复合磨损套管爆裂失效机理及剩余强度预测

作     者：邓宽海 张明 彭阳 周念涛 姚明远 林元华 DENG Kuanhai;ZHANG Ming;PENG Yang;ZHOU Niantao;YAO Mingyuan;LIN Yuanhua

作者机构：油气藏地质及开发工程全国重点实验室·西南石油大学 中国石油石油管工程重点实验室·西南石油大学 

出 版 物：《天然气工业》 (Natural Gas Industry)

年 卷 期：2024年第44卷第3期

页      面：172-183页

核心收录：

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金项目“基于CFD模拟和微电位测试的冲刷腐蚀及其启动机理研究”(编号:52074232) “交变温度、压力及其耦合作用下水泥环完整性研究”(编号:51904261) 四川省自然科学基金项目“基于微电位测试和CFD-DEM流固耦合的油井管局部流动腐蚀FILC机理研究”(编号:2022NSFSC0994) “强交变载荷下套管-水泥环-地层组合体完整性研究”(编号:2022NSFSC0028) 研究生教改项目“石油与天然气工程一流建设学科研究生‘多元、多层、多径’培养模式研究”(编号:2022JG001) 

主　　题：油气井 复合磨损 套管 失效机理 应力干涉 应力集中 应力交互 剩余强度 

摘      要：超深井、水平井、大位移井等复杂油气井服役工况异常恶劣,套管复合磨损严重,将对井筒完整性构成巨大威胁,且磨损套管剩余强度难以精准预测。为此,基于塔里木盆地塔中北坡顺南区块501井套管磨损数据及P110管材应力—应变本构关系,建立了充分考虑钻杆本体和接头联合造成的磨损模式、夹角、磨损重叠深度及磨损深度的复合磨损套管有限元力学模型,并开展了多种复合磨损模式下套管弹塑性变形、屈服、裂纹萌生、扩展及爆裂行为模拟,得到了不同复合磨损套管应力分布、剩余抗内压屈服强度及爆裂强度。研究结果表明:(1)月牙夹角在0°~90°时,应力干涉削弱应力集中,月牙夹角在90°~180°时,应力干涉增强应力集中,这种交互作用机制导致磨损套管剩余强度随着月牙夹角增加而先增加后降低;(2)裂纹萌生并起始于等效应力最大的位置即磨损月牙中心,并垂直于最大环向应力沿径向从套管内壁向外壁扩展,且裂纹一旦萌生,裂纹将迅速扩展并发生爆裂失效;(3)灰色关联度分析确定了复合磨损套管剩余强度对磨损深度、月牙夹角、复合磨损形式、月牙重叠深度的敏感性,分析结果表明磨损深度是决定套管剩余强度的主控因素。结论认为,该认识为套管强度设计与优化提供了技术参考,并对准确预测复合磨损套管剩余强度和确保井筒安全及完整性具有重要意义。