李文飛 李玄燁 夏文安

1.勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東 東營 257017；2.勝利石油工程有限公司海洋鉆井公司，山東 東營 257000

0 前言

套管腐蝕損壞是油氣田開發(fā)過程中的重要問題之一，也是套管損壞的主要形式。套管腐蝕后套管壁厚減小，強度降低，難以滿足套管壓力要求，極易引發(fā)井下復雜情況的發(fā)生。國內(nèi)外針對套管腐蝕損壞開展了相關研究［1-3］，但主要集中在套管腐蝕預測及防護技術方面，對于腐蝕套管剩余強度的分析研究較少。開展腐蝕套管剩余強度的研究［4-8］，對于套管設計時提高套管強度、合理優(yōu)選套管材質(zhì)、延長油氣井生產(chǎn)壽命具有重要意義和實用價值。

據(jù)統(tǒng)計［9-10］，套管腐蝕的形態(tài)主要分為圓弧形和半月形兩種。采用數(shù)值模擬的方法進行分析，建立腐蝕套管后的模型，模擬不同應力環(huán)境及邊界條件下，腐蝕缺陷的長度、深度及套管壁厚對套管剩余強度的影響規(guī)律。

1 圓弧形腐蝕缺陷

套管N80，屈服強度552MPa，抗拉強度689MPa，彈性模量206GPa，泊松比0.29，外徑177.8mm，壁厚分別為5.87mm、6.91mm、8.05mm、9.19mm、10.36mm、11.51mm。考慮套管對稱性，取整個套管柱的1/4為模擬計算模型。邊界條件，考慮套管柱在生產(chǎn)過程中的受力情況［11］，外擠壓力33.21MPa，軸向載荷371.14 kN，采用軸對稱四邊形固體單元，離散后共13 663個節(jié)點，12 863個單元。含圓弧形腐蝕缺陷套管模型見圖1。

圖1 圓弧形腐蝕缺陷套管模型

1.1 腐蝕缺陷長度影響

為研究圓弧形腐蝕缺陷長度對套管剩余抗拉、抗擠和抗內(nèi)壓強度的影響規(guī)律，分別計算套管在圓弧形腐蝕缺陷深度、長度（腐蝕缺陷深度為套管徑向方向，腐蝕缺陷長度為套管軸向方向，均在套管內(nèi)壁處）變化條件下的剩余抗拉、抗擠和抗內(nèi)壓強度，模擬結果應力云圖見圖2～3。

圖2 腐蝕深3mm、長0.05m下套管應力

圖3 腐蝕深3mm、長0.15m下套管應力

a）改變腐蝕缺陷長度的變化范圍，根據(jù)數(shù)值模擬結果可得，當腐蝕長度為0.15m時，套管剩余抗拉強度不再發(fā)生變化。由此可以得出，套管圓弧形腐蝕缺陷臨界長度約為0.15m，而在實際鉆井過程中腐蝕長度一般都會大于這個臨界值，所以影響套管剩余抗拉強度的主要因素為套管腐蝕缺陷深度。

b）圓弧形腐蝕缺陷套管剩余抗擠強度隨腐蝕缺陷長度的增加而減小，并且當腐蝕缺陷長度達到臨界值時，套管剩余抗擠強度達到其極小值。當腐蝕長度為0.15m時，套管剩余抗擠強度不再發(fā)生變化。根據(jù)此模擬結果可得，當臨界腐蝕缺陷長度為0.15m時，可以近似認為套管剩余抗擠強度不再隨腐蝕缺陷長度變化。

c）圓弧形腐蝕缺陷套管剩余抗內(nèi)壓強度隨著腐蝕缺陷長度增加而減少，當腐蝕長度為0.15m時，套管剩余抗內(nèi)壓強度不再發(fā)生變化，根據(jù)此模擬結果可以得出，當腐蝕缺陷長度超過臨界腐蝕缺陷長度0.15m時，套管剩余抗內(nèi)壓強度趨于一個下限值。

