非均匀载荷下页岩气套管抗挤强度全尺寸试验及新机理.pdf
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1、石油管工程非均匀载荷下页岩气套管抗挤强度全尺寸试验及新机理姬丙寅1 余 夫2 罗 蒙2 孙建安2 史交齐1 董晓明2(1.西安三维应力工程技术有限公司 2.宝山钢铁股份有限公司)姬丙寅,余夫,罗蒙,等.非均匀载荷下页岩气套管抗挤强度全尺寸试验及新机理 J.石油机械,2023,51(9):148-154.Ji Bingyin,Yu Fu,Luo Meng,et al.Full-scale test and new mechanism on collapsing strength of shale gas casing under nonuniform load J.China Petroleum
2、 Machinery,2023,51(9):148-154.摘要:为研究页岩气套管非均匀载荷下抗挤强度及失效机理,采用全尺寸试验方法,开展平面非均匀载荷、弧面非均匀载荷、平面载荷和均匀载荷组合、弧面载荷和均匀载荷组合等 4 种非均匀载荷情况的试验研究。试验结果表明:非均匀载荷下套管失效机理为套管承载非均匀载荷后,引起的直径变化率发生变化。随着载荷的增大,当直径变化率达到临界状态下,套管发生失效,即达到套管临界承载能力;套管直径变化率与套管抗挤强度近似呈反相关,直径变化率越大,套管的抗挤强度越小。当套管直径变化率小于0.5%时,套管抗挤强度降低不明显,当套管直径变化率0.5%时,套管抗挤强度影响
3、显著,套管直径变化率范围为 1.0%2.0%,抗挤性能下降15%20%。建议页岩气套管可以选择厚壁套管,提高抗径向变形能力,或者基于应变设计理论控制套管径向变形,或者采用弹性介质封固方式以减少外力对套管径向变形的影响,而不是一味追求增加套管的抗挤强度。所得结论对页岩气套管选材或减少页岩气套管失效具有指导作用。关键词:页岩气套管;非均匀载荷;抗挤强度;全尺寸试验;新机理中图分类号:TE931 文献标识码:A DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2023.09.020Full-Scale Test and New Mechanism on Collapsing Stren
4、gth of Shale Gas Casing Under Nonuniform LoadJi Bingyin1 Yu Fu2 Luo Meng2 Sun Jianan2 Shi Jiaoqi1 Dong Xiaoming2(1.Xian Serv Stress Engineering Technology Service Co.,Ltd.;2.Baoshan Iron and Steel Co.,Ltd.)Abstract:In order to study the collapsing strength and failure mechanism of shale gas casing u
5、nder nonuni-form load,the full-scale test method was used to carry out research on four kinds of nonuniform loads:plane nonu-niform load,cambered surface nonuniform load,plane load and uniform load combination,and cambered surface and uniform load combination.The test results show that after the cas
6、ing has borne the nonuniform load,the diam-eter change rate changes.As the load increases,when the diameter change rate reaches a critical state,casing failure occurs,i.e.,reaching the critical bearing capacity of the casing.The diameter change rate of the casing is approximately inversely correlate
