CN112241843A - 一种带腐蚀缺陷油套管剩余强度评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带腐蚀缺陷油套管剩余强度评价方法，收集油套管实际参数，推导建立剩余强度计算方程，建立剩余强度公式；结合蒙特卡罗数学统计方法，建立腐蚀油套管状态函数；建立腐蚀油管失效模型，对随机变量分别进行一次模拟可以得到一个二维矩阵，把每次模拟得到的二维矩阵进行模拟计算，根据多次模拟结果可知，该油套管剩余强度可靠度。本发明基于常规评价标准，推导油套管剩余强度公式，结合蒙特卡罗数学统计方法，建立多元评价函数，可对多个影响指标同时进行评价，同时，通过数理统计的方法，大大提高了评价的准确度与高效性，适用性较好。

Description

一种带腐蚀缺陷油套管剩余强度评价方法

技术领域

本发明涉及一种带腐蚀缺陷油套管剩余强度评价方法，属于钻完井工艺领域。

背景技术

随着我国很多油田进入后期开采阶段，油管腐蚀问题越来越成为影响油气生产安全的主要因素之一，对腐蚀后的油管进行全面系统可靠性评价变得越来越迫切。对于油管的腐蚀评价非常困难，难以像输油管道和其它压力容器那样得出明确的直接可以应用的评价标准。找到一种准确、高效的腐蚀缺陷油套管剩余强度评价方法是油气井长期安全生产的重点。

经过大量调研，现有的油套管剩余强度评价方法均通过行业标准进行，其步骤繁琐，流程复杂，且判别参数及标准参差不齐，大多评价方法中用到的评价参数为1至2个，评价指标较少，评价结果误差较大，使用局限性较大。

发明内容

本发明目的是：为了解决现今油套管剩余强度评价指标单一，评价结果误差较大，使用局限性大等问题，本发明蒙结合特卡罗数学统计方法，可同时实现多元指标的协同判别，评价结果较准确，可推广性强。

为实现上述目的，本发明提供了一种带腐蚀缺陷油套管剩余强度评价方法，包括以下步骤：收集油套管实际参数，建立剩余强度公式；结合蒙特卡罗数学统计方法，建立腐蚀油套管状态函数；建立腐蚀油管失效模型，求出概率密度函数及其概率分布函数；重复进行N次模拟，得到失效次数M；根据N次模拟结果可知，该油套管剩余强度可靠度为R＝(N-M)/N。

具体的，该方法包括下列步骤：

S1，收集油套管实际参数，推导建立剩余强度计算方程，结合腐蚀深度d，油套管钢材流变应力σ_f，建立剩余强度公式；

S2，根据建立的剩余强度公式，结合蒙特卡罗数学统计方法，建立腐蚀油套管状态函数

式中：P为油套管材许用应力，单位为MPa；d为腐蚀深度，单位为mm；t为实测壁厚，单位为mm；σ_f油套管钢材流变应力，单位为MPa；D为油套管外径，单位为mm；M_t为傅里叶因子，无量纲量；

S3，建立腐蚀油管失效模型P_f＝∫_z＜0…∫f(d,L,t,D,σ_z,σ_b,P)dddLdDdσ_sdσ_bdP，分别求出d，σ_s，P的概率密度函数f(x_i)及其概率分布函数F(x_i)，式中f(d,L,t,D,σ_s,σ_b,P)是d，L，t，D，σ_s，σ_b，P综合的概率密度函数，d为腐蚀深度，单位为mm；L为均厚长度，单位为mm；t为实测壁厚，单位为mm；D为油套管外径，单位为mm；σ_s为油管钢材的屈服强度，单位为MPa；σ_b为油管钢材的抗拉强度，单位为MPa；P为油套管材许用应力，单位为MPa；

S4，利用关系式

生成一个均匀分布在(0.1)区间中的随机数x_ij，对给定的F(x_ij)，对n个随机变量分别进行一次模拟可以得到一个1×n的二维矩阵(x_1j,x_2j,L,x_nj)，式中：i为随机变量个数，j为模拟的次数；

