测定承受非均匀外部负载的管道中的应力制造技术

用于通过以下方式测定承受非均匀外部负载的管道中的应力以便测试所述管道设计的结构完整性的系统和方法：粗略估计所述管道上的非均匀外部负载并且对承受所述非均匀外部负载的所述管道执行应力分析以测定所述管道中的所述应力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用不适用。关于联邦政府赞助研究的声明不适用。专利
本公开一般涉及用于测定承受非均匀外部负载的管道中的应力的系统和方法。更具体地说，本公开涉及测定承受非均匀外部负载的管道中的应力以测试管道设计的结构完整性。
技术介绍
位于地下地层中的自然资源诸如石油或天然气可通过钻井进入地层来回收。通常使用被称为固井的技术来将地下地层与其他地层隔离。具体地，通常将井筒向下钻入地下地层，同时使钻井液通过井筒循环。在钻孔终止之后，管道的管柱(例如，套管柱)在井筒中行进。然后，通常执行初次固井，由此通过套管柱将水泥浆向下泵送并且进入套管柱与井筒壁或另一个套管柱之间的环空，以允许水泥浆形成不可渗透的水泥柱并且从而填充部分环空。在完井液(诸如隔离液和水泥)被截留在适当地方之后，通常在固井操作临近结束时对环空进行密封以便将环空内的这些流体与环空外部的区域隔离。常规地，通过关闭阀、为密封件增能等来密封环空。除了放置在套管上的均匀外部负载，由于例如来自盐和水平井中超重负载的压力负载，套管上也会放置非均匀的外部负载。超重压力和侧地层压力致使盐流动，从而关闭套管外部的井筒。因为侧地层压力可能不相等，或者因为井筒不是完全圆形的，所以一般来说来自盐的负载将不均匀。在水平井中，超重负载可导致井筒垂直变形，从而接触套管并且产生压力负载。当套管承受非均匀外部负载时，已使用常规的熟知的有限元分析技术来测试套管设计的结构完整性，然而，此类技术是复杂的、耗时的，并且可能不适用于一般的套管设计方案。当套管承受非均匀外部负载时，其他不太流行的技术使用用于壳体的平衡方程来测试套管设计的结构完整性。负载是不连续的并且等于在角度θ＜θ1的范围内的正负载，其中已根据实验数据确定θ1为π/20或约9°。使用虚功原理和保守假设获得解，所述保守假设是壳体的半径等于外部半径而非平均半径。可以从所述解获得弯曲应力、环向应力以及剪切应力，这是因为弯曲力矩、周向力以及剪切力是根据平衡方程确定的。因为在此技术中不考虑径向负载，所以所述解仅仅是近似值。此外，因为此技术假设了薄壁半径，所以这对于测试大多数套管设计的结构完整性来说通常是不可接受的。附图简述以下参照附图描述了本公开，在附图中使用相同的参考数字表示相同的元件，并且在附图中：图1是示出用于实现本公开的方法的一个实施方案的流程图。图2是示出由盐负载导致的套管区段上的非均匀外部负载的示意性显示。图3是示出图2中套管区段上的非均匀外部负载的示意性显示，所述非均匀外部负载被分解成表示均匀压力分布和非均匀压力分布的两个额外的示意性显示。图4是示出用于实现本公开的计算机系统的一个实施方案的框图。具体实施方式本公开通过提供用于测定承受非均匀外部负载的管道中的应力以测试套管设计的结构完整性的系统和方法来克服现有技术中的一个或多个缺点。在一个实施方案中，本公开包括一种用于测定承受非均匀外部负载的管道中的应力的方法，所述方法包括：a)通过使用管道上的最大侧压力、管道上的最小侧压力、管道的内部半径以及管道的外部半径解边界条件方程式来确定用于管道的多个应力方程式中的系数；b)使用所述系数、预先确定的管道半径和预先确定的管道角度中的一个或多个，解所述多个应力方程式中各自表示管道的径向应力的两个应力方程式、所述多个应力方程式中各自表示管道的环向应力的两个应力方程式，所述表示所述管道的径向应力的两个应力方程式的解和所述表示所述管道的环向应力的两个应力方程式的解加在一起表示总径向应力和总环向应力，并且解所述多个应力方程式中表示管道的总剪切应力的一个；以及c)使用计算机处理器、管道的总径向应力、总环向应力、总剪切应力和预先确定的总轴向应力来计算管道的应力强度。