油管套管抗内压强度计算研究
第３３卷第５期
石油钻
采
工
艺
Ｖ０１．３３Ｎｏ．５
２０１１年９月
ＯＩＬＤＲＩＬＬＩＮＧ＆ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｓｅｐ．２０１１
文章编号：１０００—７３９３（２０１１）０５—００４６—０３
油管套管抗内压强度计算研究
孙永兴１。２林元华２杨晓峰３杨博仲１余来红１齐玉１
（１．川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院，四川广汉６１８３００；２．西南石油大学石油管工程重点实验室，四川成都６１０５００；
３．川庆钻探工程公司科技处，四川成都６１００５１）
摘要：高温高压高含硫气井中的油管、套管一旦爆裂失效，将可能导致油套串通，甚至舍硫气体串出地面，危害性较大。因此，在油管、套管强度设计中。不但要合理地计算出最小的抗内压屈服强度，而且还要准确地预测出极限强度即爆裂强度。针对
ＡＰＩＢｕｌｌｅｔｉｎ
５Ｃ３：１９９４屈服计算公式存在的不足以及ＩＳＯ／ＴＲ１０４００：２００７爆裂强度计算模型计算精度不够理想的问题，根据屈
强比（Ｙ厂ｒ）对油管、套管爆裂失效强度影响规律，提出了具有更高精度的油管、套管抗内压爆裂计算新模型，通过与试验数据计算对比，证明了新模型的可靠性和合理性，对优化“三高”气井油管、套管抗内压强度设计提供了新的参考依据。
关键词：两端堵口；油管套管；爆裂；设计；研究中图分类号：ＴＥ９３１＋．２
文献标识码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ
ｏｎ
ｉｎｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｓｔｒｅｎｇｔｈｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｆｏｒｃａｓｉｎｇａｎｄｔｕｂｉｎｇ
ＳＵＮＹｏｎｇｘｉｎ９１‘２，ＬＩＮＹｕａｎｈｔｌａ２，ＹＡＮＧＸｉａｏｆｏｌ９３，ＹＡＮＧＢ０ｚｈｏｎ９１，ＹＵＬａｉｈｏｎ９１，ＱＩＹｕｌ
（１．ＣＣＤＣＤｒｉｌｌｉｎｇ＆ＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲ甜ｅａｍｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕａｎｇｈａｎ６１８３００，Ｃｈｉｎａ；２．ＴｈｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄ
ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＴｕｂｕｌａｒＧｏｏｄｓ，ｓ胛ＵＣｈｅｎｇｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ；３．ＣＣＤＣＳｃｉｅｎｅｅａｎｄ瑟ｃｈｎｏｌｏｇｙＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｗｅｌｌｓｗｉｔｈｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄｈｉｇｈＨ，Ｓ，ｏｎｃｅｔｈｅｔｕｂｉｎｇ
ｏｒ
ｃａｓｉＩｌｇｂｕｒｓｔｉｎｔｏｆａｉｌｕｒｅ，ｔｈｅｇａｓｍａｙ
ｃｒｏｓｓ
ｂｅｔｗｅｅｎｔｕｂｉｎｇ
ａｎｄ
ｃａｓｉｎｇ，ｅｖｅｎｔｈｅｓｕｌｆｕｒ－ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｇａｓｍａｙｂｌｏｗｏｕｔｔｏｔｈｅｇｒｏｕｎｄ，ＳＯｔｈｅｈａｒｍｉｓ
ｓｅｌｆ－ｅｖｉｄｅｎｔ．ｎｅｒｅｆｏ诧，ａｎ
ａｃｃｕｒａｔｅ
ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｓｔｒｅｎｇｔｈｉｓｅｓｓｅｎｔｉａｌｉｎｔｕｂｉｎｇ
ａｎｄ
ｃａｓｉｎｇｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓ．ＦｏｒｈｉｇｈＨ２Ｓｇａｓｗｅｌｌｓ，ｔｈｅＡＰＩＢｕｌ—
ｌｅｔｉｎ５Ｃ３ｆｏｒｍｕｌａｒｃａｎｎｏｔｓａｔｉｓｆｙｗｉｔｈｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｒｉ丽ａ＇ａｎｄｔｈｅｂｕｒｓｔｍｏｄｅｌｆｏｒｃａｐｐｅｄ－ｅｎｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｈａｓｂｅｅｎｐｒｏｖｉｄｅｄｉｎＩＳ０１０４００，
ｂｕｔｓｏｍｅ
ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ
ｂｙＩＳＯｂｕｒｓｔｍｏｄｅｌｅｘｃｅｅｄｓｔｈｅａｃｔｕａｌｂｕｒｓｔｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｙｉｅｌｄ－ｍ－ｔｅｎｓｉｌｅ
