張 旭，陳玉鵬，周家祥，吳永超，吳亮亮

（天津鋼管制造有限公司，天津300301）

長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量豐富，但隨著開采力度的加大，生產(chǎn)套管的變形情況越來(lái)越嚴(yán)重。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，某公司截至2020年累計(jì)完井200余口，套變井占比在30%以上，嚴(yán)重影響后續(xù)生產(chǎn)作業(yè)。目前，按照現(xiàn)有的API TR 5C3—2018《套管、管道和用作套管或管道的線管的等式和計(jì)算技術(shù)報(bào)告》計(jì)算出的套管抗外壓擠毀值偏保守，按ISO/TR 10400∶2018《石油和天然氣工業(yè) 套管、油管、鉆桿和作為套管或油管使用的管線管的性能計(jì)算公式》設(shè)計(jì)公式計(jì)算同樣存在該問(wèn)題。國(guó)內(nèi)的專家及學(xué)者對(duì)套管抗外壓擠毀性能的影響因素及相關(guān)理論做過(guò)深入研究，并基于線彈性力學(xué)理論、壓潰試驗(yàn)數(shù)據(jù)及有限元二維模型給出套管抗外壓擠毀值計(jì)算公式，還介紹了TP130TT套管的開發(fā)及使用經(jīng)驗(yàn)［1-15］。但研究?jī)?nèi)容缺乏對(duì)相關(guān)工況條件下的套管整管壓潰性能（理論計(jì)算和實(shí)物試驗(yàn)）研究。因此，根據(jù)套變井實(shí)際情況，需要適用性的典型試驗(yàn)等分析手段來(lái)研究其套管的抗外壓擠毀性能。本文通過(guò)點(diǎn)變形（局部）試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、極限載荷試驗(yàn)，結(jié)合有限元分析手段，研究套管的損壞形態(tài)及在不同條件下的承載能力，并得到套管的極限擠毀值。

1 套管點(diǎn)變形試驗(yàn)研究

1.1 實(shí)物試驗(yàn)

地層的滑移剪切極易造成套管局部變形，通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)，模擬套管局部變形后其抗外壓擠毀性能的變化情況，其受力狀態(tài)如圖1所示。取Φ139.70 mm×12.70 mm規(guī)格TP125SG套管進(jìn)行試驗(yàn)，先施加局部載荷，而后再施加均布載荷。具體做法是：在套管上下兩側(cè)放置模具，經(jīng)設(shè)備施壓對(duì)套管預(yù)制變形，變形量分別為5 mm、10 mm和20 mm，預(yù)制變形后將其置于壓潰桶中進(jìn)行壓潰試驗(yàn)，得到變形量與外擠壓力的變化情況。

圖1 點(diǎn)載荷受力示意

預(yù)制變形量與套管外徑的關(guān)系如圖2所示。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著載荷的逐漸增加，套管的變形量逐漸增加，由于施加的是局部載荷，變形呈現(xiàn)為長(zhǎng)軸和短軸形態(tài)，即長(zhǎng)軸逐漸變長(zhǎng)，短軸逐漸變短；預(yù)制變形量為5 mm時(shí)，由于在材料彈性變形范圍內(nèi)，變形后鋼管恢復(fù)變形前的幾何尺寸，對(duì)套管的抗外壓擠毀性能影響很小，但隨著變形量的繼續(xù)增加，套管局部產(chǎn)生塑性變形，致使套管的抗外壓擠毀性能降低。

圖2 預(yù)制變形量與套管外徑的關(guān)系

局部的塑性變形不但會(huì)使材料的性能發(fā)生變化，局部受力狀態(tài)也將發(fā)生明顯變化，產(chǎn)生應(yīng)力集中。根據(jù)拉梅方程可知，套管內(nèi)壁最先發(fā)生屈服，在局部缺陷處將優(yōu)先發(fā)生變形，致使套管被擠毀。實(shí)際工況中，由于造斜段或水平段套管的局部狗腿度過(guò)大，或壓裂后引起地層或?qū)娱g滑移，以及局部地應(yīng)力集中等情況，極易引起套管抗外壓擠毀性能下降，導(dǎo)致套損率增高。因此，在實(shí)際工況中，建議鉆井過(guò)程控制盡可能降低易損井段的狗腿度，對(duì)于地質(zhì)裂縫發(fā)育強(qiáng)烈，天然裂縫存在的區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整壓裂規(guī)模。

對(duì)預(yù)制變形后的鋼管進(jìn)行外壓試驗(yàn)，研究預(yù)制變形對(duì)套管抗外壓擠毀性能的影響，具體如圖3所示。研究發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)制變形量的增加，套管抗外壓擠毀性能顯著降低，局部缺欠的產(chǎn)生往往伴隨著塑性變形，在外壓作用下，將在預(yù)制變形部位發(fā)生失效破壞，套管預(yù)制變形后的擠毀形貌如圖4所示，實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了分析。

圖3 預(yù)制變形量與套管抗外壓擠毀性能的關(guān)系

圖4 套管預(yù)制變形后的擠毀形貌（實(shí)物試驗(yàn)）

1.2 有限元計(jì)算分析

采用有限元分析（ABAQUS）手段，按照實(shí)物試驗(yàn)?zāi)＞叱叽缂疤坠芤?guī)格建模，模具設(shè)為剛體，套管材料為TP125SG鋼級(jí)，強(qiáng)度為970 MPa，泊松比為0.30，彈性模量為207 GPa，采用六面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，剛體進(jìn)行位移控制，套管兩端全約束。

