油气井管柱完整性技术研究进展与展望

作者:冯耀荣 韩礼红 张福祥 白真权 刘文红 来源:安全管理网 点击:  评论: 更新日期:2016年09月06日

     

摘 要:在回顾油气井管柱完整性概念的提出与发展历程的基础上,介绍了我国在钻柱构件适用性评价“三超”(超深、超高温、超高压)气井油套管柱可靠性设计与完整性评价、“三超”气井油管腐蚀行为与评价、热采井基于应变设计与选材评价技术等方面的最新研究进展及其应用情况。指出现有油气井管材与管柱技术仍不能满足“三超”、严重腐蚀、非常规、特殊工艺和峙殊结构井等服役环境,进而提出了进一步加强油气井管柱完整性技术研究与科技攻关的建议:①持续完善和发展中国西部深层油气勘探开发套管柱优化设计与管材选用及完整性评价技术;②急需建立有针对性的非常规页岩气开发套管柱优化设计、选材及完整性评价技术;⑧建立“三超”高含CO2气井环境及压裂酸化工况复杂油管优化设计、选材选型、完整性评价技术;④深入研究含缺陷油气井管柱缺陷检测、安全评价、风险评估、寿命预测、维修补强等关键技术;⑤建立油气井管柱完整性管理体系和配套的支撑技术体系。
关键词:油井管  油气井管柱  完整性技术  可靠性设计  腐蚀行为  应变设计  安全评价  中国
Research progress and prospect of oil and gas well tubing string integrity technology
Abstraet:This paper first reviewed the raising and development of oil&gas well tubular string inte grity,and then introduced the new achleVements in China in the fitness for-service assessment of drill string components,the reliability-based design and the anticorrosion behavlor and Integrlty assessment of casing and tubing strings for uhra-deep/high temperature/high Pressure gas wells.the strain based design and casing materials selection of thermal wells.On this basis,the following proposals for strengthening the integrity technology research of oil&gas well tubing strings were put forward based on the analysis of the new technical demands of and chalIenges to petroleum tubing engineering for those wells with ultra-deep/high temperature/high pressureor high risks of corrosion ,unconventional wells,or the wells with other special technological and structure requirements:(1)to continuousiv improve the casing string optimal deslgn and complete the optimal selection and integrity assessment technologies for the ultra-deep oil&gas wells in West China;(2)to speed up the founding of the above-said