CN113279745A - 一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，包括S1：根据地层温度，通过金属拉伸实验，获得油管材料在不同温度下的屈服强度，拟合得到屈服强度随温度的变化规律；S2：确定井身结构参数、管柱钢级参数、储层及流体物性参数；确定油管柱在初始阶段的工况；计算工况下油管柱内外壁的温度和压力分布情况；S3：基于工况下油管柱内外壁的温度和压力分布情况，计算工况下油管柱所承受的载荷；S4：基于工况下油管柱所承受的载荷及油管材料屈服强度随温度的变化规律确定油管柱的三轴安全系数；根据油管柱的三轴安全系数对油管柱进行校核。本发明得到的安全系数更加符合生产实际，为超深井管柱材料的选择和管柱组合的优化提供了科学的理论支撑。
Description
技术领域
本发明涉及采油工程领域，具体涉及一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法。
背景技术
随着勘探开发逐渐向深部储层挺近，气井的深度增加导致井筒温度越来越高，温度对井下工具及油管强度的影响越来越突出。但是，现有油气井管柱校核方法未考虑高温环境下管材强度的衰减性能，在管柱设计过程中，管柱校核得到的安全系数大于实际值，导致井下管柱的安全及力学完整性存在一定的风险。因此有必要提出一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，为井下管柱的校核提供科学支撑。
范兴亮等人在静力学的基础上结合工程力学对油管柱的受力进行分析，推导出油管柱受力、油管柱强度分析与计算公式，运用计算机程序对川东高温高压深井进行了管柱校核。(范兴亮,何春容,何世明,等.用计算机校核油管柱强度的方法[J].钻采工艺,2005(02):78-80.)
周科等人分析了内外压共同作用下压裂油管校核方法的简化条件,依据弹塑性力学厚壁圆筒理论,研究了内外压共同作用下压裂油管应力状态,讨论并选取了压裂油管保持正常工作的临界条件,提出了内外压共同作用下不做简化处理的压裂油管抗内压强度校核新模型。并根据实例计算，讨论了该模型的适用性。(周科,钟守明,孙晓瑞.压裂油管抗内压强度校核方法[J].石油矿场机械,2016,045(003):21-25.)
曾海强以高温高压气井管柱为研究对象,分析其屈曲状态,建立了复合管柱在温度效应、活塞效应、鼓胀效应和螺旋屈曲效应下的数学模型,对管柱危险截面作三轴应力分析,给出了管柱强度校核的基本公式。同时对封隔器密封元件胶筒的变形及变形过程中的力学特性进行分析并给出胶筒强度计算公式,据此可以确定合理的坐封力。对封隔器锚定部件卡瓦与套管相互作用力作一定探讨,给出卡瓦锚定后套管圆周各点应力计算方法。对于封隔器整体,研究了封隔器与油套管间的相互作用力。最后以现场生产井为基础，最后以开展了井筒温度场压力场预测、管柱轴向变形和强度分析以及封隔器受力分析等工作。
经过调研，现有超深高温高压井管柱校核时，仍沿用常规气井的传统校核方法。该方法并没有考虑高温导致的油管材料强度的衰减情况，这导致计算所得的油管柱安全系数大于实际安全系数，在不同的工况下，可能出现管柱的安全系数小于许用临界安全系数的情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有超深高温高压井管柱校核时，仍沿用常规气井的传统校核方法，该方法并没有考虑高温导致的油管材料强度的衰减情况，这导致计算所得的油管柱安全系数大于实际安全系数，在不同的工况下，可能出现管柱的安全系数小于许用临界安全系数的情况，目的在于提供一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，解决上述背景技术中提到的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，包括如下步骤：
S1：根据地层温度，通过金属拉伸实验，测试获得油管材料在不同温度下的屈服强度，基于油管材料在不同温度下的屈服强度，拟合得到油管材料屈服强度随温度的变化规律；
S2：确定井身结构参数、管柱钢级参数、储层及流体物性参数；确定油管柱在初始阶段的工况；基于井身结构参数、管柱钢级参数、储层及流体物性参数，计算工况下油管柱内外壁的温度和压力分布情况；
S3：基于工况下油管柱内外壁的温度和压力分布情况，计算工况下油管柱所承受的载荷；
S4：基于工况下油管柱所承受的载荷及油管材料屈服强度随温度的变化规律确定油管柱的三轴安全系数；根据油管柱的三轴安全系数对油管柱进行校核。
现有超深高温高压井管柱校核时，仍沿用常规气井的传统校核方法。该方法并没有考虑高温导致的油管材料强度的衰减情况，这导致计算所得的油管柱安全系数大于实际安全系数，在不同的工况下，可能出现管柱的安全系数小于许用临界安全系数的情况。本发明拟合不同管材在高温下的力学强度折减情况，所得到的安全系数更加符合生产实际，为超深井管柱材料的选择和管柱组合的优化提供了科学的理论支撑。