有限元模擬的套管預(yù)制變形后的擠毀形貌如圖5所示，其擠毀形貌與實(shí)物試驗(yàn)一致，分析結(jié)果與實(shí)物試驗(yàn)具有高度對(duì)應(yīng)性，說(shuō)明了有限元分析方法的有效性，為實(shí)物試驗(yàn)所無(wú)法分析的更大變形試驗(yàn)提供了有效工具。

圖5 套管預(yù)制變形后的擠毀形貌（有限元分析）

2 套管三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究

2.1 實(shí)物試驗(yàn)

受限于井眼軌跡及壓裂導(dǎo)致的地應(yīng)力變化，套管局部處于彎曲狀態(tài)。由于三點(diǎn)彎曲模型較四點(diǎn)彎曲模型的受力狀態(tài)更為苛刻，主要表現(xiàn)在其受載部位剪切載荷更大；因此，選取三點(diǎn)彎曲模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)在三點(diǎn)彎曲壓潰釜內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)施加狗腿度30°/30 m，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，套管在彎曲狀態(tài)下的極限擠毀值比不彎曲狀態(tài)低30%左右。根據(jù)實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)有限元建模，研究狗腿度對(duì)套管抗外壓擠毀性能的影響。

圖6 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.2 有限元計(jì)算分析

建模材料參數(shù)與1.2節(jié)相同，套管兩端進(jìn)行全約束，中間施加徑向位移，通過(guò)兩個(gè)載荷步進(jìn)行模擬分析，第一個(gè)是推彎載荷步，第二個(gè)是外壓載荷步，推彎過(guò)程如圖7所示，施加彎曲后套管的擠毀形貌如圖8所示，套管變形量與抗外壓擠毀性能的關(guān)系如圖9所示。研究發(fā)現(xiàn)，隨著撓度（狗腿度）的增加，套管抗外壓擠毀性能不斷降低，并且有限元分析的擠毀形貌與實(shí)物試驗(yàn)的高度吻合，表明井眼和方位的劇烈變化對(duì)套管的抗外壓擠毀性能會(huì)帶來(lái)不同的影響。

圖7 推彎過(guò)程

圖8 施加彎曲后套管的擠毀形貌

圖9 套管變形量與抗外壓擠毀性能的關(guān)系

通過(guò)比較有限元分析結(jié)果與計(jì)算結(jié)果，證明了有限元分析的合理性，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)廣義的數(shù)值計(jì)算只考慮了彎曲應(yīng)力的疊加效應(yīng)，沒有考慮到應(yīng)力集中，而有限元分析將其考慮進(jìn)去，可以較為真實(shí)地反映試驗(yàn)情況。

3 套管極限載荷試驗(yàn)研究

目前評(píng)價(jià)套管行之有效、且能夠被國(guó)際上認(rèn)可的方法仍是均勻外載試驗(yàn)，可以認(rèn)為非均勻載荷是對(duì)均勻載荷的疊加；因此，隨著套管抗均勻載荷能力的提升，其抗非均勻載荷的能力也將顯著提升。

對(duì)Φ139.70 mm×12.70 mm規(guī)格TP125SG套管進(jìn)行極限外擠試驗(yàn)，擠毀試驗(yàn)曲線如圖10所示，擠毀形貌如圖11所示。研究發(fā)現(xiàn)，該套管的極限抗外壓擠毀值達(dá)到195 MPa，證明該套管具有較高的抗外壓擠毀性能。

圖10 Φ139.70 mm×12.70 mm規(guī)格套管實(shí)物擠毀試驗(yàn)曲線

圖11 Φ139.70 mm×12.70 mm規(guī)格套管實(shí)物擠毀形貌

采用有限元計(jì)算方法計(jì)算Φ139.70 mm×12.70 mm規(guī)格TP125SG套管的抗外壓擠毀值，建模參數(shù)、網(wǎng)格劃分、管端約束同1.2節(jié)，有限元分析結(jié)果如圖12所示，Φ139.70 mm×12.70 mm規(guī)格TP125SG套管的抗外壓擠毀值為199 MPa，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果非常相近，有限元方法可作為套管極限載荷的計(jì)算分析手段。

圖12 Φ139.70 mm×12.70 mm規(guī)格套管有限元分析結(jié)果

同樣利用有限元方法計(jì)算Φ144.70 mm×15.20 mm規(guī)格TP125SG套管的抗外壓擠毀值，有限元分析結(jié)果如圖13所示，該套管抗外壓擠毀值在260 MPa左右，套管壁厚的增加可顯著提高其抗外壓擠毀性能，該結(jié)論可供套管選型參考。

圖13 Φ144.70 mm×15.20 mm規(guī)格套管有限元分析結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）隨著局部變形的增加，套管抗外壓擠毀性能逐漸降低，5 mm內(nèi)的局部變形為彈性變形，對(duì)抗外壓擠毀性能影響很小。有限元分析結(jié)果表明，大變形對(duì)套管抗外壓擠毀性能影響很大。

（2）撓度或狗腿度的增加導(dǎo)致套管抗外壓擠毀性能降低。數(shù)值計(jì)算沒有考慮到應(yīng)力集中的影響，而有限元計(jì)算則考慮到了該變化，可較為真實(shí)地反映套管應(yīng)力集中對(duì)其抗外壓擠毀性能帶來(lái)的影響。

（3）有限元方法獲得的擠毀結(jié)果與實(shí)物試驗(yàn)一致。對(duì)于受設(shè)備能力限制而無(wú)法進(jìn)行擠毀試驗(yàn)的套管，可采用有限元方法進(jìn)行擠毀試驗(yàn)仿真分析。