对油气井油管、套管ISO新抗挤模型的研究.pdf

天然气工业 2 0 0 9 年 1 2 月 对油气井油管、 套管 I S O新抗挤模型的研究 孙永兴 林元华。 施太和 王忠生 李钦道 张攀峰。 张 果 张光华。 1 ． 川庆钻探工程公 司钻采工艺技术研究院博士后科研工作分 站 2 ． 石油管力学和环境行为重点实验室 西南石油大学 3 ． 中国石化胜利油 田渤海钻井总公司 孙永兴等． 对油气井油管、 套管 I S O新抗挤模型的研究． 天然气工业， 2 0 0 9 ， 2 9 1 2 3 2 3 4 ． 摘 要 在石油和天然气行业 中， 油管、 套管是 油气井生产 中重要 的设 施， 准确地 预测油管、 套管抗挤强度能 够防止或减少油管 、 套管失效事故的发 生。针对 AP I 5 C 3计算精度偏低 、 对抗挤强度影响 因素考 虑不全 面等问题， AP I ／ I S O工作组修订 了现行 A P I 5 C 3 标准 ， 给出 了含制造缺 陷 椭 圆度 、 壁 厚不均度 、 残余应力 、 制造微裂纹等 的 抗挤新模 型， 从而大大提高 了套管强度计算 的科 学性 。研 究中发现 ， I S O抗挤 新模 型并不适合所有尺寸套管强度 的计算， 当前研究的成果与实际情况存在一定 差异 ， 这 并非是 I s 0工作组要研究、 修 订 A P 1 5 C 3的初衷。 因此 ， 建 议后续研 究者对 I s 0新模型进行必要的修正或改进 ， 给出更 可靠合理的计算模型。这要比单 一用 A P I 5 C 3设 计油 管、 套管强度 更合理 ， 既避免 了材料的浪费又能保 证材料 的安全可靠性。 关键词 油管 套管 抗挤 I S O新模 型 弹塑性力学 D0I 1 0 ． 3 7 8 7 ／ ． i s s n ． 1 0 0 0 0 9 7 6 ． 2 0 0 9 ． 1 2 ． 0 1 0 O 引言 长 期 执行 的 AP I 5 C 3 1 9 9 4 _ 】 挤毁 压 力 计 算 公 式 是基 于 1 9 6 8年 以前 工 业 生产 的 K5 5 、 N8 0 、 P 1 1 0 套 管进行 2 4 8 8次挤毁试 验 ， 用数学 回归方 法得 出的 经验公 式 或 修 正 的理 论公 式 ， 依 据 D／ t 的不 同有 4 个挤毁公 式 ， 而 且存 在 不 连 续 点 ， 同 时 ， AP I 5 C 3未 考虑制造 工 艺 、 缺 陷等 对套 管 抗 挤 强度 的影 响 。研 究表明， 套管的各种制造缺陷 椭 圆度、 壁厚不均度 、 残余 应力 等 对 套 管抗 挤 强 度 的 影 响 显 著 ， 不 可忽 视 _ 2 。 ] 。随着套管 制造 工 艺 水 平 的不 断 提 高 和 制造 质量 的显著 改进 ， 套 管 的 制造 缺 陷 已经得 到 了严 格 的控制 ， 大量全 尺寸试验 证实 ， AP I 标准 套管 的抗 挤 值比实物挤毁值低 1 6 ～3 0 t s - 7 3 ， 在这种情况下， 油管、 套管设计中继续采用 AP I 5 C 3公式 ， 在常规井 中造成管材 浪 费 ， 在三 高 高 压 、 高 产 、 高含 H S 气 井 导致 选 择 套 管 难 。A P I ／ I S O C o l l a p s e S u b T e a m 美 国石油 学 会／ 国际 标准 化 组织 套 管 挤 毁工 作 组 认识 到这一 问题 的重要性 ， 组织 跨 国研究 、 修 订 现行 AP I 5 C 3标 准 ， 编 制 并 发布 了 I S O／ T R 1 0 4 0 0 2 0 0 7 标 准 即“ 石 油 天 然气 工 业一套 管 、 油管 、 钻 杆 和 管 线 管公 式计算 标 准 ” ， 给 出 了油 管 、 套管 的抗 挤 新模 型 ， 即 I S 0抗挤新 模型 。I S 新 模 型将油 管 、 套 管 的 制造 方法 、 热 处理 、 潜 在的制 造缺 陷 椭 圆度 、 壁 厚不 均度、 残余应力、 制造微裂纹及裂纹检测确信度等 引入 套管 强 度计 算 标 准 ， 从 而大 大提 高 了套 管强 度 计算 的科 学性 。 1 I S o抗 挤 新模 型 基 于 Ta ma n o 和 Kl e v e r研 究 成 果 _ 3 ] ， I S O 1 0 4 0 0 2 0 0 7标准 给 出了仅 有 外压 作用 下 油 管 、 套 管 抗挤强 度的设计 方程 ， 即 1 S O新抗挤 模型 ] P一 { P 一[ 户 一P 4 p 。 