在另一个实施方案中，本公开包括一种用于测定承受非均匀外部负载的管道中的应力的有形地携载计算机可执行指令的非暂时性程序载体设备，所述指令可被执行以实现：a)通过使用管道上的最大侧压力、管道上的最小侧压力、管道的内部半径以及管道的外部半径解边界条件方程式来确定用于管道的多个应力方程式中的系数；b)使用所述系数、预先确定的管道半径和预先确定的管道角度中的一个或多个，解所述多个应力方程式中各自表示管道的径向应力的两个应力方程式、所述多个应力方程式中各自表示管道的环向应力的两个应力方程式，所述表示所述管道的径向应力的两个应力方程式的解和所述表示所述管道的环向应力的两个应力方程式的解加在一起表示总径向应力和总环向应力，并且解所述多个应力方程式中表示管道的总剪切应力的一个；以及c)使用管道的总径向应力、总环向应力、总剪切应力和预先确定的总轴向应力来计算管道的应力强度。在另一个实施方案中，本公开包括一种用于测定承受非均匀外部负载的管道中的应力的有形地携载计算机可执行指令的非暂时性程序载体设备，所述指令可被执行以实现：a)通过使用管道上的最大侧压力、管道上的最小侧压力、管道的内部半径以及管道的外部半径解边界条件方程式来确定用于管道的多个应力方程式中的系数；b)使用所述系数、预先确定的管道半径和预先确定的管道角度中的一个或多个，解表示管道的径向应力的多个应力方程式、所述多个应力方程式中表示管道的环向应力的两个应力方程式，所述表示管道的径向应力的多个应力方程式的解和所述表示管道的环向应力的两个应力方程式的解加在一起表示总径向应力和总环向应力，并且解所述多个应力方程式中表示管道的总剪切应力的一个；c)使用管道的总径向应力、总环向应力、总剪切应力和预先确定的总轴向应力来计算管道的应力强度；以及d)利用另一个预先确定的管道半径和另一个预先确定的管道角度重复步骤b)-c)直到计算出管道的最大应力强度。具体地描述了本公开的主题，然而，所述描述本身并不意图限制本公开的范围。因此，主题还可以结合其他当前或未来的技术以其他方式来实现，以包括类似于本文所描述的步骤的不同步骤或步骤的组合。此外，尽管术语“步骤”在本文中可以用来描述所采用的方法的不同元素，但是术语不应该被理解为暗示在本文中所公开的步骤之中或之间的任何特定的顺序，除非通过描述以其他方式明确地限制为特定的顺序。尽管本公开可以被运用到石油和天然气工业，但是它并不限制于此并且还可以被运用到其他工业中以取得类似的成果。方法描述现参考图1，示出了用于实现本公开的方法100的一个实施方案的流程图。方法100粗略估计管道(例如套管)上的非均匀外部负载并且对管道执行应力分析以测试管道设计的结构完整性。尽管本文参考套管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测定承受非均匀外部负载的管道中的应力的方法，所述方法包括：a)通过使用所述管道上的最大侧压力、所述管道上的最小侧压力、所述管道的内部半径以及所述管道的外部半径解边界条件方程式来确定用于所述管道的多个应力方程式中的系数；b)使用所述系数、预先确定的管道半径和预先确定的管道角度中的一个或多个，解所述多个应力方程式中各自表示所述管道的径向应力的两个应力方程式、所述多个应力方程式中各自表示所述管道的环向应力的两个应力方程式，所述表示所述管道的径向应力的所述两个应力方程式的解和所述表示所述管道的环向应力的所述两个应力方程式的解加在一起表示总径向应力和总环向应力，并且解所述多个应力方程式中表示所述管道的总剪切应力的一个；以及c)使用计算机处理器、所述管道的所述总径向应力、所述总环向应力、所述总剪切应力和预先确定的总轴向应力来计算所述管道的应力强度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于测定承受非均匀外部负载的管道中的应力的方法，所述方法包括：
a)通过使用所述管道上的最大侧压力、所述管道上的最小侧压力、所述管道的内部半
径以及所述管道的外部半径解边界条件方程式来确定用于所述管道的多个应力方程式中
的系数；
b)使用所述系数、预先确定的管道半径和预先确定的管道角度中的一个或多个，解所
