CN109459302A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明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，包括以下步骤：1)根据现场作业条件，确定进行套管腐蚀速率和屈服强度测试时的实验参数：2)选择一种稠油热采井常用的套管材料，确定其钢级和壁厚；3)对套管材料进行腐蚀速率测试实验，获得套管管壁的腐蚀速率；4)对套管材料进行屈服强度测试实验，获得n次注热后屈服强度；5)综合考虑腐蚀和高温影响进行套管强度校核计算：6)将步骤5)中计算得到的套管强度和步骤1)中获得的现场套管工作压力进行比较，当套管强度小于现场套管工作压力，更换不同材料、更高钢级或壁厚的套管，从步骤2)重新进行校核计算，直至选出满足现场安全作业的条件的套管。

Description

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

技术领域

本发明涉及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，属于油气开采领域。

背景技术

稠油是我国非常重要的油气资源之一，中国东部存在大量第三系重质油藏，南方广泛分布中、古生界沥青脉和油砂，西部的中、古生界重油和焦油砂则主要沿盆地北缘或西北缘展布，预计未发现稠油资源量约为2.5×10¹⁰t。

目前稠油的主要开采方式均为热力开采，但稠油在高温环境下会产生H₂S和CO₂等腐蚀性气体，这些腐蚀性气体会引起井下油管、套管和筛管的腐蚀，严重时引发井下漏失、防砂生效等一系列问题，会大幅影响稠油开发的经济效益。另一方面，研究表明高温引起的套管强度下降是导致套管损坏的重要原因之一。如果油层段以上套管未使用隔热管防止蒸汽热辐射,或者封隔器失效，在高温条件下，套管强度将下降，降低其抵抗外载的能力。现场稠油热采井套管的损坏分为局部破损和套管失稳变形两种形式。高温蒸汽作用下，套管发生体积膨胀，因固井水泥环的限制，而无法伸长，进而发生屈曲变形；当温度超过300度时，套管变形会发生永久塑性变形，而无法恢复；当热采流体中含有腐蚀介质时，会对套管产生腐蚀，诱发套管破损。

常规套管强度校核方法主要考虑套管尺寸、套管屈服强度和套管受力环境等三方面因素。设计和计算过程中，套管尺寸和套管强度均被当作常数，未考虑时间效应。油田现场实际使用的套管处于长期受热和受腐蚀的作业环境中，套管的壁厚和强度都有不同程度的下降。设计初期满足安全生产要求的井下套管在生产一段时间后，发生套管失效问题是目前油田现场的常见现象。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供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。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，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，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据现场作业条件，确定进行套管腐蚀速率和屈服强度测试时的实验参数；

2)选择一种稠油热采井常用的套管材料，确定套管材料包括钢级和壁厚的相关参数；

3)对套管材料进行腐蚀速率测试实验，得到不同测试时间下套管材料的质量损失，确定套管壁厚和腐蚀时间的关系，获得套管管壁的腐蚀速率；

4)对套管材料进行屈服强度测试实验，确定套管屈服强度受高温的影响，获得多次注热后套管材料的屈服强度；

5)综合考虑腐蚀和高温影响进行套管强度校核计算；

6)将步骤5)中计算得到的套管强度和步骤1)中获得的现场套管工作压力进行比较，当套管强度大于现场套管工作压力，说明所选套管能够满足现场安全作业的条件；当套管强度小于现场套管工作压力，说明所选套管不能满足现场安全作业的条件，更换不同材料、更高钢级或壁厚的套管，从步骤2)重新进行校核计算，直至选出满足现场安全作业的条件的套管。

优选地，上述步骤1)中获取现场作业条件参数，条件参数包括温度、环境压力、腐蚀气体分压、液体环境离子浓度和注热时间间隔，从而确定进行套管腐蚀速率和屈服强度测试实验的参数，包括温度、压力和时间。