1.2 腐蝕缺陷深度影響

腐蝕缺陷深度模擬結果應力云圖見圖4～5。圖6、圖7、圖8分別是套管剩余抗拉、抗擠、抗內(nèi)壓強度隨腐蝕缺陷深度的變化規(guī)律。由前面的分析可以發(fā)現(xiàn)當腐蝕缺陷長度超過臨界值時影響套管剩余抗拉、抗擠和抗內(nèi)壓強度的因素為腐蝕缺陷深度，因此腐蝕缺陷深度是影響腐蝕套管剩余強度的主要因素。

圖4 腐蝕長0.05m、深3mm下套管應力

圖5 腐蝕長0.05m、深6mm下套管應力

從圖6～8可以看出，隨著腐蝕缺陷深度的增加，套管剩余抗拉、抗擠和抗內(nèi)壓強度都呈降低趨勢，當腐蝕缺陷深度超過套管壁厚的25%時，套管柱剩余抗拉強度降低20.18%，剩余抗擠強度降低25.20%，剩余抗內(nèi)壓強度降低29.84%；當套管腐蝕缺陷深度超過套管壁厚60%時，套管柱剩余抗拉強度降低48.43%，剩余抗擠強度降低60.48%，剩余抗內(nèi)壓強度降低60.48%，可見套管柱剩余強度隨腐蝕缺陷深度的增加而降低。

圖6 套管剩余抗拉強度與腐蝕缺陷深度關系

圖7 套管剩余抗擠強度與腐蝕缺陷深度關系

圖8 套管剩余抗內(nèi)壓強度與腐蝕缺陷深度關系

1.3 套管壁厚影響

計算不同壁厚、腐蝕缺陷深度為2mm時的套管剩余抗拉強度、抗擠強度和抗內(nèi)壓結果見圖9～11。從圖9～11中可見，腐蝕缺陷深度和長度都不變時，套管剩余抗拉強度和抗擠強度、抗內(nèi)壓強度隨著套管壁厚的增加而增加。

圖9 套管剩余抗拉強度與套管壁厚關系

圖10 套管剩余抗擠強度與套管壁厚關系

圖11 套管剩余抗內(nèi)壓強度與套管壁厚關系

2 半月形腐蝕缺陷

考慮到半月形腐蝕缺陷套管的對稱性，取整個套管柱的1/2作為模擬計算模型，見圖12。

圖12 半月形腐蝕缺陷套管模型

2.1 腐蝕缺陷長度影響

在一定邊界條件下，根據(jù)模擬結果分析可得，隨著腐蝕缺陷長度的增加，套管剩余抗拉強度增加并達到一個上限值，套管剩余抗擠強度減少并達到一個下限值。半月形腐蝕缺陷套管剩余抗拉強度的臨界腐蝕缺陷長度為200mm，剩余抗擠強度的臨界腐蝕缺陷長度為450 mm，超過這個臨界腐蝕缺陷長度后套管柱的剩余抗拉、抗擠強度大小將不再發(fā)生變化，此時腐蝕套管的剩余強度只與腐蝕缺陷深度有關，這與圓弧形腐蝕缺陷套管柱剩余強度規(guī)律相同，模擬結果應力云圖見圖13～14。

與圓弧形腐蝕缺陷套管的剩余強度對比后可以發(fā)現(xiàn)，在腐蝕缺陷深度相同時，由于半月形腐蝕缺陷套管的截面積減少量小于圓弧形腐蝕缺陷的，所以半月形腐蝕缺陷套管的剩余抗拉強度大于圓弧形腐蝕缺陷的套管的；由于應力集中的影響，半月形腐蝕缺陷套管的剩余抗擠強度限值小于圓弧形腐蝕缺陷的。當套管外徑為177.8mm，壁厚為10.36mm，腐蝕缺陷長度為0.25m，腐蝕缺陷深度為2mm時，半月形腐蝕缺陷套管柱的剩余抗拉、抗擠強度限值分別為2 692.66 kN、34.30MPa，而圓弧形腐蝕缺陷的則分別為1 925.68 kN、48.76MPa；當N80套管外徑為177.8mm，壁厚為9.19mm，在腐蝕缺陷長度為0.45m，腐蝕缺陷深度為3mm時，半月形腐蝕缺陷套管的剩余抗內(nèi)壓強度為23.2MPa，而圓弧形腐蝕缺陷的則為38.2MPa。這說明影響含腐蝕缺陷套管柱的剩余抗拉強度因素為剩余套管截面積，而影響套管柱剩余抗擠和抗內(nèi)壓強度的因素為應力集中。