进一步地，S1中油管材料拉伸实验温度范围为25～180℃。
进一步地，所述工况包括增产改造阶段和生产阶段；所述增产改造阶段包括如下施工参数：施工泵压Pp、施工排量Qp、注入流体粘度νi、注入流体密度ρi；所述生产阶段包括如下施工参数：井口压力Pwh、井口温度Twh、井口流量Qwh。
进一步地，S1中所述油管材料包括：N80材质钢管、95SS材质钢管、110SS材质钢管、2532材质钢管、2830材质钢管。
进一步地，所述N80材质钢管屈服强度与温度应满足：σs1＝0.0012T2-0.5143T+607.81；
所述95SS材质钢管屈服强度与温度应满足：σs2＝0.0025T2-0.6489T+687.19；
所述110SS材质钢管屈服强度与温度应满足：σs3＝-0.0009T2-0.3168T+805.84；
所述2532材质钢管屈服强度与温度应满足：σs4＝0.0101T2-2.4580T+491.10；
所述2830材质钢管屈服强度与温度应满足：σs5＝-0.0013T2-0.1362T+422.52；
式中，σs1为N80材质钢管屈服强度；σs2为95SS材质钢管屈服强度；σs3为110SS材质钢管屈服强度；σs4为2532材质钢管屈服强度；σs5为2830材质钢管屈服强度；T为温度。
进一步地，S2中所述井身结构参数包括：井的垂深TVD、斜深MD、方位角AZ、封隔器位置PD、安全阀位置SD；所述储层及流体物性参数包括：储层压力Pres、储层温度Tres、流体密度ρ、流体比热cp。
所述井身结构参数还包括油套管组合程序，所述油套管组合程序具体包括：管柱长度、外径、内径、线重等。
进一步地，S2中所述工况下油管柱内外壁的温度和压力分布情况由以下公式计算：
式中，Tf为流体温度，单位℃；Tei为地层温度，单位℃；rto为油管外径，单位m；rmul为环空传热系数，单位J/(s·m2·℃)；ke为地层导热系数；w为单位时间流体质量变化量，单位kg/s；m为单位长度流体质量，单位kg/m；cp为流体比热容，单位J/(kg·℃)；CJ为焦耳汤姆逊系数，单位(m·℃·s2)；TD为无因次时间；gG为地温梯度，单位℃/m；v为流体流速，单位m/s；CT为储热系数；θ为井斜角；g-重力加速度，9.80m/s2。
进一步地，S3中所述工况下油管柱所承受的载荷由以下公式计算：
式中，σe为油管的三轴应力，σ1为油管的轴向应力，单位MPa；σ2为油管的周向应力，单位MPa；σ3为油管的径向应力，单位MPa；rto为油管的外半径，rti为油管的内半径；
PA为环空压力变化值，单位MPa；Pin为油管的管壁内部压力，单位MPa；Pou为油管的管壁外部压力，单位MPa；rto为油管的外半径，rti为油管的内半径，单位MPa；Fc为油管的轴向力。
进一步地，S4中所述油管柱的三轴安全系数应满足如下公式：
式中，St为油管柱的三轴安全系数；σt为管柱的屈服强度，单位MPa；σe为油管的三轴应力。
进一步地，S4中所述根据油管柱的三轴安全系数对油管柱进行校核具体包括如下步骤：
S71：确定油管柱的安全系数阈值；安全系数阈值即许用安全系数，许用安全系数可以根据国标或者行业标准规范查询得到；
S72：将安全系数阈值与S6计算所得油管柱的三轴安全系数对比，判断其是否满足增产改造阶段和生产阶段的强度要求；
若油管柱的三轴安全系数大于或等于安全系数阈值，则选取的油管满足增产改造阶段和生产阶段的强度要求；
若油管柱的三轴安全系数小于安全系数阈值，则选取的油管不满足增产改造阶段和生产阶段的强度要求，提高油管钢级重新进行校核，直至符合要求。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提出一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，拟合不同管材在高温下的力学强度折减情况，所得到的安全系数更加符合生产实际，为超深井管柱材料的选择和管柱组合的优化提供了科学的理论支撑。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为超深气井身结构示意图；
图2为不同工况管柱内温度分布图；
图3为不同工况管柱内压力分布图；
图4为发明方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
某井完钻井深5708.00m，垂深5229.46m，地层压力76.9MPa，地层温度152℃，压力系数为1.75，生产工况为天然气产量80×104m3/d，生产压差为30MPa。如图1所示，图1为超深气井身结构示意图。
油管柱各项参数信息如下表所示：
图4为发明方法流程图；一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，包括如下步骤：
步骤1、通过金属拉伸实验，测试各个油管材料在不同温度下的强度，并基于实验结果，拟合各个油管材料强度随温度的变化规律。
