均匀腐蚀下油气井套管的强度及其寿命.pdf

研 究 石 油 化 工 腐 蚀 与 防 护 C o r r o s i o n ＆ P r o t e c t i o n i n P e t r o c h e mi c a l I n d u s t r y 2 0 1 0 ， 2 7 6 - 1 0 均匀腐蚀 下油气井套管 的强度及其寿命 慕立俊 ， 张 军 赵文轸 靖立君 陈 雷 1 ． 西安交通大学材料科学与工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 4 9 ； 2 ． 中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司， 陕西 西安 7 1 0 0 2 1 摘要 通过 公式推导研究 了 J 5 5套管在 均 匀腐蚀 下的抗拉 、 抗 外挤 以及 抗 内压 强度 ， 得 出 了天钢 套管和 西姆莱斯套管的抗拉 、 抗 外挤以及抗 内压 强度 变化规律 。提 出了力学和化 学共 同作 用下套管 寿命的计算方法， 并计算了天钢套管和西姆莱斯套管的服役寿命。 关键词 套管抗拉强度抗外挤强度抗 内压强度寿命 中图分类号 T E 9 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 0 1 5 X 2 0 1 0 0 6 0 0 1 0一 o 4 中国石油天然气股份有限公司长庆油 田分公 司 以下简称长庆油 田分公 司 油井套管的水含有 c l 一 ， s O i 一 ， C O ； 一和 H C 0 3-等多种腐蚀性离子， 这 些离子会引起非常严重 的腐蚀 J 。腐蚀作用 的 直接后果是降低了套管的强度， 导致油气井寿命降 低 ， 因此研究腐蚀条件下套管的抗拉强度、 抗外挤 强度及抗内压强度非常必要， 这将为套管寿命的预 测提供重要的依据。J 5 5套管是长庆油 田分公司 大量使用的套管， 故而研究 了均匀腐蚀条件下 J 5 5 套管的强度及寿命 。 1 均匀腐蚀对套管强度的影响 1 ． 1 均匀腐蚀套管的抗拉能力 为简化受轴 向拉伸载荷的套管模型， 以及公式 推导的复杂度 ， 特做以下几点假设 1 套管只受到轴 向外拉伸载荷 P的作用 ， 不 受其他任何外力和残余应力作用。 2 套管外围充满着大量的腐蚀介质， 而内部 不发生腐蚀 ， 即腐蚀单 向进行 ， 只是从外到内进行 腐蚀 ， 腐蚀为均匀腐蚀 ； 并假设当服役 腐蚀 时间 为t 时套管壁减薄量为h 。 3 不考虑力学化学作用的影响。 4 当外加应力小于屈服强度时， 套管的变形 量很小 ， 因此忽略拉伸变形引起的尺寸变化。套管 尺寸的变化只决定于腐蚀作用。 设套管受到轴 向拉力 P时 ， 其轴 向应力为 盯， 那么 POr S 0 7 『 R 一 r 。 设均匀腐蚀速率为 v ， 那么当套管腐蚀 ￡ 时间 后 ， 套管外径 R R 。 一 t i t ， 此时横截面积 S 仃[ R 。 一 一 r 2 ] ， 轴向外载的表达式为 POr S 仃 [ R o u ￡ 一r ] 1 套管服役条件是轴向应力小于材料屈服强度 ， 即 2 将 P or s 7 『 [ 一 一 r 2 ] 代人上式可得 P P ， 、 一 一 丽 or y 3 那么套管的抗拉载荷为 P Or S7 7 “0 “ [ R 0 一 一r 2 ] 4 上式为套管抗拉载荷与腐蚀速率之间的关系。 式 中 P 套管外加载荷 ， MP a ； ￡ 腐蚀时间， a ； 套管腐蚀量 ， mm； 腐蚀时间 t 后 的套管轴 向应力 ， M P a ； S 。 套管原始横截面积 ， m m ； R 。 凄 管原始外半径 ， mm； 卜 _ 套管内半径 ， mm； 腐蚀速率 ， m m ／ a ； R 腐蚀时间 t 后的套管外半径 ， m m； s 腐蚀时间 ￡ 后的套管横截面积 ， mm ； o r 套管屈服强度， M P a 。 