technologies for shalc(unconventional)gas development wells and especially for those ultra-deep/high temperature/high-pressure wells with high CO2 content,or the wells requiring complex acidizing and iractunng treatments;(3)to intensively investigate the core technologies in defect inspection,safety assessment,risk analysis,service life predlction,maintenance and repairing for oil& gas well tubing strings;and(4)to establish an integrity management system and corresponding supporting technical systems for oil and gas well tubing strings.
Keywords:Oil Country Tubular Goods,oil&gas well tubular string,integrity technology,reliability based design,corrosion behavior,strain-based design.safety assessment
1 油气井管柱完整性的提出与发展
20世纪70年代末到80年代初,随着断裂力学的发展,国际上提出结构完整性的概念,形成了基于断裂力学和结构极限承载能力的含缺陷结构能否继续使用的定量工程评价方法,随后形成了相应的标准并不断发展和完善,并在核工业、炼化管道和压力容器、大型焊接结构、油气输送管道等工业领域得到成功应用[1-14]。80年代初,国内相关单位在开展大量研究工作的基础上,形成了含缺陷压力容器的安全评价方法标准,随后不断发展完善至90年代中期形成了新的标准,并在压力容器、管道和焊接结构等领域得到应用[15-17]
从20世纪80年代末90年代初开始,国际上提出了基于油气井管柱的风险评价和可靠性技术的管柱设计和安全系数确定方法[18-22]。随后,美国石油学会和国际标准化组织发布了针对新生产的油套管性能计算方法及螺纹连接强度和密封性的实物实验评价标准[23-14]。90年代初,李鹤林院士主持引进国际上油套管螺纹连接和密封性评价的实物实验装备,建立了国内第一个油套管实物性能评价实验室,提出并开展了油套管结构完整性和密封完整性的试验评价和研究[25]。“九五”期间,石油管工程技术研究院张平生教授主持开展了含缺陷钻杆的适用性评价方法研究,形成了钻杆安全可靠性评价技术[26]。近年来,石油管工程重点实验室在中国石油天然气集团公司科技管理部的支持下,持续开展了油气井管柱完整性技术研究,取得了多项重要研究成果[27]
2010年以来,笔者在相关的国际会议和学术技术研讨会上先后作了“油井管柱的完整性与完整性管理”、“石油管失效分析预测预防与完整性管理”“三超”(超深、超高温、超高压)气井油套管柱的完整性”“对塔里木‘三超’气井管柱完整性的认识与建议”等报告或发表相关文章[28-32]。2013年以来,李鹤林院士以“油套管柱的失效控制与完整性管理技术”为题在院内外作了多次学术报告。
近20年来,石油天然气井深平均增加了一倍以上,井内温度、压力相应提高;一些地质和环境条件十分苛刻的油气田,包括严酷腐蚀环境油气出相继投入开发;钻井提速、钻井和完井新技术、新工艺陆续投入使用。油气井管材及管柱的失效模式发生了重要变化,失效事故频发对油气田生产和安全造成严重影响,而失效事故频发的根本原因是对油气井管材及管柱系统的完整性和可靠性缺乏系统全面的考虑和管理,其中的某一个或多个环节成为薄弱环节。所以提出要进一步发展油气井管材及管柱完整性技术和实行完整性管理,从而大大降低油气井管材及管柱失效发生率,获得巨大的经济效益和社会效益。完整性技;忙和完整性管理是预防油气井管材及管柱失效、确保长期安全服役的重要措施。
