腐蝕套管剩余強(qiáng)度計(jì)算

郝曉良 陶愛(ài)華 王明輝 李 晶

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司， 河北 燕郊 065201；2. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500)

腐蝕套管剩余強(qiáng)度計(jì)算

郝曉良1陶愛(ài)華1王明輝1李 晶2

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司， 河北 燕郊 065201；2. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610500)

借鑒API RP 579等標(biāo)準(zhǔn)推薦作法，研究了基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的缺陷描述方法、剩余強(qiáng)度計(jì)算方法。建立的腐蝕套管缺陷識(shí)別與剩余強(qiáng)度計(jì)算模型具有一定的適用性。

缺陷識(shí)別； 剩余強(qiáng)度； 均勻腐蝕； 局部腐蝕

當(dāng)套管受到力或腐蝕等外部作用因素時(shí)，會(huì)發(fā)生形變或者損壞。套損直接影響到開發(fā)井的產(chǎn)量或注入井的注入效果。此外，在酸性氣田中，酸性氣體的存在會(huì)使套管發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，且腐蝕缺陷形狀各異。套管腐蝕會(huì)大大降低套管的強(qiáng)度，為氣井的安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。近年來(lái)，隨著套損井?dāng)?shù)目的增多，套損井的檢測(cè)已經(jīng)成為油氣田安全高效生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。目前，套管損壞的檢測(cè)方法主要是測(cè)井。通過(guò)解析測(cè)井信號(hào)反映井下套管腐蝕及其損壞情況，具有直觀性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高及信號(hào)易于分析等特點(diǎn)。

精確評(píng)價(jià)復(fù)雜形貌缺陷套管的剩余強(qiáng)度，是油氣井管柱力學(xué)分析中的一個(gè)重難點(diǎn)問(wèn)題。為此不少研究人員開展了腐蝕管道剩余強(qiáng)度的計(jì)算研究。許志倩等人[1-2]在考慮均勻腐蝕、點(diǎn)狀腐蝕和裂縫腐蝕情況下建立了全井套管柱剩余強(qiáng)度時(shí)變性分析系統(tǒng)，指出在腐蝕條件下，套管承載能力由小到大依次為：縫隙腐蝕、均勻腐蝕、點(diǎn)狀腐蝕。陳兆雄等人[3]分別采用AME B31G — 2009標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的公式、有限元模擬方法、可靠性分析手段對(duì)存在缺陷的集輸管線進(jìn)行了套管剩余壽命預(yù)測(cè)計(jì)算。結(jié)果表明采用經(jīng)驗(yàn)公式、有限元法和可靠性分析得到的剩余壽命較為接近。李文飛等人[4]將套管腐蝕后的主要形態(tài)分為圓弧形和半月形，并用數(shù)值模擬方法分析了剩余抗拉、抗擠、抗內(nèi)壓強(qiáng)度的關(guān)系。李方圓[5]對(duì)在役管道剩余強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)價(jià)并指出，有限元法能比較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)復(fù)雜的管道腐蝕缺陷強(qiáng)度。吳東澤[6]對(duì)API RP 579缺陷管柱剩余強(qiáng)度進(jìn)行分析并指出，在評(píng)價(jià)剩余強(qiáng)度時(shí)應(yīng)優(yōu)先使用腐蝕裕量法。杜國(guó)鋒等人[7]研究了常用腐蝕管柱剩余強(qiáng)度計(jì)算方法，根據(jù)Tresca屈服準(zhǔn)則(斷裂理學(xué))討論了均勻腐蝕管道受內(nèi)壓力及軸向力共同作用時(shí)剩余強(qiáng)度的計(jì)算問(wèn)題。目前石油工程行業(yè)有很多關(guān)于腐蝕剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法，如B31G方法、改進(jìn)的B31G方法、API RP 579方法、有限元理論、彈塑性理論分析方法及可靠性評(píng)價(jià)方法等。這些方法中B31G方法是基礎(chǔ)研究方法。早在二十世紀(jì)60年代末，該方法即由美國(guó)德克薩斯州東部輸氣公司和美國(guó)天然氣協(xié)會(huì)(AGA)研究公布。從此此方法成為了這類研究的基礎(chǔ)。對(duì)B31G準(zhǔn)則的使用結(jié)果表明，用此準(zhǔn)則進(jìn)行套管評(píng)估得到的結(jié)果偏于保守，使得很多套管被不必要的拆除和修復(fù)，從而造成了不必要的浪費(fèi)。

