套管強度腐蝕影響的數值模擬研究

丁 氐，馮 定，梅 超，侯作富 (長江大學機械工程學院， 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)

套管強度腐蝕影響的數值模擬研究

丁 氐，馮 定，梅 超，侯作富 (長江大學機械工程學院， 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度的影響，結合乾安油田套管腐蝕環境測試結果及套管腐蝕形態和套管損壞時間等現場統計資料，繪制了套管腐蝕后剩余強度在不同區塊的降低幅度圖版，為油田預防套損提供參考。

套管；強度；腐蝕；數值模擬

套管在服役一段時間后容易出現腐蝕的現象，套管管體的腐蝕將直接引起套管強度的降低。由于套管腐蝕環境和腐蝕機理的區別，套管腐蝕形態及腐蝕規律也有差異，由腐蝕形態和腐蝕程度的不同可大致分為管壁整體均勻變薄、局部出現片狀凹坑、V形凹坑、孔洞等情形，引起套管強度不同程度的降低。對于套管內壁而言，由于套管內腔液體環境是連通的，因此腐蝕環境接近，內壁的腐蝕較為均勻，以整體變薄為主(在內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，由于腐蝕環境不均勻、不連續，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]條件下套管外擠強度降低的分析。下面，筆者結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度的影響。

1 數值計算模型

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變質不能承擔外載，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”，進而模擬腐蝕厚度對套管強度的影響。

表1 乾安油田主產區塊空白水質腐蝕速率表

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(根據套管型號及地應力水平設置套管均勻外擠壓力區間為30～90MPa)。腐蝕環境參考乾安油田主產區塊空白水質腐蝕速率(見表1)。

計算模型如圖1所示，其中圖1(a)為劃分網格后的原始模型圖；圖1(b)顯示腐蝕單元從外壁向內逐漸擴展的情形，隨計算時間步增加，殺死單元數目也增加；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果示意圖。

2 數值計算結果與分析

1)套管剩余強度與腐蝕厚度的關系 計算不同腐蝕厚度下套管的剩余強度，結果如圖2所示。從圖2可知，隨著腐蝕厚度的增加套管剩余強度有明顯的降低；套管剩余強度與腐蝕厚度間的關系成“S”形變化趨勢，即腐蝕初期套管強度急劇降低，腐蝕中期套管強度降低程度稍平緩，隨著套管腐蝕厚度進一步增加，套管外擠強度又急劇下降；當腐蝕深度超過3.5mm時，強度降低明顯，僅為原始強度的60%左右，剩余強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)套管剩余強度與腐蝕時間的關系 由乾安油田主要特征區塊的腐蝕速率數據(見表1)，并結合不同腐蝕厚度套管剩余強度值，即可計算不同腐蝕時間后套管的剩余強度，計算結果如圖3所示。從圖3可知，不同區塊套管強度降低幅度與其腐蝕速率有關，在C、D、E區塊套管強度降低速率較大，2.5年后套管剩余強度降低至60MPa左右，且隨著腐蝕時間的延長，套管剩余強度急劇降低。

圖2 套管剩余強度與腐蝕厚度的關系 圖3 套管剩余強度與腐蝕時間的關系

3)計算結果分析 對比乾安油田相應區塊實際套管損壞的統計資料并結合圖3可知，在A、B區塊未發現套損，C、D、E 3個區塊套損嚴重；C、D、E 3個區塊在投產2～4年是套損高發期，部分井投產0.5年即套損。可見，套損的統計規律與計算結果相符，腐蝕速率對套管損壞的影響明顯，腐蝕速率大的區域套管強度明顯降低，在套管強度降低劇烈的時間段內套管易損壞。生產過程中應采取合理的防腐措施，加強對套管的保護，以延長套管使用壽命。

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

[2] 趙增新，高德利，覃成錦.二維類圓形腐蝕孔應力集中對套管強度的影響[J].石油鉆探技術，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，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度及其壽命[J].石油化工腐蝕與防護,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，現主要從事石油機械、油氣田開發方面的研究工作。

TE988

A

1673-1409(2013)04-0074-02

[編輯] 洪云飛