腐蚀-冲蚀耦合作用下套管柱可靠性研究

The methods for casing string strength design are mainly rated load method and triaxial stress method at present. These methods usually use safety factor to cope with complex conditions, without taking dynamics changing factors during production, so it is impossible to avoid the casing string failure. A method for establishing string reliability is proposed according to the fact that the deformation of oil casing is gradually formed with production operation based on casing failure type and locatiion. The time-dependent risk factors of erosion and sand production are studied and a theory model for determining the reliability of every time-dependent risk factor by theoretical analysis and numerical calculation is established. The distrubution of corrosion-erosion parameters and speed formular are determined by physical simulation experiment. The corrosion-erosion model is developed by fluid dynamics, fluid-solid couping and reliability theory. The casing string is divided into several system units by the model and dangerous units are selected and evaluated by the reliability method to ensure the safety and reliabiltiy within the casing's life cycle.

目前套管柱设计方法主要有额定载荷组合的强度设计方法和三轴应力强度设计方法，这类方法采用不同安全系数来处理复杂状况，没有考虑生产过程中动态变化因素的影响，也就无法从根本上避免套管柱系统失效事故的发生。通过对套管柱失效类型和失效部位特点的调研分析，根据套管大多是在生产过程中逐渐破坏这一显著特点，提出建立套管柱系统可靠性方法。以具有时间依赖性危险因素（腐蚀、出砂）为主要研究对象，通过理论分析、数值模拟，确定各个危险因素与时间相关性可靠性理论模型。结合物理模拟实验，确定腐蚀-出砂冲蚀参数概率分布和速率模型，采用流体动力学、流固耦合和可靠性方法建立腐蚀-出砂冲蚀可靠性模型；以可靠性模型为依据，将套管柱系统划分为多个系统单元，建立套管柱系统可靠性体系，对危险单元进行定量评估，确保油气井套管柱在整个生命周期的安全性与可靠性。

本课题针对CO2腐蚀和出砂冲蚀引起的套管失效问题以及腐蚀、冲蚀时间变化因素影响下的套管可靠性问题，深入研究了CO2腐蚀和出砂冲蚀对套管寿命的影响机理。首先综合考虑CO2分压、温度、氯离子含量、含水量、pH值、流速影响因素，建立了基于De.Warrd腐蚀模型的合金钢材CO2腐蚀速率预测模型，然后通过进行考虑冲蚀流速、砂粒浓度，砂粒粒径因素的冲蚀实验，建立了包含冲蚀砂粒粒径、砂粒浓度、冲蚀流速及冲蚀时间的套管冲蚀质量损失预测模型，弥补当前套管冲蚀作用下质量损失预测模型的不足；最终形成了综合考虑腐蚀、冲蚀共同作用下的全井筒套管剩余壁厚及可靠性安全系数计算方法，实现全井筒套管服役寿命预测。并在该理论基础上，研发了“管柱系统可靠性评估软件”，实现理论的可视化与工程应用。本研究为探讨腐蚀、冲蚀作用下的套管失效机制奠定了一定的工作基础，同时对于认识腐蚀、冲蚀对套管寿命的影响关系提供了启示性线索，也为腐蚀、冲蚀作用下井筒完整性研究提供了理论公式和评价方法。项目资助发表中文核心论文6篇，其中EI检索论文1篇。授权发明专利2项，实用新型专利1项，授权软件著作权1项。培养硕士研究生5名，博士研究生2名，获得2014年湖北省优秀博士学位论文1篇。