隔水導管腐蝕工況下靜力學穩(wěn)定性研究

張慶華，陳鵬飛，黃毓祥，魏裕森

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

南海東部油氣田經(jīng)過多年的開發(fā)，在復雜海洋環(huán)境與應力腐蝕等多重因素作用下，部分隔水導管出現(xiàn)嚴重腐蝕的情況，井筒完整性存在失效風險。從現(xiàn)場實際情況來看，隔水導管腐蝕包括有效壁厚變薄、接箍處腐蝕開裂、隔水導管穿孔破損、潮差區(qū)均勻腐蝕、點蝕與坑蝕、咬痕或劃傷、全浸區(qū)海生物腐蝕等類型，涉及隔水導管作業(yè)各個階段以及隔水導管各個部位。隔水導管作為建立井口、支撐井口與后續(xù)套管質(zhì)量及防噴器組質(zhì)量的關(guān)鍵部件，其承載能力關(guān)系油氣井全生命周期內(nèi)的井筒安全。本文選取南海東部油氣田某平臺隔水導管，結(jié)合實際工況與平臺結(jié)構(gòu)，運用ANSYS有限元分析軟件[1，2]，從靜力學角度分析腐蝕狀態(tài)下隔水導管穩(wěn)定性情況，為后期隔水導管修復或更換決策提供理論支撐。

1 物理模型

隔水導管處于海洋環(huán)境中，受到的載荷主要包括自重、頂部井口載荷、風載、海流載荷、海浪載荷等。由于南海東部平臺所處海域水深較深，生產(chǎn)平臺結(jié)構(gòu)中，沿隔水導管間隔一定距離安裝有導向槽，以增強隔水導管的穩(wěn)定性（見圖1）。

導向槽在計算中采用以下假設(shè)處理：

（1）導向槽為固定構(gòu)件，為隔水導管提供穩(wěn)定的橫向支撐；

（2）入泥段隔水導管可視為固定端。

該平臺作業(yè)水深145 m，隔水導管采用錘入式下入，入泥深度在90 m～99 m，隔水導管頂部標高EL（+）22.70 m，1#導向孔標高EL（+）6.10 m；2#導向孔標高EL（-）14.02 m；3# 導向孔標高 EL（-）35.97 m；4# 導向孔標高 EL（-）59.74 m；5#導向孔標高 EL（-）89.00 m；6#導向孔標高 EL（-）118.87 m。

2 有限元模型

該平臺采用24″隔水導管，壁厚1″，鋼級為X52，其最小屈服強度為356 MPa。對隔水導管進行承受風浪流載荷作用下的結(jié)構(gòu)計算[3-10]，具體工況（見表1）。

表1 風、浪、流工況

有限元模型按如下三種類型建立：

（1）新隔水導管受力分析：隔水導管無腐蝕情況下受力分析。

（2）均勻腐蝕工況下隔水導管受力分析：泥面以上隔水導管整體均勻腐蝕，統(tǒng)一給定隔水導管腐蝕比例。

圖1 某油田隔水導管物理模型

（3）飛濺區(qū)加速腐蝕工況下隔水導管受力分析：考慮飛濺區(qū)腐蝕程度較高，先給定非飛濺區(qū)一個腐蝕比例，然后逐步加大飛濺區(qū)的腐蝕比例到一定數(shù)值。

表2 某油田風、浪、流情況

3 結(jié)果分析

3.1 強度校核

在進行隔水導管結(jié)構(gòu)的靜力分析之后，應對結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性進行校核，以保證結(jié)構(gòu)的安全，目前工程界采用許用應力法來校核。

3.1.1 強度校核原則 按照中國海洋石油總公司《海上開發(fā)井隔水導管設(shè)計和作業(yè)規(guī)范》許用應力[11]的選取（見表3），其中 σs為鋼材屈服強度，MPa。

表3 許用應力取值

隔水導管在受風、浪、流載荷作用下，主要發(fā)生拉破壞及失穩(wěn)彎曲破壞，根據(jù)第一強度理論可知，當結(jié)構(gòu)中某點的最大拉應力達到屈服極限時結(jié)構(gòu)就會破壞。

隔水導管采用X52鋼級，其最小屈服強度為356 MPa，所以隔水導管的許用應力（見表4），其中工作環(huán)境許用應力對應的是1年期海況環(huán)境下最大許用應力，極端環(huán)境許用應力對應的是100年期海況環(huán)境下最大許用應力。當許用應力值與有限元受力分析所得最大等效應力比值大于1時，可認為隔水導管尚未達到失效狀態(tài)。