优选地，上述步骤5)中套管强度校核包括套管抗内压强度和套管抗外挤强度的校核；

套管抗内压强度校核计算公式如下：

式中，P_bo为套管单轴抗内压强度；Y_pn是第n轮次注热后套管材料的屈服强度；δ₀为套管初始壁厚；n为现场注热轮次；v为套管管壁腐蚀速率；T为注热间隔；D_c为套管外径；

套管抗外挤强度随套管径厚比的不同，分为屈服挤毁、塑性挤毁、过渡挤毁和弹性挤毁四个阶段；假设套管的外径D_c不变，套管内径由于腐蚀作用逐渐增大，套管径厚比修正公式为：

式中，δ为套管壁厚；

根据计算套管第n次注热后腐蚀引起的径厚比变化判断套管属于哪种挤毁形式，四种挤毁形式的判断条件和套管抗外挤强度P_co校核计算的修正公式如下：

①套管屈服挤毁强度：

当时，

其中，

式中，为屈服和塑性挤毁分界点上的径厚比值；参数A、B、C均为套管尺寸和屈服强度相关的系数；

参数A计算式：A＝2.8762+1.5485×10^-4(Y_pn)+4.47×10^-7(Y_pn)²-1.62×10^-10(Y_pn)³；

参数B计算式：B＝0.026233+7.34×10^-5(Y_pn)；

参数C表达式：C＝-465.93+4.475715(Y_pn)-2.2×10^-4(Y_pn)²+1.12×0^-7(Y_pn)³；

②套管塑性挤毁强度：

当时：

其中：

式中，为塑性与过渡挤毁分界点上的径厚比值；参数F、G为套管尺寸和屈服强度相关的系数；

参数F计算式：

参数G表达式：

③套管过渡挤毁强度：

当时

其中：

式中，为过渡和弹性挤毁的分界点上的径厚比值；

④套管弹性挤毁强度：

当时；

优选地，上述步骤3)中腐蚀速率测试实验的具体过程如下：

①选取现场所使用套管材料制作为挂片进行腐蚀实验，根据步骤1)中获取的现场作业条件设定实验温度、腐蚀气体分压和液体环境离子浓度；

②分别进行m(m≥3)次实验，腐蚀时间分别为t₁,t₂,t₃……t_m逐渐递增，每一挂片在对应腐蚀时间后的失重为Δw₁,Δw₂,Δw₃……Δw_m；每次实验套管腐蚀速率计算公式如下：

式中，Δw_m为第m次实验挂片损失质量；S为挂片表面积；ρ为挂片密度；t_m为第m次实验的腐蚀时间；V_m为第m次实验的管材腐蚀速率；

③将步骤②中得到的多次实验放入腐蚀速率结果采用幂指数函数进行拟合，得到腐蚀速率和腐蚀时间的关系式：

v＝at^b (8)

式中，v为套管管壁的腐蚀速率；a、b为幂函数拟合系数；t为腐蚀时间。

优选地，将t＝90天时的腐蚀速率作为长期腐蚀速率进行套管强度计算。

优选地，上述步骤4)中的套管屈服强度测试实验的具体过程如下：

①选取现场所使用管材钢材进行受热影响下的材料强度测试；

②按照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验室温试验方法》进行常温下管材钢材的屈服强度测试；

③选取同样管材钢材在加热炉中加热至现场作业温度，加热时间由现场作业制度决定，达到预设时间后取出式样冷却至常温，然后进行管材钢材的屈服强度测试；

④根据现场加热作业制度，重复进行步骤③，测得不同注热次数后套管材料的屈服强度。

本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：本发明通过进行套管腐蚀速率测试实验和屈服强度测试实验，确定套管壁厚和屈服强度随腐蚀时间及受热影响的变化规律，将实验结果与套管强度校核公式结合，修正常规套管强度校核公式，实现综合考虑腐蚀和高温的套管强度校核，为热采井套管材质选择、使用寿命预测提供技术依据，优化套管结构设计，降低现场套管使用成本。

附图说明

图1是本发明的整体流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供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，其包括以下步骤：

