套管強(qiáng)度腐蝕影響的數(shù)值模擬研究

丁 氐，馮 定，梅 超，侯作富 (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 荊州 434023)

王 軍，孫 超 (吉林油田分公司采油工藝研究院，吉林 松原 138000)

套管強(qiáng)度腐蝕影響的數(shù)值模擬研究

丁 氐，馮 定，梅 超，侯作富 (長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 荊州 434023)

王 軍，孫 超 (吉林油田分公司采油工藝研究院，吉林 松原 138000)

套管腐蝕降低了套管的強(qiáng)度，是引起套管損壞的重要影響因素。利用Ansys軟件中“單元生死”功能模擬了腐蝕因素對套管強(qiáng)度的影響，結(jié)合乾安油田套管腐蝕環(huán)境測試結(jié)果及套管腐蝕形態(tài)和套管損壞時間等現(xiàn)場統(tǒng)計資料，繪制了套管腐蝕后剩余強(qiáng)度在不同區(qū)塊的降低幅度圖版，為油田預(yù)防套損提供參考。

套管；強(qiáng)度；腐蝕；數(shù)值模擬

套管在服役一段時間后容易出現(xiàn)腐蝕的現(xiàn)象，套管管體的腐蝕將直接引起套管強(qiáng)度的降低。由于套管腐蝕環(huán)境和腐蝕機(jī)理的區(qū)別，套管腐蝕形態(tài)及腐蝕規(guī)律也有差異，由腐蝕形態(tài)和腐蝕程度的不同可大致分為管壁整體均勻變薄、局部出現(xiàn)片狀凹坑、V形凹坑、孔洞等情形，引起套管強(qiáng)度不同程度的降低。對于套管內(nèi)壁而言，由于套管內(nèi)腔液體環(huán)境是連通的，因此腐蝕環(huán)境接近，內(nèi)壁的腐蝕較為均勻，以整體變薄為主(在內(nèi)壁有磨損的位置更容易腐蝕，會引起局部腐蝕)；對于套管外壁而言，由于腐蝕環(huán)境不均勻、不連續(xù)，因此套管外壁的腐蝕主要以V形凹坑、片狀凹坑和孔洞為主。針對腐蝕對套管強(qiáng)度影響這一問題，目前研究主要集中于孔洞[1-3]和均勻腐蝕[4]條件下套管外擠強(qiáng)度降低的分析。下面，筆者結(jié)合乾安油田套管腐蝕以V形凹坑為主的形貌特點，主要討論套管外壁V形凹坑對套管外擠強(qiáng)度的影響。

1 數(shù)值計算模型

1)模擬軟件 Ansys計算軟件具備模擬計算模型在不同的計算階段“殺死”或“激活”部分構(gòu)件的功能，即單元生死功能。該功能可以用來模擬套管管壁腐蝕的情景。隨時間推移被腐蝕部分失去抵抗外力和變形的能力，從原套管上脫落或雖未脫落但已經(jīng)變質(zhì)不能承擔(dān)外載，在計算時將該部分從原模型中剔除，即“殺死”這部分單元。在計算前將套管管壁部分單元選中，并在不同計算階段逐步將其“殺死”，進(jìn)而模擬腐蝕厚度對套管強(qiáng)度的影響。

表1 乾安油田主產(chǎn)區(qū)塊空白水質(zhì)腐蝕速率表

2)計算模型 以乾安油田射孔段目前普遍使用的油層套管P110-9.17為分析對象，建立平面應(yīng)變情形下的1/4套管模型，將該模型端部施加對稱約束，在套管外壁施加均勻外擠壓力(根據(jù)套管型號及地應(yīng)力水平設(shè)置套管均勻外擠壓力區(qū)間為30～90MPa)。腐蝕環(huán)境參考乾安油田主產(chǎn)區(qū)塊空白水質(zhì)腐蝕速率(見表1)。

