對油氣井油管、套管ISO新抗擠模型的研究

摘 要

摘要：在石油和天然氣行業(yè)中，油管、套管是油氣井生產(chǎn)中重要的設(shè)施，準(zhǔn)確地預(yù)測油管、套管抗擠強(qiáng)度能夠防止或減少油管、套管失效事故的發(fā)生。針對API 5C3計算精度偏低、對抗擠強(qiáng)
摘要：在石油和天然氣行業(yè)中，油管、套管是油氣井生產(chǎn)中重要的設(shè)施，準(zhǔn)確地預(yù)測油管、套管抗擠強(qiáng)度能夠防止或減少油管、套管失效事故的發(fā)生。針對API 5C3計算精度偏低、對抗擠強(qiáng)度影響因素考慮不全面等問題，API/ISO工作組修訂了現(xiàn)行API 5C3標(biāo)準(zhǔn)，給出了含制造缺陷(橢圓度、壁厚不均度、殘余應(yīng)力、制造微裂紋等)的抗擠新模型，從而大大提高了套管強(qiáng)度計算的科學(xué)性。研究中發(fā)現(xiàn)，IS0抗擠新模型并不適合所有尺寸套管強(qiáng)度的計算，當(dāng)前研究的成果與實際情況存在一定差異，這并非是ISO工作組要研究、修訂API 5C3的初衷。因此，建議后續(xù)研究者對ISO新模型進(jìn)行必要的修正或改進(jìn)，給出更可靠合理的計算模型。這要比單一用API 5C3設(shè)計油管、套管強(qiáng)度更合理，既避免了材料的浪費又能保證材料的安全可靠性。
關(guān)鍵詞：油管；套管；抗擠；ISO新模型；彈塑性力學(xué)
0 引言
    長期執(zhí)行的API 5C3:1994[1]擠毀壓力計算公式是基于1968年以前工業(yè)生產(chǎn)的K55、N80、P110套管進(jìn)行2488次擠毀試驗，用數(shù)學(xué)回歸方法得出的經(jīng)驗公式或修正的理論公式，依據(jù)D/t的不同有4個擠毀公式，而且存在不連續(xù)點，同時，API 5C8未考慮制造工藝、缺陷等對套管抗擠強(qiáng)度的影響。研究表明，套管的各種制造缺陷(橢圓度、壁厚不均度、殘余應(yīng)力等)對套管抗擠強(qiáng)度的影響顯著，不可忽視[2～4]。隨著套管制造工藝水平的不斷提高和制造質(zhì)量的顯著改進(jìn)，套管的制造缺陷已經(jīng)得到了嚴(yán)格的控制，大量全尺寸試驗證實，API標(biāo)準(zhǔn)套管的抗擠值比實物擠毀值低16%～30%[5～7]，在這種情況下，油管、套管設(shè)計中繼續(xù)采用API 5C3公式，在常規(guī)井中造成管材浪費，在三高(高壓、高產(chǎn)、高含H2S)氣井導(dǎo)致選擇套管難。API/ISO Collapse Sub-Team(美國石油學(xué)會/國際標(biāo)準(zhǔn)化組織套管擠毀工作組)認(rèn)識到這一問題的重要性，組織跨國研究、修訂現(xiàn)行API 5C3標(biāo)準(zhǔn)，編制并發(fā)布了ISO/TR 10400:2007標(biāo)準(zhǔn)即“石油天然氣工業(yè)—套管、油管、鉆桿和管線管公式計算標(biāo)準(zhǔn)”[7]，給出了油管、套管的抗擠新模型，即ISO抗擠新模型。ISO新模型將油管、套管的制造方法、熱處理、潛在的制造缺陷(橢圓度、壁厚不均度、殘余應(yīng)力、制造微裂紋及裂紋檢測確信度等)引入套管強(qiáng)度計算標(biāo)準(zhǔn)，從而大大提高了套管強(qiáng)度計算的科學(xué)性。
1 ISO抗擠新模型
    基于Tamano和Klever研究成果[3]，ISO 10400:2007標(biāo)準(zhǔn)給出了僅有外壓作用下油管、套管抗擠強(qiáng)度的設(shè)計方程，即ISO新抗擠模型[7]：
p=｛(pc+py)-[(pe-py)2+4pepyHt]1/2｝÷[2(1-Ht)]    (1)
py=ky×2fmin(t/D)[1+t/(2D)]                    (2)
pe=0.825×2E/[(1-v2)(D/t)(D/t-1)2]            (3)
Ht=0.127μov+0.0039μec-0.440(μrs/μfy)         (4)
式中：p為設(shè)計抗擠強(qiáng)度，MPa；pe為設(shè)計彈性強(qiáng)度，MPa；py為設(shè)計屈服強(qiáng)度，MPa；Ht為制造缺陷影響因子(見ISO/TR 10400:2007，P98)；ky為設(shè)計屈服強(qiáng)度折減系數(shù)(見ISO/TR 10400:2007，P98)；fmin為材料最小屈服強(qiáng)度，MPa；E為材料彈性模量，2.07×105MPa；υ為泊松比，0.28；D為名義直徑，mm；t為名義壁厚，mm；μec為壁厚不均度，%，μec=100×(tc max-tc min)/tc ave；μfy為材料的實際屈服強(qiáng)度，MPa；μov為橢圓度，%；μov=100(Dmax-Dmin)/Dave；μrs為殘余應(yīng)力，MPa。
2 ISO抗擠新模型與API 5C3擠毀公式計算對比
    圖1～4[8]為ISO抗擠新模型計算不同鋼級、不同幾何尺寸套管的設(shè)計抗擠強(qiáng)度值與API值及實物擠毀值的對比情況，縱坐標(biāo)為套管抗擠強(qiáng)度值(MPa)，橫坐標(biāo)為套管的外直徑與壁厚之比(D/t)，“套管擠毀值”表示套管試樣的實物擠毀值，API值表示用API 5C3擠毀公式計算的抗擠強(qiáng)度值，ISO值表示用ISO新模型計算的抗擠強(qiáng)度值。從圖1～4中可以得出以下認(rèn)識：
