方曉君,呂 爍,遲九蓉,南蓓蓓,王 娟,張永強(qiáng)

(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院,西安 710065)

延長油田主要開采區(qū)域位于鄂爾多斯盆地,開采層位多為延安組及延長組,均屬于中低滲透或特低滲透油藏。油田自開采以來就伴隨著嚴(yán)重的套管腐蝕損壞,這一直是困擾油田開發(fā)的重大技術(shù)難題。結(jié)合油田現(xiàn)場套管腐蝕調(diào)研可以得出,地層水中腐蝕性因子,如Cl-、CO2,H2S及細(xì)菌等的含量較高,會(huì)對套管產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕,造成套管失效,因此,有效預(yù)測套管的使用壽命,對油氣井安全平穩(wěn)生產(chǎn)具有重要意義[1-2]。

目前,管道剩余壽命預(yù)測方法主要有灰色關(guān)聯(lián)法[3-6]、有限元模擬法[7-8]、概率統(tǒng)計(jì)法[9-12]等。鑒于有限元模型可以結(jié)合油氣井工況來確定模擬參數(shù),更貼近現(xiàn)場實(shí)際情況[13],多位學(xué)者通過有限元模擬,開展了管道剩余壽命預(yù)測。張維[14]建立了高寒地區(qū)含內(nèi)腐蝕缺陷管道的有限元仿真模型,對管道失效壓力進(jìn)行分析,并預(yù)測了剩余壽命。陳昊[15]建立了含腐蝕缺陷套管-水泥環(huán)-地層有限元模型,將腐蝕速率預(yù)測模型與等效應(yīng)力評估模型相結(jié)合,根據(jù)腐蝕剩余壁厚以及套管屈服強(qiáng)度確定套管剩余壽命。何連等[16]針對內(nèi)腐蝕缺陷管道建立了三維非線性有限元模型,預(yù)測其失效壓力,并分析管道壁厚、內(nèi)壓、缺陷尺寸對最小剩余壁厚的影響。陳歡[17]通過有限元方式擬了不同尺寸腐蝕坑對連續(xù)油管強(qiáng)度的影響,預(yù)測了連續(xù)油管在不同工況條件下的使用壽命。趙密鋒等[18]基于點(diǎn)蝕速率結(jié)果,采用有限元方法計(jì)算得到不同腐蝕狀態(tài)下140高鋼級油氣井管的服役壽命。

延長油田地層水服役環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜,運(yùn)用有限元模擬方法,結(jié)合油井地層水實(shí)際工況下套管鋼的腐蝕速率,預(yù)測套管壽命的文獻(xiàn)相對較少,特別是關(guān)于施加防腐蝕措施前后套管鋼使用壽命對比的研究鮮有報(bào)道。因此,筆者選取延長油田套管常用的J55鋼作為研究對象,結(jié)合J55 鋼在油氣井地層水服役工況下的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果,通過有限元分析,對采取防腐蝕措施前后J55鋼套管的使用壽命進(jìn)行驗(yàn)證比較,以期為延長油田長期持續(xù)安全發(fā)展提供技術(shù)保障。

1 試 驗(yàn)

采用LS-DYNA 商業(yè)軟件中的* MAT_PLASTIC_KINEMATIC模塊建立模型并對J55鋼套管開展了有限元分析,該模塊可以描述各向同性硬化和隨動(dòng)硬化塑性模型,同時(shí)考慮了應(yīng)變率的影響,適用于梁、殼和實(shí)體單元,計(jì)算效率高。J55 鋼套管的力學(xué)性能見表1。參照現(xiàn)場工況及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,開展J55鋼套管的力學(xué)性能驗(yàn)證,并比較了有無防腐蝕措施的J55鋼套管在油氣井采出水中的使用壽命。

表1 J55鋼套管的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of J55 steel casing

