【文章內容簡介】 鉆桿接箍外圓半徑，m；—套管內圓半徑，m。由圖中的幾何關系，幾何磨損面積為：A=x1x2r2x2+k+R2x2dx 式中：、分別為兩圓的交點，可根據兩圓的方程求得。則套管磨損后的剩余壁厚為：t0=t+Rrk （22）根據截面總磨損面積，求取值。即：ηHNμπDn=x1x2r2x2+k+R2x2dx （23）上式可通過迭代法求出k值，帶入原式，求得剩余壁厚t01) 內壁磨損套管環(huán)向應力分析如下圖所示，在外來壓力條件下，套管壁環(huán)向應力分布為： 圖27 外來壓力條件下套管壁環(huán)向應力分布于是我們可以得到：σ?=2p0b2a2+b2b2c22a2a+2ccos?2a2+b2c24a2b2式中，b=D2 a=bt+t’2 c=(tt39。)/22) 內壁磨損后套管剩余抗擠強度上文中我們已經提到，套管磨損一般為非均質磨損，其形式主要為月牙形磨損。磨損套管截面下圖所示，陰影重疊部分是月牙形磨損部分。由于該部位壁厚最薄，且存在較大不圓度和壁厚不均度等幾何缺陷，當均勻外擠壓力作用于套管時，將產生附件彎矩，形成應力集中區(qū)，進而出現屈服。圖28套管月牙形磨損模型上圖中，D為實際套管平均外徑，mm；d為未磨損套管內徑，mm；t為實際套管平均壁厚，mm；tm為套管不均勻磨損量，mm。套管受到磨損，會產生各種形狀的幾何缺陷，磨損套管的抗擠強度可看作是由幾何缺陷所產生的?？箶D強度最終極限狀態(tài)公式，有： （21）其中： （22） （23），限制條件。式中，Dave、Dmax、Dmin：分別為套管的平均外徑、最大外徑、最小外徑，mm；tave、tmax、tmin：分別為套管的平均壁厚、最大壁厚、最小壁厚，mm；ε：不均度，無因次；hn：應力—應變曲線形狀因子，是從擠毀測試數據獲得的經驗值。一般取0，在加工生產不好的情況下，及檢測其應力—應變曲線彈性到塑性為圓弧過渡，；φ：不圓度，無因次。對于均勻磨損套管，可直接采用套管磨損后的剩余壁厚t和徑厚比D/t利用擠毀方程式進行計算。對非均勻磨損套管，由其擠毀機理可知，壁厚不均度和內壁不圓度的增加是磨損套管抗擠強度降低的主要原因。因此，可將磨損視為套管缺陷對其抗擠強度進行計算。根據套管非均勻磨損特征，可將非均勻磨損套管簡化為一個具有內壁不圓度套管模型和包含壁厚不均度的套管模型的疊加。將磨損部位擴展為橢圓，可反映內壁不圓度對套管的抗擠性能的影響。D為實際套管平均外徑，d為未磨損套管內徑，t為實際套管平均壁厚，tm為套管不均勻磨損量，由套管外壁不圓度可以轉換到內壁不圓度，即： （24）套管磨損后，有：dmax=d+tm，dmin=d，d=D2t，代入上式，最后得到： （25）將磨損部位擴展為偏心圓，使之成為偏心圓筒，該模型反映了壁厚不均度對套管抗擠性能的影響?？傻锰坠懿痪鶆蚰p后的壁厚不均度為： （26）套管磨損后，平均外徑和平均壁厚都有變化，則有： （27）從而可得到非均勻磨損套管抗擠強度綜合影響系數Hult，然后可求得磨損后的套管抗擠強度。此推導式考慮了非均勻磨損對套管抗擠強度的影響，同時考慮了殘余應力等初始缺陷對抗擠強度的影響。為了與試驗結果對比，模型尺寸直接取自試驗套管，分別用代號CC2和C3表示，鋼級為CS110T，抗拉強度910MPa，105MPa。根據理論計算模型，得到下表中的套管磨損后抗擠強度比較。表中數據是由磨損后的套管抗擠強度計算模型與水壓試驗結果的比值，其中殘余應力取值為200MPa，兩者的相對誤差在5%以內，計算結果很接近試驗值。本算法綜合考慮了磨損和制造缺陷對套管抗擠強度的影響，可以較準確預測含磨損缺陷套管的抗擠強度。