对油气井油管、套管ISO新抗挤模型的研究

摘 要

摘要：在石油和天然气行业中，油管、套管是油气井生产中重要的设施，准确地预测油管、套管抗挤强度能够防止或减少油管、套管失效事故的发生。针对API 5C3计算精度偏低、对抗挤强
摘要：在石油和天然气行业中，油管、套管是油气井生产中重要的设施，准确地预测油管、套管抗挤强度能够防止或减少油管、套管失效事故的发生。针对API 5C3计算精度偏低、对抗挤强度影响因素考虑不全面等问题，API/ISO工作组修订了现行API 5C3标准，给出了含制造缺陷(椭圆度、壁厚不均度、残余应力、制造微裂纹等)的抗挤新模型，从而大大提高了套管强度计算的科学性。研究中发现，IS0抗挤新模型并不适合所有尺寸套管强度的计算，当前研究的成果与实际情况存在一定差异，这并非是ISO工作组要研究、修订API 5C3的初衷。因此，建议后续研究者对ISO新模型进行必要的修正或改进，给出更可靠合理的计算模型。这要比单一用API 5C3设计油管、套管强度更合理，既避免了材料的浪费又能保证材料的安全可靠性。
关键词：油管；套管；抗挤；ISO新模型；弹塑性力学
0 引言
    长期执行的API 5C3:1994[1]挤毁压力计算公式是基于1968年以前工业生产的K55、N80、P110套管进行2488次挤毁试验，用数学回归方法得出的经验公式或修正的理论公式，依据D/t的不同有4个挤毁公式，而且存在不连续点，同时，API 5C8未考虑制造工艺、缺陷等对套管抗挤强度的影响。研究表明，套管的各种制造缺陷(椭圆度、壁厚不均度、残余应力等)对套管抗挤强度的影响显著，不可忽视[2～4]。随着套管制造工艺水平的不断提高和制造质量的显著改进，套管的制造缺陷已经得到了严格的控制，大量全尺寸试验证实，API标准套管的抗挤值比实物挤毁值低16%～30%[5～7]，在这种情况下，油管、套管设计中继续采用API 5C3公式，在常规井中造成管材浪费，在三高(高压、高产、高含H2S)气井导致选择套管难。API/ISO Collapse Sub-Team(美国石油学会/国际标准化组织套管挤毁工作组)认识到这一问题的重要性，组织跨国研究、修订现行API 5C3标准，编制并发布了ISO/TR 10400:2007标准即“石油天然气工业—套管、油管、钻杆和管线管公式计算标准”[7]，给出了油管、套管的抗挤新模型，即ISO抗挤新模型。ISO新模型将油管、套管的制造方法、热处理、潜在的制造缺陷(椭圆度、壁厚不均度、残余应力、制造微裂纹及裂纹检测确信度等)引入套管强度计算标准，从而大大提高了套管强度计算的科学性。
1 ISO抗挤新模型
    基于Tamano和Klever研究成果[3]，ISO 10400:2007标准给出了仅有外压作用下油管、套管抗挤强度的设计方程，即ISO新抗挤模型[7]：
p=｛(pc+py)-[(pe-py)2+4pepyHt]1/2｝÷[2(1-Ht)]    (1)
py=ky×2fmin(t/D)[1+t/(2D)]                    (2)
pe=0.825×2E/[(1-v2)(D/t)(D/t-1)2]            (3)
Ht=0.127μov+0.0039μec-0.440(μrs/μfy)         (4)
式中：p为设计抗挤强度，MPa；pe为设计弹性强度，MPa；py为设计屈服强度，MPa；Ht为制造缺陷影响因子(见ISO/TR 10400:2007，P98)；ky为设计屈服强度折减系数(见ISO/TR 10400:2007，P98)；fmin为材料最小屈服强度，MPa；E为材料弹性模量，2.07×105MPa；υ为泊松比，0.28；D为名义直径，mm；t为名义壁厚，mm；μec为壁厚不均度，%，μec=100×(tc max-tc min)/tc ave；μfy为材料的实际屈服强度，MPa；μov为椭圆度，%；μov=100(Dmax-Dmin)/Dave；μrs为残余应力，MPa。
2 ISO抗挤新模型与API 5C3挤毁公式计算对比
    图1～4[8]为ISO抗挤新模型计算不同钢级、不同几何尺寸套管的设计抗挤强度值与API值及实物挤毁值的对比情况，纵坐标为套管抗挤强度值(MPa)，横坐标为套管的外直径与壁厚之比(D/t)，“套管挤毁值”表示套管试样的实物挤毁值，API值表示用API 5C3挤毁公式计算的抗挤强度值，ISO值表示用ISO新模型计算的抗挤强度值。从图1～4中可以得出以下认识：
    1) 对于D/t＜8套管，API值小于ISO新模型的计算结果，D/t值越小抗挤强度差值越大。