步骤1.1：根据GB/T 228.2-2015《金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法》和ISO6892-2-2018《Metallic Materials-Tensile testing-Part 2：Method of test atelevated temperature》标准要求，进行油管材质拉伸实验准备。
步骤1.2：根据现场常用油管钢级，确定拉伸材料为N80、95SS、110SS、2532、2830管材；根据地层温度，确定油管材料拉伸实验温度范围为25～180℃。
步骤1.3：根据拉伸实验参数，拟合得到不同管材随温度变化趋势。
25℃-180℃井下油管材料屈服强度随温度的变化关系式
| 材质 | 屈服强度与温度的计算关系式 |
| N80 | σ<sub>s</sub>＝0.0012T<sup>2</sup>-0.5143T+607.81 |
| 95SS | σ<sub>s</sub>＝0.0025T<sup>2</sup>-0.6489T+687.19 |
| 110SS | σ<sub>s</sub>＝-0.0009T<sup>2</sup>-0.3168T+805.84 |
| 2532 | σ<sub>s</sub>＝0.0101T<sup>2</sup>-2.4580T+491..10 |
| 2830 | σ<sub>s</sub>＝-0.0013T<sup>2</sup>-0.1362T+422.52 |
步骤2、确定井身结构、管柱钢级、储层及流体物性等参数。
所述井身结构具体包括：井的垂深TVD、斜深MD、方位角AZ、油套管组合程序(管柱长度hi、外径OD、内径ID、线重W)、封隔器位置PD、安全阀位置SD。
所述储层及流体物性参数包括：储层压力Pres、储层温度Tres、流体密度ρ、流体比热cp。
步骤3、确定油管柱在初始阶段的工况信息，工况分为增产改造阶段和生产阶段。进一步确定流体在进入油管时的温度。
增产改造施工参数包括：施工泵压Pp、施工排量Qp、注入流体粘度νi、注入流体密度ρi。
生产阶段参数包括：井口压力Pwh、井口温度Twh、井口流量Qwh。
步骤4、计算在增产改造阶段或生产阶段油管柱内外壁的温度和压力分布情况。
油管柱内外壁的温度和压力分布情况由以下参数计算：
式中，Tf为流体温度，单位℃；Tei为地层温度，单位℃；rto为油管外径，单位m；rmul为环空传热系数，单位J/(s·m2·℃)；ke为地层导热系数；w为单位时间流体质量变化量，单位kg/s；m为单位长度流体质量，单位kg/m；cp为流体比热容，单位J/(kg·℃)；CJ为焦耳汤姆逊系数，单位(m·℃·s2)；TD为无因次时间；gG为地温梯度，单位℃/m；v为流体流速，单位m/s；CT为储热系数；θ为井斜角；g-重力加速度，9.80m/s2。
不同工况管柱温度分布图如图2所示；不同工况管柱压力分布图如图3所示。
步骤5、计算在增产改造阶段或生产阶段油管柱所受载荷。
增产改造阶段或生产阶段油管柱所受载荷由以下方法计算：
式中，σe为油管的三轴应力，σ1为油管的轴向应力，单位MPa；σ2为油管的周向应力，单位MPa；σ3为油管的径向应力，单位MPa；rto为油管的外半径，rti为油管的内半径；
PA为环空压力变化值，单位MPa；Pin为油管的管壁内部压力，单位MPa；Pou为油管的管壁外部压力，单位MPa；rto为油管的外半径，rti为油管的内半径，单位MPa；Fc为油管的轴向力。
步骤6、基于管柱所承受的载荷及管柱随温度的衰减情况确定管柱的安全系数。
油管柱的三轴安全系数计算公式为：
式中，St为油管柱的三轴安全系数；σt为管柱的屈服强度，单位MPa；σe为油管的三轴应力。
油管柱不同部位最小安全系数如下表所示：
油管柱从上到下，每一个点都可以算出一个安全系数，薄弱点1、薄弱点2、薄弱点3为不同部位的安全系数极小值。
步骤7、根据步骤6中计算得到的安全系数对管柱进行校核。
确定油管的安全系数阈值，即许用安全系数。将许用安全系数与步骤6计算所得安全系数对比，判断计算其是否满足增产改造阶段和生产阶段的强度要求。若安全系数不小于安全系数阈值，则选取的油管符合要求；如果安全系数小于安全系数阈值，则选取的油管不符合要求，需提高油管钢级重新进行校核，直至符合要求。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，包括如下步骤：
S1：根据地层温度，通过金属拉伸实验，测试获得油管材料在不同温度下的屈服强度，基于油管材料在不同温度下的屈服强度，拟合得到油管材料屈服强度随温度的变化规律；
S2：确定井身结构参数、管柱钢级参数、储层及流体物性参数；确定油管柱在初始阶段的工况；基于井身结构参数、管柱钢级参数、储层及流体物性参数，计算工况下油管柱内外壁的温度和压力分布情况；
S3：基于工况下油管柱内外壁的温度和压力分布情况，计算工况下油管柱所承受的载荷；
