抗挤强度新算法对套管柱设计安全系数的影响

2014-06-05张宇寒张建兵林友建吕祥鸿

石油矿场机械 2014年10期

关键词：钢级深井计算公式

张宇寒，张建兵，张雄，林友建，王伟，吕祥鸿

（1.西安摩尔石油工程实验室，西安 710065；2.西安石油大学，西安 710065；3.川庆钻探国际工程公司，成都 610015）

抗挤强度新算法对套管柱设计安全系数的影响

张宇寒1，张建兵2，张雄3，林友建1，王伟1，吕祥鸿2

（1.西安摩尔石油工程实验室，西安 710065；2.西安石油大学，西安 710065；3.川庆钻探国际工程公司，成都 610015）

新版的API 5C3—2008标准已经颁布实施，其附录中给出了新的套管挤毁强度计算公式。将其与API 5C3—1994标准中套管挤毁强度计算公式（旧公式）进行了对比分析，并按新公式计算了油田常用套管的抗挤强度值。认为新公式建模更合理，计算结果更精确，且计算结果相对于旧公式的值发生了较大的变化。对于140钢级以下的套管，当套管径厚比大于20时，新公式计算值大于旧公式值；当径厚比小于20时，新公式值小于旧公式值。对140钢级以上的套管，这一变化的径厚比的界限值为22。基于对套管抗挤强度值的新认识，给出了套管柱设计时油田常用套管的合理抗挤安全系数建议值。

套管；抗挤强度；径厚比；安全系数

套管挤毁强度计算及管柱设计问题一直是一个热点问题［1］。2008年美国石油学会发布了新版的API 5C3标准（以下简称新标准），其中文译名为《关于套管、油管和管线管的计算公式的技术报告和油套管性能表》，新标准给出了全新的套管挤毁强度计算公式，以准备取代API 5C3—1994中的公式。对同一种套管，按照新公式计算得到的套管抗挤强度相比API 5C2—1999中给出的额定值也发生了变化。

API 5C2—1999依然是目前油田在套管柱强度设计中对套管额定强度取值的参考依据，其中给出的套管强度值是依据API 5C3—1994中给出的旧公式计算得到的。由于目前对套管强度的认识已经发生了新的变化，如果仍旧按照API 5C2—1999中的值进行套管强度设计，则安全系数应该重新考虑。本文根据新的套管挤毁强度计算公式分析不同种类套管实际强度，并进一步探讨套管柱设计抗挤安全系数的合理取值问题。

1 API 5C3—2008中的套管挤毁强度公式

新标准分别给出了纯外压情况和复合载荷下的套管设计挤毁强度计算公式，并考虑了套管矫直方式对挤毁强度的影响。公式（1）是纯外压下的套管设计挤毁强度计算公式：

式中：D为套管外径；E为弹性模量，2.069×109N／m2；fymn为套管的最小屈服强度；Htdes为衰减因数，对冷旋转矫直套管取0.22，kedes对热旋转矫直套管取0.20；kedes为设计弹性挤毁额定值低限系数，可查表；kydes为设计屈服挤毁额定值低限系数，可查表；t为套管壁厚；υ为泊松比，0.28。

新公式与旧公式相比有许多改进的方面，例如考虑了制造因素和材料特性对套管挤毁强度的影响、计算公式由4个减少到1个，可以计算高抗挤套管的挤毁强度等。另外，新公式在计算挤毁强度时，考虑了套管材料的化学成分因素，例如L80与L8013Cr，由于Cr的含量不同，计算套管挤毁强度所用的参数不同。

2 新公式与旧公式的准确性对比分析

新标准中选择挤毁强度计算公式时，工作组重点对世界各国学者提出的11个候选公式进行了对比验证评价，将这些公式的计算结果与1977～2000年期间生产的来自世界各地不同厂家的套管所做的3 171次实物挤毁试验进行了对比分析，最终选择了壳牌的Klever与日本工学院的Tamano联合提出的计算公式（下文称KT公式），该公式对API套管和高抗挤套管的计算精度在11个候选公式中是最好的。

为了比较11个计算公式计算值的准确性，共搜集整理了3 171次组套管挤毁试验数据，其中对淬火加回火热处理的管子做了2 986次试验（1 138次为API钢级，1 848次为高抗剂套管）。表1给出了KT公式和API 5C3—1994公式挤毁强度实际值与预测计算值的比值的平均值和变异系数，平均值越接近1、变异系数越接近0的公式精度越好［2］。

通过比较可以发现，无论对于API套管还是高抗挤套管，KT公式的计算精度都要高于API 5C3—1994中的公式。

通过对新旧公式的精度对比分析，新公式所计算出的套管挤毁强度值相比旧公式更准确。

表1 新旧公式的精度对比

3 依据新公式计算油田常用套管的抗挤强度

套管抗挤强度问题在深井、超深井中表现得更加突出，深井、超深井多使用高钢级套管，这里根据新标准中给出的套管挤毁强度计算公式计算了油田常用高钢级套管的抗挤强度值。表2给出了新公式计算得到的P110、Q125钢级套管的抗挤强度值，并与API 5C2—1994［3］中的套管挤毁强度值进行了对比。

