膨脹管系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析及腐蝕壽命計(jì)算

陳　強(qiáng)，李　濤，張立新，韓偉業(yè)，黃守志，孫　強(qiáng)，明爾揚(yáng)（中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

膨脹管系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析及腐蝕壽命計(jì)算

陳強(qiáng)，李濤，張立新，韓偉業(yè)，黃守志，孫強(qiáng)，明爾揚(yáng)
（中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

膨脹管補(bǔ)貼套管技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，但是補(bǔ)貼套管過程中壓力過高以及在腐蝕環(huán)境中壽命短是該技術(shù)的一個(gè)難題。研究了膨脹管在補(bǔ)貼套管時(shí)的受力狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)過程，指出膨脹坐封時(shí)需要的液壓力明顯高于膨脹管起脹的壓力，此時(shí)膨脹錐不僅需要克服脹管做功，同時(shí)承受加壓管柱的重力，因此，膨脹管坐封后應(yīng)及時(shí)上提加壓管柱以免膨脹壓力過高而出現(xiàn)事故。建立了膨脹管在腐蝕影響下力學(xué)性能變化模型，將油套管強(qiáng)度校核理論運(yùn)用于膨脹管的腐蝕剩余強(qiáng)度校核中，認(rèn)為腐蝕對(duì)管體抗外擠強(qiáng)度影響更為嚴(yán)重，應(yīng)考慮采取耐腐蝕措施。

膨脹管；套管；受力分析；腐蝕

近年來，水平井、大位移井、深井、超深井等復(fù)雜井?dāng)?shù)量越來越多，高溫、高壓特點(diǎn)顯著，導(dǎo)致我國(guó)各個(gè)油田油氣井的套管損壞日益嚴(yán)重，對(duì)油田的正常生產(chǎn)和勘探開發(fā)效益產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，全國(guó)油田每年因套管損壞導(dǎo)致油井破壞甚至報(bào)廢而造成的經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)幾十億元［1］。

膨脹管補(bǔ)貼套管技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)多個(gè)油田得到了廣泛的應(yīng)用，效果良好，但在個(gè)別油田的施工過程中由于對(duì)膨脹管坐封狀態(tài)判斷錯(cuò)誤導(dǎo)致膨脹壓力過高，增加了補(bǔ)貼風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)在腐蝕嚴(yán)重地區(qū)膨脹管使用壽命大幅降低，嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)的發(fā)展［2-4］。筆者研究了膨脹管在補(bǔ)貼過程的力學(xué)狀態(tài)變化，并將油套管強(qiáng)度校核理論運(yùn)用于膨脹管的腐蝕剩余強(qiáng)度校核中，建立了預(yù)測(cè)膨脹管剩余壽命的數(shù)學(xué)模型。

1　膨脹管系統(tǒng)受力和運(yùn)動(dòng)分析

1.1坐封前膨脹管系統(tǒng)受力和運(yùn)動(dòng)分析

膨脹管補(bǔ)貼套管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，脹后膨脹管通過密封橡膠與套管實(shí)現(xiàn)連接，具有加固套管、防止管外油氣竄層的功能。膨脹管修復(fù)套管后的狀態(tài)如圖2所示。

圖1　膨脹管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2　膨脹管補(bǔ)貼套管示意

通常，膨脹管內(nèi)連接加壓管柱，利用大鉤緩慢下入，就位后沿加壓管柱注入清水，在膨脹錐與下封頭之間會(huì)形成高壓，膨脹錐在高壓的驅(qū)動(dòng)下上行，開始膨脹，當(dāng)膨脹錐行至橡膠段時(shí)，脹后的橡膠環(huán)會(huì)與套管發(fā)生貼合，實(shí)現(xiàn)膨脹管懸掛在套管的目的。坐封前系統(tǒng)受力及運(yùn)動(dòng)過程如圖3所示。