根據(jù)實(shí)際使用情況,由于管內(nèi)壓力遠(yuǎn)小于J55鋼套管設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度,因此只針對J55鋼套管的抗擠強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行有限元建模分析。圖1 為J55鋼套管的擠壓模型,考慮J55鋼套管受力情況,分別在J55鋼套管內(nèi)外壁施加均布載荷,對J55鋼套管兩端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位移約束,以限制扭轉(zhuǎn)和沿J55鋼套管長度方向的位移,采用完全積分8節(jié)點(diǎn)二次單元進(jìn)行離散,管壁厚度方向取4個(gè)單元厚度,離散后模型共包含14 800 個(gè)單元。模擬時(shí),逐步增大J55鋼套管外壁壓力直至J55鋼套管單元應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度,提取該時(shí)刻外壁壓力為J55鋼套管的抗擠強(qiáng)度(MPa)。

圖1 J55鋼套管的擠壓模型Fig.1 Extrusion model of J55 steel casing

圖2為J55鋼套管的拉伸模型,考慮套管受力情況,分別在鋼套管內(nèi)壁施加均布載荷,對套管右端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位移約束,以限制各個(gè)方向的扭轉(zhuǎn)和位移,在套管左端施加位移約束對套管進(jìn)行拉伸,直至套管單元應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度,提取該時(shí)刻右側(cè)端面拉力為J55鋼套管的抗拉強(qiáng)度(MPa)。

圖2 J55鋼套管的拉伸模型Fig.2 Tensile model of J55 steel casing

2 結(jié)果與討論

2.1 J55鋼套管的力學(xué)性能有限元計(jì)算及校核

首先,采用LS-DYNA 軟件對未腐蝕J55鋼套管的力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算及校核。參照使用工況,J55鋼套管外徑139.7 mm、壁厚7.72 mm,對腐蝕的J55鋼套管的力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算,并與API規(guī)范中給出的理論值進(jìn)行比較。采用已建立的模型進(jìn)行計(jì)算,不考慮管內(nèi)壓力,逐漸增加J55鋼套管外壓,當(dāng)最大等效應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度(420 MPa)時(shí),等效應(yīng)力云圖如3(a)所示,沿長度方向應(yīng)力分布均勻,沿厚度方向差異明顯,J55鋼套管內(nèi)部的等效應(yīng)力明顯大于J55鋼套管外側(cè);當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力大于材料屈服強(qiáng)度(420 MPa)時(shí),J55鋼套管發(fā)生如圖3(b)所示變形失效。

圖3 J55鋼套管擠壓失效時(shí)的等效應(yīng)力云圖Fig.3 Equivalent stress cloud maps of J55 steel casing during extrusion failure:(a)maximum equivalent stress 420 MPa;(b)internal stress greater than 420 MPa

由圖4可見:當(dāng)外側(cè)壓力達(dá)到51.1 MPa時(shí),單元達(dá)到屈服強(qiáng)度420 MPa,此時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服,可確定J55鋼套管的抗擠強(qiáng)度為51.1 MPa。

圖4 J55鋼套管內(nèi)壁等效應(yīng)力隨壓力的變化Fig.4 Changes of equivalent stress on the inner wall of J55 steel casing with pressure

采用拉伸模型,隨伸長量增大,當(dāng)最大等效應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度420 MPa時(shí),其等效應(yīng)力云圖如圖5所示,應(yīng)力分布整體較為均勻,除端部外,內(nèi)外側(cè)應(yīng)力差別較小。

圖5 J55鋼套管拉伸失效時(shí)的等效應(yīng)力云圖Fig.5 Equivalent stress nebulae of J55 steel casing during tensile failure

在J55鋼套管內(nèi)部等效應(yīng)力隨拉伸位移的變化,見圖6,當(dāng)拉伸位移達(dá)到0.638 mm 時(shí),單元達(dá)到屈服強(qiáng)度420 MPa,此時(shí)端面拉力為1 355 MPa,可確定J55鋼套管的抗拉強(qiáng)度為1 355 MPa。