表2 油田常用P110、Q125钢级套管抗挤强度新旧公式计算结果对比

表3给出了新旧公式计算的油田深井、超深井常用140 ksi和150 ksi钢级套管的抗挤强度值。

表3 油田常用140 ksi和150 ksi钢级套管抗挤强度新旧公式计算结果对比

综合表2和表3的计算结果可以看出，对140钢级以下的套管，以径厚比比值20为界，径厚比小于20的套管，用新公式计算所得的套管抗挤强度值小于旧公式所计算的套管抗挤强度值；对径厚比大于20的套管，用新公式计算所得的套管抗挤强度值大于旧公式所计算的值。对于140及以上钢级的套管，这一规律的径厚比比值的临界值为22。

4 套管柱强度设计合理抗挤安全系数建议值分析

目前我国油田上进行套管柱强度设计时按照API 5C2—1999中给出的抗挤强度值，抗挤安全系数按照SY／T 5724—2008《套管柱结构与强度设计》给出的建议值一般为1.00～1.125［4］。

例如本文前文所述，对径厚比小于20的套管，实际抗挤强度达不到API 5C2—1999的规定值，这样，套管柱的实际抗挤安全系数会小于设计值，甚至完全有可能小于1，使套管柱具有一定的风险性。

对径厚比大于20的套管，由于其实际抗挤强度大于API 5C2—1999的规定值，则实际安全系数大于设计值，使得设计结果偏保守，造成材料浪费，增加了建井成本。

由于目前尚无可供油田参考的按照新公式计算得到的套管实际抗挤强度数据表，这里以新公式计算的套管实际抗挤强度为依据，参照SY／T 5724—2008《套管柱结构与强度设计》给出的套管柱抗挤强度1.00～1.125的安全系数取值范围，给出按照API 5C2—1999中的额定值进行套管柱强度设计时，油田常用套管的安全系数合理取值建议值。

计算公式如下：

式中：T1为旧公式计算所得抗挤强度，MPa；T′1为新公式计算所得抗挤强度，MPa；T2为变化后旧公式计算所得抗挤强度，MPa；T′2为变化后新公式计算所得抗挤强度，MPa；T0为外载强度，MPa；S为安全系数低限值，取1；X为抗挤强度变化比值。

计算结果如表4。

表4 油田常用套管抗挤安全系数的合理取值范围建议值

以油田深井、超深井常用的4种不同的钢级为数据系列，以表4中的安全系数建议值的低限值为纵坐标，以套管径厚比为横坐标做图，如图1。从图1中可见，对所分析的4个钢级的套管，建议抗挤安全系数的低限值随套管径厚比的变化规律基本相似。当套管的径厚比小于20的时候，所给建议安全系数低限值大于1，而目前现场抗挤安全系数低限值按照SY／T 5724—2008《套管柱结构与强度设计》的建议取值为1，说明对这种套管目前的设计安全系数存在一定的风险，从图中可以进一步看出，当套管径厚比在12附近时，所给建议值与目前采用的值差距最大，此即为风险最大的情况。从图1中还可以看出，对于径厚比大于20的套管，所给建议值的低限值小于1，说明对于这些套管，目前的设计系数偏保守，且最保守的情况出现在径厚比约为24的套管上。

图1 4种钢级套管抗挤安全系数建议低限值与套管径厚比的关系

5 结论

1） API 5C3—2008中所给出的新套管抗挤强度计算公式考虑了制造因素和材料特性对套管挤毁强度的影响，计算公式建模更合理，计算结果更精确。

2）新公式的提出，影响了对套管强度的认识。对140钢级以下的套管，以径厚比比值20为界，径厚比小于20的套管，用新公式计算所得的套管抗挤强度值均小于旧公式所计算的套管抗挤强度值；对径厚比大于20的套管，用新公式计算所得的套管抗挤强度值大于旧公式所计算的值。对于140及以上钢级的套管，这一规律的径厚比比值的临界值为22。

3）依据对套管抗挤强度值的新认识，给出了油田常用套管抗挤强度设计的合理安全系数建议值。所给建议值与油田目前采用的安全系数值有一定差别，从理论上讲更加科学，可供油田在套管柱抗挤强度设计时进行参考。

［1］胡文平，张来斌，樊建春.套管挤毁问题研究现状及发展趋势［J］.石油矿场机械，2006，35（5）：1-4.

［2］ API 5C3—2008，Technical report on equations and calculations for casing，tubing，and line pipe used as casing or tubing；and performance properties tables for casing and tubing［S］.

［3］ API 5C2—1999，Bulletin on Performance Properties of Casing，Tubing，and Drill Pipe［S］.

［4］ SY／T 5724—2008，套管柱结构与强度设计［S］.

Analysis of How New Equations for Calculating Casing Collapse Strength Affects Safety Factor of Casing String Design

API 5C3—2008 standard has been promulgated and implemented.The new formula to calculate the casing collapse strength has been given in its appendix.In this paper，it is conducted that comparative analysis of formula to calculate the casing collapse strength in API 5C3—1994.It suggests that the new formula is more accurate，the model is more reasonable，because the effect of manufacturing factors and material properties on casing collapse strength is considered.The collapse strength of common oilfield casing is calculated according to the new formula.The value of new formula is very different from the results given in API 5C2—1999.The results show that：For casing steel grade below 140，the value of the casing collapse strength is greater than that of API 5C2 when the casing of diameter thickness ratio is greater than 20；It is less than that of API 5C2 when the diameter thickness ratio is less than 20.For casing steel grade over 140，the limit value of diameter thickness ratio is 22.So this paper gives reasonable collapse safety factor of common casing.

casing；collapse strength；diameter thickness ratio；safety factor

TE931.202

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.10.004