S5，把每次模拟得到的二维矩阵(x_1j,x_2j,L,x_nj)代入

式中，若Z<0，则记录油管失效一次，重复进行N次模拟，得到失效次数M；

S6，根据N次模拟结果可知，该油套管剩余强度可靠度为R＝(N-M)/N。

其中，步骤S1中的所述建立剩余强度公式包括以下步骤：

获取油套管基础参数，包括：实测壁厚t、最小实测厚度t_mm，腐蚀余量FCA，最小许用壁厚t_min，油套管外径D，油套管内径D_t，缺陷深度d，油套管钢材流变应力σ_f，油管钢材的屈服强度σ_s；

根据剩余厚度比计算公式

壳体系数计算公式

傅里叶因子计算公式M_t＝(1+0.48λ²)^0.5，分别计算剩余厚度比、壳体系数以及傅里叶因子；式中：t_mm为最小实测厚度，单位为mm；R_t为剩余厚度比，无量纲量；FCA为腐蚀余量，单位为mm；t_min为最小许用厚度，单位为mm；λ为壳体系数，无量纲量；L为均厚长度，单位为mm；D为油套管外径，单位为mm；t为实测壁厚，单位为mm；M_t为傅里叶因子，无量纲量；

根据剩余厚度比、壳体系数、傅里叶因子，结合均厚长度计算公式

推导得到剩余强度因子计算方程

式中：Q为剩余壁厚系数，无量纲量；LOSS为管道均匀减薄厚度，mm；RSF为剩余强度因子，无量纲量；

根据上述推导的剩余强度因子计算方程，根据腐蚀深度d，油套管钢材流变应力σ_f，推导得到剩余强度公式

式中：P_e为剩余强度，单位为MPa；σ_f油套管钢材流变应力，单位为MPa；d为腐蚀深度，单位为mm。

本发明提供的一种带腐蚀缺陷油套管剩余强度评价方法，主要针对油套管均匀腐蚀情况，但针对局部腐蚀情况仍具有适用性。

本发明基于常规评价标准，推导油套管剩余强度公式，结合蒙特卡罗数学统计方法，建立多元评价函数，可对多个影响指标同时进行评价，同时，通过数理统计的方法，大大提高了评价的准确度与高效性，适用性较好。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)实现多元指标协同评价，评价结果较准确；(2)结合蒙特卡罗数学统计方法，使用范围广，可操作性高；(3)可推广性强。

附图说明

图1是本发明的技术路线图。

具体实施方式

下面结合实施方式和附图对本发明做进一步说明。

为实现上述目的，本发明提供了一种带腐蚀缺陷油套管剩余强度评价方法，其实施步骤如图1，该方法包括下列步骤：

S1，根据油套管实际参数，推导建立剩余强度计算方程，结合腐蚀深度d，油套管钢材流变应力σ_f，建立剩余强度公式；

S2，根据建立的剩余强度公式，结合蒙特卡罗数学统计方法，建立腐蚀油套管状态函数

式中：P为油套管材许用应力，单位为MPa；d为腐蚀深度，单位为mm；t为实测壁厚，单位为mm；σ_f油套管钢材流变应力，单位为MPa；D为油套管外径，单位为mm；M_t为傅里叶因子，无量纲量；

S3，建立腐蚀油管失效模型P_f＝∫_z＜0…∫f(d,L,t,D,σ_z,σ_b,P)dddLdDdσ_sdσ_bdP，分别求出d，σ_s，P的概率密度函数f(x_i)及其概率分布函数F(x_i)，式中f(d,L,t,D,σ_s,σ_b,P)是d，L，t，D，σ_s，σ_b，P综合的概率密度函数，d为腐蚀深度，单位为mm；L为均厚长度，单位为mm；t为实测壁厚，单位为mm；D为油套管外径，单位为mm；σ_s为油管钢材的屈服强度，单位为MPa；σ_b为油管钢材的抗拉强度，单位为MPa；P为油套管材许用应力，单位为MPa；

S4，利用关系式

生成一个均匀分布在(0.1)区间中的随机数x_ij，对给定的F(x_ij)，对n个随机变量分别进行一次模拟可以得到一个1×n的二维矩阵(x_1j,x_2j,L,x_nj)，式中：i为随机变量个数，j为模拟的次数；