圖6 J55鋼套管內(nèi)壁等效應(yīng)力隨拉伸位移的變化Fig.6 Changes of equivalent stress on the inner wall of J55 steel casing with tensile displacement

為了對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,采用理想圓管的抗擠強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行校核。其中,抗擠強(qiáng)度計(jì)算公式見式(1):

式中:p為抗擠強(qiáng)度,MPa;σy為屈服強(qiáng)度,MPa;Dt為J55鋼套管外徑,mm;t為J55鋼套管壁厚,mm。

J55鋼套管管體抗拉強(qiáng)度的API計(jì)算公式見式(2):

式中:T y為抗拉強(qiáng)度,MPa;Dc為J55鋼套管內(nèi)徑,mm;σy屈服強(qiáng)度,MPa。

表2是外徑139.7 mm、壁厚7.72mm 的J55鋼套管的力學(xué)性能有限元計(jì)算結(jié)果與理論結(jié)果的比較?？梢钥闯?無腐蝕條件下,J55鋼套管力學(xué)性能的有限元結(jié)果與理論結(jié)果相對誤差小于1.00%,說明建立的有限元模型可以有效用于J55鋼套管的力學(xué)性能分析。

表2 J55鋼套管抗拉強(qiáng)度的有限元計(jì)算與理論結(jié)果的比較Tab.2 Comparison of finite element calculation and theoretical results of tensile strength of J55 steel casing

2.2 均勻腐蝕J55鋼套管的力學(xué)性能有限元分析

前期試驗(yàn)測得J55鋼套管在油氣井采出水介質(zhì)中的腐蝕速率,試驗(yàn)條件如下:溫度50℃,總壓10 MPa,CO2分壓1 MPa,測試時(shí)間7 d(即168 h),J55鋼的平均腐蝕速率為0.919 2 mm/a。

根據(jù)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果,在有限元模型中考慮到均勻腐蝕后J55鋼套管內(nèi)徑減小,計(jì)算了不同腐蝕深度下J55鋼套管的力學(xué)性能。

首先,以外徑137.9 mm,厚7.72 mm 的J55鋼套管為例,對均勻腐蝕條件下的J55鋼套管的力學(xué)性能進(jìn)行分析。計(jì)算了6種腐蝕深度h1下J55鋼套管的力學(xué)性能,得到J55鋼套管剩余抗擠強(qiáng)度PR隨均勻腐蝕深度h1的變化。如圖7所示,J55鋼套管剩余抗擠強(qiáng)度隨均勻腐蝕深度線性減小。通過線性擬合得到J55鋼套管剩余抗擠強(qiáng)度和均勻腐蝕深度的關(guān)系見式(3):

圖7 J55鋼套管剩余抗擠強(qiáng)度隨均勻腐蝕深度的變化Fig.7 Changes of residual compressive strength of J55 steel casing with uniform corrosion depth

J55鋼套管剩余抗拉強(qiáng)度TR隨均勻腐蝕深度h1的變化如圖8所示,J55鋼套管剩余抗拉強(qiáng)度隨均勻腐蝕深度線性減小。通過線性擬合可以得到J55鋼套管剩余抗拉強(qiáng)度和均勻腐蝕深度的關(guān)系見式(4):

圖8 J55鋼套管剩余抗拉強(qiáng)度隨均勻腐蝕深度的變化Fig.8 Changes of residual tensile strength of J55 steel casing with uniform corrosion depth

為了便于估計(jì)套管的使用壽命,對結(jié)果進(jìn)行線性擬合,得到J55鋼套管剩余抗擠強(qiáng)度PR和腐蝕深度h1的擬合形式為:

剩余抗拉強(qiáng)度TR和腐蝕深度h1的擬合形式為:

利用擬合公式可以計(jì)算任意腐蝕深度時(shí)J55鋼套管的剩余強(qiáng)度,式中擬合參數(shù)如表3所示。

表3 J55鋼套管剩余強(qiáng)度與腐蝕深度的擬合參數(shù)Tab.3 Fitting parameters of residual strength and corrosion depth of J55 steel casing