1)根据现场作业条件，确定进行套管腐蚀速率和屈服强度测试时的实验参数：

获取现场作业的温度、环境压力、腐蚀气体分压、液体环境离子浓度和注热时间间隔等参数，从而确定进行套管腐蚀速率和屈服强度测试实验的温度、压力和时间等参数；

2)选择一种稠油热采井常用的套管材料，确定套管材料的钢级、壁厚δ₀等相关参数；

3)对套管材料进行腐蚀速率测试实验，得到不同测试时间下套管材料的质量损失，确定套管壁厚和腐蚀时间的关系，获得套管管壁的腐蚀速率v；

4)对套管材料进行屈服强度测试实验，确定套管屈服强度受高温的影响，获得多次注热后套管材料的屈服强度；

5)综合考虑腐蚀和高温影响进行套管强度校核计算：

套管强度校核包括套管抗内压强度P_bo和套管抗外挤强度P_co的校核，套管抗内压强度校核计算公式如下：

式中，P_bo为套管单轴抗内压强度；n为现场注热轮次；Y_pn是第n轮次注热后套管材料的屈服强度；δ₀为套管初始壁厚；v为套管管壁腐蚀速率；T为注热间隔；D_c为套管外径；

套管抗外挤强度随套管径厚比的不同，分为屈服挤毁、塑性挤毁、过渡挤毁和弹性挤毁四个阶段；假设套管的外径D_c不变，套管内径由于腐蚀作用逐渐增大，套管径厚比修正公式为：

式中，δ为套管壁厚；

根据计算套管第n次注热后腐蚀引起的径厚比变化判断套管属于哪种挤毁形式，四种挤毁形式的判断条件和套管抗外挤强度P_co校核计算的修正公式如下：

①套管屈服挤毁强度：

当时，

其中，

式中，为屈服和塑性挤毁分界点上的径厚比值；参数A、B、C均为套管尺寸和屈服强度相关的系数；

参数A计算式：A＝2.8762+1.5485×10^-4(Y_pn)+4.47×10^-7(Y_pn)²-1.62×10^-10(Y_pn)³；

参数B计算式：B＝0.026233+7.34×10^-5(Y_pn)；

参数C表达式：C＝-465.93+4.475715(Y_pn)-2.2×10^-4(Y_pn)²+1.12×0^-7(Y_pn)³；

②套管塑性挤毁强度：

当时：

其中：

式中，为塑性与过渡挤毁分界点上的径厚比值；参数F、G为套管尺寸和屈服强度相关的系数；

参数F计算式：

参数G表达式：

③套管过渡挤毁强度：

当时

其中：

式中，为过渡和弹性挤毁的分界点上的径厚比值；

④套管弹性挤毁强度：

当时；

6)将步骤5)中计算得到的套管强度和步骤1)中获得的现场套管工作压力进行比较，当套管强度大于现场套管工作压力，说明所选套管能够满足现场安全作业的条件，可采用该钢级和壁厚的套管进行现场作业；当套管强度小于现场套管工作压力，说明所选套管不能满足现场安全作业的条件，更换不同材料、更高钢级或壁厚的套管，从步骤2)重新进行校核计算，直至选出满足现场安全作业的条件的套管。

进一步地，上述步骤3)中腐蚀速率测试实验的具体过程如下：

①选取现场所使用套管材料制作为挂片进行腐蚀实验，根据步骤1)中获取的现场作业条件设定实验温度、腐蚀气体分压和液体环境离子浓度；

②分别进行m(m≥3)次实验，腐蚀时间分别为t₁,t₂,t₃……t_m逐渐递增，每一挂片在对应腐蚀时间后的失重为Δw₁,Δw₂,Δw₃……Δw_m；每次实验套管腐蚀速率计算公式如下：

式中，Δw_m为第m次实验挂片损失质量；S为挂片表面积；ρ为挂片密度；t_m为第m次实验的腐蚀时间；V_m为第m次实验的管材腐蚀速率；

③将步骤②中得到的多次实验放入腐蚀速率结果采用幂指数函数进行拟合，得到腐蚀速率和腐蚀时间的关系式：

v＝at^b (8)

