腐蚀套管剩余强度计算

郝晓良 陶爱华 王明辉 李 晶

(1. 中海油田服务股份有限公司， 河北 燕郊 065201；2. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500)

腐蚀套管剩余强度计算

郝晓良1陶爱华1王明辉1李 晶2

(1. 中海油田服务股份有限公司， 河北 燕郊 065201；2. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室， 成都 610500)

借鉴API RP 579等标准推荐作法，研究了基于测井数据的缺陷描述方法、剩余强度计算方法。建立的腐蚀套管缺陷识别与剩余强度计算模型具有一定的适用性。

缺陷识别； 剩余强度； 均匀腐蚀； 局部腐蚀

当套管受到力或腐蚀等外部作用因素时，会发生形变或者损坏。套损直接影响到开发井的产量或注入井的注入效果。此外，在酸性气田中，酸性气体的存在会使套管发生严重腐蚀，且腐蚀缺陷形状各异。套管腐蚀会大大降低套管的强度，为气井的安全生产带来严重的安全隐患。近年来，随着套损井数目的增多，套损井的检测已经成为油气田安全高效生产的重要环节。目前，套管损坏的检测方法主要是测井。通过解析测井信号反映井下套管腐蚀及其损坏情况，具有直观性强、准确度高及信号易于分析等特点。

精确评价复杂形貌缺陷套管的剩余强度，是油气井管柱力学分析中的一个重难点问题。为此不少研究人员开展了腐蚀管道剩余强度的计算研究。许志倩等人[1-2]在考虑均匀腐蚀、点状腐蚀和裂缝腐蚀情况下建立了全井套管柱剩余强度时变性分析系统，指出在腐蚀条件下，套管承载能力由小到大依次为：缝隙腐蚀、均匀腐蚀、点状腐蚀。陈兆雄等人[3]分别采用AME B31G — 2009标准中规定的公式、有限元模拟方法、可靠性分析手段对存在缺陷的集输管线进行了套管剩余寿命预测计算。结果表明采用经验公式、有限元法和可靠性分析得到的剩余寿命较为接近。李文飞等人[4]将套管腐蚀后的主要形态分为圆弧形和半月形，并用数值模拟方法分析了剩余抗拉、抗挤、抗内压强度的关系。李方圆[5]对在役管道剩余强度进行了评价并指出，有限元法能比较准确地评价复杂的管道腐蚀缺陷强度。吴东泽[6]对API RP 579缺陷管柱剩余强度进行分析并指出，在评价剩余强度时应优先使用腐蚀裕量法。杜国锋等人[7]研究了常用腐蚀管柱剩余强度计算方法，根据Tresca屈服准则(断裂理学)讨论了均匀腐蚀管道受内压力及轴向力共同作用时剩余强度的计算问题。目前石油工程行业有很多关于腐蚀剩余强度的评价方法，如B31G方法、改进的B31G方法、API RP 579方法、有限元理论、弹塑性理论分析方法及可靠性评价方法等。这些方法中B31G方法是基础研究方法。早在二十世纪60年代末，该方法即由美国德克萨斯州东部输气公司和美国天然气协会(AGA)研究公布。从此此方法成为了这类研究的基础。对B31G准则的使用结果表明，用此准则进行套管评估得到的结果偏于保守，使得很多套管被不必要的拆除和修复，从而造成了不必要的浪费。

本次研究借鉴API RP 579[8]、API TR 5C3[9]、ISOTR 10400[10]标准给出了对于均匀腐蚀、点蚀、含裂纹缺陷等腐蚀情况的剩余强度计算方法。编写了相应的计算程序，计算套管剩余强度，并与标准值进行对比，验证了模型的准确度。