圖3　坐封前受力和運(yùn)動(dòng)分析

1.1.1膨脹管受力分析

如圖3b所示，膨脹管在膨脹過程中存在以下數(shù)學(xué)關(guān)系：

FNcosα=Ffsinα（1）

式中：α為膨脹錐的半錐角；FN和Ff是膨脹錐作用在膨脹管管體的正壓力和摩擦力。

在軸向上，膨脹管管體有向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，即

FY+GP-（FNsinα+Ffcosα）=mPaP（2）

式中：aP為膨脹管管體的加速度；FY為膨脹過程中液體壓力；mP為膨脹管管體質(zhì)量；GP為管體重力。

FY=mPaP-GP+（FNsinα+Ffcosα）（3）

勻速膨脹時(shí)，aP=0，此時(shí)

FY=-GP+（FNsinα+Ffcosα）（4）

由于膨脹管在膨脹過程同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)Y與（FNsinα+Ffcosα）之間存在以下關(guān)系：

1.1.2膨脹錐受力和運(yùn)動(dòng)分析

膨脹管在膨脹過程中膨脹錐的受力狀態(tài)存在以下關(guān)系

FY+FL-（FNsinα+Ffcosα）-GZ=0 （6）式中：FL為膨脹錐軸向受到的液壓力。

分析式（6）尚不能確定FY與（FNsinα+Ffcosα）之間的大小關(guān)系，打壓管柱對(duì)膨脹錐的作用狀態(tài)存在2種可能：

1.1.3膨脹管與膨脹錐力學(xué)關(guān)系

膨脹管補(bǔ)貼套管系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中，膨脹管管體及膨脹錐之間的力學(xué)關(guān)系由圖3d表示。

1.2坐封后膨脹管系統(tǒng)受力和運(yùn)動(dòng)分析

膨脹管補(bǔ)貼套管坐封后系統(tǒng)受力及運(yùn)動(dòng)分析如圖4所示。

1.2.1膨脹管補(bǔ)貼套管過程管體受力及運(yùn)動(dòng)分析

膨脹管補(bǔ)貼套管過程垂直方向分力受力平衡，有

FP+GY+FJ-（FNsinα+Ffcosα）=0 （8）

式中：FJ為密封件對(duì)膨脹管管體的作用力。

1.2.2膨脹管補(bǔ)貼套管過程膨脹錐受力分析

膨脹錐受力如圖4c所示。

FY+FL-（FNsinα+Ffcosα）-GZ=mZaZ（9）

膨脹錐及打壓管柱在膨脹作業(yè)過程中軸向方向存在向上的速度vZ，假設(shè)加速度aZ=0，則存在以下數(shù)學(xué)關(guān)系：

FY+FL-（FNsinα+Ffcosα）-GZ=0 （10）

為提高膨脹速率，并降低膨脹壓力，通常會(huì)對(duì)膨脹管柱施加一定范圍內(nèi)的拉力，由于在勻速膨脹過程中FY＜（FNsinα+Ffcosα），有

FY=FNsinα+Ffcosα）+GZ-FL（11）

對(duì)比式（7）和式（11）可知膨脹管坐封時(shí)需要的液壓力明顯高于膨脹管起脹的壓力，這是由于膨脹錐不僅需要克服脹管做功，同時(shí)承受加壓管柱的重力；當(dāng)膨脹管坐封后，由于司鉆可以上提加壓管柱，膨脹錐僅需要克服脹管做功。

圖4　坐封后受力和運(yùn)動(dòng)分析

2　CO2腐蝕對(duì)膨脹管力學(xué)性能的影響

在油氣資源開發(fā)過程中，二氧化碳常作為伴生氣存在于石油與天然氣里，溶入水后會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的腐蝕性。在適宜的濕度及壓力條件下，油井中的CO2會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)油、套管的腐蝕斷裂。從而縮短油氣井的生產(chǎn)壽命。

本文在套管強(qiáng)度校核理論基礎(chǔ)上推導(dǎo)研究了膨脹管在CO2均勻腐蝕下的抗內(nèi)壓與抗外擠強(qiáng)度，并提出了力學(xué)和化學(xué)共同作用下膨脹管壽命的計(jì)算方法。由于井下腐蝕環(huán)境復(fù)雜，不同位置腐蝕強(qiáng)度不同，為方便公式推導(dǎo)，做以下2點(diǎn)假設(shè)：