表23三種套管磨損后的抗擠強度編號平均外徑（mm）平均內徑（mm）磨損厚度（mm）屈服強度（MPa）試驗抗擠強度（MPa）本文的算法（MPa）相對誤差（%）C1880C2850C38253) 磨損對套管抗內壓強度的影響 （211）其中，dwall=D2kwallt。套管的抗內壓強度與壁厚的允許誤差因子kwall有關。套管的磨損一般大多為月牙形磨損，與磨損對套管抗擠強度的影響分析相同，考慮套管的內壁不圓度、壁厚不均度和殘余應力的影響，則可將允許誤差因子kwall與包含套管內壁不圓度、壁厚不均度和殘余應力的綜合影響系數Hult等效。根據上節(jié)中的綜合影響系數Hult計算方法，則有： （212）式中，tm：套管的磨損厚度，mm。推導的磨損后套管抗內壓強度計算模型需要試驗數據加以驗證。下表24是套管不磨損時，即，用此公式與API套管抗內壓強度的比較。其中K55等級套管的殘余應力取為100MPa，N80為150MPa，P110為200MPa。不考慮套管的磨損，所計算的套管抗內壓強度值與API值誤差很小。表24幾種套管抗磨損后的抗內壓強度套管等級外徑（mm）壁厚（mm）API（MPa）本文的算法（MPa）N80P110為了得出磨損長度和磨損深度對套管的抗內壓強度的影響，本節(jié)利用有限元軟件建立了磨損套管的三維有限元實體模型，模擬分析存在月牙形磨損缺陷時套管的應力分布情況，進而得出磨損套管的抗內壓強度與各影響因素間的量化關系。作者擬從以下兩個方面研究月牙形磨損缺陷對套管抗內壓強度的影響規(guī)律：（1）磨損長度對月牙形磨損套管抗內壓強度的影響規(guī)律；（2）磨損深度對月牙形磨損套管抗內壓強度的影響規(guī)律。數值模擬計算的套管類型為P110，屈服強度為758MPa，1011Pa，。為了得到套管在不同缺陷深度和不同缺陷長度下的抗內壓強度，缺陷深度分別取為1mm、2mm、3mm和4mm四種情況、缺陷長度取25mm、50mm、75mm、125mmm、175mm、200mm、225mm、250mm和300mm?？紤]到套管的對稱性，取整個套管的1/2作為數值模擬的計算模型，單元類型：采用軸對稱四邊形實體單元Solid95。1) 月牙形磨損缺陷長度對套管抗內壓強度的影響規(guī)律由數值模擬計算的結果（圖29）可知：在缺陷深度一定時，含月牙形磨損缺陷套管的抗內壓強度與缺陷長度呈多項式關系分布。隨著磨損缺陷長度的增加，抗內壓強度減少，最終接近一個下限值；并且當缺陷長度達到某一定值時，即磨損缺陷長度超過300mm后套管抗內壓強度的改變量將發(fā)生很小的變化。圖29 月牙形磨損缺陷長度對套管抗內壓強度的影響2) 月牙形磨損缺陷深度對套管抗內壓強度的影響規(guī)律 當套管的磨損長度一定時，隨著套管磨損深度的增加套管的抗內壓強度有較大的下降，結果如圖210所示。圖210 月牙形磨損缺陷深度對套管抗內壓強度的影響下面，圖211圖226為不同磨損程度時，套管在內壓作用下達到材料的屈服應力時的von Mises應力云圖。 圖211 磨損長度50mm磨損深度1mm 圖212 磨損長度50mm磨損深度2mm 圖213 磨損長度50mm磨損深度3mm 圖214 磨損長度50mm磨損深度4mm 圖215 磨損長度75mm磨損深度1mm 圖216 磨損長度75mm磨損深度2mm 圖217 磨損長度75mm磨損深度3mm 圖218 磨損長度75mm磨損深度4mm 圖219 磨損長度175mm磨損深度1mm 圖220 磨損長度175mm磨損深度2mm 圖221 磨損長度175mm磨損深度3mm 圖222 磨損長度175mm磨損深度4mm 圖223 磨損長度200mm磨損深度1mm 圖224 磨損長度200mm磨損深度2mm 圖225 磨損長度200mm磨損深度3mm 圖226 磨損長度200mm磨損深度4mm3套管腐蝕機理及套管腐蝕后剩余厚度剩余強度計算在高溫高壓高酸性氣田中, 油井管局部腐蝕或點蝕會產生應力集中, 降低油井管強度, 嚴重時會發(fā)展成穿孔泄漏。