S4：基于工况下油管柱所承受的载荷及油管材料屈服强度随温度的变化规律确定油管柱的三轴安全系数；根据油管柱的三轴安全系数对油管柱进行校核。
2.根据权利要求1所述的一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，其特征在于，S1中油管材料拉伸实验温度范围为25～180℃。
3.根据权利要求1所述的一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，其特征在于，所述工况包括增产改造阶段和生产阶段；所述增产改造阶段包括如下施工参数：施工泵压Pp、施工排量Qp、注入流体粘度νi、注入流体密度ρi；所述生产阶段包括如下施工参数：井口压力Pwh、井口温度Twh、井口流量Qwh。
4.根据权利要求1所述的一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，其特征在于，S1中所述油管材料包括：N80材质钢管、95SS材质钢管、110SS材质钢管、2532材质钢管、2830材质钢管。
5.根据权利要求4所述的一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，其特征在于，
所述N80材质钢管屈服强度与温度应满足：σs1＝0.0012T2-0.5143T+607.81；
所述95SS材质钢管屈服强度与温度应满足：σs2＝0.0025T2-0.6489T+687.19；
所述110SS材质钢管屈服强度与温度应满足：σs3＝-0.0009T2-0.3168T+805.84；
所述2532材质钢管屈服强度与温度应满足：σs4＝0.0101T2-2.4580T+491.10；
所述2830材质钢管屈服强度与温度应满足：σs5＝-0.0013T2-0.1362T+422.52；
式中，σs1为N80材质钢管屈服强度；σs2为95SS材质钢管屈服强度；σs3为110SS材质钢管屈服强度；σs4为2532材质钢管屈服强度；σs5为2830材质钢管屈服强度；T为温度。
6.根据权利要求3所述的一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，其特征在于，S2中所述井身结构参数包括：井的垂深TVD、斜深MD、方位角AZ、封隔器位置PD、安全阀位置SD；所述储层及流体物性参数包括：储层压力Pres、储层温度Tres、流体密度ρ、流体比热cp。
7.根据权利要求6所述的一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，其特征在于，S2中所述工况下油管柱内外壁的温度和压力分布情况由以下公式计算：
式中，Tf为流体温度，单位℃；Tei为地层温度，单位℃；rto为油管外径，单位m；rmul为环空传热系数，单位J/(s·m2·℃)；ke为地层导热系数；w为单位时间流体质量变化量，单位kg/s；m为单位长度流体质量，单位kg/m；cp为流体比热容，单位J/(kg·℃)；CJ为焦耳汤姆逊系数，单位(m·℃·s2)；TD为无因次时间；gG为地温梯度，单位℃/m；v为流体流速，单位m/s；CT为储热系数；θ为井斜角；g-重力加速度，9.80m/s2。
8.根据权利要求7所述的一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，其特征在于，S3中所述工况下油管柱所承受的载荷由以下公式计算：
式中，σe为油管的三轴应力，σ1为油管的轴向应力，单位MPa；σ2为油管的周向应力，单位MPa；σ3为油管的径向应力，单位MPa；rto为油管的外半径，rti为油管的内半径；
PA为环空压力变化值，单位MPa；Pin为油管的管壁内部压力，单位MPa；Pou为油管的管壁外部压力，单位MPa；rto为油管的外半径，rti为油管的内半径，单位MPa；Fc为油管的轴向力。
9.根据权利要求8所述的一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，其特征在于，S4中所述油管柱的三轴安全系数应满足如下公式：
式中，St为油管柱的三轴安全系数；σt为管柱的屈服强度，单位MPa；σe为油管的三轴应力。
10.根据权利要求9所述的一种考虑高温强度衰减的油管柱校核方法，其特征在于，S4中所述根据油管柱的三轴安全系数对油管柱进行校核具体包括如下步骤：
S71：确定油管柱的安全系数阈值；
S72：将安全系数阈值与S6计算所得油管柱的三轴安全系数对比，判断其是否满足增产改造阶段和生产阶段的强度要求；
若油管柱的三轴安全系数大于或等于安全系数阈值，则选取的油管满足增产改造阶段和生产阶段的强度要求；
若油管柱的三轴安全系数小于安全系数阈值，则选取的油管不满足增产改造阶段和生产阶段的强度要求，提高油管钢级重新进行校核，直至符合要求。
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