P H， ] [ 2 1 一 H， ] 1 P 一 k 2 f ⋯ ／ D [ 1 f ／ 2 D ] 2 P 一 0 ． 8 2 52 E ／ E 1 ～ 。 D／ t D／ ￡ 一 1 ] 3 H 0 ． 1 2 7 ff 。 0 ． 0 0 3 9 ff 一 0 ． 4 4 0 ff ／ ff f 4 式 中 P为设计抗挤 强度 ， MP a ； P 为设 计 弹性 强度 ， *本文受到 国家“ 新 世纪 优 秀人才 支持计 划” 编号 NC E T 一 0 8 0 9 0 7 和 四川 省杰 出青年 学科 带 头人 培养 基金 编号 0 6 Z Qo 2 6 0 2 8 的资助。 作者简介 孙永兴 ， 1 9 7 7年生， 博士 2 0 0 8年毕业于西南石油大学并获博士学位； 主要从事酸性油气 田油管 、 套管设计研 究工 作。地址 6 1 8 3 0 0 四川 I 省广汉市钻采工艺技术研究院钻完井设计中心 。电话 0 8 3 8 5 1 5 2 0 7 6 。E - ma i l y o h a n c e 1 6 3 ． C O rn 3 2 第 2 9 卷第 1 2 期 天然气工业 MP a ； P 为设计屈服强度 ， MP a ； H， 为制造缺陷影响 因子 见 I S O／ TR 1 0 4 0 0 2 0 0 7 ， P 9 8 ； k 为 设计 屈 服 强度折 减系 数 见 I S O／ TR 1 0 4 0 0 2 0 0 7 ， P 9 8 ； f m 。 为 材 料最小 屈 服 强 度 ， MP a ； E 为材 料 弹 性模 量 ， 2 ． O 7 1 0 MP a ； 为泊 松 比 ， 0 ． 2 8 ； D 为名 义 直 径 ， mm； t 为名义 壁 厚 ， mm； 为壁 厚 不 均 度 ， ， 一 1 0 0 ￡ 一t ⋯ ／ t ⋯ ； ff f 为材 料 的实际 屈服 强度 ， MP a ； 。 为椭 圆度 ， ； 。 一1 0 0 D⋯D ⋯ ／ D ； 为残 余应 力 ， MP a 。 2 I S o抗挤新模 型与 AP I 5 C 3挤毁公 式计算对 比 图 1 ～4 l 8 为 I S 抗 挤 新模 型计 算 不 同钢 级 、 不 同几 何尺 寸套 管的设 计抗 挤强度 值 与 AP I 值 及实 物 挤毁 值 的 对 比 情 况 ， 纵 坐 标 为 套 管 抗 挤 强 度 值 MP a ， 横 坐 标 为套 管 的外 直 径 与壁 厚 之 比 D／ t ， l 20 8 0 40 O 5 l O l 5 2O 2 5 3O 3 5 4 0 套 管的外 直 与罐 厚之 比 图 1 J 5 5 、 K5 5套管挤毁数据与 A P I 值 、 I S O值 对比关系图 图 2 N 8 0套管挤 毁数 据与 AP I 值、 I S O值对 比关 系图 图 3 P 1 1 0套管挤毁数据与 A P I 值 、 I S O值对比关系图 一 2 4 O 2 0 0 1 6 0 耄1 2 o 羹s o 4 O O 3 0 套管的外直径与壁 厚之 比 图 4 Q 1 2 5套管挤毁数据与 A P I 值、 I S O值对 比关 系图 “ 套 管挤 毁值 ” 表 示 套 管试 样 的实 物 挤 毁 值 ， AP I 值 表示 用 AP I 5 C 3挤毁 公 式 计 算 的 抗 挤 强 度 值 ， I S O 值表 示用 I s O新 模 型计算 的抗 挤强 度 值 。从 图 1 ～ 4中可 以得 出以下认识 1 对 于 D／ t 8套管 ， AP I 值 小 于 I S O新 模型 的 计算 结果 ， D／ t 值 越小 抗挤强 度差值 越 大 。 2 对 于 8 ≤ D／ t 2 1深 井 、 超 深 井 中 常用 的套 管 ， I S O值 明显小 于 AP I 值 ， 并且显 著地 小 于 实物挤 毁值 。大量全 尺 寸 试 验 已证 实 ， AP I 标 准 套 管 的抗 挤值 比实 物挤 毁值 低 1 6 ～3 O ， AP I 5 C 3已不 能 准确 地 预测套 管 实 际抗 挤 强度 ， I S O 新 模 型 就更 不 适合 用来 设计 8 ≤ D／ 2 1范 围 内套 管 的抗 挤 强度 值 ， 若采 用 I S O新 模 型设 计 油 管 、 套 管 强度 ， 将会 导 致 管材 的大量 浪 费 。 