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        彎曲套損井整形修復(fù)中的打孔割縫應(yīng)力釋放研究

        2023-06-18 13:46:58常方瑞李汝強李發(fā)祿韓曉強曹小建李玉坤劉建林李瑞勇
        油氣田地面工程 2023年6期
        關(guān)鍵詞:損井內(nèi)壓內(nèi)壁

        常方瑞 李汝強 李發(fā)祿 韓曉強 曹小建 李玉坤 劉建林 李瑞勇

        1中國石化勝利油田分公司油氣井下作業(yè)中心

        2中國石化勝利油田分公司工程技術(shù)管理中心

        3青海油田井下作業(yè)公司

        4中國石油大學(xué)(華東)儲運與建筑工程學(xué)院

        套管是油井的重要組成部分,一旦損壞,將造成很大的經(jīng)濟損失。國內(nèi)外的很多油水井都存在嚴重的套管損壞現(xiàn)象,嚴重時使得油田產(chǎn)量下降甚至直接導(dǎo)致油水井報廢[1-3],加大井筒問題修復(fù)力度刻不容緩。套管損壞主要包括四種類型:套管破漏、套管縮徑、套管彎曲和套管錯斷[4-5]。截至到2020年6月,勝利油田在冊套損井4941口,其中彎曲套損井1268口,占25.7%。在美國墨西哥灣、加利福尼亞、南美洲及亞洲等地區(qū),部分油田出現(xiàn)套管損壞現(xiàn)象,主要原因有不同地層之間的相對運動引起套管變形、擠壓乃至錯斷。在過去的20 年里,美國貝爾利吉油田發(fā)現(xiàn)了1000 多口套損井已經(jīng)有明顯的地層壓實、井筒損壞,表現(xiàn)為軸向擠壓、剪切和塌陷,注水作業(yè)后能夠有所緩解,但是也嚴重影響了該油田的穩(wěn)高產(chǎn)。開發(fā)不到10 年的美國威明頓油田,套管失效井占到總井?dāng)?shù)的41%。套管損壞已是世界各大油田面臨的問題[6]。

        國外套管彎曲治理主要以套管補貼和側(cè)鉆打通道為主,斯倫貝謝、哈里伯頓、威德福等油服公司采取可膨脹懸掛系統(tǒng)快速完成對套管損壞的治理;針對套管無通徑的彎曲井,采取側(cè)鉆打通道的方法,如威德福公司的Quick cut 開窗系統(tǒng),實現(xiàn)高效治理套損井[7]。國內(nèi)大慶油田套管彎曲治理主要有無通道套彎井修復(fù)技術(shù)和膨脹管密封加固技術(shù),形成了縱向磨銑、逆向鍛銑和自下而上、自上而下的膨脹管技術(shù)等,實現(xiàn)了對套管彎曲的有效治理[8]。遼河油田套管彎曲治理以打通道技術(shù)為主,形成了領(lǐng)眼示蹤修套、滿眼扶正修套和整形修套三種高效打通道技術(shù),能有效治理稠油生產(chǎn)過程中高溫注氣、火燒油層導(dǎo)致的套管彎曲問題。國內(nèi)還有一些其他套損井治理技術(shù),包括LEP長效隔水采油技術(shù)[9]、套管補貼技術(shù)[10-11]、化學(xué)堵漏技術(shù)等。

        勝利油田針對套管縮徑、破漏、錯斷井,形成了系列成熟技術(shù),對彎曲不嚴重的套損井的治理采用整形修復(fù)的方式,技術(shù)難點在于地應(yīng)力沒有得到釋放,存在回彈現(xiàn)象,影響治理成功率。本研究擬以孤島某彎曲套管為研究對象,通過水射流軸向切割技術(shù),對彎曲套管進行應(yīng)力釋放、通道恢復(fù)等修復(fù)技術(shù),確保形成直井通道。水射流切割可采用打孔或者切割成縫等多種切割方式。對打孔和割縫兩種應(yīng)力釋放方式進行有限元仿真分析,探究打孔和割縫兩種方式分別對彎曲管段結(jié)構(gòu)強度的影響,用來表征對結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放的程度。

