高压高产气井试气用油管柱抗挤毁性能研究

摘要

最近几年，一些高压高产气井在反循环洗井或试气放喷过程中，出现了油管（材质性能符合API标准）被挤毁的现象。本文对此类失效油管进行了失效分析，查找出了失效原因，提出了有效地改进措施。
　　分别对案例一与案例二中的失效油管进行了材料性能分析，案例一中失效油管抗拉强度低于标准，其它性能均符合标准要求;案例二中失效油管材质符合标准要求。经分析后认为油管产生挤毁的原因并非完全由材料强度较低所致。
　　利用ANSYS建立了套管有限元模型，分析了几何尺寸（外径、壁厚、椭圆度和壁厚不均度）、屈服强度、轴向载荷对油套管抗挤毁性能的影响。
　　采用Fluent软件建立了5组模型，对气柱上移的过程进行了模拟。通过计算发现:若油管底部高压气体是以一小段气柱形式上升，而且油管底部有一定的堵塞，则气柱上移时体积将不断膨胀，其压力也迅速减小，导致油管内外压差变大。
　　本文对油管的工作载荷（外压、内压以及轴向载荷）进行了详细地计算，并利用三轴抗挤强度公式计算出油管抗挤强度值。利用ANSYS计算出同等工作载荷作用下油管的抗挤强度值。由两种方法计算结果可知:当油管底部通道堵塞时，环空泵压达到49MPa，油管外压（油管断裂处）将达到61 MPa，此时油管极易被挤毁。
　　在失效分析和理论计算分析的基础上，得出以下结论:失效油管产生挤毁的原因并非完全由材料强度较低所致，造成井下油管挤毁的原因与井下复杂的工作载荷（油管内外压差较大，多种附加轴向力）作用有关。提高材料强度、增加油管管体壁厚、适当扩大油管直径（排量）以及控制井口放喷压力等均是有效地控制措施。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．1．1 研究的背景

1．1．2 研究的意义

1．2 国内研究现状

1．2．1 API公式的发展

1．2．2 油套管抗挤问题研究现状

1．2．3 油管挤毁的部分研究成果

1．3 研究内容与方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 本文的研究思路和方法

1．3．3 创新点

第二章 高压高产气井油管失效案例分析

2．1 高压高产气井油管失效案例一

2．1．1 基本情况

2．1．2 宏观分析

2．1．3 理化性能分析

2．1．4 微观金相分析

2．1．5 结果初步分析

2．2 高压高产气井油管失效案例二

2．2．1 基本情况

2．2．2 理化性能分析

2．2．3 结果初步分析

2．3 案例一与案例二失效油管对比分析

2．3．1 失效油管材料性能对比

2．3．2 油管失效原因初步分析

第三章 油套管抗挤毁强度影响因素分析

3．1 几何尺寸对油套管抗挤毁性能的影响

3．1．1 按照名义尺寸建模计算抗挤强度

3．1．2 外径对油套管抗挤强度的影响

3．1．3 壁厚对油套管抗挤强度的影响

3．1．4 不圆度和壁厚不均度的几何描述

3．1．5 椭圆度对油套管抗挤强度的影响

3．1．6 壁厚不均度对油套管抗挤强度的影响

3．2 屈服强度对油套管抗挤毁性能的影响

3．3 轴向力对油套管抗挤毁性能的影响

3．4 小结

第四章 气液两相流运动规律研究

4．1 气液两相流基本概念

4．2 流型测定方法简介

4．3 流型的转变

4．4 气液两相流动态特性的研究方法

4．5 气液两相流建模简化原则

第五章 利用Fluent软件模拟气柱上移过程

5．1 Vof模型简介

5．2 运用Vof模型模拟气柱上移过程

5．2．1 油管模型的建立

5．2．2 初始条件及边界条件的设置

5．2．3 单个油管气柱上移模拟分析

5．2．4 初始速度对气柱上移时压力变化的影响

5．2．5 气柱体积对气柱上移时压力变化的影响

5．3 模拟结论

第六章 利用三轴抗挤强度公式计算油管抗挤强度值

6．1 油管外压的计算

6．2 油管内压的计算

6．2．1 理想气体状态方程

6．2．2 非理想气体的状态方程，范德瓦耳方程

6．2．3 高压气体状态方程的建立

6．3 轴向力的计算

6．3．1 油管浮重的计算

6．3．2 气液对油管的粘滞力计算

6．3．3 油管内外压力变化产生的附加轴向力

6．3．4 温度变化产生的附加轴向力

6．3．5 油管总轴向力的计算

6．4 油管抗挤强度值的计算

第七章 利用ANSYS进行油管抗挤强度计算及分析

7．1 有限元模型的建立

7．1．1 模型建立的原则

7．1．2 油管模型的建立

7．2 材料物理特性的设置

7．3 计算结果及分析

第八章 结论与建议

8．1 结论

8．2 建议

8．2．1 提高油管的抗挤毁性能

8．2．2 降低油管内介质的流速

致谢

参考文献

硕士研究生期间发表的论文