[发明专利]测定承受非均匀外部负载的管道中的应力

说明书

相关申请的交叉引用

不适用。

关于联邦政府赞助研究的声明

不适用。

发明领域

本公开一般涉及用于测定承受非均匀外部负载的管道中的应力的系统和方法。更具体地说，本公开涉及测定承受非均匀外部负载的管道中的应力以测试管道设计的结构完整性。

背景技术

位于地下地层中的自然资源诸如石油或天然气可通过钻井进入地层来回收。通常使用被称为固井的技术来将地下地层与其他地层隔离。具体地，通常将井筒向下钻入地下地层，同时使钻井液通过井筒循环。在钻孔终止之后，管道的管柱(例如，套管柱)在井筒中行进。然后，通常执行初次固井，由此通过套管柱将水泥浆向下泵送并且进入套管柱与井筒壁或另一个套管柱之间的环空，以允许水泥浆形成不可渗透的水泥柱并且从而填充部分环空。在完井液(诸如隔离液和水泥)被截留在适当地方之后，通常在固井操作临近结束时对环空进行密封以便将环空内的这些流体与环空外部的区域隔离。常规地，通过关闭阀、为密封件增能等来密封环空。

除了放置在套管上的均匀外部负载，由于例如来自盐和水平井中超重负载的压力负载，套管上也会放置非均匀的外部负载。超重压力和侧地层压力致使盐流动，从而关闭套管外部的井筒。因为侧地层压力可能不相等，或者因为井筒不是完全圆形的，所以一般来说来自盐的负载将不均匀。在水平井中，超重负载可导致井筒垂直变形，从而接触套管并且产生压力负载。

当套管承受非均匀外部负载时，已使用常规的熟知的有限元分析技术来测试套管设计的结构完整性，然而，此类技术是复杂的、耗时的，并且可能不适用于一般的套管设计方案。当套管承受非均匀外部负载时，其他不太流行的技术使用用于壳体的平衡方程来测试套管设计的结构完整性。负载是不连续的并且等于在角度θ＜θ₁的范围内的正负载，其中已根据实验数据确定θ₁为π/20或约9°。使用虚功原理和保守假设获得解，所述保守假设是壳体的半径等于外部半径而非平均半径。可以从所述解获得弯曲应力、环向应力以及剪切应力，这是因为弯曲力矩、周向力以及剪切力是根据平衡方程确定的。因为在此技术中不考虑径向负载，所以所述解仅仅是近似值。此外，因为此技术假设了薄壁半径，所以这对于测试大多数套管设计的结构完整性来说通常是不可接受的。

附图简述

以下参照附图描述了本公开，在附图中使用相同的参考数字表示相同的元件，并且在附图中：

图1是示出用于实现本公开的方法的一个实施方案的流程图。

图2是示出由盐负载导致的套管区段上的非均匀外部负载的示意性显示。

图3是示出图2中套管区段上的非均匀外部负载的示意性显示，所述非均匀外部负载被分解成表示均匀压力分布和非均匀压力分布的两个额外的示意性显示。

图4是示出用于实现本公开的计算机系统的一个实施方案的框图。

具体实施方式

本公开通过提供用于测定承受非均匀外部负载的管道中的应力以测试套管设计的结构完整性的系统和方法来克服现有技术中的一个或多个缺点。

在一个实施方案中，本公开包括一种用于测定承受非均匀外部负载的管道中的应力的方法，所述方法包括：a)通过使用管道上的最大侧压力、管道上的最小侧压力、管道的内部半径以及管道的外部半径解边界条件方程式来确定用于管道的多个应力方程式中的系数；b)使用所述系数、预先确定的管道半径和预先确定的管道角度中的一个或多个，解所述多个应力方程式中各自表示管道的径向应力的两个应力方程式、所述多个应力方程式中各自表示管道的环向应力的两个应力方程式，所述表示所述管道的径向应力的两个应力方程式的解和所述表示所述管道的环向应力的两个应力方程式的解加在一起表示总径向应力和总环向应力，并且解所述多个应力方程式中表示管道的总剪切应力的一个；以及c)使用计算机处理器、管道的总径向应力、总环向应力、总剪切应力和预先确定的总轴向应力来计算管道的应力强度。