式中，v为套管管壁的腐蚀速率；a、b为幂函数拟合系数；t为腐蚀时间；

将t＝90天时计算所得的腐蚀速率作为长期腐蚀速率进行套管强度计算；现场挂片腐蚀测试一般要求3个月以上，将90天的腐蚀速率作为套管设计的长期腐蚀速率，既考虑了长期腐蚀逐渐降低的趋势、设计结果更加经济，同时也兼顾了套管设计的安全性。

进一步地，上述步骤4)中的套管屈服强度测试实验的具体过程如下：

①选取现场所使用管材钢材进行受热影响下的材料强度测试；

②按照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验室温试验方法》进行常温下管材钢材的屈服强度测试；

③选取同样管材钢材在加热炉中加热至现场作业温度，加热时间由现场作业制度决定，达到预设时间后取出式样冷却至常温，然后进行管材钢材的屈服强度测试；

④根据现场加热作业制度，重复进行步骤③，测得不同注热次数后套管材料的屈服强度Y_p1、Y_P2……Y_pn。

下面以具体实施例对本发明作以说明：

某稠油油田井下蒸汽注热温度为350℃，注热间隔为9个月/次，CO₂和H₂S分压为0.2MPa和0.0023MPa，地层温度80℃，作业环境压力18MPa，校核注热一轮次后套管强度是否满足安全生产要求。

尝试使用TP100H套管材料进行强度校核，其中套管外径244.5mm，线重69.94kg/m(壁厚11.99mm)。

通过腐蚀实验测得管材在现场条件下的腐蚀速率为0.24mm/y，第一次受热后管材的屈服强度下降为586Mpa，第一次注热时套管在热采条件下的生产时间为9个月(0.75年)，计算经一次注热的时间间隔后的管材壁厚为11.81mm。

将上述所得参数带入式(1)中，套管的抗内压强度校核计算结果如下：

根据径厚比公式(2)计算得：

根据屈服强度Y_pn＝586Mpa，计算参数A、B、C、F、G的值分别为：

A＝2.8762+1.5485×10^-4(Y_pn)+4.47×10^-7(Y_pn)²-1.62×10^-10(Y_pn)³＝3.09

B＝0.026233+7.34×10^-5(Y_pn)＝0.07

C＝-465.93+4.475715(Y_pn)-2.2×10^-4(Y_pn)²+1.12×0^-7(Y_pn)³＝2101.37

根据所得参数ABCFG，计算径厚比公式(2)结果属于范围内，即：

则说明套管处于塑性挤毁阶段，应计算套管的塑性挤毁强度，即采用公式(4)进行抗外挤强度校核：

因此，现场套管在第一次注热作业后，其抗内压强度为49.53Mpa，抗外挤强度为32.33MPa，均高于作业环境压力18MPa，说明从开始到第一次注热的时间间隔内，所选套管满足安全生产要求。

若进行多轮次套管强度校核，其过程和示例校核过程相似，根据作业时间调整重新计算相应参数，重复上述计算过程即可。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的。在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进或等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种腐蚀和高温联合作用下套管强度校核与优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据现场作业条件，确定进行套管腐蚀速率和屈服强度测试时的实验参数；

2)选择一种稠油热采井常用的套管材料，确定套管材料包括钢级和壁厚的相关参数；

3)对套管材料进行腐蚀速率测试实验，得到不同测试时间下套管材料的质量损失，确定套管壁厚和腐蚀时间的关系，获得套管管壁的腐蚀速率；

4)对套管材料进行屈服强度测试实验，确定套管屈服强度受高温的影响，获得多次注热后套管材料的屈服强度；

5)综合考虑腐蚀和高温影响进行套管强度校核计算；

6)将步骤5)中计算得到的套管强度和步骤1)中获得的现场套管工作压力进行比较，当套管强度大于现场套管工作压力，说明所选套管能够满足现场安全作业的条件；当套管强度小于现场套管工作压力，说明所选套管不能满足现场安全作业的条件，更换不同材料、更高钢级或壁厚的套管，从步骤2)重新进行校核计算，直至选出满足现场安全作业的条件的套管。