本次研究借鑒API RP 579[8]、API TR 5C3[9]、ISOTR 10400[10]標(biāo)準(zhǔn)給出了對(duì)于均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、含裂紋缺陷等腐蝕情況的剩余強(qiáng)度計(jì)算方法。編寫了相應(yīng)的計(jì)算程序，計(jì)算套管剩余強(qiáng)度，并與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確度。

1 套管缺陷及識(shí)別技術(shù)

套管缺陷識(shí)別技術(shù)是根據(jù)套管損傷的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，編寫相關(guān)計(jì)算程序識(shí)別套管缺陷類型及數(shù)字化描述缺陷形貌，制定基于套管損傷測(cè)井的套管缺陷描述方法。

1.1 API 579對(duì)套管腐蝕缺陷識(shí)別方法的描述

工程上，常使用機(jī)械井徑測(cè)井技術(shù)、聲波測(cè)井技術(shù)、方位測(cè)井技術(shù)以及地磁測(cè)井技術(shù)檢測(cè)套管受損狀況。機(jī)械井徑測(cè)井技術(shù)是石油工業(yè)中檢測(cè)油氣井井身狀況最常用的方法，該方法可以提供受損套管內(nèi)徑的變化情況。聲波測(cè)井技術(shù)包括井壁超聲成像測(cè)井、聲波固井質(zhì)量測(cè)井和噪聲測(cè)井。井壁超聲成像測(cè)井可以提供直觀、全面的套管損壞情況；聲波固井質(zhì)量測(cè)井可用來(lái)評(píng)價(jià)套管外水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量；噪聲測(cè)井常用來(lái)判斷已形成的套管泄露和竄槽。方位測(cè)井技術(shù)通常用于確定套管變形以及套管損壞的方位角。電磁測(cè)井技術(shù)能夠檢測(cè)出套管裂縫、套管斷裂、套管內(nèi)外壁腐蝕情況以及射孔段的射孔質(zhì)量。除以上測(cè)量方法外，可見光電視測(cè)井系列技術(shù)也常通過(guò)井下攝像機(jī)成像技術(shù)對(duì)井筒以及套管進(jìn)行成像。以上這些測(cè)井技術(shù)均能從不同方面反應(yīng)井筒中套管的狀況。通過(guò)這些技術(shù)可為油田生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)方案的調(diào)整、套管損壞預(yù)測(cè)及及時(shí)修復(fù)提供依據(jù)，為套管嚴(yán)重?fù)p壞而棄井提供充足的證據(jù)。

1.2 API RP 579對(duì)套管腐蝕缺陷的描述

腐蝕缺陷可按照幾何形狀分為5類：體積型缺陷、平面型缺陷、幾何型缺陷、彌散損傷型缺陷、機(jī)械損傷型缺陷。

對(duì)均勻腐蝕、局部腐蝕(點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、槽溝腐蝕等)等體積型缺陷剩余強(qiáng)度的安全性評(píng)價(jià)，《適用性評(píng)價(jià)推薦方法》API RP 579將腐蝕缺陷部位劃分網(wǎng)格，并通過(guò)測(cè)量剩余壁厚，用最危險(xiǎn)厚度界面法表征金屬損失[8]。這種方法與《確定腐蝕管線剩余強(qiáng)度手冊(cè)》 ASME B31G中使用拋物線或矩形方法描繪腐蝕區(qū)域的方法不同。網(wǎng)格劃分法考慮了腐蝕坑兩側(cè)材料的受力效應(yīng)，減小了該方法的保守度。體積型缺陷的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法主要使用剩余壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估套管腐蝕損壞發(fā)生區(qū)域的軸向和周向最危險(xiǎn)厚度界面，測(cè)量缺陷區(qū)域軸向長(zhǎng)度s、周向長(zhǎng)度c及最小測(cè)量壁厚t。根據(jù)API RP 579中提出的方法，由最危險(xiǎn)壁厚及其他參數(shù)，分別計(jì)算局部腐蝕、均勻腐蝕時(shí)的剩余強(qiáng)度，比較強(qiáng)度值，得到腐蝕缺陷時(shí)套管的剩余強(qiáng)度。