        1 彎曲套管模型及應(yīng)力釋放計算

        以孤島某彎曲套管為研究對象,彎曲的套管如圖1所示。截取一段彎曲管道建立三維實體模型進行打孔和割縫的應(yīng)力釋放研究。有限元模型的長度為1 m,外徑177.8 mm、內(nèi)徑159.42 mm、壁厚9.19 mm。材料采用N 80 鋼,該材料的屈服極限為760 MPa,當(dāng)應(yīng)力超過該極限時材料屈服,材料屈服之后的塑性切線模量為6 100 MPa。本研究以使結(jié)構(gòu)屈服時所需施加載荷的大小為結(jié)構(gòu)屈服強度,用其來衡量結(jié)構(gòu)的強度。

        圖1 孤島中19-5井套管彎曲變形Fig.1 Bending deformation of the casing pipe of No.19-5 Well in Gudao

        分別采用在井筒壁面打孔和割縫兩種形式對彎曲套管進行應(yīng)力釋放研究。其中,打孔方式為在每個環(huán)面上打3 個孔,分別建立了打3、6、9、12、15孔等模型,且孔徑分別設(shè)置了6、8、10 mm三種數(shù)值。綜上所述,打孔方式一共有15個模型。圖2選取了孔徑為6 mm 的3 個孔和15 個孔模型進行展示。

        圖2 孔徑為6 mm的不同打孔數(shù)模型Fig.2 Models of 6 mm aperture with different numbers of holes

        割縫方式分別選取了縫寬6、8、10 mm三個數(shù)值,每個不同縫寬的模型在環(huán)向分別割置了1 條縫、2 條縫、3 條縫、4 條縫。割縫方式一共有12個模型。圖3選取了直徑為6 mm的管段割1條縫和4條縫的模型展示。

        圖3 直徑為6 mm的不同割縫數(shù)模型Fig.3 Models of 6 mm diameter with different numbers of slits

        不同割縫和不同打孔模型的屈服強度不同,原始管道(未割縫,未打孔)模型在內(nèi)壁受80.70 MPa 壓力時,其結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值達到屈服極限760 MPa。

        套損井管道一般為軸對稱結(jié)構(gòu),而且距離比較長,可對管道的受內(nèi)壓狀態(tài)建立平面應(yīng)變模型。對于圓管、圓柱類的軸對稱問題,構(gòu)件的幾何形狀和外載荷都不隨極角變化,應(yīng)力分布與極角無關(guān),且剪應(yīng)力等于零,應(yīng)力函數(shù)僅是矢徑的函數(shù)。此類結(jié)構(gòu)一般采用極坐標(biāo),如圖4所示。

        圖4 極坐標(biāo)Fig.4 Polar coordinates

        圖中,ρ為半徑,m,φ為角度,°。極坐標(biāo)中的應(yīng)力分量用應(yīng)力函數(shù)Φ表示之后,得到平面應(yīng)變狀態(tài)下應(yīng)力雙調(diào)和函數(shù)[9]:

        式中:A、B、C、D為任意系數(shù)。

        將式(2)代入式(1)可得應(yīng)力分量為

        式中:σρ為徑向正應(yīng)力,MPa;σφ為環(huán)向正應(yīng)力,MPa;τρφ為剪應(yīng)力,MPa。

        解得應(yīng)變分量為

        式中:ερ為徑向正應(yīng)變;εφ為環(huán)向正應(yīng)變;γρφ為切應(yīng)變;E為材料彈性模量,MPa。

        對于受均勻分布內(nèi)壓的薄壁管道,進行應(yīng)力與位移變形分析。設(shè)圓管內(nèi)半徑為a,單位m;外半徑為b,單位m;受內(nèi)壓p,單位Pa(圖5)。

        圖5 薄壁圓管受均布內(nèi)壓示意圖Fig.5 Schematic diagram of the thin-walled circular tube under uniformly distributed internal pressure

        應(yīng)力分布呈軸對稱分布,則應(yīng)力分量可表示為

        依據(jù)邊界條件,管內(nèi)壁受壓p,則有

        將式(6)代入應(yīng)力表達式(5),可以得到

        根據(jù)位移單值條件,B=0[9]。

        將A、B、C代回應(yīng)力分量表達式(5),最終得到

        對于長輸油氣管道,求解分析管道應(yīng)力可以簡化為平面應(yīng)變問題,根據(jù)空間軸對稱問題物理方程的極坐標(biāo)表示,其中沿管道軸向的應(yīng)變表達式為