1）膨脹管只受到管內(nèi)液體恒壓的作用，不考慮其他任何外力和殘余應(yīng)力。

2）膨脹管內(nèi)部不發(fā)生腐蝕，只是從外到內(nèi)進(jìn)行均勻腐蝕。

通常腐蝕速率為v，套管腐蝕t時(shí)間后的壁厚δ=δ0-vt，膨脹管受到內(nèi)壓p時(shí)，管體的周向應(yīng)力［5-8］為

膨脹管失效內(nèi)壓為

膨脹管抗擠強(qiáng)度計(jì)算公式［8］為

式中：p為抗外擠強(qiáng)度；pe為外壓作用下失穩(wěn)壓力；py為內(nèi)壓作用下屈服壓力；E為彈性模量；σy為屈服強(qiáng)度；μ為泊松比；D為套管外徑；δ為套管壁厚；k為相關(guān)系數(shù)。

分別計(jì)算脹后膨脹管在均勻腐蝕條件下抗內(nèi)壓與抗外擠強(qiáng)度，其中k為8.52，泊松比0.3，彈性模量209 GPa，脹后膨脹管壁厚7mm，屈服強(qiáng)度290 MPa，通過計(jì)算可得在無腐蝕、腐蝕深度為原始厚度1／3、1／2及2／3條件時(shí)膨脹管的抗內(nèi)壓與抗外擠強(qiáng)度，如圖5所示。

圖5　均勻腐蝕條件下膨脹管力學(xué)性能變化

從圖5可以看出，隨著腐蝕深度的增加，管體抗內(nèi)壓、抗外擠強(qiáng)度都會(huì)降低，但抗外擠強(qiáng)度下降的更快，表明腐蝕對(duì)管體的抗外擠強(qiáng)度影響更大。

3　結(jié)論

分析了膨脹管補(bǔ)貼套管系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，指出膨脹坐封時(shí)需要的液壓力明顯高于膨脹管起脹的壓力，這是由于坐封過程膨脹管管體固定，此時(shí)膨脹錐不僅需要克服脹管做功，同時(shí)要承受打壓管柱的質(zhì)量。因此，膨脹管坐封后應(yīng)及時(shí)上提加壓管柱以免膨脹壓力過高出現(xiàn)事故。建立了膨脹管在腐蝕影響下力學(xué)性能變化模型，認(rèn)為腐蝕對(duì)管體抗外擠強(qiáng)度影響更為嚴(yán)重，應(yīng)考慮采取耐腐蝕措施。

［1］沙慶云，任毅.石油專用管材生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.鞍鋼技術(shù)，2000（6）：13-15.

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［3］關(guān)大新，楊文晨.特殊摳油井管的發(fā)展［J］.天津冶金，2001（增刊）：20-23.

［4］高連新，史交齊.油套管特殊螺紋接頭連接技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（2）：15-19.

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［8］申昭熙，馮甩榮，解學(xué)東，等.外壓作用下套管抗擊強(qiáng)度研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（11）：5-9.

Study of Expandable Tubular System and its Longevity Calculation under Corrosion

CHEN Qiang，LI Tao，ZHANG Lixin，HANWeiye，H UANG Shouzhi，SUN Qiang，MING Eryang
（Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing 100083，China）

It had been witnessed increasing application of expandable tubular in the oilfield，but problems，such as high expansion pressure and the longevity in the environment of corrosion，were clear.In this paper the characteristics during the expansion process was studied and the results demonstrated that the peak point of expansion pressure happened as the tubular was integrated with casing，at this point the expansion cone needed to expand the tubular while bearing the weight of the tubular string overhead，therefore it was quite necessary to pull up forward the string by the staff on the ground to avoid over high expansion pressure；meanwhile the model for longevity calculation in the environment of corrosion was established and the results indicated that the yield strength of the tubular was more vulnerable to corrosion and should be given additional attention while considering the protection measures.

expandable tubular；casing；mechanics analysis；corrosion

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.006

1001-3482（2015）12-0023-05

2015-06-23

國(guó)家科技支撐計(jì)劃“特殊耐蝕合金及膨脹套管應(yīng)用性能評(píng)價(jià)及標(biāo)準(zhǔn)”

陳強(qiáng)（1982-），男，遼寧遼陽人，工程師，主要從事石油裝備研發(fā)工作，Email：euphoria1934＠aliyun.com。