何缺陷，当均匀外挤压力作用于套管时，将产生附件弯矩，形成应力集中区，进而出现屈服。 图28套管月牙形磨损模型上图中，D为实际套管平均外径，mm；d为未磨损套管内径，mm；t为实际套管平均壁厚，mm；tm为套管不均匀磨损量，mm。 套管受到磨损，会产生各种形状的几何缺陷，磨损套管的抗挤强度可看作是由几何缺陷所产生的。 抗挤强度最终极限状态公式，有： （21）其中： （22） （23），限制条件。 式中，Dave、Dmax、Dmin：分别为套管的平均外径、最大外径、最小外径，mm；tave、tmax、tmin：分别为套管的平均壁厚、最大壁厚、最小壁厚，mm；ε：不均度，无因次；hn：应力—应变曲线形状因子，是从挤毁测试数据获得的经验值。 一般取0，在加工生产不好的情况下，及检测其应力—应变曲线弹性到塑性为圆弧过渡，；φ：不圆度，无因次。 对于均匀磨损套管，可直接采用套管磨损后的剩余壁厚t和径厚比D/t利用挤毁方程式进行计算。 对非均匀磨损套管，由其挤毁机理可知，壁厚不均度和内壁不圆度的增加是磨损套管抗挤强度降低的主要原因。 因此，可将磨损视为套管缺陷对其抗挤强度进行计算。 根据套管非均匀磨损特征，可将非均匀磨损套管简化为一个具有内壁不圆度套管模型和包含壁厚不均度的套管模型的叠加。 将磨损部位扩展为椭圆，可反映内壁不圆度对套管的抗挤性能的影响。 D为实际套管平均外径，d为未磨损套管内径，t为实际套管平均壁厚，tm为套管不均匀磨损量，由套管外壁不圆度可以转换到内壁不圆度，即： （24）套管磨损后，有：dmax=d+tm，dmin=d，d=D2t，代入上式，最后得到： （25）将磨损部位扩展为偏心圆，使之成为偏心圆筒，该模型反映了壁厚不均度对套管抗挤性能的影响。 可得套管不均匀磨损后的壁厚不均度为： （26）套管磨损后，平均外径和平均壁厚都有变化，则有： （27）从而可得到非均匀磨损套管抗挤强度综合影响系数Hult，然后可求得磨损后的套管抗挤强度。 此推导式考虑了非均匀磨损对套管抗挤强度的影响，同时考虑了残余应力等初始缺陷对抗挤强度的影响。 为了与试验结果对比，模型尺寸直接取自试验套管，分别用代号CC2和C3表示，钢级为CS110T，抗拉强度910MPa，105MPa。 根据理论计算模型，得到下表中的套管磨损后抗挤强度比较。 表中数据是由磨损后的套管抗挤强度计算模型与水压试验结果的比值，其中残余应力取值为200MPa，两者的相对误差在5%以内，计算结果很接近试验值。 本算法综合考虑了磨损和制造缺陷对套管抗挤强度的影响，可以较准确预测含磨损缺陷套管的抗挤强度。 表23三种套管磨损后的抗挤强度编号平均外径（mm）平均内径（mm）磨损厚度（mm）屈服强度（MPa）试验抗挤强度（MPa）本文的算法（MPa）相对误差（%）C1880C2850C38253) 磨损对套管抗内压强度的影响 （211）其中，dwall=D2kwallt。 套管的抗内压强度与壁厚的允许误差因子kwall有关。 套管的磨损一般大多为月牙形磨损，与磨损对套管抗挤强度的影响分析相同，考虑套管的内壁不圆度、壁厚不均度和残余应力的影响，则可将允许误差因子kwall与包含套管内壁不圆度、壁厚不均度和残余应力的综合影响系数Hult等效。 根据上节中的综合影响系数Hult计算方法，则有： （212）式中，tm：套管的磨损厚度，mm。 推导的磨损后套管抗内压强度计算模型需要试验数据加以验证。 下表24是套管不磨损时，即，用此公式与API套管抗内压强度的比较。 其中K55等级套管的残余应力取为100MPa，N80为150MPa，P110为200MPa。 不考虑套管的磨损，所计算的套管抗内压强度值与API值误差很小。 表24几种套管抗磨损后的抗内压强度套管等级外径（mm）壁厚（mm）API（MPa）本文的算法（MPa）N80P110为了得出磨损长度和磨损深度对套管的抗内压强度的影响，本节利用有限元软件建立了磨损套管的三维有限元实体模型，模拟分析存在月牙形磨损缺陷时套管的应力分布情况，进而得出磨损套管的抗内压强度与各影响因素间的量化关系。 作者拟从以下两个方面研究月牙形磨损缺陷对套管抗内压强度的影响规律：（1）磨损长度对月牙形磨损套管抗内压强度的影响规律；（2）磨损深度对月牙形磨损套管抗内压强度的影响规律。 数值模拟计算的套管类型为P110，屈服强度为758MPa，1011Pa，。 为了得到套管在不同缺陷深度和不同缺陷长度下的抗内压强度，缺陷深度分别取为1mm、2mm、3mm和4mm四种情况、缺陷长度取25mm、50mm、75mm、125mmm、175mm、200mm、225mm、250mm和300mm。 考虑到套管的对称性，取整个套管的1/2作为数值模拟的计算模型，单元类型：采用轴对称四边形实体单元Solid95。 1) 月牙形磨损缺陷长度对套管抗内压强度的影响规律由数值模拟计算的结果（图29）可知：在缺陷深度一定时，含月牙形磨损缺陷套管的抗内压强度与缺陷长度呈多项式关系分布。 