套管腐蝕的根源涉及套管本身，與套管接觸的活性戒指和腐蝕條件。而塔里木的很多油氣田都屬于高溫高壓高腐蝕性油氣田，地下情況復雜，容易對套管造成腐蝕。為了套管在鉆井采油作業(yè)過程中保持完整性，只有追根溯源，才能預防和及時的補救，所以對套管的腐蝕機理分析具有一定的必要性。套管本身是由含Fe原子的金屬構成的，由于Fe原子失去電子便成為Fe2+離子而與介質發(fā)生去極化反映，一般地，優(yōu)質套管不容易發(fā)生腐蝕，而劣質套管或者薄弱部分腐蝕較快。就介質而言，原油中含硫，天然氣中含CO2和H2S，地層水中含各種鹽類離子和結垢，溶解氧等，它們均以離子形式長期操作用于套管外表面，與套管中的Fe或Fe2+發(fā)生反應而腐蝕套管體。腐蝕條件包括一定的溫度，壓力，Fe2+濃度及地層水中存在還原菌等，大多與硫酸鹽還原菌的作用有關[5]。金屬和它所處的環(huán)境介質之間發(fā)生化學或電化學作用而引起金屬的變質或損壞稱為金屬的腐蝕。油氣井鉆井生產過程中的套管腐蝕機理可以歸納為以下類型：1）、化學腐蝕2）、電化學腐蝕3）、環(huán)境斷裂和應力腐蝕4）、流動誘導腐蝕和沖刷腐蝕。1) 化學腐蝕金屬的化學腐蝕是指金屬表面與非電解質直接發(fā)生的純化學反應，電子的傳遞是在金屬與氧化劑之間快速完成的，沒有產生腐蝕電流。化學腐蝕的一個例子是金屬表面腐蝕保護膜，所謂不銹鋼的本質是可生產致密、附著牢固的保護膜屏蔽層。但是大部分碳鋼和低合金鋼化學腐蝕保護膜疏松和附著力低，不能起到保護作用。自然界和工程技術中很少會有純粹的化學腐蝕，腐蝕幾乎都是電化學性質的。2) 電化學腐蝕鋼材與水、二氧化碳、硫化氫等介質接觸時，金屬在空氣中已生成的保護性氧化膜會溶解在電解質溶液中。鋼材是良導電體，當白金屬露出后，金屬作為電的良導體與溶液作為離子的良導體組成了一個回路。帶正電荷的鐵離子趨向于溶解在電解質溶液中，生成鐵鹽。電子趨向于聚集在金屬端，形成一定的電位差，使電子流向溶液。這是一個氧化反應過程，稱為陽極反應，金屬端稱為陽極區(qū)。另一方面，進入溶液中的電子與氫離子結合，生成氫分子，這是一個還原反應過程，稱為陰極反應，溶液端稱為陰極區(qū)。在有氧環(huán)境中，生成氫氧根。鐵原子以鐵離子形式進入溶液，并以Fe2O3?（H2O）x、FeSx、Fe2CO3等形式存在。腐蝕產物可能在金屬表面沉積，形成保護膜。保護膜的穩(wěn)定性決定了腐蝕是繼續(xù)還是受抑制。如圖：圖31 電化學腐蝕電化學腐蝕可以表現為均勻腐蝕和局部腐蝕兩種形式。電化學腐蝕發(fā)生在整個金屬表面，就稱為均勻腐蝕。目前的腐蝕預測軟件也主要是針對均勻電化學腐蝕開發(fā)的，均勻腐蝕較容易預測和預防，例如增加壁厚，留有腐蝕余量。外加電場的陰極防護也主要是針對均勻腐蝕的。可以看出，均勻腐蝕不屬于嚴重的腐蝕工況。因此以下將重點討論局部腐蝕。電化學腐蝕發(fā)生在局部的點或區(qū)域，稱為局部腐蝕。有兩類邊界接觸條件會引起或加速局部電化學腐蝕：（1）電位能級差較大的兩種金屬間有電解質溶液，或直接接觸并浸沒在電解質溶液中，會產生電位差腐蝕，或稱電偶腐蝕。（2）金屬內部缺陷或縫隙暴露在電解質溶液中會引起局部電化學腐蝕。上述邊界條件衍生的電化學腐蝕會引起局部腐蝕穿孔或斷裂