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1、第26卷第2期天然气工业钻井工程3油气井套管CO2点状腐蚀剩余强度分析11221234石晓兵陈平徐进蒋祖军聂荣国秦晓庆王大勋赵大鹏(1.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学2.中国石化西南石油局3.重庆科技学院4.中国石油西南油气田分公司)石晓兵等.油气井套管CO2点状腐蚀剩余强度分析.天然气工业,2006,26(2):95297.摘要在高温高压含CO2油气井中,套管腐蚀是相当严重的,CO2腐蚀以点状(坑状)腐蚀为主,腐蚀的形状大多呈球窝形。为此,文章建立CO2点蚀模型,以点蚀后套管的剩余
2、强度为出发点,应用弹塑性有限元方法分析了点蚀套管的抗挤强度、抗内压强度、抗拉强度的变化。同时运用无因次分析和曲线拟合方法,建立了点蚀套管无因次剩余强度与套管点蚀无因次形状参数之间的关系曲线以及拟合曲线。有限元程序的计算结果与试验结果具有良好的一致性。结果表明,点蚀套管强度剩余的百分数并不正比于套管剩余壁厚百分数,剩余强度曲线呈降—稳—降三段式变化。由多腐蚀点干扰分析发现,多腐蚀点同时存在时,应力分布及其大小与单腐蚀点情况相差不大。主题词钻井气井套管腐蚀剩余强度有限元方法一、物理模型由实验和现场资料可知,套
3、管点蚀出现的点蚀坑一般呈球窝形,点蚀套管模型可以用球切取无缺陷套管得到(见图1、2),套管各种特性的定义:主要有:套管壁厚(t)、外径(Ro)、内径(Ri)、腐蚀半径(Rw)、腐蚀深度(d),腐蚀幅度(a)。剩余强度:指套管腐蚀后余留的强度,包括抗拉强度(T)、抗挤强度图2模型侧视图(Po)和抗内压强度(Pl)。无因次剩余强度:剩余强度与无缺陷套管对应强度的比值包括抗拉强度二、有限元模型(TD)、抗挤强度(PDO)和抗内压强度(PDI)。无因次有限元分析采用的是四面体和六面体等参3D单腐蚀深度:腐蚀深度(
4、d)与套管壁厚(t)的比值元,在腐蚀点附近采用局部加密方法以提高腐蚀点附近(dD)。其中腐蚀幅度可由其他参数表示出来,即:应力求解的精度,由问题的对称性将腐蚀套管沿轴线剖2222(Ro-Rw)(Rw-d)-d分为长度为0.3m的1/2体,如图3。约束条件:上边界a=2Rw-(1)2(Ro-Rw+d)轴向铰支约束,剖分边界法向铰支约束,中面两端边界切向铰支约束(限制套管的刚体位移)。本构关系为弹性理想塑性模式,套管变形为弹性阶段—塑性阶段和塑性流动阶段。屈服准则采用vonMises屈服准则。单点腐蚀套管的有
5、限元模型如图3所示。三、力学特性分析图1模型俯视图(1)轴向载荷的影响。轴向拉力载荷作用下套3本文系西南石油大学与中国石化西南分公司合作科研项目“川西地区须家河组气藏完井技术研究”的部分内容,同时得到西南石油大学“石油工程测井”四川省重点实验室的资助。作者简介:石晓兵,1967年生,副教授,博士;从事石油工程教学与科研工作。地址:(610500)四川省成都市新都区。电话:(028)83032734。E2mail:shixbyy@163.com·95·钻井工程天然气工业2006年2月力降低,这种降低是非线性
6、的。四、剩余强度随点蚀深度变化规律分析上面对腐蚀套管的力学特性进行了分析,下面将以套管腐蚀后的剩余强度出发,结合有限元的分析结果,对腐蚀套管剩余强度进行强度评价,以揭示套管强度随腐蚀的变化规律。经分析可知,影响套管强度的主要因素使腐蚀的深度(腐蚀幅度影响不图3腐蚀套管的有限元模型大,腐蚀幅度改变10%,强度变化在1.5%左右)。这里从腐蚀深度出发加以研究。点蚀影响下套管的管将在腐蚀缺陷处发生应力集中,轴向拉力载荷在强度分为实际强度和无因次强度,所用参数为:套管还没有达到抗拉强度时,套管就已经屈服,在应力集
7、外径177.8mm,壁厚9.19mm,刚级N80,强度变化中区域以外,套管的应力变化不大;应力集中的影响曲线见图4、5。范围不大,只产生局部应力集中,当最大VonMises应力超过屈服极限时,在腐蚀区域附近形成小范围的塑性区,塑性区沿径向分布。(2)内压载荷的影响。当套管承受内压时,应力集中也发生在腐蚀缺陷附近,只是当最大VonMi2ses应力超过屈服极限时,在腐蚀区域附近形成的塑性带沿轴向分布,在径向出现一个低应力区。(3)外挤载荷的影响。套管承受外压后的应力分布与承受内压的应力分布基本相同,塑性区域的
8、图4点蚀影响下套管的强度变化曲线大小也相差不大,但最大VonMises应力稍微有所差别,这和无缺陷套管是不同的。说明缺陷的存在已经改变了套管的力学特性。(4)双轴应力的影响。对于内压和轴向拉力载荷同时存在的情况,在轴向拉力载荷的影响下,最大VonMises应力减小,屈服内压增加,说明在轴向拉力载荷的影响下套管承受内压的能力会有所增强,这同无缺陷现套管一样。对于外挤压力和轴向拉力载荷同时存在的情况,可以得出,轴向拉力的影响使得图