油气井管材及管柱的完整性管理指对所有影响油气井管材及管柱完整性的因素进行综合的、一体化的管理。完整性是一种综合技术、经济和管理的理念,它贯穿于油气井管材及管柱整个寿命周期的全过程。油气井管材及管柱完整性的本质和核心是油气井管材及管柱全寿命周期的安全可靠性和经济性。油气井管材及管柱完整性与管柱设计、管材制造、质量评价与控制、现场使用、维护、检修和管理等过程密切相关。油气井管材及管柱完整性的主要内容包括:特定工况条件分析(力学条件、环境条件等),数据采集、汇总及分析,风险因素识别、分类、失效分析、风险评估,管柱设计、管材选用、适用性评价,目标可靠度确芙三及可靠性设计、寿命预测,完整性评价(适用性评价、安全可靠性评估、寿命预测),完整性评价结果的决策、响应及反馈(修改设计、重新选材、强化管材制造质量控制、加强现场使用/维护/检修等过程管理)、风险控制(失效控制),完整性管理体系、标准及作业文件。而基于可靠性的管柱设计、基于应变的管柱(管线)设计、适用性评价、安全可靠性评价技术是油气井管材及管柱完整性技术发展的重要方向。
2 油气井管柱完整性的主要研究进展
2.1 钻杆适用性评价方法研究与应用
“九五”期间,中国石油天然气集团公司石油管工程技术研究院(以下简称管研院)与相关单位合作,研究建立了钻杆安全可靠性评价技术及软件(图1),随后义上升为行业标准,在石油钻杆失效分析和安全评价中得到应用[26,33]。主要功能包括:损伤钻杆的安全性评价(FAD评价与极限缺陷尺寸曲线);韦与杆疲劳寿命预测;钻杆安全可靠性及风险性评价;钻杆的操作极限(包括API RP 7G的内容);钻杆断裂事故原因的定量分析。主要技术创新成果包括:
1)研究解决了钻杆裂纹型缺陷失效评价图关键技术,包括韧性比(Kr)和载荷比(Lr)的计算方法;采用有限元方法对钻杆进行了系统的应力计算分析,并求得钻杆裂纹型缺陷的应力强度因子解。
2)采用强度和韧性双判据进行钻杆疲劳寿命预测;以可靠性理论为基础,系统解决了FAD中处理不确定性问题的4种方法:①敏感性分析。完成了7参数(一次应力、屈服强度、断裂韧性、裂纹深度、裂纹长度、外径、壁厚)敏感性分析。②安全系数(裕度)。完成了4参数(载荷、韧性、裂纹深度、裂纹长度)安全裕度计算。③分安全系数(PSF):将3种风险等级的应力、缺陷尺度、断裂韧性的分安全系数引入评价软件。④失效概率的MONTE-CARLO模拟。完成了5参数(一次应力、屈服强度、断裂韧性、裂纹深度、裂纹长度)快速Monte Cario模拟。
3)在国内外首次将含有缺陷结构的适用性评价技术及《钻柱设计和操作极限》(API RP 7G)联合用于钻杆评价;自主开发了功能齐全、使用方便的钻杆适用性评价软件。
软件主要功能包括:计算钻杆操作极限;损伤钻杆的FAD评价;钻杆疲劳寿命预测;定量失效分析;安全可靠性及风险评价。软件内置有关钻杆材料性能数据;提供功能强大的钻井力学计算工具。
“十五”以来,在前期关于钻柱构件安全韧性判据研究的基础上,针对API高钢级钻杆和酸性环境用钻杆,系统研究建立了钻杆安全使用的韧性判据和指标[34-35;同时,基于累积损伤理论建立了钻铤螺纹疲劳寿命计算模型和方法,以及含裂纹钻铤安全可靠性评价与寿命预测方法[35]
2.2  “三超”气井套管柱可靠性设计与完整性评价技术
在中国石油集团公司“十二五”应用基础研究项日“油井管柱完整性技术研究”的支持下,管研院联合中国石油大学(华东),并与加拿大C-FER公司、塔里木油田、新疆油田合作,研究提出了“三超”气井套管失效概率和可靠性计算方法[27],基于响应面的随机有限元方法建立了基于可靠性的“三超”气井特殊螺纹接头密封极限状态模型,提出了基于可靠性的油套管柱密封极限状态设计与计算程序。制定了“油气井管柱完整性管理”石油天然气行业标准见图2。开发了“油套管柱可靠性设计与完整性评价系统”软件。主要技术创新成果包括:
 
