CN107290270A - 一种用于套管的腐蚀寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种套管的腐蚀寿命预测方法，属于油气井腐蚀防护领域。其特征在于：首先利用高温高压釜对套管钢在模拟工况下进行腐蚀测试，并得到均匀腐蚀速率值，进而得到套管的实际壁厚，再利用套管的实际壁厚分别求出套管的剩余抗内压强度和剩余抗挤强度；然后计算出套管的剩余抗内压安全系数和剩余抗挤安全系数，再根据给定的抗内压安全系数阈值和抗挤安全阈值分别计算出套管的抗内压安全服役年限和抗挤安全服役年限，并最终得到套管的安全服役年限。该发明的优点在于：该方法能合理预测套管的寿命，减小或避免油气井套管因腐蚀诱发的安全风险。

Description

一种用于套管的腐蚀寿命预测方法

技术领域

本发明涉及油气井腐蚀防护领域，具体是涉及一种套管的腐蚀寿命预测方法。

背景技术

高酸性气田中含有的腐蚀性介质会造成套管的腐蚀，腐蚀会造成套管壁减薄，严重时会导致腐蚀穿孔，甚至井筒报废，但是，对套管盲目地更换则会带来巨大的浪费。怎样合理兼顾套管的安全性和经济性，是实现套气井的安全、经济服役的关键因素。

目前，针对油井管柱寿命预测方法的研究，“一种油管柱寿命预测方法”(申请公布号：CN 103206205 A)主要考虑了油管柱应力的情况，准确的预测了油管的寿命，减小或避免油气井油管柱的安全风险。然而，油管主要考虑拉伸载荷，而套管主要考虑内压载荷和挤压载荷。套管的腐蚀寿命预测方法与油管的腐蚀寿命预测方法完全不同。“一种预测高温高压井腐蚀套管剩余寿命方法”(申请公布号：CN 103455682 A)通过建立腐蚀套管剩余寿命预测模型，并应用近似解析法计算均匀腐蚀、局部腐蚀和点蚀套管的剩余寿命。该发明能够在较短时间内有效预测套管的剩余寿命，但是该方法利用有限元模型预测套管的腐蚀程度，并不能真实反映套管的腐蚀寿命。

因此，发明一种基于腐蚀实验结果的套管腐蚀寿命预测方法还是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油管的腐蚀寿命预测方法，以解决现有套管的寿命预测问题，并在达到上述目的的同时，为套管的更换提供依据，节省成本。

本发明采用以下技术方案，一种油气井套管的腐蚀寿命预测方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤1：依据油气井套管的服役环境，利用高温高压釜模拟实际工况对套管材质进行腐蚀测试，测试时间为n＝[X₁,X₂,X₃,…X_i,…X_n]，n表示测试时间长短，X_i＝3d，7d，15d，30d， 90d和180d，并利用腐蚀速率公式(1)分别求取材质的均匀腐蚀速率值；

式中：v_cor为实测腐蚀速率(mm/a)，Δm为腐蚀试验前后试样的质量之差(g)，ρ为试样密度 (g/cm)，A为试样表面积(cm²)，n为腐蚀时间(d)；

步骤2：将步骤1中测得的腐蚀速率与服役时间进行多元线性回归分析，得到腐蚀速率与腐蚀时间的方程，其公式表示为(2)；

v′_cor＝f(t)

式中：v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，t为腐蚀时间(a)；

步骤3：将步骤2中的腐蚀速率代入公式(3)中，得到套管在腐蚀后的实际壁厚D₁；

D₁＝D₀-v′_cor×t (3)

式中：v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，D₁为套管腐蚀后的实际壁厚(mm)，D₀为套管的名义壁厚 (mm)，t为腐蚀时间(a)；