对于天钢套管 ， 屈服强度 o r 4 0 8 MP a ， R 。 1 1 4 ． 3 ／ 25 7 ． 1 5 m m， r 1 0 1 ． 6 ／ 25 0 ． 8 m m， 将 们 0 ， 2 ． 1 2 ， 3 ． 1 7 5及 4 ． 2 3 m m分别代人 4 ， 可得无 腐蚀、 腐蚀 1 ／ 3 ， 1 ／ 2 及 2 ／ 3深度时套管的抗拉载荷 分别为 8 7 8 ． 2 ， 5 7 3 ． 5 ， 4 2 5 ． 5及 2 8 1 ． 7 k N。不 同腐 收稿 E t 期 2 0 1 0 0 4 2 2 ； 修稿 日期 2 0 1 0 0 9 2 7 。 作者简介 慕立俊， 男 1 9 6 9一 ， 汉 ， 高级工程师， 西安交通 大学材料学院在读博士。 、。 下 、 、 十 一 十 一 综一 第4期 慕立俊等． 均匀腐蚀下油气井套管的强度及其寿命 蚀深度下天钢套管的抗拉载荷见图 1 。 Z ， ＼ 撂 辩 腐蚀深度 ／ ra m 图 1 天钢套 管的抗拉载荷 对于西姆莱斯套管， 屈服强度 5 3 0 M P a ， Ro1 1 4． 3 ／ 25 7．1 5 mm ， r1 01 ． 6 ／ 2 5 0． 8 mm ， 将 v t 0 ， 2 ． 1 2 ， 3 ． 1 7 5及 4 ． 2 3 m m分别代人 4 ， 可 得无腐蚀 、 腐蚀 1 ／ 3 、 1 ／ 2及 2 ／ 3深度时套管的抗拉 载荷分别为 l 1 4 0 ． 8 ， 7 4 5 ， 5 5 2 ． 7和3 6 6 k N。不 同腐 蚀深度下西姆莱斯套管的抗拉载荷见图 2 。 腐蚀深度 ／ mm 图2 西姆莱斯套管的抗拉载荷 1 ． 2 均匀腐蚀套管的抗外挤能力 根据文献 套管抗挤强度的计算公式为 4 ． 3 6 凡 D ／ 6 5 e-v 式 中 P 套管计算挤毁压力 ， MP a ； P 。 套管计算外压失稳压力 ， M P a ； P 套管计算内表面屈服时压力 ， M P a ； E 材料弹性模量 ， MP a ； 套管屈服强度， M P a ； 泊松比； D 套管外径 ， m m； 套管壁厚 ， m m； 与套管生产工艺相关的常数。 对理想圆管 ， 取 而 D ／葫 6 D ／ 6 6 一 1 _ [ 一 1 ] P y 2 ． 2 5 c r ， 7 其中， 后的分 布很集 中 ， 主要 分布在 8 ． 3 1 8 ． 7 2， 该文 后取其平均值为 8 ． 5 2 。泊松 比取 0 ． 3 ， 弹性模量取 2 0 6 G P a 。 对于天钢套管 ， 屈服强度 6 4 0 8 MP a ， 将 D 1 1 4 ． 3 ， 1 1 O ． 0 6， 1 0 7 ． 9 5及 1 0 5 ． 8 4 mm， 以及 6 ． 3 5 ， 4 ． 2 3 ， 3 ． 1 7 5和2 ． 1 2 m m分别代人式 5 ， 可 得无腐蚀 、 腐蚀 1 ／ 3 ， 1 ／ 2及 2 ／ 3深度时套管的抗外 挤强度分别为 4 7 ， 2 O ． 4 ， 1 O ． 3和 3 ． 6 MP a 。不同腐 蚀深度下天钢套管的抗外挤强度见图3 。 矗 山 苫 ＼ 趟 强 畚 图3 天钢套管的抗外挤强度 对于西姆莱斯套管， 屈服强度 5 3 0 M P a ， 将 D1 1 4 ． 3 ， 1 1 0 ． 0 6， 1 0 7 ． 9 5及 1 0 5 ． 8 4 r a m， 以及 艿 6 ． 3 5 ， 4 ． 2 3 ， 3 ． 1 7 5和 2 ． 1 2 mm分别代人式 5 ， 可得无腐蚀、 腐蚀 1 ／ 3 ， 1 ／ 2 及 2 ／ 3 深度时套管的抗 外挤强度分别为 5 3 ． 6 ， 2 3 ． 3 ， 5 ． 9及 4 ． 2 M P a 。不 同腐蚀深度下西姆莱斯套管的抗外挤强度见图4 。 