7、d with the collapsing strength of the casing.The larger the diameter change rate,the smaller the collapsing strength of the casing is.When the diameter change rate of the casing is less than 0.5%,the decrease in the collapsing strength of the casing is not obvious.When the diameter change rate of th
8、e casing is greater than or equal to 0.5%,the effect on the collapsing strength of the casing is obvious.When the diameter change rate of the casing is between 1.0%and 2.0%,the collapsing strength decreases by 15%to 20%.It is proposed to select heavy casing to improve the resistance to radial deform
9、ation,or control the radial deforma-841 石 油 机 械CHINA PETROLEUM MACHINERY2023 年 第 51 卷 第 9 期基金项目:陕西省重大科技创新专项资金项目计划“石油管材全尺寸评价试验系统产业化”(2018ZKC-119)。tion of the casing based on the strain design theory,or use the elastic medium sealing method to reduce the impact of external forces on the radial deforma
10、tion of the casing,instead of blindly seeking to increase the collapsing strength of the casing.The conclusions have guiding significance to the selection of shale gas casing materials or the reduction of failure of the shale gas casing.Keywords:shale gas casing;nonuniform load;collapsing strength;f
11、ull-scale test;new mechanism0 引 言页岩气是一种以游离或吸附状态藏身于页岩层或泥岩层中的非常规天然气1。由于页岩气藏储层一般呈低孔、低渗透性的特点,所以其开采过程中需要实施储层压裂改造。随着水平井压裂和分段压裂技术日臻成熟,储层改造过程中造成的套管损坏成为制约其开采的主要因素。为了尽可能地避免页岩气开发过程中套管失效事故的发生,目前大多油气田在页岩气开发中常采用高抗挤套管,其抗挤强度可达到 160 MPa 以上,远高于地层压力,然而页岩气套管变形仍然大量发生。图 1 环向非均匀载荷示意图Fig.1 Schematic diagram of circumferent
12、ial nonuniform load国内 已 有 页 岩 气 套 管 变 形 失 效 方 面 的 研究2-18。刘奎等3借助有限元数值方法分析了套管在局部载荷作用下的受力与变形情况;余夫等4-5通过对页岩气套管变形失效井的统计进行调研和分析,对页岩气井套管变形失效原因进行了研究,找出了套管变形的主要规律和原因;张鑫等9对断层滑移条件下页岩气井套管变形影响因素进行了分析;童亨茂等12研究了页岩气水平井开发中套管变形的地质力学机理及其防治对策;韩礼红等16提出了复杂压裂页岩气井套管变形机制及控制方法;尹飞等15提出了页岩气井压裂套管变形评价及水泥环性能优化;张忠铧等17开展了页岩气井套管变形原因