步骤4：将步骤3中套管腐蚀后的实际壁厚D₁代入公式(4)中，求出不同服役年限下套管的剩余抗内压强度P_in，其公式表示为(5)；

式中：P_in为套管的抗内压强度(MPa)，D₁为套管腐蚀后的实际壁厚(mm)，σ_y为套管屈服强度(MPa)，D₀为套管的名义壁厚(mm)，v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，t为腐蚀时间(a)，φ为套管名义直径(mm)；

步骤5：将步骤4中套管剩余抗内压强度代入公式(6)中计算出套管抗内压安全系数k_in，其公式表示为(7)；

式中：k_in为抗内压安全系数，P_in为套管抗内压强度(MPa)，P_w为工作压力(MPa)，D₀为套管的名义壁厚(mm)，v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，t为腐蚀时间(a)，φ为套管名义直径(mm)，σ_y为套管屈服强度(MPa)；

步骤6：取套管的抗内压安全系数阈值k，另k＝k_in，将套管的抗内压安全系数阈值代入公式 (7)中，计算套管的抗内压安全服役年限T₁；

步骤7：将步骤3中套管腐蚀后的实际壁厚D₁代入套管剩余抗挤强度公式(8)，求出套管的剩余抗挤强度，其公式表示为(11)；

P_sq＝{(P_e+P_y)-[(P_e-P_y)+4P_eP_yH_t]^1/2}÷[2(1-H_t)] (8)

其中：

P_y＝k_y×2f_min(D₁/φ)[1+D₁/(2φ)] (9)

P_e＝0.825×2E/[1-v²)(φ/D₁)(φ/D₁-1)²] (10)

P_sq＝{(P′_e+P′_y)-[(P′_e-P′_y)+4P′eP′_yH_t]^1/2}÷[2(1-H_t)] (11)

其中：

P′_y＝k_y×2f_min((D₀-v′_cor×t)/φ)[1+(D₀-v′_cor×t)/(2φ)] (12)

P′_e＝0.825×2E/[(1-v²)(φ/(D₀-v′_cor×t))(φ/(D₀-v′_cor×t)-1)²] (13)

式中：P为设计抗挤强度(MPa)；P_e为设计弹性强度(MPa)；P_y为设计屈服强度(MPa)；H_t为制造缺陷影响因子；k_y为设计屈服强度折减系数；f_min为材料最小屈服强度(MPa)；E 为材料弹性模量，2.07×10⁵MPa；v为泊松比，0.28；φ为套管名义直径(mm)，D₀为套管的名义壁厚(mm)，v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，t为腐蚀时间(a)，P′_e为套管腐蚀后的弹性强度，P′_y为套管腐蚀后的屈服强度(MPa)；

步骤8：将步骤9中套管剩余抗挤强度P_sq代入公式(14)中计算出套管的抗挤安全系数k_sq公式，其公式表示为(15)；

k_sq＝{(P′_e+P′_y)-[(P′_e-P′_y)+4P′_eP′_yH_t]^1/2}÷[2ρgh(1-H_t)] (15)

式中：k_sq为抗内压安全系数，P_sq为套管抗挤强度(MPa)，ρ为钻井液的密度(kg/m³)，g 为重力加速度，9.8m/s²，h为井深(m)，P′_e为套管腐蚀后的弹性强度，P′_y为套管腐蚀后的屈服强度(MPa)，H_t为制造缺陷影响因子；

步骤9：取套管的抗挤安全系数阈值为k_e，另k_sq＝k_e，将套管的抗挤安全系数阈值k_e代入套管的抗挤安全系数公式(15)中，计算套管的抗挤安全服役年限T₂；

步骤10：将套管的抗内压安全服役年限T₁和抗挤安全服役年限T₂代入公式(16)求取套管的安全服役年限腐蚀年限T。

T＝min{T₁,T₂} (16)

进一步的，所述的抗内压安全系数阈值范围为1.1-1.25。

进一步的，所述的抗挤安全系数阈值范围为1.0-1.35。

进一步的，所述的制造缺陷影响因子的取值为：普通级套管H_t取0.21-0.23；高抗挤套管H_t取 0.170-0.175；高抗挤抗硫套管H_t取0.125-0.130。

