套管强度腐蚀影响的数值模拟研究

丁 氐，冯 定，梅 超，侯作富 (长江大学机械工程学院， 湖北 荆州 434023)

王 军，孙 超 (吉林油田分公司采油工艺研究院，吉林 松原 138000)

套管强度腐蚀影响的数值模拟研究

丁 氐，冯 定，梅 超，侯作富 (长江大学机械工程学院， 湖北 荆州 434023)

王 军，孙 超 (吉林油田分公司采油工艺研究院，吉林 松原 138000)

套管腐蚀降低了套管的强度，是引起套管损坏的重要影响因素。利用Ansys软件中“单元生死”功能模拟了腐蚀因素对套管强度的影响，结合乾安油田套管腐蚀环境测试结果及套管腐蚀形态和套管损坏时间等现场统计资料，绘制了套管腐蚀后剩余强度在不同区块的降低幅度图版，为油田预防套损提供参考。

套管；强度；腐蚀；数值模拟

套管在服役一段时间后容易出现腐蚀的现象，套管管体的腐蚀将直接引起套管强度的降低。由于套管腐蚀环境和腐蚀机理的区别，套管腐蚀形态及腐蚀规律也有差异，由腐蚀形态和腐蚀程度的不同可大致分为管壁整体均匀变薄、局部出现片状凹坑、V形凹坑、孔洞等情形，引起套管强度不同程度的降低。对于套管内壁而言，由于套管内腔液体环境是连通的，因此腐蚀环境接近，内壁的腐蚀较为均匀，以整体变薄为主(在内壁有磨损的位置更容易腐蚀，会引起局部腐蚀)；对于套管外壁而言，由于腐蚀环境不均匀、不连续，因此套管外壁的腐蚀主要以V形凹坑、片状凹坑和孔洞为主。针对腐蚀对套管强度影响这一问题，目前研究主要集中于孔洞[1-3]和均匀腐蚀[4]条件下套管外挤强度降低的分析。下面，笔者结合乾安油田套管腐蚀以V形凹坑为主的形貌特点，主要讨论套管外壁V形凹坑对套管外挤强度的影响。

1 数值计算模型

1)模拟软件 Ansys计算软件具备模拟计算模型在不同的计算阶段“杀死”或“激活”部分构件的功能，即单元生死功能。该功能可以用来模拟套管管壁腐蚀的情景。随时间推移被腐蚀部分失去抵抗外力和变形的能力，从原套管上脱落或虽未脱落但已经变质不能承担外载，在计算时将该部分从原模型中剔除，即“杀死”这部分单元。在计算前将套管管壁部分单元选中，并在不同计算阶段逐步将其“杀死”，进而模拟腐蚀厚度对套管强度的影响。

表1 乾安油田主产区块空白水质腐蚀速率表

2)计算模型 以乾安油田射孔段目前普遍使用的油层套管P110-9.17为分析对象，建立平面应变情形下的1/4套管模型，将该模型端部施加对称约束，在套管外壁施加均匀外挤压力(根据套管型号及地应力水平设置套管均匀外挤压力区间为30～90MPa)。腐蚀环境参考乾安油田主产区块空白水质腐蚀速率(见表1)。

计算模型如图1所示，其中图1(a)为划分网格后的原始模型图；图1(b)显示腐蚀单元从外壁向内逐渐扩展的情形，随计算时间步增加，杀死单元数目也增加；图1(c)显示计算中间某步的计算模型；图1(d)为计算中间某步的计算结果示意图。

2 数值计算结果与分析

1)套管剩余强度与腐蚀厚度的关系 计算不同腐蚀厚度下套管的剩余强度，结果如图2所示。从图2可知，随着腐蚀厚度的增加套管剩余强度有明显的降低；套管剩余强度与腐蚀厚度间的关系成“S”形变化趋势，即腐蚀初期套管强度急剧降低，腐蚀中期套管强度降低程度稍平缓，随着套管腐蚀厚度进一步增加，套管外挤强度又急剧下降；当腐蚀深度超过3.5mm时，强度降低明显，仅为原始强度的60%左右，剩余强度值已接近乾安油田实际外挤压力，易引起套管损坏。

图1 有限元模拟管壁腐蚀的计算示意图

2)套管剩余强度与腐蚀时间的关系 由乾安油田主要特征区块的腐蚀速率数据(见表1)，并结合不同腐蚀厚度套管剩余强度值，即可计算不同腐蚀时间后套管的剩余强度，计算结果如图3所示。从图3可知，不同区块套管强度降低幅度与其腐蚀速率有关，在C、D、E区块套管强度降低速率较大，2.5年后套管剩余强度降低至60MPa左右，且随着腐蚀时间的延长，套管剩余强度急剧降低。

图2 套管剩余强度与腐蚀厚度的关系 图3 套管剩余强度与腐蚀时间的关系

3)计算结果分析 对比乾安油田相应区块实际套管损坏的统计资料并结合图3可知，在A、B区块未发现套损，C、D、E 3个区块套损严重；C、D、E 3个区块在投产2～4年是套损高发期，部分井投产0.5年即套损。可见，套损的统计规律与计算结果相符，腐蚀速率对套管损坏的影响明显，腐蚀速率大的区域套管强度明显降低，在套管强度降低剧烈的时间段内套管易损坏。生产过程中应采取合理的防腐措施，加强对套管的保护，以延长套管使用寿命。

[1]卢亚锋，林元华，赵铁,等.高腐蚀环境下油井管剩余抗挤强度的理论解[J].石油机械，2010,38(8):17-19.

[2] 赵增新，高德利，覃成锦.二维类圆形腐蚀孔应力集中对套管强度的影响[J].石油钻探技术，2008,36(6): 44-47.

[3] 王明辉, 张智，曾德智,等. 高含硫气田套管腐蚀情况实验研究及建议[J].天然气工业，2011,31(9): 85-87.

[4] 慕立俊，张军，赵文轸，等.均匀腐蚀下油气井套管的强度及其寿命[J].石油化工腐蚀与防护,2010,27(6):16-19.

2012-12-15

吉林油田分公司科研项目(开科08070)。

丁氐(1982-)，女，硕士生，现主要从事石油机械、油气田开发方面的研究工作。

TE988

A

1673-1409(2013)04-0074-02

[编辑] 洪云飞