3 对 于 2 1 ≤ D／ t 套 管 ， AP I 值 略 小 于 I s o 值 ， I S O值更 接近 实物 挤 毁值 。I S O 新 模 型考 虑 了制造 缺 陷等对 抗挤 强度 的影 响 ， 更 能体 现 油 管 、 套 管 生产 制 造 的实际情 况 ， 用 I S O 新 模 型设 计 此 厚 壁 段 的套 管 强度 ， 要 比采用 AP I 5 C 3标准更 合理 。 上述 认 识 2 已不 是 I S O 当时 要 研究 、 修 订 AP I 5 C 3 1 9 9 4标 准 的初衷 ， 国际上 一些 大 石 油公 司曾提 出套管 实际抗 挤 强度 值 要 比 AP I 值 高得 多 ， 要 求 提 供 可靠 的计算 模 型 。I S O 工作 组 对 这一 认识 和要 求 进 行 了研究 ， 当前 研究成 果 与实际存 在着 较大 差异 。 3 结论 1 I S O／ TR 1 0 4 0 0 2 0 0 7给 出 了考 虑 椭 圆 度 、 壁 厚 不均 度 、 残 余 应 力 、 制 造 方 法 、 热 处 理 等 对 套 管 抗 挤强度影响的计算新模型， 从而大大提高了套管强 度 计算 的科 学性 ， 对改 善油 管 、 套 管 设计 提 供 了重 要 的参 考 依据 。 2 AP I 5 C 3依 据 D／ t的 比值 不 同 而 有 4个 公 式 ， 且计 算 时需 要查 表然 后选 择合 适 的公式 ， 比较 繁 琐 ； 而 I s O新模 型 是一 条 连 续 线 ， 不 需 要 查 表 ， 使 33 天然气工业 2 0 0 9 年 1 2 月 用更加 便捷 。 3 对 于 D／ t 8特 厚壁 套管 和 D／ t ≥ 2 1的套 管 ， I S O值略高于 A P I 值， 更接近实物挤毁值 ， 用 I S O新 模型设计 此厚壁段 的套管 强度 ， 更能 体 现油管 、 套 管 生产制造 的实际情 况 ， 比用 AP I 5 C 3标准更合 理 。 4 对 于 8 ≤ D／ t 2 1的套 管 ， I s o 值 低 于 AP I 值 ， 显著低 于实物挤 毁值 ， I s 新抗 挤模 型 不适 合此 壁 厚段套管 的抗 挤强 度设 计 ， 建 议 对 I S O 新 模 型进 行 必要修正 或 改进 ， 给 出更 可靠 、 合 理 的计 算 模 型 ， 这要 比单一用 AP I 5 C 3标准设计油管、 套管更合理 ， 既 能避 免材料浪 费又能保 证材料 的安全可 靠性 。 参 考 文 献 E l i AP I B u l 5 C 3 6 t h ． B u l l e t i n o n f o r mu l a s a n d c a l c u l a t i o n s f o r c a s i n g ，t u b i n g ，d r i l l p i p e a n d l i n e p r o p e r t i e s [ s ] ． W a s hi n gt o nAme r i c a n Pe t r ol e um I ns t i t u t e，Oc t o be r 1， 1 99 4． r 2 ]TAMANO T，MI MAKI T，YANAGI MOTO S ．A D e w c a s i n g [ R ] ． Ka n a g a w a ， J a p a n R ＆D P r o d u c t s L a b o r a t o r i e s ，Ni p p o n S t e e l Co r p， j u l y 1 9 8 5 ． E 3 ]KL E VE R F J ， TA MA N O T ． A n e w O C T G s t r e n g t h e q u a t i o n f o r c o l l a p s e u n d e r c o m b i n e d l o a d s [ C] ．S P E 9 09 0 4． [ 4 ]韩建增． 套 管抗 挤强度 研究 E D] ． 