S5，把每次模拟得到的二维矩阵(x_1j,x_2j,L,x_nj)代入

式中，若Z<0，则记录油管失效一次，重复进行N次模拟，得到失效次数M；

S6，根据N次模拟结果可知，该油套管剩余强度可靠度为R＝(N-M)/N。

进一步的，所述建立剩余强度公式包括以下步骤：

获取油套管基础参数，包括：实测壁厚t、最小实测厚度t_mm，腐蚀余量FCA，最小许用壁厚t_min，油套管外径D，油套管内径D_t，缺陷深度d，油套管钢材流变应力σ_f，油管钢材的屈服强度σ_s；

根据剩余厚度比计算公式

壳体系数计算公式

傅里叶因子计算公式M_t＝(1+0.48λ²)^0.5，分别计算剩余厚度比、壳体系数以及傅里叶因子；式中：t_mm为最小实测厚度，单位为mm；R_t为剩余厚度比，无量纲量；FCA为腐蚀余量，单位为mm；t_min为最小许用厚度，单位为mm；λ为壳体系数，无量纲量；L为均厚长度，单位为mm；D为油套管外径，单位为mm；t为实测壁厚，单位为mm；M_t为傅里叶因子，无量纲量；

根据剩余厚度比、壳体系数、傅里叶因子，结合均厚长度计算公式

推导得到剩余强度因子计算方程

式中：Q为剩余壁厚系数，无量纲量；LOSS为管道均匀减薄厚度，mm；RSF为剩余强度因子，无量纲量；

根据上述推导的剩余强度因子计算方程，根据腐蚀深度d，油套管钢材流变应力σ_f，推导得到剩余强度公式

式中：P_e为剩余强度，单位为MPa；σ_f油套管钢材流变应力，单位为MPa；d为腐蚀深度，单位为mm。

进一步的，所述方法主要针对油套管均匀腐蚀情况，但针对局部腐蚀情况仍具有适用性。

基于一种带腐蚀缺陷油套管剩余强度评价方法，接下来以某气藏A井套管剩余强度评价为例，进行该方法的进一步说明。

首先，剩余厚度比计算公式

壳体系数计算公式

傅里叶因子计算公式M_t＝(1+0.48λ²)^0.5，结合均厚长度计算公式

推导得到剩余强度因子计算方程

随后，上述推导的剩余强度因子计算方程，根据腐蚀深度d，油套管钢材流变应力σ_f，推导得到剩余强度公式

基于上述剩余强度公式，结合蒙特卡罗统计方法，建立腐蚀油套管状态函数

建立腐蚀油管失效模型P_f＝∫_z＜0…∫f(d,L,t,D,σ_z,σ_b,P)dddLdDdσ_sdσ_bdP，分别求出d，σ_s，P的概率密度函数f(x_i)及其概率分布函数F(x_i)，式中f(d,L,t,D,σ_s,σ_b,P)是d，L，t，D，σ_s，σ_b，P综合的概率密度函数；

获取油套管某一点基础参数，详见表1，包括：实测壁厚t、最小实测厚度t_mm，腐蚀余量FCA，最小许用壁厚t_min，油套管外径D，油套管内径D_t，缺陷深度d，油套管钢材流变应力σ_f，油管钢材的屈服强度σ_s；

表1油套管某一点基础参数

实测壁厚t	4.68	最小许用壁厚t<sub>min</sub>	4
				最小实测厚度t<sub>mm</sub>	4.38	油套管外径D	139
缺陷深度d	0.84	许用应力P	20
				腐蚀余量FCA	0.68	油套管内径D<sub>t</sub>	127
钢材流变应力σ<sub>f</sub>	216	钢材屈服强度σ<sub>s</sub>	426
				管道均匀减薄厚度LOSS	0.53	剩余壁厚系数Q	0.9

根据上述数据，计算得到壳体系数、傅里叶因子，均厚长度、剩余强度如表2所示：

壳体系数λ	0.95	傅里叶因子M<sub>t</sub>	1.198
				均厚长度L	18.89	剩余套管强度P<sub>e</sub>	14.04

Z＝Pe-P＝-5.96(<0,套管失效)

重复上述步骤，选取第二点所测数据(x_1j,x_2j,L,x_7j)进行判别，共重复1000次上述取点及计算步骤，失效次数为737次，可得该套管的剩余强度可靠度为：