1 套管缺陷及识别技术

套管缺陷识别技术是根据套管损伤的测井数据，编写相关计算程序识别套管缺陷类型及数字化描述缺陷形貌，制定基于套管损伤测井的套管缺陷描述方法。

1.1 API 579对套管腐蚀缺陷识别方法的描述

工程上，常使用机械井径测井技术、声波测井技术、方位测井技术以及地磁测井技术检测套管受损状况。机械井径测井技术是石油工业中检测油气井井身状况最常用的方法，该方法可以提供受损套管内径的变化情况。声波测井技术包括井壁超声成像测井、声波固井质量测井和噪声测井。井壁超声成像测井可以提供直观、全面的套管损坏情况；声波固井质量测井可用来评价套管外水泥环胶结质量；噪声测井常用来判断已形成的套管泄露和窜槽。方位测井技术通常用于确定套管变形以及套管损坏的方位角。电磁测井技术能够检测出套管裂缝、套管断裂、套管内外壁腐蚀情况以及射孔段的射孔质量。除以上测量方法外，可见光电视测井系列技术也常通过井下摄像机成像技术对井筒以及套管进行成像。以上这些测井技术均能从不同方面反应井筒中套管的状况。通过这些技术可为油田生产过程中生产方案的调整、套管损坏预测及及时修复提供依据，为套管严重损坏而弃井提供充足的证据。

1.2 API RP 579对套管腐蚀缺陷的描述

腐蚀缺陷可按照几何形状分为5类：体积型缺陷、平面型缺陷、几何型缺陷、弥散损伤型缺陷、机械损伤型缺陷。

对均匀腐蚀、局部腐蚀(点蚀、缝隙腐蚀、槽沟腐蚀等)等体积型缺陷剩余强度的安全性评价，《适用性评价推荐方法》API RP 579将腐蚀缺陷部位划分网格，并通过测量剩余壁厚，用最危险厚度界面法表征金属损失[8]。这种方法与《确定腐蚀管线剩余强度手册》 ASME B31G中使用抛物线或矩形方法描绘腐蚀区域的方法不同。网格划分法考虑了腐蚀坑两侧材料的受力效应，减小了该方法的保守度。体积型缺陷的剩余强度评价方法主要使用剩余壁厚检测数据，评估套管腐蚀损坏发生区域的轴向和周向最危险厚度界面，测量缺陷区域轴向长度s、周向长度c及最小测量壁厚t。根据API RP 579中提出的方法，由最危险壁厚及其他参数，分别计算局部腐蚀、均匀腐蚀时的剩余强度，比较强度值，得到腐蚀缺陷时套管的剩余强度。

1.3 腐蚀缺陷的几何描述

腐蚀类型由于其腐蚀机理和腐蚀环境的不同，往往会造成不同程度、不同形状的腐蚀结果。其中，主要可以分为均匀腐蚀和局部腐蚀两大类。局部腐蚀中的点蚀(孔蚀)往往因为腐蚀程度的不同而产生不同形状的腐蚀缺陷，有时也把点蚀单独分为一类。

针对均匀腐蚀、局部腐蚀及点腐蚀的形貌特征，参考API RP 579相关标准，确定缺陷的长、宽与壁厚之比均大于等于3，为均匀腐蚀；缺陷的长、宽与壁厚之比均大于等于1，小于3，为局部腐蚀；缺陷的长、宽与壁厚之比均小于1，为点腐蚀。

2 强度计算模型

2.1 均匀腐蚀后剩余强度计算

基于API TR 5C3[9]的均匀腐蚀剩余强度计算。

(1) 剩余抗拉强度。假设套管受到的轴向拉力为T，其轴向应力为σa，套管的腐蚀速率为v，服役时间为t，则套管内径r=ro+vt，此时套管横截面积S=π[R2-(ro+vt)2]4，则轴向拉力T的计算公式见式(1)：

T=σaS=πσa[R2-(ro+vt)2]4

(1)

套管服役条件是轴向应力小于材料的屈服强度σy，即：

(2)

因此套管的抗拉强度轴向拉力计算公式为：

T=σyS=πσy[R2-(ro+vt)2]4

(3)

式中：T—— 套管轴向拉力，kN；

σa—— 套管服役时间t后的轴向应力，MPa；

R—— 原始套管外径，mm；

ro—— 原始套管内径，mm；

S—— 套管服役时间t后的横截面积，cm2；

t—— 套管服役时间，a；

v—— 套管腐蚀速率，mma；

σy—— 套管屈服强度，MPa。

(2) 剩余抗内压强度。对于壁厚为δ的套管受到内压力Pi时，套管周向应力σr=PiR2δ，因此当套管腐蚀t时间后，其周向应力σr计算公式见式(4)：

(4)