ｓｔｒｅｎｇｔｈｒａｔｉｏ、ｎｏｎｆａｉｌｕｒｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｔｕｂｉｎｇ
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ｈｉｇｈ
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｏｒｋｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅｎｅｗ
ｍｏｄｅｌ
ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙｃｏｉｎｃｉｄｅｗｉｔｈｔｅｓｔｂｕｒｓｔ
ｄａｔａ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓ
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Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｃａｐｐｅｄ－ｅｎｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ；ｃａｓｉｎｇａｎｄ
ｔｕｂｉｎｇ；ｂｕｒｓｔ；ｄｃｓｉｇｎ；ｓｔｕｄｙ
国内酸性气藏普遍具有“三高”特点，即高温常采用普通碳钢，在高温高Ｈ，Ｓ分压的作用下，极可（井底温度高于１５０℃）、高压（地层压力大于或等于能危及井筒安全。特别是对于高含Ｈ，Ｓ气井，气体１００ＭＰａ）、高含硫（含Ｈ，Ｓ３％以上）的特点，在“三高”逸出还将导致重大人员伤亡及财产损失。因此，对气井勘探开发中油管、套管一旦发生爆裂，可能导致于“三高”气井，准确地预测出油管、套管爆裂失效Ｈ，Ｓ气体气窜至技术套管环空、技术套管与表层套强度，不仅可以为油管、套管强度设计和材质选择提管环空，而当前酸性气井的技术套管和表层套管通
供依据，而且还可以尽量避免或降低油井管（ＯＣＴＧ）
基金项目：新世纪优秀人才支持计划“高舍Ｈ２Ｓ气藏完井管柱设计厦其可靠性研究”（编号：ＮＣＥＴ－０８－０９０７）；国家自然科学基金“基
于数值模拟的复杂地层地应力场反演研究”（批准号：Ｅ０４０１０３）。
作者简介：孙永兴，１９７７年生。２００８年获西南石油大学油气井专业博士学位，现从事酸性气田油井管柱选材、设计等研究工作。电话：
０８３８－５１５１６３１
ｏ
Ｅ・ｍａｉｌ：ｙｏｈａｎｃｅ＠１２６．ｏｄｉｎｏ
万方数据
孙永兴等：油管套管抗内压强度计算研究爆裂失效事故的发生。
５Ｃ３：１９９４给出的抗内压强度值
即ＡＰＩ值是不受油井管是否是堵口、开口、有无轴
ＡＰＩＢｕｌｌｅｔｉｎ
４７
上限值提供了新的参考依据。
ｌ抗内压屈服设计
１．１
ＡＰＩＢｕｌｌｅｔｉｎＡＰＩＢｕｌｌｅｔｉｎ
向拉伸等因素影响的。针对其存在的不足，ＩＳＯ／ＴＲ１０４００：２００７给出了两端开口与堵口的计算模型，提高了抗内压屈服设计的准确性和科学性。实际研究表明，管子内壁开始屈服时，仍不会丧失压力完整性，爆裂才会失去压力完整性。为此，ＩＳＯ／ＴＲ１０４００：２００７给出了两端堵口的油管、套管抗内压爆裂模型，但计算精度不够理想。由于高压原因，爆裂测试试验都是采用两端堵口的，为此，笔者进行了屈
５Ｃ３抗内压屈服设计
５Ｃ３抗内压公式是基于包罗公式给
出的，没有考虑径向应力，计算结果不受油井管是否是堵口、开口、有无轴向拉伸的影响，计算公式为
ＰＡＰ，５ｃ３＝玩衄（氕。ｌＩｔ徊
（１）
式中，Ｄ为管子外径，ｍｍ；ｆ为管壁厚度，ｍｍ；ｋ。为管壁公差因子，例如，当公差为－１２．５％，氏柚＝０．８７５；尸矗昭
为屈服抗内压强度，ＭＰａ。
１．２
强比（Ⅵ）对油管、套管爆裂强度影响规律的研究，
提出了具有更高精度的油管、套管抗内压爆裂计算新模型，为优化ＯＣＴＧ抗内压强度设计和安全系数
ＩＳＯ抗内压屈服设计
（１）两端堵口的屈服设计模型。两端堵口条件下的油管、套管的初始屈服设计公式
（２）
‰＝厶／｛（３。４＋‰４）／（。２一‰２）２＋ｄ４／（０２－－ｄ２）２＿２ｄ２“２／【（。２一ｄ２）（。２一九．２）】）ｌ，２
式中，ｄ为管子内径，ｄ＝Ｄ－２ｔ，ｍｍ；盛ａｕ为基于‰Ｉｔ内
ＩＳＯ／ＴＲ
１０４００：２００７给出了两端堵口韧性爆裂模型
直径，‰ｌ＝ｏ－２ｔｋ。．，ｌ；缸为最小屈服强度，ＭＰａ；Ｐｉ一
为两端堵口厚壁管屈服的内压，ＭＰａ。
（２）两端开口的屈服设计模型。当轴向应力，外压，弯曲力和扭矩为零的时候，两端开口的油管、套管的初始屈服是公式
舻ｏ－２３一ｚｉ．１ｔｎｔｉｌｌ）扣＋时］
（５）
式中，ｑ。。为材料极限抗拉强度，ＭＰａ；刀为材料硬化系数；ＰＩ。ｏ为两端堵口管抗内压爆裂强度，ＭＰａ。
从ＩＳＯ／ＴＲ１０４００：２００７提供的１０６个爆裂测试试样的计算结果可以看出，近５０％的预测值高于实物爆裂值，这极不利于确定或改善油管、套管的安全系数的上限值，此研究成果也不是研究ＯＴＣＧ管爆裂模型的初衷，当前研究成果与实际存在着较大