母 山 皇 ＼ 强 辖 腐蚀深度 ／ ram 图 4 西姆 莱斯 套管的抗外挤强度 石油化工腐蚀与防护 第2 7卷 1 ． 3 均匀腐蚀套管的抗内压能力 为简化受径向内压的套管模型 ， 以及公式推导 的复杂度， 特做 以下几点假设 1 套管为薄壁管 ， 管壁厚度为 6 ， 内半径为 r 。 文中 所用套管的管壁为6 ， 远小于r ， 因此薄壁 管假设成立。 2 套管只受到管内液体恒压 P的作用 ， 不受 其他任何外力和残余应力。 3 套管外围充满着大量的腐蚀介质 ， 而内部 不发生腐蚀， 即腐蚀单 向进行 ， 只是从外到内进行 腐蚀， 腐蚀为均匀腐蚀； 并假设当服役 腐蚀 时间 为 t 时套管壁减薄量为 。 4 不考虑力学化学作用的影响。 5 当外加应力小于屈服强度时， 套管的变形 量很小 ， 因此忽略内压引起的尺寸变化。套管尺寸 的变化只决定于腐蚀作用。 对管壁厚度为 8的薄壁管来说 ， 当套管受到内 压 P时， 管子所受周 向应力 为 。 1 - I ， 因此 当套管服役 腐蚀 t 时间后周向应力应为 O 8 一 ， 当 套 管屈服强度 时， 套管承载 的内 压为失效内压， 因此 由上式可得失效内压表达式 p 一 皇 二 r q 、 r 、 ／ 假设均匀腐蚀速率为 ， 那么当套管腐蚀 t 时 间后 ， 减薄量 hv t ， 即 P 1 O r 上式为套管抗内压强度与腐蚀速率 腐蚀深 度 之间的关系。 对于天 钢套 管， 屈服强 度 4 0 8 MP a ， 6 6 ． 3 5 mm， r 5 0 。 8 m m， 将 v t 0 ， 2 ． 1 2 ， 3 ． 1 7 5和 4 ． 2 3 mm分别代人 1 0 ， 可得 4寸半套管无腐蚀 、 腐蚀 1 ／ 3 ， 1 ／ 2及 2 ／ 3深度时套管 的抗内压强度分 别为5 1 ， 3 4 ， 2 5 ． 5及 1 7 M P a 。不同腐蚀深度天钢 套管的抗内压强度见图 5 。 对于西姆莱斯套管 ， 屈服强度 5 3 0 M P a ， 6 6 ． 3 5 m m， r 5 0 ． 8 mm， 将 v t 0 ， 2 ． 1 2 ， 3 ． 1 7 5和 4 ． 2 3 m m分别代人 1 0 ， 可得无腐蚀、 腐蚀 1 ／ 3 ， 1 ／ 2 及 2 ／ 3深度时套管的抗 内压强度分别为 6 6 ． 3 ， 4 4 。 1 和3 3 ． 1 及 2 2 ． 1 M P a 。不同腐蚀深度套管的 抗内压强度见图6 。 日 翟 ＼ 越 瞩 嚣 日 山 ＼ 暖 蜷 蠕 图 5 天钢套管的抗 内压强度 图6 西姆莱斯套管的抗内压强度 2 力学和化学共同作用下套管的寿命 均匀腐蚀和外载共 同作用时套管 的寿命可通 过三步计算得出。第一步 ， 先根据外压计算出剩余 壁厚 ； 第二步， 用原始壁厚减去剩余壁厚 即为可腐 蚀厚度； 第三步， 根据可腐蚀壁厚算出使用寿命。 6 0 6 1 1 垒 1 2 式中 6 。 可腐蚀厚度， m m； 6 。 原始厚度 ， m m； 一 剩余厚度 ， m m； u 腐蚀速率， m m／ ／ a ； 设 用寿命， a 。 式 1 2 为套管腐蚀寿命 的计算公式。 1 力学作用为轴向拉伸时套管的服役寿命 可依据式 4 ， 1 1 以及 1 2 计算而得。 2 力学作 用为径 向外挤时套管 的服役寿命 可依据式 5 ， 1 1 以及 1 2 计算而得。 第 4期 慕立俊等． 均匀腐蚀下油气井套管的强度及其寿命 1 3 天钢 1 1 4 ． 3 m m X 6 ． 3 5 mm套管受到 2 0 MP a 0 ． 8 m m x 1 0 0 0 m m x 1 0 m m x 2 5 0 0 r n m 外挤压力 时， 根据 5 可得l临界剩余 壁厚 为 4 ． 2 m m， 根据 1 1 可得允许腐蚀壁厚为 2 ． 1 5 m m， 洛河水 中天 钢在 3 5 ， 5 5 及7 5℃下的腐蚀速率分别为0 ． 