一种基于管材塑性失效准则的油气井管柱强度设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于管材塑性失效准则的油气井管柱强度设计方法，包括以下步骤：S1确定油气井井筒各工况下的温度分布；S2选取管材，开展不同温度下的力学实验，获取不同温度下的应力

A strength design method of oil and gas well string based on plastic failure criterion

【技术实现步骤摘要】
一种基于管材塑性失效准则的油气井管柱强度设计方法


[0001]本专利技术涉及及油田设备
，具体涉及一种基于管材塑性失效准则的油气井管柱强度设计方法。

技术介绍

[0002]在石油与天然气开发过程中，套管主要用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑，以保证钻井过程的进行和完井后整个油井的正常运行；油管作为完井后连接储层与地面的油气流通的通道，与产出流体直接接触，是油气井井筒完整性第一井屏障的重要组成部分。目前国内部分油气井井深超过8000m，储层温度超过200℃、压力达180MPa，超高温高压对管柱强度、抵抗局部载荷的能力提出更高的要求。现行的油管柱强度设计考虑了管柱的应力极限，而复杂的井下环境使得强度校核结果很难达到实际设计需求，目前普遍的做法是使用高强度管柱以满足强度设计条件。过分追求管柱强度往往造成现场管柱投入过剩，大大增加了开发成本，制约了油气田的生产效益。
[0003]现行的技术方案对管柱设计的考虑，主要聚焦在管柱本身强度和所受外载的精细化考虑这二个方面。专利号为CN110889183A的专利考虑不同的加工质量参数,精确设计不同类型套管柱的三种强度对应的安全系数取值；专利号为 CN111177879A的专利提供一种深井超深井全生命周期套管柱强度设计方法,完善了对校核工况的考察不够全面以及套管失效信封曲线边界选取不合理的技术问题；专利号为CN109459302B的专利公开了一种腐蚀和高温联合作用下套管强度校核与优化设计方法，通过室内实验分析套管壁厚和套管强度受稠油热采环境和时间的影响，将所得实验结果与现有的套管强度校核公式结合,优化设计套管类型，为热采井套管材质选择、使用寿命预测提供技术依据,保障热采井套管安全生产的前提下，降低套管使用成本；专利号为CN106599595B的专利基于对套管抗挤强度影响因素考虑更为全面的KT模型，有较高的准确性，方便现场应用。
[0004]由以上各技术方案可知，目前在油气井管柱强度设计均是围绕弹性失效准则开展，更多地考虑了管柱本身强度和所受载荷的精细化计算而提高设计精度。而随着勘探开发迈向深层超深层非常规油气藏和特殊油气藏，井下环境与载荷复杂，按照现有的强度设计方法选出的管柱壁厚越来越厚、钢级越来越高，对于部分高温高压油气井甚至没有合适的管柱可选。现有的管柱强度计算公式由美国石油学会(API)早期的实验数据拟合得到，随着如今管柱制造工艺的提高，目前的强度计算公式偏于保守，因此放宽设计准则成为高温高压油气井的趋势。所谓放宽设计准则，就是在目前应力极限的基础之上，允许管柱进入塑性区，即允许管柱发生塑性变形。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提供一种基于管材塑性失效准则的油气井管柱强度设计方法,本专利技术引入了塑性力学基本理论，考虑管材应变硬化特性，建立了基于塑性失效的管柱设计准则，通过实验手段获取材料参数，拟合管材不同应变硬化模型得到管柱基于塑性失
效准则的许用应力。
[0006]本专利技术采用下述的技术方案：
[0007]一种基于管材塑性失效准则的油气井管柱强度设计方法，包括以下步骤：
[0008]S1：根据油藏信息与开发方案，确定油气井井筒各工况下的温度分布。
[0009]S2：选取管材，开展不同温度下的力学实验，获取不同温度下的应力
‑
应变曲线和管材材料参数,所述管材材料参数包括弹性模量E、抗拉强度σ
b
、屈服强度σ0。
[0010]S3：拟合材料不同温度下的应变硬化模型参数，所述应变硬化模型参数包括弹性
‑
线性硬化模型和弹性
‑
幂次硬化模型；
[0011]所述弹性
‑
线性硬化模型表达式：