        式中:μ為材料泊松比;εz為軸向正應(yīng)變;σz為軌向正應(yīng)力,MPa。將式(8)代入式(9),求解得到管道軸向應(yīng)力為

        由式(8)和式(10)可知,管道應(yīng)力與管道內(nèi)部壓力p成正比。取ρ=D/2,即公稱直徑,壁厚t=b-a,m;則軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力可表示為

        該研究采用平面應(yīng)變模型后,彎曲套管受內(nèi)壓后的應(yīng)力解析解形式即為式(11)。

        2 強度分析

        2.1 不同打孔模型的強度分析

        對彎曲套管需要進行應(yīng)力釋放,以方便對其進行修復(fù)整形,一般采用對彎曲套管打孔或者割縫方式進行應(yīng)力釋放。為給井下作業(yè)提供理論參考,現(xiàn)對管段設(shè)置多種不同的打孔和割縫模型,采用有限元仿真軟件ANSYS 計算不同的打孔或者割縫形式對結(jié)構(gòu)強度的降低程度。

        圖6 展示孔徑為10 mm、不同打孔模型屈服時的Mises應(yīng)力結(jié)果。

        圖6 10 mm孔徑、不同孔數(shù)結(jié)構(gòu)屈服時Mises應(yīng)力結(jié)果Fig.6 Mises stress results of the pipes with 10 mm aperture and different numbers of holes at yield

        2.2 不同割縫模型的強度分析

        對彎曲管進行割縫處理時,分別建立了縫寬為6、8、10 mm,且每個縫寬分別割1、2、3、4條縫的不同模型。對10 mm縫寬、不同割縫數(shù)結(jié)構(gòu)屈服時的應(yīng)力結(jié)果進行展示(圖7)。

        圖7 10 mm縫寬、不同割縫數(shù)結(jié)構(gòu)屈服時Mises應(yīng)力結(jié)果Fig.7 Mises stress results of the pipes with 10 mm slit width and different numbers of slits at yield

        3 打孔、割縫對應(yīng)力釋放的影響規(guī)律

        將打孔應(yīng)力釋放模型中不同孔徑、不同打孔數(shù)結(jié)構(gòu)屈服時所需給管道內(nèi)壁施加的內(nèi)壓結(jié)果匯總(表1),繪制成曲線如圖8所示。

        表1 不同孔徑、不同打孔數(shù)結(jié)構(gòu)屈服時管內(nèi)壁所需內(nèi)壓Tab.1 Internal pressure required for yield on the inner wall of the pipe with different apertures and different numbers of holes MPa

        圖8 不同孔徑、不同打孔數(shù)結(jié)構(gòu)屈服時管內(nèi)壁所需內(nèi)壓Fig.8 Internal pressure required for yield on the inner wall of the pipe with different apertures and different numbers of holes

        由表1 和圖8 可知,打孔方式對結(jié)構(gòu)的強度有著顯著影響。打孔個數(shù)越多,結(jié)構(gòu)屈服強度降低越多;打孔孔徑越大,結(jié)構(gòu)屈服強度降低越多。當(dāng)打孔數(shù)為3時,結(jié)構(gòu)屈服時管內(nèi)壁所需內(nèi)壓由原始未打孔彎管的80 MPa 下降至51.63 MPa,此時結(jié)構(gòu)強度下降至原始的64.0%,結(jié)構(gòu)強度削弱了36%。當(dāng)打孔數(shù)為12 甚至更多時,打孔方式對結(jié)構(gòu)強度的削弱強度減弱,當(dāng)孔數(shù)從12 增加到15 時,結(jié)構(gòu)強度只在12 個孔的基礎(chǔ)上削弱了0.65 MPa。由此可見,采用打孔方式對結(jié)構(gòu)的強度削弱很明顯,但當(dāng)打孔數(shù)增加到12 之后,對結(jié)構(gòu)強度的削弱強度在減弱。綜上所述,針對1 m長的彎曲管段,打孔數(shù)為6 個或者9 個時效果最佳,對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放效率最高。