2.2.1确立了“三超”气井套管柱失效模式与失效概率计算方法
“三超”气井套管失效的主要模式分为管体破裂、横向断裂、挤毁、螺纹泄漏、滑脱、螺纹断裂、接箍纵裂、管柱失稳等8种。套管各失效模式对应的失效概率为:
 
式中pf泛指套管各种失效形式的失效概率;p(·)为事件概率;Z泛指套管各种失效形式所对应的状态值,Z>0说明套管没有发生对应形式的失效,Z<0说明套管发生对应形式的失效,Z=0时即为套管不发生对应形式失效的极限状态。L泛指套管载荷;RS泛指套管强度;f(·)、g(·)分别为套管载荷和套管强度的概率密度函数。
2.2.2采用故障树分析方法,构建了“三超”气井套管柱失效故障树,形成了套管柱系统可靠性设计基本流程
系统研究了套管材料强度特性、载荷特性、设计安全系数对套管柱可靠性的影响规律。结果表明,在套管强度随机分布参数确定的情况下,套管的可靠性主要取决于套管载荷的随机性。当载荷变差系数较小时,在较小范围内提高安全系数,可以使套管具有很高的可靠度,当载荷变差系数较大时,必须较大幅度提高套管的安全系数,可使套管具有更高的可靠度。研究发现,套管的抗内压可靠度、抗拉可靠度与安全系数之间具有相同的规律。
2.2.3初步建立了基于可靠性的油气井管柱强度和密封性计算模型、计算方法和判据,形成了“三超”气井油套管柱结构强度和密封性评价方法
初步建立了强度失效准则:用危险部位的等效塑性应变来评估接头的结构承载能力,推荐10%的塑性应变值作为评估阈值。
初步建立了特殊螺纹接头密封失效准则:特殊螺纹接头密封性用密封接触强度fs来表示,由密封接触应力sc在有效密封宽度x上积分来定义:fc=òscdx。
接头密封性能所需的密封接触强度最小值为250N/mm。
2.2.4采用基于响应面方法的随机有限元方法,建立了“三超”气井套管密封可靠性设计的极限状态方程和计算程序
2.2.5初步建立了油气井管柱完整性管理流程,形成石油天然气行业标准《油气井管柱完整性管理》,为解决目标区块高温高压气井井筒完整性问题提供了参考
2.2.6开发形成《套管柱可靠性设计与完整性评价系统》工程应用软件,可应用于“三超”气井套管柱的可靠性分析评价
2.3  “三超”气井管柱腐蚀行为及完整性评价技术
系统研究获得了“三超”气井油管腐蚀失效特征及影响因素,揭示了超级13Cr油管的耐蚀性随温度、CO2分压、Cl-浓度和流速以及酸化环境、完井液、加载应力的变化规律、腐蚀行为和特征,形成了一套基于井筒全寿命周期的腐蚀完整性选材评价技术[27],并联合开发了用于模拟油套管井下服役工况的实物拉伸应力腐蚀试验系统,为塔里木“三超”气田油管选材提供决策依据。
2.3.1研究揭示了温度、CO2分压、流速和Cl-浓度等主要腐蚀因素对超级13Cr油管材料的影响规律
图3反映出腐蚀速率随温度增加而增大,在CO2分压3MPa、Cl-浓度为50mg/L时腐蚀速率最大,当流速达到某一临界值时,腐蚀速率不受流速影响。
 
2.3.2碳钢、13Cr、15Cr油套管材料在“三超”气井中均会产生腐蚀问题
鲜酸酸化是造成油套管腐蚀的主要因素,超级13Cr油套管基本可以满足库车山前工况要求,不同生产厂家的超级l3Cr其耐蚀性存在较大的差异性。①油套管在170℃的超高温工况下发生了不同程度的局部腐蚀,可见微观点蚀坑。②超级13Cr管材的力学性能和耐蚀性能满足库车山前地区的“三超”气井工况,但经过酸化压裂后油管出现腐蚀失效。③超级13Cr油管材质的耐蚀性基本能够满足酸化压裂和生产要求。其腐蚀(点蚀)主要发生在鲜酸酸化阶段,单独残酸返排过程和地层水生产工况对超级13Cr腐蚀较轻。④超级13Cr油管在鲜酸腐蚀的基础上,鲜酸腐蚀与残酸返排过程和生产工况之间存在协同腐蚀效应(全程酸化过程中油管总体腐蚀远大于独立鲜酸酸化过程和残酸返排过程腐蚀之和)。⑤不同厂家超级13Cr管材在同样的腐蚀环境中腐蚀速率差别较大,因此需根据订货技术条件进行严格产品质量检验,并进行实验室和现场适应性评价。
2.3.3研究揭示了“三超”气井油管管体和接箍在有机盐环空保护液中的外壁发生沿晶应力腐蚀开裂的机理
2.3.4研究建立了基于气井全寿命周期的油管选材与评价方法
包含酸化压裂、完井生产2个作业过程,鲜酸酸化、残酸返排、凝析水、地层水、完井液5个工况环境+恒定载荷、交变载荷、管柱震颤3个力学因素,断裂、腐蚀、泄漏3种主要失效模式。
2.3.5联合研发了可模拟油套管井下服役工况的实物拉伸应力腐蚀试验系统,形成了相应的实验方法
该装置研究了酸化压裂过程中酸液腐蚀因素和内压+拉伸力学因素协同作用造成的实物油管发生点蚀应力腐蚀失效。
可用于模拟油气田井下高温、高压、高流速及腐蚀和受力环境以及井下酸化作业环境石油专用管管材的耐蚀性能评价、油套管密封结构的可靠性检测和评估、材料的耐蚀性及密封可靠性的影响因素及其作用规律研究。

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