13、分析及选材设计。除此之外,美国石油学会的相关标准19-20也规定了均匀载荷下套管抗挤毁的计算方法。但在页岩气开采过程中,套管往往会承受非均匀载荷作用,而国内外页岩气套管非均匀变形的大多数研究集中在理论计算、数值分析上,缺少系统的页岩气套管非均匀载荷下抗挤强度全尺寸试验验证。为进一步揭示页岩气套管在非均匀载荷下套管抗挤强度的变化规律,满足页岩气套管柱设计及选材需要,笔者采用全尺寸试验方法对页岩气套管非均匀载荷下的抗挤强度进行系统研究,开展平面非均匀载荷、弧面非均匀载荷、平面载荷和均匀载荷组合、弧面载荷和均匀载荷组合等 4 种非均匀载荷全尺寸试验,基于试验研究提出页岩气用套管在非均匀载荷下抗挤变形
14、失效的新机理。1 套管受力模型套管挤毁也称套管压溃,是指套管在外压下发生失稳、变形或压扁的失效过程,将其临界挤毁压力定义为套管抗挤强度19-20。页岩气开采过程中,套管主要受到均匀外压的作用,如图 1a 所示。但在固井质量、温度的周期变化、内压变化等多种条件的共同影响下,会造成套管外壁受到非均匀载荷,非均匀载荷按照受力方向可分为环向不均匀载荷、轴向不均匀载荷和二者组合共 3 种情况。根据产生的原因,环向不均匀载荷又可分为管体自身原因引起的非均匀载荷和外部非均匀载荷,其中管体自身原因引起的非均匀载荷是由于管体存在壁厚不均度、外径不圆度、缺陷损伤等,在均匀外压和非均匀外压条件下引起载荷不均分布。如
15、外压挤毁现象是在均匀外压下发生的挤毁失效,实际是由于管体自身缺陷引起压力分布不均匀导致的套管挤毁;外部非均匀载荷实际是由于载荷本身存在不均匀性引起的,例如平面载荷、弧面载荷、组合载荷等。9412023 年 第 51 卷 第 9 期姬丙寅,等:非均匀载荷下页岩气套管抗挤强度全尺寸试验及新机理 环向不均匀载荷可以演化为弧面载荷、平面载荷、均匀载荷和弧面载荷组合、均匀载荷和平面载荷组合 5 种,如图 1 所示。对于环向均匀载荷(见图 1a),公式定义如下:p()=p1(1)式中:p 为套管所承受的载荷,MPa;为套管外壁任一点指向套管中心的载荷角度,();p1为套管外壁承受的均匀外压力,MPa。对于
16、弧面载荷(见图 1b)和平面载荷(见图1c),公式定义如下:p()=p2 (区域)0 (非 区域)(2)式中:p2为套管外壁局部承受的压力,MPa;套管承受局部载荷的大小,与载荷作用 范围有关,当 为 180时,套管承受均匀载荷作用;当 为0时,套管承受平面载荷被压扁。对于均匀载荷和弧面载荷组合(见图 1d)、均匀载荷和平面载荷组合(见图 1e),公式定义如下:p()=p1+p2 (区域)p1 (非 区域)(3)同样,套管承受局部载荷的大小,与载荷作用 范围有关。当 为180时,套管承受均匀载荷作用;当 为 0时,套管承受平面载荷的挤压;当 不为 0时,套管承受弧面载荷的挤压。2 套管抗挤强度
17、全尺寸试验2.1 试验材料试样规格选择 139.70 mm12.70 mm 125ksi套管。为了保持试验结果的一致性,同时排除试样之间的误差,选择同批次套管,分别在管体上取材料试样、均匀挤毁试样、非均匀挤毁试样。其中,平面非均匀载荷试样编号为 1#,弧面非均匀载荷试样编号为 2#,均匀外压试样的编号为 3#,平面非均匀载荷+均匀载荷试样编号为 4#。2.2 平面非均匀载荷全尺寸试验对 1#试样进行平面非均匀载荷条件下全尺寸试验(加载方式见图 1c)。试验设备为 600 t 复合加载试验机,试样长度均为 7 倍直径,压板长度均为 2 倍直径;试验前进行几何尺寸测量,试样平均壁厚为 12.75
18、mm,平均外径为 141.14 mm。试样安装在设备上的照片如图 2 所示。采用分步加载的方法进行试验,试验载荷从800、1 000、1 200、1 400 和 1 600 kN 进行加载,每步卸载后测量管体的残余变形,试验后套管的宏观形貌如图 3a 所示,对试验结果测量如图 3b 所示。图 2 试样安装在设备上形貌Fig.2 Morphology of sample installed on the equipment图 3 平面非均匀载荷条件下套管试验后形貌Fig.3 Morphology after test and test effect measurement diagram其中,A
19、-B-C-D 为同一截面,E-F-G-H 为相邻同一截面。A-B 和 E-F 与载荷方向一致,C-D 和 G-H 与载荷方向垂直。测量的试验结果如图4 所示。图 4 平面型非均匀载荷条件下载荷-直径变化率关系Fig.4 Load-diameter change rate relation under the plane nonuniform load由图 4 可知,试样在 800 kN 之前未产生残余变形,到 1 000 kN 时,产生微小的残余变形,其直径变化率约为 0.28%;到 1 200 kN 时,其直径变化率约为 0.49%;到 1 400 kN 时,试样直径变化率约为 2.47%;