2.3 局部腐蝕的J55 鋼套管的力學(xué)性能有限元分析

由圖9可見:在油氣井采出水介質(zhì)中腐蝕后,J55鋼套管試樣存在局部點(diǎn)狀腐蝕,由于實(shí)際中難于測試和統(tǒng)計(jì)點(diǎn)蝕深度情況,因此通過在有限元模型中預(yù)制缺陷,計(jì)算局部腐蝕深度條件下J55鋼套管的力學(xué)性能。計(jì)算時(shí)在局部腐蝕區(qū)域預(yù)制直徑4 mm,深1 mm 的圓形局部缺陷,模擬局部點(diǎn)狀腐蝕情況,建立含預(yù)制局部點(diǎn)狀缺陷的J55鋼套管幾何模型。

圖9 J55鋼套管在油氣井采出水介質(zhì)中的微觀腐蝕形貌Fig.9 Micro corrosion morphology of J55 steel casing in the water produced in oil and gas wells before（a）and after（b）removing film

對J55鋼套管進(jìn)行邊界條件設(shè)置和加載,計(jì)算J55鋼套管的力學(xué)性能。由圖10可見:拉伸載荷下垂直于J55鋼套管長度方向的缺陷邊緣位置應(yīng)力最大,最先發(fā)生破壞。

圖10 局部缺陷J55鋼套管拉伸失效時(shí)刻的應(yīng)力云圖Fig.10 Stress cloud map of J55 steel casing with localized defects at the time of tensile failure

由圖11可見:在腐蝕深度為1 mm 條件下,局部腐蝕試樣的剩余抗拉強(qiáng)度(956.2 MPa)比均勻腐蝕試樣(956.2 MPa)降低23.3%,這說明在相同腐蝕深度情況下,局部腐蝕會(huì)顯著降低J55鋼套管的抗拉強(qiáng)度。實(shí)際使用中難以準(zhǔn)確獲得局部腐蝕形狀、深度和面積,因此考慮通過比較相同深度下局部腐蝕和均勻腐蝕造成的剩余抗拉強(qiáng)度降低比,對局部腐蝕的影響進(jìn)行量化評估。

圖11 J55鋼套管在不同條件下的剩余抗拉強(qiáng)度Fig.11 Residual tensile strength of J55 steel casing under different conditions

2.4 采取防腐措施前后J55鋼套管的剩余抗拉強(qiáng)度

表4為前期試驗(yàn)測得的在添加不同量緩蝕劑油氣井采出水介質(zhì)中J55鋼套管的腐蝕速率,試驗(yàn)條件如下:溫度50℃,總壓10 MPa,CO2分壓1 MPa,測試時(shí)間7 d(即168 h)。

表4 J55鋼套管在含不同量緩蝕劑的地層水介質(zhì)中的腐蝕速率Tab.4 Corrosion rate of J55 steel casing in formation water medium containing different content of corrosion inhibitor

結(jié)合表3中剩余抗拉強(qiáng)度與腐蝕深度的擬合參數(shù),計(jì)算加注緩蝕劑前后,J55鋼套管剩余抗拉強(qiáng)度隨使用年限的變化規(guī)律,如圖12所示。結(jié)果表明:添加緩蝕劑后,J55鋼套管的力學(xué)性能顯著提高,剩余抗拉強(qiáng)度隨緩蝕劑加注量的增加而增大。

圖12 模擬介質(zhì)條件下J55鋼套管的剩余抗拉強(qiáng)度Fig.12 Residual tensile strength of J55 steel casing under simulated medium conditions

油氣井地層水介質(zhì)對J55鋼套管的腐蝕屬于嚴(yán)重腐蝕,加入緩蝕劑后,相同使用年限下的J55鋼套管的力學(xué)性能有所提高。隨緩蝕劑加注量的增加,J55鋼套管剩余抗拉強(qiáng)度明顯增大,即增大緩蝕劑加注量對油氣井地層水介質(zhì)中的J55鋼套管具有明顯防護(hù)效果。