述多个应力方程式中各自表示所述管道的径向应力的两个应力方程式、所述多个应力方程
式中各自表示所述管道的环向应力的两个应力方程式，所述表示所述管道的径向应力的所
述两个应力方程式的解和所述表示所述管道的环向应力的所述两个应力方程式的解加在
一起表示总径向应力和总环向应力，并且解所述多个应力方程式中表示所述管道的总剪切
应力的一个；以及
c)使用计算机处理器、所述管道的所述总径向应力、所述总环向应力、所述总剪切应力
和预先确定的总轴向应力来计算所述管道的应力强度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述预先确定的管道半径和所述预先确定的管道角
度各自在相应的预先确定范围内。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述预先确定的管道半径的所述预先确定范围大于
所述管道的所述内部半径并且小于所述管道的所述外部半径。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述预先确定的管道角度的所述预先确定范围大于
零并且小于π。
5.如权利要求4所述的方法，其还包括利用另一个预先确定的管道半径和另一个预先
确定的管道角度重复步骤b)-c)直到计算出所述管道的最大应力强度。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述多个应力方程式中表示所述径向应力的两个是：
σr1=ri2ro2(po-pi)(ro2-ri2)r2+(piri2-poro2)ro2-ri2]]>σr2=-2cos(2θ)(4c1+3c0r2-c3r10)r6]]>所述多个应力方程式中表示所述环向应力的两个是：
σθ1=-ri2ro2(po-pi)(ro2-ri2)r2+(piri2-poro2)ro2-ri2]]>σθ2=2cos(2θ)(3c0r2+10c1+6c2r8+15c3r10)r6]]>并且所述多个应力方程式中表示所述总剪切应力的一个是：
τrθ=-2sin(2θ)(3c0r2+5c1-3c2r8-5c3r10)r6]]>ri是所述内部半径，ro是所述外部半径，r是所述预先确定的管道半径，θ是预先确定的
管道角度，并且po,pi、c0-c3是系数。
7.如权利要求6所述的方法，其还包括使用以下方程式计算po和pi：
po＝1/2(PH+Ph)
pi＝Pi其中po是所述管道上的外部压力，pi是所述管道上的内部压力，PH是所述管道上的所述
最大侧压力并且Ph是所述管道上的所述最小侧压力。
8.如权利要求1所述的方法，其中使用以下方程式计算所述应力强度：
σvm=1/2[(σr-σθ)2+(σθ-σz)2+(σz-σr)2]+3τrθ2]]>σr是所述总径向应力，σθ是所述总环向应力，σz是所述总轴向应力并且τrθ是所述总剪切
应力。
9.如权利要求5所述的方法，其还包括：
将所述管道的所述最大应力强度与屈服强度进行比较；以及
选择所述管道的另一个内部半径、所述管道的另一个外部半径和所述管道的另一个屈
服强度。
10.一种用于测定承受非均匀外部负载的管道中的应力的有形地携载计算机可执行指
令的非暂时性程序载体设备，所述指令可被执行以实现：
a)通过使用所述管道上的最大侧压力、所述管道上的最小侧压力、所述管道的内部半
径以及所述管道的外部半径解边界条件方程式来确定用于所述管道的多个应力方程式中
的系数；
b)使用所述系数、预先确定的管道半径和预先确定的管道角度中的一个或多个，解所
述多个应力方程式中各自表示所述管道的径向应力的两个应力方程式、所述多个应力方程
式中各自表示所述管道的环向应力的两个应力方程式，所述表示所述管道的径向应力的所
述两个应力方程式的解和所述表示所述管道的环向应力的所述两...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·F·米切尔，
申请(专利权)人：兰德马克绘图国际公司，
类型：发明
国别省市：美国;US