本发明由于采用了以上的技术方案，具有以下优点：

(1)该方法能合理预测套管的剩余寿命，为套管的更替、检修提供基础数据。

(2)该方法准确的预测了套管的寿命，减小或避免油气井套套管因腐蚀诱发的的安全风险。

附图说明

图1是一种油气井套管柱腐蚀寿命预测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细的描述。

图1给出了一种套管腐蚀寿命预测方法的流程图。

步骤1：依据油气井套管的服役环境，利用高温高压釜模拟实际工况对套管材质进行腐蚀测试，测试时间为n＝[X₁,X₂,X₃,…X_i,…X_n]，n表示测试时间长短，X_i＝3d，7d，15d，30d， 90d和180d，并利用腐蚀速率公式(1)分别求取材质的均匀腐蚀速率值；

式中：v_cor为实测腐蚀速率(mm/a)，Δm为腐蚀试验前后试样的质量之差(g)，ρ为试样密度 (g/cm)，A为试样表面积(cm²)，n为腐蚀时间(d)；

步骤2：将步骤1中测得的腐蚀速率与服役时间进行多元线性回归分析，得到腐蚀速率与腐蚀时间的方程，其公式表示为(2)；

v′_cor＝f(t)

式中：v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，t为腐蚀时间(a)；

步骤3：将步骤2中的腐蚀速率代入公式(3)中，得到套管在腐蚀后的实际壁厚D₁；

D₁＝D₀-v′_cor×t (3)

式中：v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，D₁为套管腐蚀后的实际壁厚(mm)，D₀为套管的名义壁厚 (mm)，t为腐蚀时间(a)；

步骤4：将步骤3中套管腐蚀后的实际壁厚D₁代入公式(4)中，求出不同服役年限下套管的剩余抗内压强度P_in，其公式表示为(5)；

式中：P_in为套管的抗内压强度(MPa)，D₁为套管腐蚀后的实际壁厚(mm)，σ_y为套管屈服强度(MPa)，D₀为套管的名义壁厚(mm)，v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，t为腐蚀时间(a)，φ为套管名义直径(mm)；

步骤5：将步骤4中套管剩余抗内压强度代入公式(6)中计算出套管抗内压安全系数k_in，其公式表示为(7)；

式中：k_in为抗内压安全系数，P_in为套管抗内压强度(MPa)，P_w为工作压力(MPa)，D₀为套管的名义壁厚(mm)，v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，t为腐蚀时间(a)，φ为套管名义直径(mm)，σ_y为套管屈服强度(MPa)；

步骤6：取套管的抗内压安全系数阈值k，另k＝k_in，将套管的抗内压安全系数阈值代入公式 (7)中，计算套管的抗内压安全服役年限T₁；

步骤7：将步骤3中套管腐蚀后的实际壁厚D₁代入套管剩余抗挤强度公式(8)，求出套管的剩余抗挤强度，其公式表示为(11)；

P_sq＝{(P_e+P_y)-[(P_e-P_y)+4P_eP_yH_t]^1/2}÷[2(1-H_t)] (8)

其中：

P_y＝k_y×2f_min(D₁/φ)[1+D₁/(2φ)] (9)

P_e＝0.825×2E/[(1-v²)(φ/D₁)(φ/D₁-1)²] (10)

P_sq＝{(P′_e+P′_y)-[(P′_e-P′_y)+4P′_eP′_yH_t]^1/2}÷[2(1-H_t)] (11)

其中：

P′_y＝k_y×2f_min((D₀-v′_cor×t)/φ)[1+(D₀-v′_cor×t)/(2φ)] (12)

P′_e＝0.825×2E/[(1-v²)(φ/(D₀-v′_cor×t))(φ/(D₀-v′_cor×t)-1)²] (13)