表4 隔水導管許用應力取值

3.1.2 均勻腐蝕強度校核結(jié)果分析 對均勻腐蝕工況下隔水導管結(jié)構(gòu)的等效MISES應力分析，并進行強度校核（見表5）。

表5 隔水導管均勻腐蝕工況下強度校核結(jié)果

通過對隔水導管均勻腐蝕工況下許用值與計算值比值進行線性回歸分析（見圖2），得到圖中兩個線性函數(shù)，當許用值與計算值比值為1時，1年期海況與100年期海況對應的隔水導管腐蝕比例分別為77.16%和75.99%。分析結(jié)果表明，該平臺在井口載荷為200 t工況下，受到1年期或100年期海況條件基礎(chǔ)上，當隔水導管腐蝕比例不超過75.99%情況下，隔水導管強度依然滿足設(shè)計要求。

3.1.3 飛濺區(qū)加速腐蝕強度校核結(jié)果分析 在隔水導管飛濺區(qū)腐蝕比例相同的情況下，將飛濺區(qū)加速腐蝕工況下隔水導管最大等效應力與均勻腐蝕工況下隔水導管最大等效應力進行對比，均勻腐蝕工況下隔水導管最大等效應力比飛濺區(qū)加速腐蝕工況下隔水導管最大等效應力要偏大一些且差距較小，故對腐蝕的隔水導管進行強度校核時，可用均勻腐蝕工況下隔水導管強度校核結(jié)果替代飛濺區(qū)加速腐蝕工況下隔水導管強度校核結(jié)果（見表6，表7）。

3.2 穩(wěn)定性校核

3.2.1 穩(wěn)定性校核原則 圓管形構(gòu)件在軸向力和彎矩聯(lián)合作用時，穩(wěn)定性校核的公式為[12]：

式中：σ-彎曲應力，MPa；N-計算截面的軸向力，N；Mx、My-計算截面分別繞X及Y軸的彎矩，N·mm；A-圓管的截面面積，mm2；W-圓管截面的剖面模數(shù)，mm3；[σc]-穩(wěn)定性許用應力，MPa，取值為 Φσs；Φ-整體穩(wěn)定系數(shù)，對于圓管構(gòu)件，則由下式?jīng)Q定：當其中，l-圓管長度，定位節(jié)點中心間距離，mm；D-圓管直徑，mm；E-彈性模量，MPa。

圖2 隔水導管均勻腐蝕工況下許用值與計算值比值

表6 飛濺區(qū)加速腐蝕最大等效應力匯總（1年期海況）

表7 飛濺區(qū)加速腐蝕最大等效應力匯總（100年期海況）

3.2.2 穩(wěn)定性校核結(jié)果分析 根據(jù)穩(wěn)定性校核公式，計算出彎曲應力，通過許用應力與彎曲應力比值獲得穩(wěn)定性校核系數(shù)。隔水導管在100年期海況的均勻腐蝕工況下，穩(wěn)定性系數(shù)與強度系數(shù)比值大于1，應用數(shù)值較低的強度系數(shù)進行隔水導管校核。隔水導管在1年期海況的均勻腐蝕工況下，隔水導管腐蝕比例不超過60%時，穩(wěn)定性系數(shù)與強度系數(shù)比值小于1，應用數(shù)值較低的穩(wěn)定性系數(shù)進行隔水導管校核；當隔水導管腐蝕比例超過60%時，穩(wěn)定性系數(shù)與強度系數(shù)比值大于1，應用數(shù)值較低的強度系數(shù)進行隔水導管校核（見表 8）。

考慮到隔水導管腐蝕比例不超過60%，在1年期與100年期海況條件下，其強度系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù)皆符合標準要求，故均勻腐蝕情況下，只需考慮隔水導管腐蝕比例超過60%時，數(shù)值較低的強度系數(shù)是否滿足標準要求（見圖3）。

4 總結(jié)

（1）隔水導管強度校核表明，從靜力學角度考慮，該平臺在最大井口載荷為200 t工況下，受到1年期或100年期海況條件時，當隔水導管腐蝕比例不超過75.99%，隔水導管強度依然滿足設(shè)計要求。

（2）由于均勻腐蝕工況下隔水導管最大等效應力比飛濺區(qū)加速腐蝕工況下隔水導管最大等效應力要偏大一些且差距較小，故可用均勻腐蝕工況下隔水導管強度校核結(jié)果替代飛濺區(qū)加速腐蝕工況下隔水導管強度校核結(jié)果。

表8 均勻腐蝕工況下穩(wěn)定性校核

圖3 均勻腐蝕工況下穩(wěn)定性校核系數(shù)與強度校核系數(shù)比值

（3）穩(wěn)定性校核系數(shù)在腐蝕比例超過60%時，穩(wěn)定性校核系數(shù)與強度校核系數(shù)的比值大于1，應用數(shù)值較低的強度系數(shù)進行隔水導管校核，故可采用強度校核結(jié)果核算隔水導管失穩(wěn)時腐蝕程度節(jié)點。

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