        將不同縫寬、不同割縫數(shù)結(jié)構(gòu)屈服時管內(nèi)壁所需內(nèi)壓結(jié)果匯總(表2),繪制成曲線如圖9所示。

        表2 不同縫寬、不同割縫數(shù)結(jié)構(gòu)屈服時管內(nèi)壁所需內(nèi)壓Tab.2 Internal pressure required for yield on the inner wall of the pipe with different slit widths and different numbers of slits MPa

        圖9 不同縫寬、不同割縫數(shù)結(jié)構(gòu)屈服時管內(nèi)壁所需內(nèi)壓Fig.9 Internal pressure required for yield on the inner wall of the pipe with different slit widths and different numbers of slits

        由表2 和圖9 可知,射孔和割縫后的結(jié)構(gòu)強度明顯降低孔徑越大,結(jié)構(gòu)強度降低更多;孔數(shù)越多,結(jié)構(gòu)強度降低也越多;割縫的縫越寬,結(jié)構(gòu)強度降低更多;縫數(shù)越多,結(jié)構(gòu)強度降低也更多。割1條縫,縫寬為6 mm時,結(jié)構(gòu)達到屈服對管內(nèi)壁所需施加的內(nèi)壓由原始未打孔或割縫模型的80.70 MPa 直接降低到2.75 MPa。由此可見,割縫對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放和強度削弱非常顯著,相比于打孔形式,割縫可寬泛理解為打了一排連續(xù)的孔洞形成的一條縫。因此,割縫形式對結(jié)構(gòu)強度的削弱程度比打孔形式的效果顯著。

        在許多工程結(jié)構(gòu)中,孔口、孔邊的應(yīng)力將遠大于無孔時的應(yīng)力,也遠大于距孔稍遠處的應(yīng)力,這種現(xiàn)象稱為孔邊應(yīng)力集中。射孔和割縫后結(jié)構(gòu)應(yīng)力得到釋放,結(jié)構(gòu)強度顯著降低,可由應(yīng)力集中現(xiàn)象來解釋。應(yīng)力集中是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件局部區(qū)域的最大應(yīng)力值比平均應(yīng)力值高的現(xiàn)象。一般是由于截面急劇變化應(yīng)力局部增大,尖角、孔洞、槽孔、缺口等處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。應(yīng)力集中系數(shù)α,它是峰值應(yīng)力和不考慮應(yīng)力集中時的應(yīng)力(即名義應(yīng)力)的比值,且恒大于1。與物體的幾何形狀和加載方式等因素有關(guān),與載荷的大小無關(guān)。α表達式為:

        式中:σ為平均應(yīng)力,MPa。

        打孔及割縫兩種應(yīng)力釋放方式造成的結(jié)構(gòu)強度降低,可采用應(yīng)力集中系數(shù)定量化將降低的強度部分折算入應(yīng)力計算。

        當(dāng)打孔數(shù)為3時,結(jié)構(gòu)屈服時管內(nèi)壁所需內(nèi)壓由原始未打孔彎管的80.70 MPa 下降至51.63 MPa,此時,可將孔附近的應(yīng)力集中系數(shù)等效換算為80.70/51.63=1.56。其他打孔或者割縫模型的等效應(yīng)力集中系數(shù)可依此類推。

        4 結(jié)論

        (1)打孔和割縫兩種應(yīng)力釋放方式使結(jié)構(gòu)的強度降低明顯;打孔個數(shù)越多,結(jié)構(gòu)屈服強度降低越多。打孔孔徑越大,結(jié)構(gòu)屈服強度降低越多。

        (2)針對1 m 長的彎曲管段,打孔數(shù)為6 個或者9 個時效果最佳,對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放效率是最高的。

        (3)當(dāng)割1 條縫、縫寬為6 mm 時,結(jié)構(gòu)屈服時管內(nèi)壁所需施加的內(nèi)壓由原始未打孔或割縫模型的80.70 MPa 直接降低到2.75 MPa。割縫對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放和強度削弱效果顯著。

        (4)打孔及割縫兩種應(yīng)力釋放方式造成的結(jié)構(gòu)強度降低,可采用應(yīng)力集中系數(shù)定量化將降低的強度部分納入應(yīng)力計算中。

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