式中：P为设计抗挤强度(MPa)；P_e为设计弹性强度(MPa)；P_y为设计屈服强度(MPa)；H_t为制造缺陷影响因子；k_y为设计屈服强度折减系数；f_min为材料最小屈服强度(MPa)；E 为材料弹性模量，2.07×10⁵MPa；v为泊松比，0.28；φ为套管名义直径(mm)，D₀为套管的名义壁厚(mm)，v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，t为腐蚀时间(a)，P′_e为套管腐蚀后的弹性强度，P′_y为套管腐蚀后的屈服强度(MPa)；

步骤8：将步骤9中套管剩余抗挤强度P_sq代入公式(14)中计算出套管的抗挤安全系数k_sq公式，其公式表示为(15)；

k_sq＝{(P′_e+P′_y)-[(P′_e-P′_y)+4P′_eP′_yH_t]^1/2}÷[2ρgh(1-H_t)] (15)

式中：k_sq为抗内压安全系数，P_sq为套管抗挤强度(MPa)，ρ为钻井液的密度(kg/m³)，g 为重力加速度，9.8m/s²，h为井深(m)，P′_e为套管腐蚀后的弹性强度，P′_y为套管腐蚀后的屈服强度(MPa)，H_t为制造缺陷影响因子；

步骤9：取套管的抗挤安全系数阈值为k_e，另k_sq＝k_e，将套管的抗挤安全系数阈值k_e代入套管的抗挤安全系数公式(15)中，计算套管的抗挤安全服役年限T₂；

步骤10：将套管的抗内压安全服役年限T₁和抗挤安全服役年限T₂代入公式(16)求取套管的安全服役年限腐蚀年限T。

T＝min{T₁,T₂} (16)

进一步的，所述的抗内压安全系数阈值范围为1.1-1.25。

进一步的，所述的抗挤安全系数阈值范围为1.0-1.35。

进一步的，所述的制造缺陷影响因子的取值为：普通级套管H_t取0.21-0.23；高抗挤套管H_t取 0.170-0.175；高抗挤抗硫套管H_t取0.125-0.130。

Claims (4)

1.一种油气井套管的腐蚀寿命预测方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤1：依据油气井套管的服役环境，利用高温高压釜模拟实际工况对套管材质进行腐蚀测试，测试时间为n＝[X₁,X₂,X₃,…X_i,…X_n]，n表示测试时间长短，X_i＝3d，7d，15d，30d，90d和180d，并利用腐蚀速率公式(1)分别求取材质的均匀腐蚀速率值；

式中：v_cor为实测腐蚀速率(mm/a)，Δm为腐蚀试验前后试样的质量之差(g)，ρ为试样密度(g/cm)，A为试样表面积(cm²)，n为腐蚀时间(d)；

步骤2：将步骤1中测得的腐蚀速率与服役时间进行多元线性回归分析，得到腐蚀速率与腐蚀时间的方程，其公式表示为(2)；

v′_cor＝f(t) (2)

式中：v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，t为腐蚀时间(a)；

步骤3：将步骤2中的腐蚀速率代入公式(3)中，得到套管在腐蚀后的实际壁厚D₁；

D₁＝D₀-v′_cor×t (3)

式中：v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，D₁为套管腐蚀后的实际壁厚(mm)，D₀为套管的名义壁厚(mm)，t为腐蚀时间(a)；

步骤4：将步骤3中套管腐蚀后的实际壁厚D₁代入公式(4)中，求出不同服役年限下套管的剩余抗内压强度P_in，其公式表示为(5)；

式中：P_in为套管的抗内压强度(MPa)，D₁为套管腐蚀后的实际壁厚(mm)，σ_y为套管屈服强度(MPa)，D₀为套管的名义壁厚(mm)，v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，t为腐蚀时间(a)，φ为套管名义直径(mm)；