南 充 西南 石油学 院 ， 2 0 01 ． E 5 2 J U G T ． A r e l i a b i l i t y a p p r o a c h t O t h e d e s i g n o f O C T G t u b u l a r a g a i n s t c o l l a p s e [ C ] ．S P E 4 8 3 3 2 ． [ 6 2 A D AMS A J ， P AYN E M I ．O n t h e c a l i b r a t i o n o f d e s i g n c o l l a p s e s t r e n g t h s f o r q u e n c h e d a n d t e mp e r e d p i p e [ R ] ． S PE 85 ll 2 ． [ 7 ]I S O／ T R 1 0 4 0 0 1 s t ． P e t r o l e u m a n d n a t u r a l g a s i n d u s t r i e s For mul a a n d c a l c ul a t i on f or c a s i ng，t ub i ng，dr i l l p i p e a nd l i n e p i p e p r o p e r t i e s f o r u s e i n d o w n h o l e a p p l i c a t i o n s [ S ] ． Ge ne v aThe I nt e r n a t i on a l Or g a ni z at i o n f or S t a nd a r d i z a t i o n，De c e m b e r 1 5，20 07 ． [ 8 ]孙永兴． 油套管抗 内压抗挤 强度研究 [ D ] ． 成都 西南石 油 大学 ， 2 0 0 8 ． e mp i r i c a l f o r mu 1 a f o r c o l l a p s e r e s i s t a n c e 0 f c o mI Y l e r c i a l 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 1 7 编辑 钟水清 ； e 写 ； ； ＼ 石 ＼ ； 0 坊 ； ； 石 ＼ 石 ＼ ＼ ＼ ； ； 长庆油 田油气 当量突破三千万吨 2 0 0 9 年 l 2月 1 9日， 中国石 油长庆油 田生产油气当量突破 3 0 0 0万吨， 达到 3 0 0 6 ． 0 6 万吨 ， 标志着我国又一个年产 3 0 0 0万 吨级大油气 田诞生。长庆油 田目前 已成为仅次于大庆油 田的第二大油气 田。 长庆油 田属于典型 的“ 三低” 低渗、 低压、 低产 油气藏 ， 因储层致密 、 开采难度大 ， 被国际权威机构断定为没有开发效益的 边际油气 田。长庆石油人历经数十年科技攻关和创新集成 ， 形成和掌握 了一整套有效开发此类油气 田的主体技术 、 核心技术 和关 键 技 术 。 长庆油田是 中国石油近 1 0年油气产量增长最快 的油 田之一 。从 1 9 7 0年陕甘宁石油会战至今 ， 经历上世纪八九 十年代的 调整发展到新世纪以来的快速增长 ， 2 0 0 3年年产油气 当量突破 1 0 0 0万吨 ， 2 0 0 7年达 到 2 0 0 0 万 吨， 今年跨 越 3 0 0 0万吨 ， 成 为 中国石油油气产量快 速增长的领跑 者。 长庆油 田今年油气产量将超过 3 1 0 0万 吨， 其 中， 天然气将 占据 长庆 油气产量 的“ 半壁 江山” 。从 1 9 9 7年开始 向下游市场 供气 ， 经历 1 3年发展 ， 长庆天然气东进晋 、 冀 、 京 、 津 ， 南下西安、 上海 ， 西到银川 ， 北上 呼和浩特 ， 已贯通 大江南北 ， 实现向 3 O多 个大中城市供气 。 目前 ， 已开 发的靖边 、 榆林 、 苏里格 三大主力气 田每天产气 6 5 0 0万立方 米 ， 成为我 国最 大的天然气 生产 基地 。 3 4 谭蓉蓉摘 编 自中国石油网 h t t p ／ ／ n e ws ． c n p c ． c o m． c n ／ s y s t e m／ 2 0 0 9 ／ 1 2 ／ 2 1 ／ 0 0 1 2 6 9 7 8 8 ． s h t m 1