    1) 對于D/t＜8套管，API值小于ISO新模型的計算結(jié)果，D/t值越小抗擠強(qiáng)度差值越大。
    2) 對于8≤D/t＜21深井、超深井中常用的套管，ISO值明顯小于API值，并且顯著地小于實物擠毀值。大量全尺寸試驗已證實，API標(biāo)準(zhǔn)套管的抗擠值比實物擠毀值低16%～30%，API 5C3已不能準(zhǔn)確地預(yù)測套管實際抗擠強(qiáng)度，ISO新模型就更不適合用來設(shè)計8≤D/t＜21范圍內(nèi)套管的抗擠強(qiáng)度值，若采用ISO新模型設(shè)計油管、套管強(qiáng)度，將會導(dǎo)致管材的大量浪費。
    3) 對于21≤D/t套管，API值略小于ISO值，ISO值更接近實物擠毀值。ISO新模型考慮了制造缺陷等對抗擠強(qiáng)度的影響，更能體現(xiàn)油管、套管生產(chǎn)制造的實際情況，用ISO新模型設(shè)計此厚壁段的套管強(qiáng)度，要比采用API 5C3標(biāo)準(zhǔn)更合理。
    上述認(rèn)識2)已不是ISO當(dāng)時要研究、修訂API 5C3:1994標(biāo)準(zhǔn)的初衷，國際上一些大石油公司曾提出套管實際抗擠強(qiáng)度值要比API值高得多，要求提供可靠的計算模型。ISO工作組對這一認(rèn)識和要求進(jìn)行了研究，當(dāng)前研究成果與實際存在著較大差異。
3 結(jié)論
    1) ISO/TR 10400:2007給出了考慮橢圓度、壁厚不均度、殘余應(yīng)力、制造方法、熱處理等對套管抗擠強(qiáng)度影響的計算新模型，從而大大提高了套管強(qiáng)度計算的科學(xué)性，對改善油管、套管設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。
    2) API 5C3依據(jù)D/t的比值不同而有4個公式，且計算時需要查表然后選擇合適的公式，比較繁瑣；而ISO新模型是一條連續(xù)曲線，不需要查表，使用更加便捷。
    3) 對于D/t＜8特厚壁套管和D/t≥21的套管，ISO值略高于API值，更接近實物擠毀值，用ISO新模型設(shè)計此厚壁段的套管強(qiáng)度，更能體現(xiàn)油管、套管生產(chǎn)制造的實際情況，比用API 5C3標(biāo)準(zhǔn)更合理。
    4) 對于8≤D/t＜21的套管，ISO值低于API值，顯著低于實物擠毀值，ISO新抗擠模型不適合此壁厚段套管的抗擠強(qiáng)度設(shè)計，建議對ISO新模型進(jìn)行必要修正或改進(jìn)，給出更可靠、合理的計算模型，這要比單一用API 5C3標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計油管、套管更合理，既能避免材料浪費又能保證材料的安全可靠性。
參考文獻(xiàn)
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[2] TAMANO T，MIMAKI T，YANAGIMOTO S.A new casing[R].Kanagawa，Japan：R＆D Products Laboratories，Nippon Steel Corp，July 1985.
[3] KLEVER F J，TAMAN0 T.A new OCTG strength equation for collapse under combined loads[C].SPE 90904.
[4] 韓建增.套管抗擠強(qiáng)度研究[D].南充：西南石油學(xué)院，2001.
[5] JU G T.A reliability approach to the design of OCTG tubular against collapse[C].SPE 48332.
[6] ADAMS A J，PAYNE M L. On the calibration of design collapse strengths for quenched and tempered pipe[R].SPE 85112.
[7] ISO/TR 10400 1st.Petroleum and natural gas industries-Formula and calculation for casing，tubing，drill pipe and line pipe properties for use in downhole applications[s]. Geneva：The International Organization for Standardization，December 15，2007.
[8] 孫永興.油套管抗內(nèi)壓抗擠強(qiáng)度研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2008.
 
(本文作者：孫永興1，2 林元華2 施太和2 王忠生1 李欽道1 張攀峰3 張果1 張光華2 1.川慶鉆探工程公司鉆采工藝技術(shù)研究院博士后科研工作分站；2.石油管力學(xué)和環(huán)境行為重點實驗室西南石油大學(xué)；3.中國石化勝利油田渤海鉆井總公司)