0 7 6 6 ， 0 ． 1 6 3及 0 ． 7 5 5 m ／ n ／ a ， 代入 1 2 可得 3 5 ， 5 5和 7 5 ％下的寿命分别为 2 8 ， 1 3 ． 2 g i 2 ． 8年。 西姆莱斯钢 1 1 4 ． 3 m m x6 ． 3 5 mm套管受到 2 0 M P a 0 ． 8 F i l m1 0 0 0 IT l m1 0 m m 2 5 0 0 1 T i m 夕 挤 压力时 ， 根据 5 可得临界剩余 壁厚 为 4 ． 0 3 mm， 根据 1 1 可得允许腐蚀壁厚为 2 ． 3 2 m m， 洛河水 中西姆莱斯钢在 3 5 ， 5 5及 7 5℃下的腐蚀速率分别 为 0 ． 0 8 3 1 ， 0 ． 2 1 6及 0 ． 7 3 7 m m ／ a ， 代人 1 2 可得 3 5 ， 5 5和 7 5 c c下 的寿命 分别为 2 7 ． 9 ， 1 0 ． 7和 3 ． 1年 。 3 力学作用为径 向内压时套管的服役 寿命 可依据式 1 O ， 1 1 以及 1 2 计算而得 。 天钢 1 1 4 ． 3 ram X 6 ． 3 5 ram套 管 受到 3 5 MP a 井 口压力2 5 MP a n l O 0 0 m处水压 内压时 ， 根据 1 O 可得临界剩余壁厚为 4 ． 3 6 m m， 根据 1 1 可 得允许腐蚀壁厚为 1 ． 9 9 m m， 根据 1 2 可得 3 5 ， 5 5 和7 5 c c下的寿命分别为 2 6 ， 1 2 ． 2和 2 ． 6年。 西姆莱斯钢 1 1 4 ． 3 m m 6 ． 3 5 mm套管受到 3 5 MP a 井 口压力 2 5 M P a 加 1 0 0 0 m处水压 内压时 ， 根据 1 0 可得临 界剩余 壁厚 为 3 ． 3 5 m m， 根据 1 1 可得允许腐蚀壁厚为 3 mm， 根据 1 2 可得 3 5 ， 5 5和 7 5℃ 下 的寿命 分 别 为 3 6 ． 1 ， 1 3 ． 9和 4 ． 1 年。 3 结 论 1 天钢无腐蚀 、 均匀腐蚀 1 ／ 3 ， 1 ／ 2及 2 ／ 3深 度时套 管 的抗拉失 效载荷分别 为 8 7 8 ． 2 ， 5 7 3 ． 5 ， 4 2 5 ． 5及 2 8 1 ． 7 k N； 抗外 挤失 效强 度分 别为 4 7 ， 2 0 ． 4 ， 1 O ． 3和 3 ． 6 M P a ； 抗 内压失效强 度分别为 5 1 ， 3 4 ， 2 5 ． 5及 1 7 MP a 。 西姆莱斯套管的抗拉失效载荷分别为1 1 4 0 ． 8 ， 7 4 5 ， 5 5 2 ． 7和 3 6 6 k N； 抗 外 挤 失 效 强 度 分 别 为 5 3 ． 6 ， 2 3 ． 3 ， 5 ． 9及 4 ． 2 M P a ； 抗 内压失效强度分别 为 6 6 ． 3 ， 4 4 ． 1 ， 3 3 ． 1 及 2 2 ． 1 MP a 。 2 受到 2 0 M P a外挤压力时， 天钢 1 1 4 ． 3 m m x 6 ． 3 5 m m套管在 3 5 ， 5 5和 7 5℃下的寿命分别为 2 8 ， 1 3 ． 2和2 ． 8年 ； 西姆 莱斯钢 1 1 4 ． 3 mm x 6 ． 3 5 m l T l 套管的寿命分别为 2 7 ． 9 ， 1 0 ． 7和 3 ． 1年。 受到 3 5 M P a内压时 ， 天 钢 1 1 4 ． 3 mm6 ． 3 5 m m套管块在3 5 ， 5 5和 7 5℃下的寿命分别为 2 6 ， 1 2 ． 2和 2 ． 6年； 西姆莱斯钢 1 1 4 ． 3 m m x 6 ． 3 5 mm 套管的寿命分别为 3 6 ． 1 ， 1 3 ． 9和 4 ． 1年。 参考文献 1 慕立俊 ， 张军 ， 赵文 轸 ， 等． 