R＝(1000-737)/1000＝26.3％

综上所述，结合蒙特卡罗统计学方法，得到该套管的剩余强度可靠度为26.3％，可靠度较低，失效风险高，需及时采取相应修井措施。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种带腐蚀缺陷油套管剩余强度评价方法，其特征在于，包括以下步骤：收集油套管实际参数，建立剩余强度公式；结合蒙特卡罗数学统计方法，建立腐蚀油套管状态函数；建立腐蚀油管失效模型，求出概率密度函数及其概率分布函数；重复进行N次模拟，得到失效次数M；根据N次模拟结果可知，该油套管剩余强度可靠度为R＝(N-M)/N。

2.根据权利要求1所述的一种带腐蚀缺陷油套管剩余强度评价方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

S1，收集油套管实际参数，推导建立剩余强度计算方程，结合腐蚀深度d，油套管钢材流变应力σ_f，建立剩余强度公式；

S2，根据建立的剩余强度公式，结合蒙特卡罗数学统计方法，建立腐蚀油套管状态函数Z：

式中：P为油套管材许用应力，单位为MPa；d为腐蚀深度，单位为mm；t为实测壁厚，单位为mm；σ_f油套管钢材流变应力，单位为MPa；D为油套管外径，单位为mm；M_t为傅里叶因子，无量纲量；

S3，建立腐蚀油管失效模型：

P_f＝∫_z＜0…∫f(d,L,t,D,σ_z,σ_b,P)dddLdDdσ_sdσ_bdP

分别求出d、σ_s，P的概率密度函数f(x_i)及其概率分布函数F(x_i)，式中f(d,L,t,D,σ_s,σ_b,P)是d、L、t、D、σ_s、σ_b、P综合的概率密度函数，d为腐蚀深度，单位为mm；L为均厚长度，单位为mm；t为实测壁厚，单位为mm；D为油套管外径，单位为mm；σ_s为油管钢材的屈服强度，单位为MPa；σ_b为油管钢材的抗拉强度，单位为MPa；P为油套管材许用应力，单位为MPa；

S4，利用关系式

生成一个均匀分布在(0.1)区间中的随机数x_ij，对给定的F(x_ij)，对n个随机变量分别进行一次模拟可以得到一个1×n的二维矩阵(x_1j,x_2j,L,x_nj)，式中：i为随机变量个数，j为模拟的次数；

S5，把每次模拟得到的二维矩阵(x_1j,x_2j,L,x_nj)代入

式中，若Z<0，则记录油管失效一次，重复进行N次模拟，得到失效次数M；

S6，根据N次模拟结果可知，该油套管剩余强度可靠度为R＝(N-M)/N。

3.根据权利要求2所述的一种带腐蚀缺陷油套管剩余强度评价方法，其特征在于：步骤S1中所述建立剩余强度公式，包括以下步骤：

获取油套管基础参数，包括：实测壁厚t、最小实测厚度t_mm，腐蚀余量FCA，最小许用壁厚t_min，油套管外径D，油套管内径D_t，缺陷深度d，油套管钢材流变应力σ_f，油管钢材的屈服强度σ_s；

根据剩余厚度比计算公式

壳体系数计算公式

傅里叶因子计算公式M_t＝(1+0.48λ²)^0.5，分别计算剩余厚度比、壳体系数以及傅里叶因子；式中：t_mm为最小实测厚度，单位为mm；R_t为剩余厚度比，无量纲量；FCA为腐蚀余量，单位为mm；t_min为最小许用厚度，单位为mm；λ为壳体系数，无量纲量；L为均厚长度，单位为mm；D为油套管外径，单位为mm；t为实测壁厚，单位为mm；M_t为傅里叶因子，无量纲量；

根据剩余厚度比、壳体系数、傅里叶因子，结合均厚长度计算公式

推导得到剩余强度因子计算方程

式中：Q为剩余壁厚系数，无量纲量；LOSS为管道均匀减薄厚度，mm；RSF为剩余强度因子，无量纲量；

根据上述推导的剩余强度因子计算方程，根据腐蚀深度d，油套管钢材流变应力σ_f，推导得到剩余强度公式

式中：P_e为剩余强度，单位为MPa；σ_f油套管钢材流变应力，单位为MPa；d为腐蚀深度，单位为mm。

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