高温腐蚀环境下套管的结构完整性评价方法研究

高温腐蚀环境下，服役套管不可避免地会产生缺陷。含缺陷套管的结构完整性评价的相关理论研究，对套管运行的安全性与可靠性具有极为重要的意义。目前国内尚无含缺陷套管的结构完整性评定标准，尤其在高温腐蚀环境下含缺陷套管安全评定方面，尚未见到公开发表的重要成果，这方面仍是国内外研究的热点，还存在许多急需解决的重要问题。本项目以结构的塑性极限载荷为基础，以建立高温腐蚀条件下含缺陷套管的结构完整性评定方法为目标，系统地研究含缺陷套管的安全评定方法。基本内容包括：建立基于承载比概念修正的结构极限载荷计算方法、地层-水泥环-套管复杂环境下数值模型的提出、环境加载下套管失效评定图的建立与验证。根据残余强度参数和失效评定图，提出含缺陷套管的三级安全评定方法，使以往安全评定过程得到简化与统一，充分反映"温度和腐蚀"作用对套管的影响。为将来我国高温腐蚀条件下含缺陷套管的结构完整性评定标准的制定提供理论依据。

高温腐蚀环境下，含缺陷套管的安全服役是制约油气资源开采效率的关键因素之一。本项目首次对高温腐蚀环境下含缺陷套管服役期间的安全性和可靠性进行了实验研究和理论分析，建立了含缺陷套管—水泥环—地层耦合系统模型，耦合温度场和应力场，提出了高温和高注气压力联合作用下缺陷套管的塑性极限载荷数学模型，并与试验对比，验证了该数学模型预测高温高压热采井含缺陷套管塑性极限载荷的适应性。借鉴现有套管抗挤强度计算公式，根据圆筒受压应力函数，并考虑温度对套管屈服强度的影响，提出了含缺陷套管抗挤强度的计算公式，并利用数值计算结果对该计算模型进行修正，修正后的抗挤强度数学模型计算结果与实验数据吻合性较好，表明了该抗挤强度数学模型准确预测高温热采井含缺陷套管在地层挤毁压力下的抗挤强度的可靠性。为了研究均匀腐蚀下注蒸汽井套管继续服役的能力，基于有限元生死单元技术，通过构建套管、水泥环和地层系统的热-结构耦合有限元模型来模拟套管发生均匀腐蚀的过程，提出了一种高温腐蚀环境下预测套管剩余寿命的方法，最后通过与现场实验数据的对比，验证了该法在预测高温腐蚀环境下套管剩余寿命方面的工程适用性。最后，基于可靠性和随机理论，综合考虑诸多因素的不确定性，提出了高温腐蚀环境下含缺陷套管—水泥环—地层的三维概率模型，采用Monte Carlo 的Latin Hypercube 数值分析方法对耦合系统进行了大规模的模拟计算，得到了该工况下影响套管可靠性最重要的因素是缺陷深度，其次是外径和内压，通过计算，得到了套管在一定置信水平下的剩余强度范围。至此，初步建立了高温腐蚀环境下含缺陷套管的强度、寿命、可靠度安全评定方法。