气液双相 流条件下 H C O ； 对 J 5 5钢 腐蚀行为的影响[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 9 ， 2 9 7 1 0 2 2 张军， 赵文轸， 来维亚． H C O ；对 J 5 5钢腐蚀行为的影响[ J ] ． 材 料保护， 2 0 1 0 ， 4 3 2 2 6 3 张春 婉 ， 赵文轸 ， 张军 ， 等． J 5 5钢在 C 1 。 ／ HC O ；体 系中 的腐蚀 行为 [ J ] ． 腐蚀与 防护 ， 2 0 0 8， 2 9 1 1 6 7 0 4 申 昭熙 ， 冯 耀荣 ， 解 学东 ， 等． 外 压作 用下 套管 抗击 强度 研究 [ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 0 7 ， 3 6 1 1 5 5 单辉祖． 材料力学教程[ M] ． 第 2版． 北京 国防工业出版社 ， 1 9 9 6． 2 6 2 S t r e n g t h a n d S e r v i c e Li f e o f Ca s i ng u nd e r UI I i f o r m Co r r o s i o n Mu n ，Z h a n g J u n ，Z h a o We n z h e n ，rin g 7 z ，C h e n 1 。 S c h o o l o f M a t e r i a l S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i ty n ， S h a a n x i 7 1 0 0 4 9 2 ．P e t r o C h i n a C h a n g q i n g O i l F i e l d C o m p a n y X i “a n ， S h a a n x i 7 1 0 0 2 1 Ab s t r a c t T h e t e n s il e s t r e n g t h，c o l l a p s e s t r e n gth a n d b u r s t s t r e n g t h o f J 5 5 c a s i n g u n d e r u n i f o r m c o r r o s i o n a r e s t u d i e d b y f o r mu l a d e r i v a t i o n ．Th e l a w s a b o u t t e n s i l e s t r e n g t h ，c o l l a p s e s t r e n gth a n d b u r s t s t r e n gth o f J 5 5 e asi n g a r e d i s c o v e r e d ．T h e c a l c u l a t i o n me t h o d f o r s e r v i c e l i f e o f J 5 5 c a s i n g u n d e r t h e c o n d i t i o n s o f c o mb i n a t i o n e ffe c t o f me c h a n i c s a n d c h e mi s t r y i s d e d u c e d， a n d s e r v i c e l if e o f J 5 5 c a s i n g i s c alc ula t e d ． Ke y wo r d s c a s i n g，t e n s i l e s t r e n gth，c o l l a p s e s t r e n g t h，b u r s t s t r e n g t h，s e r v i c e l i f e