当套管周向应力σr大于套管屈服强度σy时，套管失效，因此可得到套管抗内压强度Pbo：

(5)

式中：δ—— 套管名义壁厚，mm；

σr—— 套管周向应力，MPa；

Pi—— 套管受到的内压力，MPa；

Pbo—— 套管的抗内压强度，MPa。

(3) 剩余抗挤强度。设套管受到的外挤力为Po，则套管受到的外挤应力σc为：

(6)

套管服役t时间后，当其外挤应力大于或等于材料屈服强度时，得出套管抗挤强度Pco：

(7)

式中：Po—— 套管受到的外挤力，MPa；

Pco—— 套管抗挤强度，MPa。

2.2 局部腐蚀后剩余强度计算

基于API RP 579的局部腐蚀后剩余强度计算。

在腐蚀剖面上，均匀腐蚀是一条直线，即各个检测点所检测到的腐蚀深度均没多大变化；而局部腐蚀却是一条近似的抛物线，中间往下凹。在局部腐蚀的腐蚀剖面图中，一般无突变发生，其近似为一条光滑的曲线。

首先计算剩余壁厚比Rt和管壁参数λ，然后计算缺陷可接受时的剩余强度系数RSF。

(8)

(9)

式中：Rt—— 剩余壁厚比，无量纲；

tc—— 最小测量壁厚，mm；

FCA—— 设计的未来腐蚀裕量，mm；

tnom—— 原始壁厚，mm；

λ—— 管壁参数，无量纲；

Lm—— 评估区域金属的长度，mm；

D—— 套管管体名义外径，mm。

用求得的Rt、λ和CD分别作缺陷轴向可接受性判断图以及缺陷周向可接受性判断图，如果点(λ，Rt)和(CD，Rt)均落在图中曲线的可接受区域，则缺陷可接受时的剩余强度系数RSF为：

(10)

其中，Mt=1.001 0-0.014 2λ+0.290 9λ2-0.096 4λ3+0.020 9λ4-0.003 1λ5+2.957 0×10-4λ6-1.846 2×10-5λ7+7.155 3×10-7λ8-1.563 1×10-8λ9+1.465 6×10-9λ10；C为腐蚀区域在环向的总长度，单位为mm。

否则，如果在缺陷轴向不可接受区，根据图2可计算缺陷不可接受时的剩余强度系数RSFi：

图1 缺陷轴向、周向可接受性判断图

(11)

式中：RSF—— 缺陷可接受时的剩余强度系数，无量纲；

RSFi—— 缺陷不可接受时的剩余强度系数，无量纲；

Mt—— 厚度分层系数，无量纲；

Ai—— 评估区的损失面积，mm2；

Aoi—— 评估区的原始金属面积，mm2。

最后根据缺陷可接受时的剩余强度系数RSF，计算剩余强度Pr：

Pr=P×RSF

(12)

式中：Pr—— 剩余强度，MPa；

P—— 设计时套管强度，MPa。

图2 RSF的精确计算方法图

基于API RP 579计算点腐蚀后套管剩余强度。

API RP 579准则评价点蚀缺陷时采取分级评价体系，将点蚀缺陷分为4类：广布型点蚀、局部点蚀、局部减薄区内的点蚀以及广布点蚀区内的局部减薄腐蚀。

在图3中，明确地标出了15个点蚀坑。

图3 点蚀缺陷平面图

带点蚀坑套管剩余强度计算步骤如下：

首先，确定壁厚损失量参数，包括第k对点蚀对第i、j个点蚀坑的直径di,k、dj,k，单位为mm；第k对点蚀对的间隔距离Pk，单位为mm；第k个点蚀对第i、j个点蚀坑的深度Wi,k、Wj,k，单位为mm。

然后，确定点蚀对的平均深度Wavg、平均直径davg和平均间隔Pavg。

(13)

(14)

(15)

最后，计算缺陷可接受时的剩余强度系数RSF。

(16)