1.3 腐蝕缺陷的幾何描述

腐蝕類型由于其腐蝕機(jī)理和腐蝕環(huán)境的不同，往往會(huì)造成不同程度、不同形狀的腐蝕結(jié)果。其中，主要可以分為均勻腐蝕和局部腐蝕兩大類。局部腐蝕中的點(diǎn)蝕(孔蝕)往往因?yàn)楦g程度的不同而產(chǎn)生不同形狀的腐蝕缺陷，有時(shí)也把點(diǎn)蝕單獨(dú)分為一類。

針對(duì)均勻腐蝕、局部腐蝕及點(diǎn)腐蝕的形貌特征，參考API RP 579相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定缺陷的長(zhǎng)、寬與壁厚之比均大于等于3，為均勻腐蝕；缺陷的長(zhǎng)、寬與壁厚之比均大于等于1，小于3，為局部腐蝕；缺陷的長(zhǎng)、寬與壁厚之比均小于1，為點(diǎn)腐蝕。

2 強(qiáng)度計(jì)算模型

2.1 均勻腐蝕后剩余強(qiáng)度計(jì)算

基于API TR 5C3[9]的均勻腐蝕剩余強(qiáng)度計(jì)算。

(1) 剩余抗拉強(qiáng)度。假設(shè)套管受到的軸向拉力為T，其軸向應(yīng)力為σa，套管的腐蝕速率為v，服役時(shí)間為t，則套管內(nèi)徑r=ro+vt，此時(shí)套管橫截面積S=π[R2-(ro+vt)2]4，則軸向拉力T的計(jì)算公式見式(1)：

T=σaS=πσa[R2-(ro+vt)2]4

(1)

套管服役條件是軸向應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度σy，即：

(2)

因此套管的抗拉強(qiáng)度軸向拉力計(jì)算公式為：

T=σyS=πσy[R2-(ro+vt)2]4

(3)

式中：T—— 套管軸向拉力，kN；

σa—— 套管服役時(shí)間t后的軸向應(yīng)力，MPa；

R—— 原始套管外徑，mm；

ro—— 原始套管內(nèi)徑，mm；

S—— 套管服役時(shí)間t后的橫截面積，cm2；

t—— 套管服役時(shí)間，a；

v—— 套管腐蝕速率，mma；

σy—— 套管屈服強(qiáng)度，MPa。

(2) 剩余抗內(nèi)壓強(qiáng)度。對(duì)于壁厚為δ的套管受到內(nèi)壓力Pi時(shí)，套管周向應(yīng)力σr=PiR2δ，因此當(dāng)套管腐蝕t時(shí)間后，其周向應(yīng)力σr計(jì)算公式見式(4)：

(4)

當(dāng)套管周向應(yīng)力σr大于套管屈服強(qiáng)度σy時(shí)，套管失效，因此可得到套管抗內(nèi)壓強(qiáng)度Pbo：

(5)

式中：δ—— 套管名義壁厚，mm；

σr—— 套管周向應(yīng)力，MPa；

Pi—— 套管受到的內(nèi)壓力，MPa；

Pbo—— 套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度，MPa。

(3) 剩余抗擠強(qiáng)度。設(shè)套管受到的外擠力為Po，則套管受到的外擠應(yīng)力σc為：

(6)

套管服役t時(shí)間后，當(dāng)其外擠應(yīng)力大于或等于材料屈服強(qiáng)度時(shí)，得出套管抗擠強(qiáng)度Pco：

(7)

式中：Po—— 套管受到的外擠力，MPa；

Pco—— 套管抗擠強(qiáng)度，MPa。

2.2 局部腐蝕后剩余強(qiáng)度計(jì)算

基于API RP 579的局部腐蝕后剩余強(qiáng)度計(jì)算。

在腐蝕剖面上，均勻腐蝕是一條直線，即各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)所檢測(cè)到的腐蝕深度均沒(méi)多大變化；而局部腐蝕卻是一條近似的拋物線，中間往下凹。在局部腐蝕的腐蝕剖面圖中，一般無(wú)突變發(fā)生，其近似為一條光滑的曲線。

首先計(jì)算剩余壁厚比Rt和管壁參數(shù)λ，然后計(jì)算缺陷可接受時(shí)的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF。

(8)

(9)