圖13 腐蝕深3mm、長0.15m下套管應力

圖14 腐蝕深3mm、長0.75m下套管應力

2.2 腐蝕缺陷深度影響

半月形腐蝕缺陷時套管剩余抗拉和抗內(nèi)壓強度與腐蝕缺陷深度也符合線性反比例關系。

圖15、圖16分別是半月形腐蝕缺陷深度與套管剩余抗內(nèi)壓和抗拉強度的關系。對比圓弧形腐蝕缺陷的套管剩余強度與腐蝕缺陷深度的關系可以發(fā)現(xiàn)，半月形腐蝕缺陷套管的剩余抗內(nèi)壓強度對腐蝕缺陷深度的敏感度要大于圓弧形腐蝕缺陷的。而半月形腐蝕缺陷套管剩余抗拉強度對腐蝕缺陷深度的敏感度要小于圓弧形腐蝕缺陷的。當腐蝕缺陷深度相同時，半月形腐蝕缺陷套管截面積的減少量小于圓弧形腐蝕缺陷的，所以半月形腐蝕缺陷套管剩余抗拉強度對腐蝕缺陷深度的敏感性比與圓弧形腐蝕缺陷的低；而當最小剩余壁厚相同時，剩余抗內(nèi)壓強度對應力集中因素更為敏感，所以半月形腐蝕缺陷套管剩余抗內(nèi)壓強度對腐蝕缺陷深度的敏感性要大于圓弧形腐蝕缺陷套管的。

圖15 套管剩余抗內(nèi)壓強度與缺陷深度關系

圖16 套管剩余抗拉強度與缺陷深度關系

2.3 套管壁厚影響

分別計算半月形腐蝕缺陷深度為2mm時，改變腐蝕缺陷長度與套管壁厚、套管剩余強度的變化規(guī)律。從圖17～19中可以看出，半月形腐蝕缺陷的深度和長度一定時，套管剩余抗拉、抗擠和抗內(nèi)壓強度都隨套管壁厚的增加而增加，這與圓弧形腐蝕缺陷套管的規(guī)律相同。

3 結論

圖17 套管剩余抗拉強度與壁厚關系

圖18 套管剩余抗擠強度與壁厚關系圖

圖19 套管剩余抗內(nèi)壓強度與壁厚關系

對于外徑177.8mm的N80套管，在外擠壓力33.21 MPa、軸向載荷371.14 kN的邊界條件下，數(shù)值模擬可得出如下結論：

a)圓弧形腐蝕缺陷，套管的剩余抗拉強度隨缺陷長度的增加而增加，剩余抗擠、抗內(nèi)壓強度隨缺陷長度的增加而減小，且當缺陷長度為150mm時，套管剩余強度達到極限值，套管剩余強度隨缺陷深度的增加而線性減小，隨套管壁厚的增加而增加。

b)半月形腐蝕缺陷套管的剩余抗拉強度隨缺陷長度增加而增加，剩余抗擠強度隨缺陷長度增加而減小，當腐蝕缺陷長度為450mm時，套管剩余抗拉、抗擠強度達到極限值，套管剩余抗內(nèi)壓、抗拉強度隨缺陷深度的增加而線性減小，套管剩余抗拉、抗擠和抗內(nèi)壓強度都隨套管壁厚的增加而增加，與圓弧形腐蝕缺陷套管的規(guī)律相同。

以上結論均是數(shù)值分析的結果，建議結合模擬結果，開展相關實驗分析，驗證分析結論為現(xiàn)場套管強度分析及套管選材提供參考依據(jù)。

［1］孫 嘯，吳燦奇，曹然偉，等.四種鋼材腐蝕性能評價實驗研究［J］.天然氣與石油，2012，30（3）：68-73.Sun Xiao，W u Canqi,Cao Ranwei，etal.Assessment，Experiment and Study on Corrosion Beharvior of Four Kinds of Steels for Oiland GasField ［J］.NaturalGasand Oil，2012，30（3）：68-74.