3 剩余强度评价

基于缺陷套管强度计算模型，结合API TR 5C3、API RP 579、ISOTR 10400标准建立缺陷套管的剩余抗内压强度和剩余抗外挤强度计算程序，然后导入现场测井所得套管的壁厚数据，计算出缺陷套管的剩余抗内压、抗挤强度。

该计算程序主要包括以下功能：导入壁厚数据、输入套管标准壁厚和套管外径、输入套管钢级和初始井深数据、输入迭代计算的系数和纵横间隔、输入数据分段数和当前计算的数据段，最终生成腐蚀信息结果，包括各个计算点的长轴、宽轴、腐蚀形貌、剩余强度和安全系数。

图4、图5分别为根据API TR 5C3标准计算结果与本次编写程序计算结果的对比情况。

图4 Φ177.8 mm P110套管的抗内压强度计算结果对比

图5 Φ177.8 mm P110套管的抗挤强度计算结果对比

由图4、图5可以看出，根据标准API TR 5C3计算的与软件计算的Φ177.8 mm P110套管的抗内压强度与抗挤强度结果基本一致，由此可以看出该计算程序具有较高的准确性。

4 结 语

(1) 提出了套管缺陷类型及识别技术，包括基于API RP 579标准的缺陷类型识别、改进的缺陷识别等方法，提出的改进的缺陷识别方法能更有效地描述缺陷的几何尺寸。

(2) 基于API RP 579、API TR 5C3、ISOTR 10400标准给出了均匀腐蚀、局部腐蚀、点蚀等腐蚀情况的剩余强度计算模型，应用该缺陷强度计算模型并结合测井所得套管的壁厚数据编写了缺陷套管的剩余强度计算程序。

(3) 程序计算结果与根据标准计算的结果基本一致，证明该模型可以用于实际生产中对腐蚀套管缺陷的识别与剩余强度的计算。

[1] 许志倩，闫相祯，杨秀娟.CO2腐蚀对套管强度动态影响分析[J].机械工程学报，2014，50(1)：169-177.

[2] 许志倩，闫相祯，杨秀娟，等.不同缺陷对套管剩余强度影响分析[J].机械设计，2014(8):74-78.

[3] 陈兆雄，吴明，谢飞，等.腐蚀管道剩余强度的评价方法及剩余寿命预测[J].机械工程材料，2015，39(5)：97.

[4] 李文飞，李玄烨，夏文安.腐蚀套管剩余强度数值模拟分析[J].天然气与石油，2013，31(6)：70-75.

[5] 李方圆.含腐蚀缺陷管道的剩余强度评价方法[J].化工设备与管道，2015，52(5)：74-76.

[6] 吴东泽.含沟槽腐蚀缺陷油管的剩余强度评价[J].广州化工，2014，42(10)：186-188.

[7] 杜国锋，张东山，刘广军.基于Tresca屈服准则的均匀腐蚀管道剩余强度计算[J].石油机械，2013(4)：106-109.

[8] API RP 579. Recommended practice for fitness-for-service[S]. Washington， DC： American Petroleum Institute， 2007.

[9] API TR 5C3. Technical report on equations and calculations for casing， tubing， and line pipe used as casing or tubing[S]. Washington， DC： American Petroleum Institute， 2008.

Residual Strength Calculation Method of Corroded Casing

HAOXiaoliang1TAOAihua1WANGMinghui1LIJing2

(1. China Oilfield Services Limited, Yanjiao Hebei 065201, China;2. State Key Laboratory for Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

API RP 579 standardsrecommended practices were employed to study the defect description method and residual strength calculation method based on logging data. Models of corrosion casing recognition and residual strength calculation have certain applicability.

defects recognition; residual strength; uniform corrosion; local corrosion

2016-09-07

国家科技支撑计划项目“高强度耐腐蚀油井管用钢生产技术”(2011BAE25B04)；四川省科技厅项目“页岩气水平井套管完整性研究”(2016JQ0010)；四川省省属高校科技创新团队建设计划项目“井筒完整性与安全”(13TD0026)

郝晓良(1982 — )，男，工程师，研究方向为测井解释。

TE983

A

1673-1980(2017)01-0062-05