式中：Rt—— 剩余壁厚比，無(wú)量綱；

tc—— 最小測(cè)量壁厚，mm；

FCA—— 設(shè)計(jì)的未來(lái)腐蝕裕量，mm；

tnom—— 原始壁厚，mm；

λ—— 管壁參數(shù)，無(wú)量綱；

Lm—— 評(píng)估區(qū)域金屬的長(zhǎng)度，mm；

D—— 套管管體名義外徑，mm。

用求得的Rt、λ和CD分別作缺陷軸向可接受性判斷圖以及缺陷周向可接受性判斷圖，如果點(diǎn)(λ，Rt)和(CD，Rt)均落在圖中曲線的可接受區(qū)域，則缺陷可接受時(shí)的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF為：

(10)

其中，Mt=1.001 0-0.014 2λ+0.290 9λ2-0.096 4λ3+0.020 9λ4-0.003 1λ5+2.957 0×10-4λ6-1.846 2×10-5λ7+7.155 3×10-7λ8-1.563 1×10-8λ9+1.465 6×10-9λ10；C為腐蝕區(qū)域在環(huán)向的總長(zhǎng)度，單位為mm。

否則，如果在缺陷軸向不可接受區(qū)，根據(jù)圖2可計(jì)算缺陷不可接受時(shí)的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSFi：

圖1 缺陷軸向、周向可接受性判斷圖

(11)

式中：RSF—— 缺陷可接受時(shí)的剩余強(qiáng)度系數(shù)，無(wú)量綱；

RSFi—— 缺陷不可接受時(shí)的剩余強(qiáng)度系數(shù)，無(wú)量綱；

Mt—— 厚度分層系數(shù)，無(wú)量綱；

Ai—— 評(píng)估區(qū)的損失面積，mm2；

Aoi—— 評(píng)估區(qū)的原始金屬面積，mm2。

最后根據(jù)缺陷可接受時(shí)的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF，計(jì)算剩余強(qiáng)度Pr：

Pr=P×RSF

(12)

式中：Pr—— 剩余強(qiáng)度，MPa；

P—— 設(shè)計(jì)時(shí)套管強(qiáng)度，MPa。

圖2 RSF的精確計(jì)算方法圖

基于API RP 579計(jì)算點(diǎn)腐蝕后套管剩余強(qiáng)度。

API RP 579準(zhǔn)則評(píng)價(jià)點(diǎn)蝕缺陷時(shí)采取分級(jí)評(píng)價(jià)體系，將點(diǎn)蝕缺陷分為4類：廣布型點(diǎn)蝕、局部點(diǎn)蝕、局部減薄區(qū)內(nèi)的點(diǎn)蝕以及廣布點(diǎn)蝕區(qū)內(nèi)的局部減薄腐蝕。

在圖3中，明確地標(biāo)出了15個(gè)點(diǎn)蝕坑。

圖3 點(diǎn)蝕缺陷平面圖

帶點(diǎn)蝕坑套管剩余強(qiáng)度計(jì)算步驟如下：

首先，確定壁厚損失量參數(shù)，包括第k對(duì)點(diǎn)蝕對(duì)第i、j個(gè)點(diǎn)蝕坑的直徑di,k、dj,k，單位為mm；第k對(duì)點(diǎn)蝕對(duì)的間隔距離Pk，單位為mm；第k個(gè)點(diǎn)蝕對(duì)第i、j個(gè)點(diǎn)蝕坑的深度Wi,k、Wj,k，單位為mm。

然后，確定點(diǎn)蝕對(duì)的平均深度Wavg、平均直徑davg和平均間隔Pavg。

(13)

(14)

(15)

最后，計(jì)算缺陷可接受時(shí)的剩余強(qiáng)度系數(shù)RSF。

(16)

3 剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)

基于缺陷套管強(qiáng)度計(jì)算模型，結(jié)合API TR 5C3、API RP 579、ISOTR 10400標(biāo)準(zhǔn)建立缺陷套管的剩余抗內(nèi)壓強(qiáng)度和剩余抗外擠強(qiáng)度計(jì)算程序，然后導(dǎo)入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井所得套管的壁厚數(shù)據(jù)，計(jì)算出缺陷套管的剩余抗內(nèi)壓、抗擠強(qiáng)度。