[0012][0013]式中：ε为应变、σ为应力、E为弹性模量、σ0为屈服强度、E
p
为塑性模量；
[0014]所述弹性
‑
幂次硬化模型表达式：
[0015][0016]式中：k、n为模型参数。
[0017]S4：根据塑性失效准则，选取材料的最大均匀延伸率δ为设计判据；
[0018]S5：考虑安全余量，选取管柱材料均匀延伸率的80％为管柱的许用应变，即[ε]＝δ
×
80％。则管柱的工作应变与许用应变应满足：
[0019]ε
Σ
≤[ε]＝δ
×
80％
[0020]管柱的应变安全系数应满足：
[0021][0022]式中：S
S
为应变安全系数,[ε]为管柱的许用应变，ε
∑
为管柱的工作应变，δ为管柱材料的最大均匀延伸率。
[0023]S6：计算管柱材料许用应变对应的许用应力[σ]，许用应力[σ]的计算公式在弹性
‑
线性硬化模型中为：
[0024][0025]在弹性
‑
幂次硬化模型中为：
[0026][σ]＝0.8
n
σ
b
[0027]式中：σ
b
为抗拉强度。
[0028]S7：计算管柱全生命周期内所受外载，判断管柱强度是否满足要求，不满足要求时重复步骤S2
‑
S7，直到管柱强度满足要求。判断管柱强度是否满足要求的方法为：
[0029]分析计算管柱服役过程中所受等效应力σ
e
，若σ
e
＜[σ]，则管柱满足油气井全生命周期安全要求，所述等效应力σ
e
计算公式为：
[0030][0031]式中：σ1、σ2、σ3分别代表管柱在轴向、径向、周向三个方向上所受主应力。
[0032]S8：完成强度校核，得到满足需求的管柱。
[0033]本专利技术的有益效果是：
[0034]1、本专利技术使用材料的塑性失效准则替代了目前沿用的弹性失效准则，将其作为管柱的强度设计准则，通过放宽现有强度设计准则的方式提高了管柱选材的经济性；
[0035]2、本专利技术通过管柱实际服役温度作为实验条件，精确模拟管材在井下温度条件下的力学响应特征，获取材料力学参数用于强度设计，保证了井下管柱的安全性；
[0036]3、本专利技术涉及的基于塑性失效准则的弹性
‑
线性硬化模型、弹性
‑
幂次硬化模型下的许用应力表达式简单易懂，计算精度高，相关参数的数据拟合方法简单，具有较好的实用性和可操作性。
附图说明
[0037]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本专利技术的一些实施例，而非对本专利技术的限制。
[0038]图1为本专利技术流程示意图；
[0039]图2为本专利技术弹性
‑
线性硬化模型示意及许用应力求取示意图；
[0040]图3为本专利技术弹性
‑
幂次硬化模型示意及许用应力求取示意图；
[0041]图4为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于管材塑性失效准则的油气井管柱强度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据油藏信息与开发方案，确定油气井井筒各工况下的温度分布；S2：选取管材，开展不同温度下的力学实验，获取不同温度下的应力
‑
应变曲线和管材材料参数；S3：拟合材料不同温度下的应变硬化模型参数；S4：根据塑性失效准则，选取材料的最大均匀延伸率δ为设计判据；S5：考虑安全余量，选取管柱的许用应变[ε]；S6：计算管柱材料许用应变对应的许用应力[σ]；S7：计算管柱全生命周期内所受外载，判断管柱强度是否满足要求，不满足要求时重复步骤S2
‑
S7，直到管柱强度满足要求；S8：完成强度校核，得到满足需求的管柱。2.根据权利要求1所述的一种基于管材塑性失效准则的油气井管柱强度设计方法，其特征在于，所述步骤S2中管材材料参数包括弹性模量E、抗拉强度σ
b
、屈服强度σ0。3.根据权利要求1所述的一种基于管材塑性失效准则的油气井管柱强度设计方法，其特征在于，所述步骤S3中应变硬化模型参数包括弹性
‑
线性硬化模型和弹性
‑
幂次硬化模型；所述弹性
‑
线性硬化模型表达式：式中：ε为应变、σ为应力、E为弹性...

【专利技术属性】
技术研发人员：张智，杨昆，刘金铭，丁剑，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：