步骤5：将步骤4中套管剩余抗内压强度代入公式(6)中计算出套管抗内压安全系数k_in，其公式表示为(7)；

式中：k_in为抗内压安全系数，P_in为套管抗内压强度(MPa)，P_w为工作压力(MPa)，D₀为套管的名义壁厚(mm)，v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，t为腐蚀时间(a)，φ为套管名义直径(mm)，σ_y为套管屈服强度(MPa)；

步骤6：取套管的抗内压安全系数阈值k，另k＝k_in，将套管的抗内压安全系数阈值代入公式(7)中，计算套管的抗内压安全服役年限T₁；

步骤7：将步骤3中套管腐蚀后的实际壁厚D₁代入套管剩余抗挤强度公式(8)，求出套管的剩余抗挤强度，其公式表示为(11)；

P_sq＝{(P_e+P_y)-[(P_e-P_y)+4P_eP_yH_t]^1/2}÷[2(1-H_t)] (8)

其中：

P_y＝k_y×2f_min(D₁/φ)[1+D₁/(2φ)] (9)

P_e＝0.825×2E/[(1-v²)(φ/D₁)(φ/D₁-1)²] (10)

P_sq＝{(P′_e+P′_y)-[(P′_e-P′_y)+4P′_eP′_yH_t]^1/2}÷[2(1-H_t)] (11)

其中：

P′_y＝k_y×2f_min((D₀-v′_cor×t)/φ)[1+(D₀-v′_cor×t)/(2φ)] (12)

P′_e＝0.825×2E/[(1-v²)(φ/(D₀-v′_cor×t))(φ/(D₀-v′_cor×t)-1)²] (13)

式中：P为设计抗挤强度(MPa)；P_e为设计弹性强度(MPa)；P_y为设计屈服强度(MPa)；H_t为制造缺陷影响因子；k_y为设计屈服强度折减系数；f_min为材料最小屈服强度(MPa)；E为材料弹性模量，2.07×10⁵MPa；v为泊松比，0.28；φ为套管名义直径(mm)，D₀为套管的名义壁厚(mm)，v′_cor为腐蚀速率(mm/a)，t为腐蚀时间(a)，P′_e为套管腐蚀后的弹性强度，P′_y为套管腐蚀后的屈服强度(MPa)；

步骤8：将步骤9中套管剩余抗挤强度P_sq代入公式(14)中计算出套管的抗挤安全系数k_sq公式，其公式表示为(15)；

k_sq＝{(P′_e+P′_y)-[(P′_e-P′_y)+4P′_eP′_yH_t]^1/2}÷[2ρgh(1-H_t)] (15)

式中：k_sq为抗内压安全系数，P_sq为套管抗挤强度(MPa)，ρ为钻井液的密度(kg/m³)，g为重力加速度，9.8m/s²，h为井深(m)，P′_e为套管腐蚀后的弹性强度，P′_y为套管腐蚀后的屈服强度(MPa)，H_t为制造缺陷影响因子；

步骤9：取套管的抗挤安全系数阈值为k_e，另k_sq＝k_e，将套管的抗挤安全系数阈值k_e代入套管的抗挤安全系数公式(15)中，计算套管的抗挤安全服役年限T₂；

步骤10：将套管的抗内压安全服役年限T₁和抗挤安全服役年限T₂代入公式(16)求取套管的安全服役年限腐蚀年限T。

T＝min{T₁，T₂} (16)。

2.根据权利要求1所述的一种油气井套管柱寿命预测方法，其特征在于，所述的抗内压安全系数阈值范围为1.1-1.25。

3.根据权利要求1所述的一种油气井套管柱寿命预测方法，其特征在于，所述的抗挤安全系数阈值范围为1.0-1.35。

4.根据权利要求1所述的一种油气井套管柱寿命预测方法，其特征在于，所述的制造缺陷影响因子的取值为：普通级套管H_t取0.21-0.23；高抗挤套管H_t取0.170-0.175；高抗挤抗硫套管H_t取0.125-0.130。