酸性油气田油套管抗腐蚀开裂设计新方法

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1、学兔兔www.xuetutu.com第28卷第l期天然气与石油Vo1．28，No．12010年2月NaturalGasAndOilFeb．2010酸性油气田油套管抗腐蚀开裂设计新方法李天雷一，徐晓琴，孙永兴，曹晓燕(1．中国石油工程设计有限公司西南分公司，四川成都610017；2．中国石油天然气集团公司石油管力学和环境行为重点实验室N)q研究室，四川成都610017；3．国内贸易工程设计研究院，北京100069；4．川庆钻探工程公司钻采工艺技术研究院博士后科研工作分站，四川广汉618300)摘要：屈服设

2、计方法和断裂力学设计准则是材料设计的主要方法。NACETM0177—2005方法D已给出了材料的环境断裂韧性试验方法，ISO11960也给出了材料允许的最小环境断裂韧性值，但在油气田的选材上尚未采用断裂力学的设计方法。对油、套管断裂韧性试验方法进行了详细介绍，计算出含不同深度裂纹的相同几何尺寸的C110和T95两种套管的应力强度因子，分析了油、套管环境开裂机理，在满足屈服准则条件下，油套管强度也要满足断裂力学设计方法，为油套管用户在选材上提出了新的参考依据。关键词：设计方法；断裂力学；断裂韧性；油套管文

3、章编号：10066539(2010)01-00143文献标识码：A梁(DCB)试验方法¨，是用于测量金属材料抗裂纹0前言扩展能力，用临界应力强度系数。来表示，即为环境断裂韧性值，用于硫化物应力开裂的断裂力随着高含硫化氢油气田的开发，油套管的工作学指标，是一种开裂一停止型的断裂力学试验。其环境也趋于恶劣和复杂，尤其是高温高压的油气井试验原理是将受楔形块加载的试样暴露于规定的试中，高强度的油套管开始在工程中得到应用，高强度验溶液中，在规定的试验时间以后取出试样，根据试油套管在高含硫、高温、高压环境中断裂的问

4、题日趋样所产生裂纹的长度和裂纹止裂时楔子载荷求得突出。K，得出不同材料抗硫化物开裂的敏感性，确定材目前国内的油套管设计中一般都是采用屈服设料是否符合抗硫标准，试样示意图如图1所示¨。计准则，而断裂力学的设计方法尚未应用。采用的0．37'l叶uu-B_1r_屈服设计准则只能满足强度设计要求，不能够对油AtJO套管是否发生环境断裂进行定量的准确判断和分O_析。本文对不同油套管断裂韧性试验方法进行了详．_4截面B．B细介绍，计算出含裂纹油井管的应力强度因子，分析0．25应力状态对油套管环境开裂机理，进而提出油

5、套管在高含硫化氢环境下断裂力学设计方法。截面A．A图1DCB试样示意图1环境断裂韧性的试验测试方法NACETM0177—2005标准方法D法即双悬臂NACE双悬臂梁(DCB)试验涉及到材料的环境收稿日期：2009-06—30作者简介：李天雷(1980一)，男，河南周口人，程师，硕士，主要从事材料与腐蚀防护工作。电话：(028)86014357。学兔兔www.xuetutu.com第28卷第1期李天雷，等：酸性油气田油套管抗腐蚀开裂设计新方法15断裂力学评价。在一般强度设计中，假设外载应力成核、扩展、刺漏

6、及断裂的控制是确保钻油套管运行达到材料屈服强度时，构件就会失效。当构件中存安全的重要措施。因此，对带裂纹油井管的承载能在裂纹时，其强度判据就转变成了材料抗裂纹扩展力做出预测，分析并求出含裂纹油套管的应力强度的能力和裂纹尖端某种力学参量之间的关系。因子具有重要的工程价值。在腐蚀介质中，即使外载应力比不发生SSC环根据ISO10400《石油天然气工业一套管、油境中的K小很多，裂纹尖端仍存在使裂纹扩展的某管、钻杆和管线管性能公式及计算》标准J，当管子种驱动力，使裂纹失稳并断裂。如果外载应力低于存在不可避免的裂

7、纹时，应采用韧性断裂公式和裂某一值，材料在腐蚀介质中工作足够长的时间，裂纹纹失稳断裂公式计算抗内压强度。其中规定含硫油虽有扩展，但不会失稳，对应于此状态的应力强度因气井中的套管、油管只允许小于5％规定壁厚的裂子称为某腐蚀介质环境的临界应力强度因子。某腐纹存在，普通钢级油套管可允许小于12．5％规定壁蚀介质环境的临界断裂韧性，记为K。如果是厚的裂纹存在。HS环境，记为K。本文的计算根据油气田通常采用的7套管为随着断裂力学的发展，材料的断裂韧性K广泛例，壁厚12．65mm。设有一内壁纵向裂纹，深度为直用在结

8、构设计和防断选材上。目前在输送管长输壁厚的5％递增至壁厚的20％，得到在内压55MPa管道方面，已经采用了断裂力学方法评选材料，下不同裂纹深度下的应力强度因子。应力强度因子研究断裂力学意义上的材料开裂和止裂。目前，工的计算方法采用文献推荐方法进行计算。其计程应用上多采用应力强度因子来测定裂纹扩展速率算公式如图2所示。和估算油井管剩余寿命，比传统使用强度极限or作为设计准则要准确的多。但是，这些材料性能评价主要还停留在无腐蚀的环境中，即只考虑