差异。
Ｐｌ。。吒。（∥一孑刊１）２／（３Ｄ％ａｏｗａｌｌ）抛
ＭＰａ。
（３）
式中，Ｄ为管子外径，ｍｍ；‰。为基于氏。。ｔ内直径，
‰ｌ司一２％。；尸ｉ～为两端开口厚壁管屈服的内压，
１．３两端堵口极限抗内压屈服设计
当油井管内部开始屈服时，随着内部载荷的增加，塑性区不断从管内壁扩展到管外壁，最后整个管壁都进入塑性状态，塑性变形不再受限制而可以自由发展，这时应力达到极限状态，载荷已不可能继续增加，在极限状态下抗内压屈服公式见公式（４），该公式的详细推导过程见文献［３］ｏ
３两端堵口韧性爆裂新模型
研究表明，油井管材料的屈服强度／抗拉强度
（Ｙ／Ｔ．Ｙｉｅｌｄ
ｓｔｒｅｎｇｔｈ／Ｔｅｎｓｉｌｅ
ｓｔｒｅｎｇｔｈ）对油井管材料
的抗爆裂强度影响非常大，依据材料的屈服强度和
岛＝鲁ｈ【兰】
式中，碌为两端堵口厚壁管屈服强度，ＭＰａ。
２
㈤
拉断强度对油管、套管的爆裂强度的影响规律的研究，提出了两端堵ＶＩ油管、套管爆裂计算新模型
ＩＳｏ抗内压爆裂设计
屈服设计准则只能满足最小的设计标准，而对
珞召２札制ｍ【景第ｌ（６）
图１是公式（１）、（５）、（６）计算值与套管试样爆裂值Ｐｂ之比的统计直方图。在图ｌ中，尸ｂ表示套管试样爆裂值，尸Ｉ。ｏ表示用公式（５）计算的爆裂值，Ｐｍ表
于ＯＣＴＧ所承受的最大极限载荷，采用屈服公式是无法预测的，因此有必要给出ＯＣＴＧ的极限抗内压强度的爆裂值。对于无初始微裂纹缺陷的ＯＴＣＧ，
示用公式（６）计算的爆裂值，％５ｃ３表示ＡＰＩ值。
万方数据
石油钻采＿Ｔ－艺２０１１年９月（第３３卷）第５期
瓠铂一ｋ
。封
嘛。。
骏。
套管的极限强度值。因此，应根据油管、套管的服役工况选择设计方法，以便达到既能避免材料浪费又能保证材料的安全可靠性。
参考文献［１］ＡＰＩ
［ＳＪ［２］ＩＳＯ／ＴＲ
１０４００：２００７Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍａｎｄｎａｔｕｒａｌｇａｓｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ—Ｂｕｌｌｅｔｉｎ５Ｃ３：１９９４Ｂｕｌｌｅｔｉｎ
ｏｎ
ｆｏｒｍｕｌａｒｓａｎｄ
ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｆｏｒｃａｓｉｎｇ，ｔｕｂｉｎｇ，ｄｒｉｌｌｐｉｐｅａｎｄｌｉｎｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
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ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ
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ａ
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ｆａｉｌｕｒｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｃｏｒｒｏｄｅｄｐｉｐｅｌｉｎｅ
【ＪＪＪｏｕｒｎａｌｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５，
１２７：４３６．４４２
［１２］涂君君．张智．付建红，等高含硫油气井套管安全
系数的合理取值［Ｊ］石油钻采工艺，２００９，３ｌ（３）：
１１１－１１３
（牧稿日期２０１１—０３—２ｌ】
［编辑薛改珍］
万方数据
油管套管抗内压强度计算研究
作者：作者单位：
孙永兴， 林元华， 杨晓峰， 杨博仲， 余来红， 齐玉， SUN Yongxing， LIN Yuanhua， YANG Xiaofeng ， YANG Bozhong， YU Laihong， QI Yu
孙永兴,SUN Yongxing(川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院,四川广汉618300;西南石油大学石油管工程重点实验室,四川成都610500)， 林元华,LIN Yuanhua(西南石油大学石油管工程重点实验室,四川成都,610500) ， 杨晓峰,YANG Xiaofeng(川庆钻探工程公司科技处,四川成都,610051)， 杨博仲,余来红,齐玉,YANG Bozhong,YU Laihong,QI Yu(川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院,四川广汉,618300)石油钻采工艺
Oil Drilling & Production Technology2011,33(5)
刊名：英文刊名：年，卷(期)：
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_syzcgy201105011.aspx