2.如权利要求1所述的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，其特征在于：上述步骤1)中获取现场作业条件参数，条件参数包括温度、环境压力、腐蚀气体分压、液体环境离子浓度和注热时间间隔，从而确定进行套管腐蚀速率和屈服强度测试实验的参数，包括温度、压力和时间。

3.如权利要求1所述的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，其特征在于：上述步骤5)中套管强度校核包括套管抗内压强度和套管抗外挤强度的校核；

套管抗内压强度校核计算公式如下：

式中，P_bo为套管单轴抗内压强度；Y_pn是第n轮次注热后套管材料的屈服强度；δ₀为套管初始壁厚；n为现场注热轮次；v为套管管壁腐蚀速率；T为注热间隔；D_c为套管外径；

套管抗外挤强度随套管径厚比的不同，分为屈服挤毁、塑性挤毁、过渡挤毁和弹性挤毁四个阶段；假设套管的外径D_c不变，套管内径由于腐蚀作用逐渐增大，套管径厚比修正公式为：

式中，δ为套管壁厚；

根据计算套管第n次注热后腐蚀引起的径厚比变化判断套管属于哪种挤毁形式，四种挤毁形式的判断条件和套管抗外挤强度P_co校核计算的修正公式如下：

①套管屈服挤毁强度：

当时，

其中，

式中，为屈服和塑性挤毁分界点上的径厚比值；参数A、B、C均为套管尺寸和屈服强度相关的系数；

参数A计算式：A＝2.8762+1.5485×10^-4(Y_pn)+4.47×10^-7(Y_pn)²-1.62×10^-10(Y_pn)³；

参数B计算式：B＝0.026233+7.34×10^-5(Y_pn)；

参数C表达式：C＝-465.93+4.475715(Y_pn)-2.2×10^-4(Y_pn)²+1.12×0^-7(Y_pn)³；

②套管塑性挤毁强度：

当时：

其中：

式中，为塑性与过渡挤毁分界点上的径厚比值；参数F、G为套管尺寸和屈服强度相关的系数；

参数F计算式：

参数G表达式：

③套管过渡挤毁强度：

当时

其中：

式中，为过渡和弹性挤毁的分界点上的径厚比值；

④套管弹性挤毁强度：

当时；

4.如权利要求1所述的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，其特征在于，上述步骤3)中腐蚀速率测试实验的具体过程如下：

①选取现场所使用套管材料制作为挂片进行腐蚀实验，根据步骤1)中获取的现场作业条件设定实验温度、腐蚀气体分压和液体环境离子浓度；

②分别进行m(m≥3)次实验，腐蚀时间分别为t₁,t₂,t₃……t_m逐渐递增，每一挂片在对应腐蚀时间后的失重为Δw₁,Δw₂,Δw₃……Δw_m；每次实验套管腐蚀速率计算公式如下：

式中，Δw_m为第m次实验挂片损失质量；S为挂片表面积；ρ为挂片密度；t_m为第m次实验的腐蚀时间；V_m为第m次实验的管材腐蚀速率；

③将步骤②中得到的多次实验放入腐蚀速率结果采用幂指数函数进行拟合，得到腐蚀速率和腐蚀时间的关系式：

v＝at^b (8)

式中，v为套管管壁的腐蚀速率；a、b为幂函数拟合系数；t为腐蚀时间。

5.如权利要求4所述的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，其特征在于：将t＝90天时的腐蚀速率作为长期腐蚀速率进行套管强度计算。

6.如权利要求1所述的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，其特征在于，上述步骤4)中的套管屈服强度测试实验的具体过程如下：

①选取现场所使用管材钢材进行受热影响下的材料强度测试；

②按照GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验室温试验方法》进行常温下管材钢材的屈服强度测试；

③选取同样管材钢材在加热炉中加热至现场作业温度，加热时间由现场作业制度决定，达到预设时间后取出式样冷却至常温，然后进行管材钢材的屈服强度测试；

④根据现场加热作业制度，重复进行步骤③，测得不同注热次数后套管材料的屈服强度。