复杂井况下套管的可靠性分析与数值模拟

复杂井况下套管的可靠性分析与数值模拟
[高进伟1 闫相祯1,2 杨秀娟2]
[1 中国石油大学（华东）研究生院，257061；2 中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，
257061]
[ 摘 要 ] 鉴于油气井套管的安全可靠性问题，通过对套管、水泥环及地层岩石的几何尺寸和力学性能以及套管载荷的随机性分析，提出了以概率论为基础的套管可靠性分析这一概念。运用ANSYS软件平台建立了“套管－水泥环－岩石”三层结构的三维有限元模型，并结合基于Monte-Carlo的Latin Hypercube 随机模拟方法构建了套管的可靠性计算模型。分析了各种影响因素的随机性对套管可靠性的影响规律，并对实际工程中的套管进行了可靠性计算。研究结果表明，各种因素的随机性均能够降低套管的可靠性，但影响情况存在较大差异。对于明显降低套管可靠性
的影响因素，需要严格控制其随机性。
[ 关键词 ] 套管； 可靠性； 数值模拟； 蒙特卡罗法

Reliability Analysis and Numerical Simulation of Casing in
Complicated Wells
[GAO Jin-wei1 YAN Xiang-zhen1,2 YANG Xiu-juan2]
[1 Graduate School, China University of Petroleum, 257061; 2 College of Transport & Storage
and Civil Engineering, China University of Petroleum, 257061]
[ Abstract ] Aiming at the problem of safety and reliability of casing in oil wells and gas wells, the randomness of geometric dimensions and mechanical properties of casing, cement ring and rock were discussed. The reliability analysis of casing based on probability theory is defined.
The three-dimensional finite element model of three-layer structure of casing, cement ring and rock was founded utilizing ANSYS. The reliability model of casing was established by means of Latin Hypercube stochastic simulation method based on Monte-Carlo method. The
influences of the randomness of every factor on casing reliability were analyzed. And the casing reliability in factual engineering was worked out. The results of research indicate that,the randomness of every factor can reduce the casing reliability, but the influences are
various. The randomness of the factors that reduce markedly the casing reliability must be controlled strictly.
[ Keyword ] casing; reliability; Monte-Carlo method; numerical simulation

1 前言
由于套管在油气井中的重要作用，随着井下工况的愈加复杂，越来越严重的套管损坏已经成为制约我国东西部油田，乃至世界各油田持续稳定发展的一大重要因素。如何有效分析套管损坏的多种复杂因素，为套管的安全可靠性提供科学的设计计算依据，进而为稳定油气田开发提供有效保障已经成为石油科技工作者的一项艰巨任务。目前，套管强度设计主要采用以安全系数为代表的传统设计方法，这些计算方法多以各种参量的名义值作为计算数据，以安全系数作为判断其可靠性的主要依据。事实上，套管柱在井下的受力情况异常复杂，不确定因素较多。如主要通过试验手段获得的套管属性参数（如几何尺寸、力学性能等）、套管承受的各种载荷（如各种内外压力、轴向力、地震载荷等）在很大程度上是一个随机值，服从一定的分布规律。因此，以安全系数法为代表的传统套管强度计算方法已无法准确地计算复杂井况下套管的应力状态，更无法掌握各种因素的随机性对套管安全性的影响程度，从而科学地分析复杂井况下套管的安全可靠性。
这就在根源上为套管的大量损坏埋下了重大隐患。针对复杂井况下套管载荷和自身属性参数的复杂性和随机性，笔者提出了复杂井况下套管的可靠性分析这一概念，旨在通过比较完善的结构可靠性理论，借助于ANSYS 平台的三维有限元结构分析和随机有限元模拟技术，建立复杂井况下“套管-水泥环-地层岩石”三层结构的载荷-应力-强度的可靠性模型，进行套管的可靠性分析，确定各种随机参量对套管可靠度的影响程度，为深入开展复杂井况下套管的安全与可靠性研究奠定基础。