2.5 J55鋼套管的使用壽命預(yù)估

對J55鋼套管的使用壽命進(jìn)行評估,綜合考慮了J55鋼套管力學(xué)性能和腐蝕影響兩方面因素,具體計(jì)算時(shí)分別對J55鋼套管的有效軸向力和腐蝕裕量進(jìn)行校核,取其最小值作為J55鋼套管的使用壽命。

2.5.1 有效軸向力的計(jì)算

有效軸向力的公式為:

式中:Te為有效軸向力,k N;T i為第i段J55鋼套管的質(zhì)量,kg/m;Hs為J55鋼套管下深或J55鋼套管斜深度,m;kf為浮力系數(shù);qj為J55鋼套管單位長度質(zhì)量,kg/m。取最小抗外擠安全系數(shù)DFC 為1.10,下深為1 500 m,有效軸向壓力不考慮浮重,計(jì)算得到有效軸向力為665.6 k N。

2.5.2 腐蝕裕量計(jì)算

隨著腐蝕進(jìn)行,一旦抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)降至1.0以下,就會(huì)出現(xiàn)不安全因素,此時(shí)即達(dá)到了油管的使用壽命。在計(jì)算壽命時(shí)假設(shè)抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)為1.5,當(dāng)抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)為1.0時(shí),Δh=7.72/1.5=5.147 mm。延長油田油管柱規(guī)格為外徑(D)為139.0 mm、原始壁厚(Δh0)為7.72 mm,當(dāng)壁厚減少(Δh0-Δh)為2.573 mm 時(shí),油管達(dá)到使用年限。

根據(jù)有效軸向力,利用J55鋼套管剩余強(qiáng)度擬合公式,計(jì)算出J55鋼套管的最大允許腐蝕深度,計(jì)算時(shí)考慮局部腐蝕影響導(dǎo)致的剩余強(qiáng)度降低比例。計(jì)算得到的最大允許腐蝕深度如表5所示。

表5 J55鋼套管的最大允許腐蝕深度Tab.5 Maximum allowable corrosion depth of J55 steel casing

綜合考慮J55鋼套管強(qiáng)度和腐蝕裕量后,可以得到J55鋼套管的最大腐蝕深度對應(yīng)的腐蝕裕量校核結(jié)果,總體應(yīng)小于2.57 mm。結(jié)合腐蝕速率試驗(yàn)結(jié)果可以對J55鋼套管的壽命進(jìn)行估計(jì)。

加注緩蝕劑前后J55鋼套管的平均使用壽命如表6所示,在未添加緩蝕劑油氣井地層水中,J55鋼套管的平均使用壽命為2.8 a,緩蝕劑的加入有效延長了J55鋼套管的使用壽命,且提高緩蝕加注量可以進(jìn)一步延長J55鋼套管的使用壽命。

表6 加注緩蝕劑前后J55鋼套管的平均使用壽命Tab.6 Average service life of J55 steel casing before and after adding inhibitor

3 結(jié) 論

(1) 建立不同腐蝕深度下J55鋼套管的剩余抗擠強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的擬合公式,可對不同腐蝕深度J55鋼套管的剩余強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)。

(2) 比較了均勻腐蝕和局部腐蝕對J55鋼套管剩余強(qiáng)度的影響。局部腐蝕會(huì)顯著降低J55鋼套管的剩余強(qiáng)度。相同腐蝕深度(1 mm)條件下,局部腐蝕J55鋼套管的剩余抗拉強(qiáng)度比均勻腐蝕J55鋼套管的降低23.3%。

(3) 在油氣井采出水中加注緩蝕劑,可以顯著提高J55 鋼套管的力學(xué)性能。添加緩蝕劑后,J55鋼套管的力學(xué)性能顯著提高,緩蝕劑顯著延長了J55鋼套管在油氣井采出水中的使用壽命,且使用壽命隨著緩蝕劑加注量的增加而延長。