随着磨损缺陷长度的增加，抗内压强度减少，最终接近一个下限值；并且当缺陷长度达到某一定值时，即磨损缺陷长度超过300mm后套管抗内压强度的改变量将发生很小的变化。 图29 月牙形磨损缺陷长度对套管抗内压强度的影响2) 月牙形磨损缺陷深度对套管抗内压强度的影响规律 当套管的磨损长度一定时，随着套管磨损深度的增加套管的抗内压强度有较大的下降，结果如图210所示。 图210 月牙形磨损缺陷深度对套管抗内压强度的影响下面，图211图226为不同磨损程度时，套管在内压作用下达到材料的屈服应力时的von Mises应力云图。 图211 磨损长度50mm磨损深度1mm 图212 磨损长度50mm磨损深度2mm 图213 磨损长度50mm磨损深度3mm 图214 磨损长度50mm磨损深度4mm 图215 磨损长度75mm磨损深度1mm 图216 磨损长度75mm磨损深度2mm 图217 磨损长度75mm磨损深度3mm 图218 磨损长度75mm磨损深度4mm 图219 磨损长度175mm磨损深度1mm 图220 磨损长度175mm磨损深度2mm 图221 磨损长度175mm磨损深度3mm 图222 磨损长度175mm磨损深度4mm 图223 磨损长度200mm磨损深度1mm 图224 磨损长度200mm磨损深度2mm 图225 磨损长度200mm磨损深度3mm 图226 磨损长度200mm磨损深度4mm3套管腐蚀机理及套管腐蚀后剩余厚度剩余强度计算在高温高压高酸性气田中, 油井管局部腐蚀或点蚀会产生应力集中, 降低油井管强度, 严重时会发展成穿孔泄漏。 套管腐蚀的根源涉及套管本身，与套管接触的活性戒指和腐蚀条件。 而塔里木的很多油气田都属于高温高压高腐蚀性油气田，地下情况复杂，容易对套管造成腐蚀。 为了套管在钻井采油作业过程中保持完整性，只有追根溯源，才能预防和及时的补救，所以对套管的腐蚀机理分析具有一定的必要性。 套管本身是由含Fe原子的金属构成的，由于Fe原子失去电子便成为Fe2+离子而与介质发生去极化反映，一般地，优质套管不容易发生腐蚀，而劣质套管或者薄弱部分腐蚀较快。 就介质而言，原油中含硫，天然气中含CO2和H2S，地层水中含各种盐类离子和结垢，溶解氧等，它们均以离子形式长期操作用于套管外表面，与套管中的Fe或Fe2+发生反应而腐蚀套管体。 腐蚀条件包括一定的温度，压力，Fe2+浓度及地层水中存在还原菌等，大多与硫酸盐还原菌的作用有关[5]。 金属和它所处的环境介质之间发生化学或电化学作用而引起金属的变质或损坏称为金属的腐蚀。 油气井钻井生产过程中的套管腐蚀机理可以归纳为以下类型：1）、化学腐蚀2）、电化学腐蚀3）、环境断裂和应力腐蚀4）、流动诱导腐蚀和冲刷腐蚀。 1) 化学腐蚀金属的化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生的纯化学反应，电子的传递是在金属与氧化剂之间快速完成的，没有产生腐蚀电流。 化学腐蚀的一个例子是金属表面腐蚀保护膜，所谓不锈钢的本质是可生产致密、附着牢固的保护膜屏蔽层。 但是大部分碳钢和低合金钢化学腐蚀保护膜疏松和附着力低，不能起到保护作用。 自然界和工程技术中很少会有纯粹的化学腐蚀，腐蚀几乎都是电化学性质的。 2) 电化学腐蚀钢材与水、二氧化碳、硫化氢等介质接触时，金属在空气中已生成的保护性氧化膜会溶解在电解质溶液中。 钢材是良导电体，当白金属露出后，金属作为电的良导体与溶液作为离子的良导体组成了一个回路。 带正电荷的铁离子趋向于溶解在电解质溶液中，生成铁盐。 电子趋向于聚集在金属端，形成一定的电位差，使电子流向溶液。 这是一个氧化反应过程，称为阳极反应，金属端称为阳极区。 另一方面，进入溶液中的电子与氢离子结合，生成氢分子，这是一个还原反应过程，称为阴极反应，溶液端称为阴极区。 在有氧环境中，生成氢氧根。 铁原子以铁离子形式进入溶液，并以Fe2O3•（H2O）x、FeSx、Fe2CO3等形式存在。 腐蚀产物可能在金属表面沉积，形成保护膜。 保护膜的稳定性决定了腐蚀是继续还是受抑制。 如图：图31 电化学腐蚀电化学腐蚀可以表现为均匀腐蚀和局部腐蚀两种形式。 电化学腐蚀发生在整个金属表面，就称为均匀腐蚀。 目前的腐蚀预测软件也主要是针对均匀电化学腐蚀开发的，均匀腐蚀较容易预测和预防，例如增加壁厚，留有腐蚀余量。 外加电场的阴极防护也主要是针对均匀腐蚀的。 可以看出，均匀腐蚀不属于严重的腐蚀工况。 因此以下将重点讨论局部腐蚀。 电化学腐蚀发生在局部的点或区域，称为局部腐蚀。 有两类边界接触条件会引起或加速局部电化学腐蚀：（1）电位能级差较大的两种金属间有电解质溶液，或直接接触并浸没在电解质溶液中，会产生电位差腐蚀，或称电偶腐蚀。 （2）金属内部缺陷或缝隙暴露在电解质溶液中会引起局部电化学腐蚀。 上述边界条件衍生的电化学腐蚀会引起局部腐蚀穿孔或断裂。