該計(jì)算程序主要包括以下功能：導(dǎo)入壁厚數(shù)據(jù)、輸入套管標(biāo)準(zhǔn)壁厚和套管外徑、輸入套管鋼級(jí)和初始井深數(shù)據(jù)、輸入迭代計(jì)算的系數(shù)和縱橫間隔、輸入數(shù)據(jù)分段數(shù)和當(dāng)前計(jì)算的數(shù)據(jù)段，最終生成腐蝕信息結(jié)果，包括各個(gè)計(jì)算點(diǎn)的長(zhǎng)軸、寬軸、腐蝕形貌、剩余強(qiáng)度和安全系數(shù)。

圖4、圖5分別為根據(jù)API TR 5C3標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果與本次編寫程序計(jì)算結(jié)果的對(duì)比情況。

圖4 Φ177.8 mm P110套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖5 Φ177.8 mm P110套管的抗擠強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由圖4、圖5可以看出，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)API TR 5C3計(jì)算的與軟件計(jì)算的Φ177.8 mm P110套管的抗內(nèi)壓強(qiáng)度與抗擠強(qiáng)度結(jié)果基本一致，由此可以看出該計(jì)算程序具有較高的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 提出了套管缺陷類型及識(shí)別技術(shù)，包括基于API RP 579標(biāo)準(zhǔn)的缺陷類型識(shí)別、改進(jìn)的缺陷識(shí)別等方法，提出的改進(jìn)的缺陷識(shí)別方法能更有效地描述缺陷的幾何尺寸。

(2) 基于API RP 579、API TR 5C3、ISOTR 10400標(biāo)準(zhǔn)給出了均勻腐蝕、局部腐蝕、點(diǎn)蝕等腐蝕情況的剩余強(qiáng)度計(jì)算模型，應(yīng)用該缺陷強(qiáng)度計(jì)算模型并結(jié)合測(cè)井所得套管的壁厚數(shù)據(jù)編寫了缺陷套管的剩余強(qiáng)度計(jì)算程序。

(3) 程序計(jì)算結(jié)果與根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的結(jié)果基本一致，證明該模型可以用于實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)腐蝕套管缺陷的識(shí)別與剩余強(qiáng)度的計(jì)算。

[1] 許志倩，閆相禎，楊秀娟.CO2腐蝕對(duì)套管強(qiáng)度動(dòng)態(tài)影響分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(1)：169-177.

[2] 許志倩，閆相禎，楊秀娟，等.不同缺陷對(duì)套管剩余強(qiáng)度影響分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2014(8):74-78.

[3] 陳兆雄，吳明，謝飛，等.腐蝕管道剩余強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法及剩余壽命預(yù)測(cè)[J].機(jī)械工程材料，2015，39(5)：97.

[4] 李文飛，李玄燁，夏文安.腐蝕套管剩余強(qiáng)度數(shù)值模擬分析[J].天然氣與石油，2013，31(6)：70-75.

[5] 李方圓.含腐蝕缺陷管道的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法[J].化工設(shè)備與管道，2015，52(5)：74-76.

[6] 吳東澤.含溝槽腐蝕缺陷油管的剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)[J].廣州化工，2014，42(10)：186-188.

[7] 杜國(guó)鋒，張東山，劉廣軍.基于Tresca屈服準(zhǔn)則的均勻腐蝕管道剩余強(qiáng)度計(jì)算[J].石油機(jī)械，2013(4)：106-109.

[8] API RP 579. Recommended practice for fitness-for-service[S]. Washington， DC： American Petroleum Institute， 2007.

[9] API TR 5C3. Technical report on equations and calculations for casing， tubing， and line pipe used as casing or tubing[S]. Washington， DC： American Petroleum Institute， 2008.

Residual Strength Calculation Method of Corroded Casing

HAOXiaoliang1TAOAihua1WANGMinghui1LIJing2

(1. China Oilfield Services Limited, Yanjiao Hebei 065201, China;2. State Key Laboratory for Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

API RP 579 standardsrecommended practices were employed to study the defect description method and residual strength calculation method based on logging data. Models of corrosion casing recognition and residual strength calculation have certain applicability.

defects recognition; residual strength; uniform corrosion; local corrosion

2016-09-07

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“高強(qiáng)度耐腐蝕油井管用鋼生產(chǎn)技術(shù)”(2011BAE25B04)；四川省科技廳項(xiàng)目“頁(yè)巖氣水平井套管完整性研究”(2016JQ0010)；四川省省屬高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目“井筒完整性與安全”(13TD0026)

郝曉良(1982 — )，男，工程師，研究方向?yàn)闇y(cè)井解釋。

TE983

A

1673-1980(2017)01-0062-05