計算模型如圖1所示，其中圖1(a)為劃分網(wǎng)格后的原始模型圖；圖1(b)顯示腐蝕單元從外壁向內(nèi)逐漸擴(kuò)展的情形，隨計算時間步增加，殺死單元數(shù)目也增加；圖1(c)顯示計算中間某步的計算模型；圖1(d)為計算中間某步的計算結(jié)果示意圖。

2 數(shù)值計算結(jié)果與分析

1)套管剩余強(qiáng)度與腐蝕厚度的關(guān)系 計算不同腐蝕厚度下套管的剩余強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，隨著腐蝕厚度的增加套管剩余強(qiáng)度有明顯的降低；套管剩余強(qiáng)度與腐蝕厚度間的關(guān)系成“S”形變化趨勢，即腐蝕初期套管強(qiáng)度急劇降低，腐蝕中期套管強(qiáng)度降低程度稍平緩，隨著套管腐蝕厚度進(jìn)一步增加，套管外擠強(qiáng)度又急劇下降；當(dāng)腐蝕深度超過3.5mm時，強(qiáng)度降低明顯，僅為原始強(qiáng)度的60%左右，剩余強(qiáng)度值已接近乾安油田實際外擠壓力，易引起套管損壞。

圖1 有限元模擬管壁腐蝕的計算示意圖

2)套管剩余強(qiáng)度與腐蝕時間的關(guān)系 由乾安油田主要特征區(qū)塊的腐蝕速率數(shù)據(jù)(見表1)，并結(jié)合不同腐蝕厚度套管剩余強(qiáng)度值，即可計算不同腐蝕時間后套管的剩余強(qiáng)度，計算結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，不同區(qū)塊套管強(qiáng)度降低幅度與其腐蝕速率有關(guān)，在C、D、E區(qū)塊套管強(qiáng)度降低速率較大，2.5年后套管剩余強(qiáng)度降低至60MPa左右，且隨著腐蝕時間的延長，套管剩余強(qiáng)度急劇降低。

圖2 套管剩余強(qiáng)度與腐蝕厚度的關(guān)系 圖3 套管剩余強(qiáng)度與腐蝕時間的關(guān)系

3)計算結(jié)果分析 對比乾安油田相應(yīng)區(qū)塊實際套管損壞的統(tǒng)計資料并結(jié)合圖3可知，在A、B區(qū)塊未發(fā)現(xiàn)套損，C、D、E 3個區(qū)塊套損嚴(yán)重；C、D、E 3個區(qū)塊在投產(chǎn)2～4年是套損高發(fā)期，部分井投產(chǎn)0.5年即套損?？梢?，套損的統(tǒng)計規(guī)律與計算結(jié)果相符，腐蝕速率對套管損壞的影響明顯，腐蝕速率大的區(qū)域套管強(qiáng)度明顯降低，在套管強(qiáng)度降低劇烈的時間段內(nèi)套管易損壞。生產(chǎn)過程中應(yīng)采取合理的防腐措施，加強(qiáng)對套管的保護(hù)，以延長套管使用壽命。

[1]盧亞鋒，林元華，趙鐵,等.高腐蝕環(huán)境下油井管剩余抗擠強(qiáng)度的理論解[J].石油機(jī)械，2010,38(8):17-19.

[2] 趙增新，高德利，覃成錦.二維類圓形腐蝕孔應(yīng)力集中對套管強(qiáng)度的影響[J].石油鉆探技術(shù)，2008,36(6): 44-47.

[3] 王明輝, 張智，曾德智,等. 高含硫氣田套管腐蝕情況實驗研究及建議[J].天然氣工業(yè)，2011,31(9): 85-87.

[4] 慕立俊，張軍，趙文軫，等.均勻腐蝕下油氣井套管的強(qiáng)度及其壽命[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2010,27(6):16-19.

2012-12-15

吉林油田分公司科研項目(開科08070)。

丁氐(1982-)，女，碩士生，現(xiàn)主要從事石油機(jī)械、油氣田開發(fā)方面的研究工作。

TE988

A

1673-1409(2013)04-0074-02

[編輯] 洪云飛