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注水管柱失效分析
隨著油田開發(fā)逐步進入高含水開發(fā)階段,油田開采壓力不斷增加,表明開采管道柱的有效使用壽命縮短。注水管柱因注水井井況和注水水質(zhì)因素而發(fā)生腐蝕、結垢等現(xiàn)象。因此,為了研究油田在役深井高壓注水管柱的使用情況,本文對6種在役油管及2種新油管進行了試驗研究及可靠性分析,期望為管柱的設計研究及深井高壓注水的順利進行提供依據(jù)。1耐壓試驗1.1示例所收集進行試驗的油管樣品規(guī)格及服役情況如表1。1.2試驗裝置和試驗裝置對于提供的8種規(guī)格的油管樣品各截取3個試樣,利用抗內(nèi)壓試驗臺進行耐壓試驗,試驗裝置簡圖如圖1所示。試樣準備完畢后,首先進行試樣的常規(guī)力學性能測試和油管壁厚的測量,然后通過高壓接頭向油管內(nèi)注水,啟動柱塞泵,憋壓至最高壓力100MPa,查看在憋壓過程中油管的破裂情況,最后對失效樣品進行分析研究。1.3再生油管及鎳磷鍍油管破裂試驗對試驗結果進行整理得到8種油管樣品的屈服壓力和最終耐壓如表2。由表2提供的數(shù)據(jù),對所試驗的8種油管進行分析如下:a)1號氮化油管及4號環(huán)氧樹脂油管雖經(jīng)過4a和3a的服役期,但耐壓性能仍很好,耐壓均達到100MPa時未發(fā)生破裂。b)5號和6號試樣為2種新油管(氮化和未處理),其耐壓性能很好,當內(nèi)壓達到80MPa以上后油管才開始出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,當達到最高試驗壓力100MPa時,油管未出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。c)2號再生油管和3號鎳磷鍍油管為2種舊油管,與新油管相比,其達到屈服時的內(nèi)壓力值有所降低,但這2種試樣未承受到100MPa的內(nèi)壓都出現(xiàn)了破裂現(xiàn)象,其中,2號平均破裂內(nèi)壓力為91MPa,3號為80MPa。如圖2。d)7號和8號同為經(jīng)過氮化處理的舊油管試樣,經(jīng)試驗性能差距較大,雖7號只服役了1a,但管子端部破裂時,最大內(nèi)壓力僅為51MPa,而8號服役2a,當內(nèi)壓達到100MPa時也未破裂,其耐壓能力與2號和3號試樣相當。這種差距與油管的工作介質(zhì)有很大關系,事實上7號油管腐蝕比較大。2管柱應力計算公式將8種油管均截成3段樣品(每段長1500mm)后,采用超聲波測厚儀分別測量試樣左端、中間及右端壁厚,取其平均值,計算出各試樣的腐蝕量,如表3。由表3可知,油管的腐蝕主要與油管服役環(huán)境有很大關系,其中7號舊氮化油管腐蝕量最大,為1.60mm,1號為0.07mm,2號為0.60mm,3號和4號同為0.10mm。由于油管壁厚的不均勻性并根據(jù)API5CT2002年第7版油管壁厚允許的偏差值,1、3、4號油管壁厚與標準值偏差都在API允許的范圍內(nèi),因此無法判斷其腐蝕情況;對于部分試樣壁厚大于標準壁厚(5.5mm),如5號新氮化油管(5.57mm)及8號舊油管(氮化5.6mm),也無法判斷。因?73mm×5.5mm油管不屬于薄壁圓筒問題,故其管柱應力的計算應采用彈性力學的拉密解答。管柱應力計算公式為σ0=p0A1A2=p0d2D2-d2σ0=p0A1A2=p0d2D2?d2σw=4ρ1gL-yπ(D2-d2)σw=4ρ1gL?yπ(D2?d2)距井口為y截面處的軸向靜應力為σ=σ0+σw=p0d2D2-d2+4ρ1gL-yπ(D2-d2)σ=σ0+σw=p0d2D2?d2+4ρ1gL?yπ(D2?d2)式中,σ0為井口壓力引起的軸向壓力,MPa;σw為注水管柱自重引起的軸向靜應力,MPa;p0為井口壓力,MPa;D為管柱外徑,m;d為管柱內(nèi)徑,m;A1為注水管柱內(nèi)腔截面積,m2?A1=π4d2;A2為注水管壁截面積,A2=π4(D2-d2);ρ1為管柱材料線密度,kg/m3。可以得出,當管壁t減薄時,D2-d2減小,則管壁內(nèi)承受的張應力σ增加。因此當壁厚減薄至一定程度時,管壁內(nèi)張應力必將超過管材的強度,使得管材失效。管外壁的氧化、管內(nèi)壁注水的流動沖刷作用、管內(nèi)物質(zhì)的腐蝕以及氧化性物質(zhì)的氧化作用也會造成管壁的減薄。3油管剩余壽命計算采用彈性力學的拉密解答計算?73mm×5.5mm油管管柱應力,并根據(jù)材料力學第一強度理論來估算油管的殘余壽命。根據(jù)拉密解答建立距井口為y的截面處軸向靜應力為σ=p0d2D2-d2+4ρ1gL-yπ(D2-d2)第一強度理論所建立的強度條件為σ≤σsn對于注水井井口壓力為13MPa,?73mm×5.5mm的油管下入井中深度為2000m時σ=p0d2D2-d2+4ρ1gL-yπ(D2-d2)≥σsn=3791.3=291.5ΜΡa即當下入油管柱出現(xiàn)應力大于291.5MPa時,管材將失效。因此,對于外徑為?73mm在井口位置的油管,其應力為最大值,欲保證管柱安全下入2000m深度,該值應小于291.5MPa,即σ=13×d2D2-d2+4×9.533×9.8×2000π×(D2-d2)≤291.5MPa解得t=3.75mm,考慮到鋼材厚度的負偏差和腐蝕減薄,厚度t圓整為4mm。即在注水井井口壓力為13MPa時,若保證注水管柱安全下入2000m,管柱壁厚必須保證大于4mm。根據(jù)測得的試樣壁厚數(shù)值,7號舊氮化油管的厚度小于安全厚度4mm,因此7號試樣報廢,不能再使用,其他5種舊油管仍可用。通過宏觀分析,幾種試樣均屬于均勻減薄,因此可依照油管試樣服役期及平均腐蝕量估算油管剩余壽命。經(jīng)過計算,在正常的工作條件下,1號氮化油管的剩余壽命最長,為18.1a;2號再生油管剩余壽命最短,為0.33a;3號鍍鎳磷油管及4號環(huán)氧樹脂油管剩余壽命為9.3a。4自身壽命評估1)對現(xiàn)有的6種舊油管及2種新油管進行了抗內(nèi)壓試驗及腐蝕測定,試驗結果表明,不同材料油管的性能差別較大,
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