20、到 1 600 kN 时,其直径变化率051 石 油 机 械2023 年 第 51 卷 第 9 期约为 8.48%,此时管体变形明显。对于套管来说,在临界变形载荷(800 kN)前套管处于弹性阶段,载荷移除后,套管未产生残余变形;一旦达到临界变 形 载 荷 后,随 着 外 载 荷 一 定 程 度 的 增 大(1 0001 200 kN),其直径变化率也在增大,此时增大幅度较小;当载荷超过 1 400 kN 后,套管直径变化率快速增加,且增大幅度较大,此时套管达到临界失稳状态。2.3 30弧面非均匀载荷全尺寸试验对 2#试样进行 30弧面非均匀载荷条件下全尺寸试验(加载方式见图 1b),试样长度
21、均为 7 倍直径,压板长度均为 2 倍直径,试验前进行几何尺寸测量,试样平均壁厚为 12.76 mm,平均外径为141.19 mm。同样采用分步加载的方法进行试验,试验结果如图 5 所示。由图 5 可知:试样在 800 kN 之前未产生残余变形,到 1 000 kN 时,产生微小的残余变形,其直径变化率约为 0.04%;到 1 200 kN 时,试样直径变化率约为 0.26%;到 1 600 kN 时,试样直径变化率约为 0.82%;到 1 800 kN 时,其直径变化率约为 3.67%,此时管体变形明显。同样,在临界变形载荷(800 kN)前套管处于弹性阶段,载荷移除后,套管未产生残余变形;
22、一旦达到临界变形 载 荷 后,随 着 外 载 荷 一 定 程 度 内 的 增 大(1 0001 400 kN),直径变化率增大,此时增大幅度较小;但当载荷超过 1 600 kN,其直径变化率快速增大,且增大幅度较大,此时套管达到临界失稳状态,试验后套管的宏观形貌如图 6 所示。图 5 弧面非均匀载荷条件下全尺寸试验载荷-直径变化率关系Fig.5 Load-diameter change rate relation at full-scale test under the cambered surface nonuniform load图 6 弧面非均匀载荷条件下试验后形貌Fig.6 Morph
23、ology after test under the cambered surface nonuniform load2.4 平面非均匀载荷+均匀载荷全尺寸试验为了比较平面非均匀载荷对套管抗挤强度的影响程度,在平面非均匀载荷+均匀载荷下全尺寸试验之前,在临近的试样附近截取均匀外压试样,试样编号为 3#。对该试样进行均匀施加外压至失效试验(加载方式见图 1a),试验前对试样的几何尺寸进行测量,该试样平均壁厚为 13.09 mm,平均外径为 141.30 mm,均匀施加外压试验后管体发生挤毁失效,此时试样的抗挤强度为 182.7 MPa。对 4#试样进行平面非均匀载荷+均匀载荷条件下全尺寸试验(加
24、载方式见图 1e),试验前进行几何尺寸测量,该试样平均壁厚为 13.17 mm,平均外径为 141.66 mm。根据 1#试样载荷与外径变化率的关系分析,其直径变化率临界拐点在 1 2001 500 kN 之间,首先采用 1 400 kN 载荷对 4#试样进行平面非均匀载荷试验,试验后该试样直径最大变形量为 3.14 mm,直径变化率为 2.21%;然后进行均匀外压至失效试验,加压至135.0 MPa 时试样未发生失效,此时观察水下应变(45方向)有明显的增大趋势,继续加压,当压力达到 145.2 MPa时,试样发生挤毁失效。2.5 弧面非均匀载荷+均匀外压载荷全尺寸试验为了比较弧面非均匀载荷
25、对套管抗挤强度的影响,在弧面非均匀载荷+均匀载荷下全尺寸试验之前,在临近的试试样附近截取均匀外压试样,试样编号为 5#。对 5#试样进行均匀外压至失效试验(加载方式见图 1a),试验前对试样的几何尺寸进行测量,该试样平均壁厚为 13.11 mm,平均外径为 140.81 mm。均匀外压试验后管体发生挤毁失效,均匀外压下抗挤强度为 174.5 MPa。对 6#试样进行弧面非均匀载荷+均匀载荷条件下全尺寸试验(加载方式见图 1d),试验前进行几何尺寸测量,其平均壁厚为 12.75 mm,平均外径为 141.17 mm。根据对 2#试样载荷与外径变化率的关系分析,其直径变化率临界拐点在 1 400
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