［2］羅光文，李天雷，何 明.酸性氣田腐蝕環(huán)境分析及材料選擇［J］.天然氣與石油，2011，29（6）：67-69.Luo Guangyuan，Li Tianlei，He M ing.Analysis on Corrosion Environment in Sour Gas Field and Selection of Materials［J］.NaturalGasand Oil，2011，29（6）：67-69.

［3］蔡文軍，陳國明，潘東民，等.腐蝕管線剩余強度評估的研究進展［J］.石油機械，1999，27（11）：47-49.CaiW enjun，Chen Guom ing,Pan Dongm in,etal.Advancesin Research ofResidualStrength AssessmentofCorroded Pipeline［J］.China Petroleum Machinery，1999，27（11）：47-49.

［4］謝文江，魏 斌，陳娟利，等.含H2S/CO2氣田油套管腐蝕與防護技術［J］.油氣儲運,2010,29（2）：93-96.XieW enjiang，W eiBin，Chen Juanli，et al.CasingSteelCorrosion in H2S/CO2-contained GasField and ItsProtection Technology［J］.Oil&GasStorage and Transportation，2010,29（2）：93-96.

［5］顧春元，狄勤豐，王掌洪，等.拉應力條件下油氣井套管腐蝕機理研究［J］.鉆采工藝,2007,30（1）： 84-86.Gu Chunyuan，DiQ infeng，W ang Zhanghong，etal.Corrosion Mechanism ofCasing Under Tensile Stressin Oil/GasW ell［J］.Drilling&Production Technology，2007,30（1）： 84-86.

［6］高德利，趙增新.外應力對套管腐蝕速率的影響［J］.石油鉆采工藝，2008，30（6）：117-119.Gao Deli,Zhao Zengxin.Effect of External Stress to Casing Corrosion Rate ［J］.Oil Drilling&Production Technology，2008,30（6）：117-119.

［7］李瓊瑋，楊全安，李成龍，等.長慶油田油套管腐蝕預測研究與建議［J］.腐蝕科學與防護技術，2005，17（5）：371-373.LiQiongwei，Yang Quanan，LiChenglong，etal.Research and Advice of Casing Corrosion Forecast in Changqing O il Field［J］.Corrosion Science and Protection Technology，2005,17（5）：371-373.

［8］田家林，梁 政，楊 琳，等.CNG儲氣井套管腐蝕疲勞機理研究［J］.石油礦場機械,2011，40（1）：5-9.Tian Jialin，Liang Zheng,Yang Lin，et al.Study of Invalidation of Corrosion Fatigue Mechanism of CNG Storage W ell Thimble［J］.OilField Equipment，2011，40（1）：5-9.

［9］張西明，李 軍，張新發(fā)，等.長慶油田小套管的腐蝕與防護［J］.腐蝕科學與防護技術，2004，16（1）：59-61.Zhang Xim ing，Li Jun，Zhang Xinfa，et al.Corrosion and Protection for Small-Casings in Changing O il Field ［J］.Corrosion Science and Protection Technology，2004，16 （1）：59-61.

［10］周 琦，何力力，黃淑菊.X 70鋼在不同溫度下的CO2腐蝕行為［J］.石油機械，2005，33 （11）： 7-10.Zhou Qi，He Lili，Huang Shuju.Corrosion Behaviorsof X 70 SteelatDifferentTemperatures［J］.ChinaPetroleum Machinery，2005,33 （11）：7-10.

［11］SY/T 5724-2008，套管柱結構與強度設計［S］.SY/T 5724-2008，Design for Casing String Structure and Strength［S］.