    2) 对于8≤D/t＜21深井、超深井中常用的套管，ISO值明显小于API值，并且显著地小于实物挤毁值。大量全尺寸试验已证实，API标准套管的抗挤值比实物挤毁值低16%～30%，API 5C3已不能准确地预测套管实际抗挤强度，ISO新模型就更不适合用来设计8≤D/t＜21范围内套管的抗挤强度值，若采用ISO新模型设计油管、套管强度，将会导致管材的大量浪费。
    3) 对于21≤D/t套管，API值略小于ISO值，ISO值更接近实物挤毁值。ISO新模型考虑了制造缺陷等对抗挤强度的影响，更能体现油管、套管生产制造的实际情况，用ISO新模型设计此厚壁段的套管强度，要比采用API 5C3标准更合理。
    上述认识2)已不是ISO当时要研究、修订API 5C3:1994标准的初衷，国际上一些大石油公司曾提出套管实际抗挤强度值要比API值高得多，要求提供可靠的计算模型。ISO工作组对这一认识和要求进行了研究，当前研究成果与实际存在着较大差异。
3 结论
    1) ISO/TR 10400:2007给出了考虑椭圆度、壁厚不均度、残余应力、制造方法、热处理等对套管抗挤强度影响的计算新模型，从而大大提高了套管强度计算的科学性，对改善油管、套管设计提供了重要的参考依据。
    2) API 5C3依据D/t的比值不同而有4个公式，且计算时需要查表然后选择合适的公式，比较繁琐；而ISO新模型是一条连续曲线，不需要查表，使用更加便捷。
    3) 对于D/t＜8特厚壁套管和D/t≥21的套管，ISO值略高于API值，更接近实物挤毁值，用ISO新模型设计此厚壁段的套管强度，更能体现油管、套管生产制造的实际情况，比用API 5C3标准更合理。
    4) 对于8≤D/t＜21的套管，ISO值低于API值，显著低于实物挤毁值，ISO新抗挤模型不适合此壁厚段套管的抗挤强度设计，建议对ISO新模型进行必要修正或改进，给出更可靠、合理的计算模型，这要比单一用API 5C3标准设计油管、套管更合理，既能避免材料浪费又能保证材料的安全可靠性。
参考文献
[1] API Bul 5C3 6th.Bulletin on formulas and calculations for casing，tubing，drill pipe and line properties[s]. Washington：American Petroleum Institute，October 1，1994.
[2] TAMANO T，MIMAKI T，YANAGIMOTO S.A new casing[R].Kanagawa，Japan：R＆D Products Laboratories，Nippon Steel Corp，July 1985.
[3] KLEVER F J，TAMAN0 T.A new OCTG strength equation for collapse under combined loads[C].SPE 90904.
[4] 韩建增.套管抗挤强度研究[D].南充：西南石油学院，2001.
[5] JU G T.A reliability approach to the design of OCTG tubular against collapse[C].SPE 48332.
[6] ADAMS A J，PAYNE M L. On the calibration of design collapse strengths for quenched and tempered pipe[R].SPE 85112.
[7] ISO/TR 10400 1st.Petroleum and natural gas industries-Formula and calculation for casing，tubing，drill pipe and line pipe properties for use in downhole applications[s]. Geneva：The International Organization for Standardization，December 15，2007.
[8] 孙永兴.油套管抗内压抗挤强度研究[D].成都：西南石油大学，2008.
 
(本文作者：孙永兴1，2 林元华2 施太和2 王忠生1 李钦道1 张攀峰3 张果1 张光华2 1.川庆钻探工程公司钻采工艺技术研究院博士后科研工作分站；2.石油管力学和环境行为重点实验室西南石油大学；3.中国石化胜利油田渤海钻井总公司)