标准规范下载简介

SY／T 7456-2019 油气井套管柱结构与强度可靠性评价方法

="x(1+β×R×ar)

管柱结构极限状态分项系数表达式是基于管柱极限状态设计要求，采用有关的载荷代表值（受 地层参数标准值或作业工况参数标准值等影响）和强度代表值（受管柱材料标准值、几何参数标准 值等的影响）及各种分项系数来表示，基本功能函数表达式参见附录B[可参见公式（B.1）和公式 （B.23）1。 管柱结构的抗*分项系数和作用分项系数，应根据功能函数中强度和载荷基本变量的统计参数和 概率分布类型确定。管柱可靠性分析结果应按照制定的目标可靠指标进行评价，目标可靠指标确定应 充分考虑工程实际影响因素，目标可靠指标可参见附录C（参见表C.1和表C.2中的参考值）。通过 分项系数法得到的管柱可靠指标计算结果与给定的目标可靠指标进行对比分析，实现定量评估管柱安 全性。 运用分项系数法可实现管柱优化设计，即将可靠性分析的结果反馈于管柱设计阶段。具体做法可 采用：根据管柱结构寿命周期内各阶段的极限状态分项系数表达式，求得不同阶段管柱所需的最低强 值，并对确定性方法设计的套管强度进行对比校核。当选取的套管强度大手分项系数法计算的套管 最低强度时，则满足预期安全可靠性的要求。 油气井套管柱是由多层多段管柱组成的完整性系统，实际分析过程中可按照管柱抗*和作用相同 或先进原则根据具体条件对管柱结构进行单元划分，分别计算各管柱单元的可靠性指标。系统可靠度 可采用加权平均法汇总各单元分析结果确定。单个管柱单元的可靠性评价流程如图5所示，相关分析 实例可参见附录D

DB11／T 1285-2015 物联网感知设备通用信息安全技术要求.pdf8.3.4安全等级与可靠指标

通过建立管柱结构系统可靠指标与安全等级之间的关系，可将管柱结构可靠性评价结果直接与管 柱结构的安全水平对应，便于实际应用和管理。 确定管柱结构的安全等级，既要考虑结构破坏失效的实际概率（与构件的重要性与失效模式相 关），也要考虑失效可能造成的后果（如危及人员安全、造成经济损失、对社会或环境产生影响等）。 根据油气井管柱失效风险分析，可将油气井管柱系统分为五个安全等级（参见附录C)，表C.1推荐 了管柱系统的安全等级和相应可靠指标之间的关系，单元可靠指标与安全等级的关系参见表C.2。不 同井况条件的管柱系统安全等级（可靠度）宜根据油气井的工程实际条件具体分析确定。

SY/T 74562019

图5管柱单元的评价流程图

SY/T 74562019

当管柱作用和抗*涉及的基本变量为非正态分布变量时，应将其作当量正态化处理，以便于采用 分项系数法计算。 设X，为非正态分布变量，可按以下原则将其转换为当量正态分布变量： a）在设计验算点x'处，当量正态变量X’（其均值为μx，标准差为ox）的概率分布函数值 Fx(x）与原变量X（其均值为μx，标准差为Ox）的概率分布函数值Fx(x）相等。 b）在设计验算点x处，当量正态变量X’的概率密度函数值fx：（x）与原变量X,的概率密度函 数值f（x）相等，如图A.1所示

图A.1非正态随机变量的当量正态化

根据以上两个条件，可求得当量正态分布变量的均值μx：和标准差x，具体方法如下 根据条件a）有：

可得当量正态分布变量的均值μx.为：

Fx(x, )=Fx (x; )

SY/T 74562019

(0"[Fx (x )] O x; Jx (x) fx(x)

以上是将非正态分布变量转换为当量正态分布变量时，计算其均值μx和标准差x：的一般 当变量的分布模型为对数正态分布时，可按以下公式得到μx；和x的解析表达式：

SY/T 74562019

可靠性设计与分析方法综合考虑套管在整个服役期间的载荷和强度不确定性，与目前传统的套管 确定性设计标准相比，主要有以下三个方面的不同： a）依据固井水泥环固结前后载荷组合形式的差异性，将套管服役寿命周期分为钻完井阶段和生 产阶段，分别建立两个阶段的套管强度设计极限状态方程，可分别考虑套管服役各阶段套管 载荷组合形式的差异和套管强度的折减。 b）采用可靠性理论，依据各设计参数的变异系数、均值等，分别计算套管载荷及强度的分项系 数（此时敏感系数送代计算中直接指定目标可靠指标）或实际可靠指标（敏感系数送代计算 收敛时的实际可靠指标值），完成套管可靠性设计与分析。 c）考虑水泥环固结后地应*载荷对套管强度设计值的影响。采用分项系数法实现套管整个服役 期间可靠性的定量表述与分析。

B.1套管可靠性设计极限状态判定原则

根据套管在井下的功能，结合SY/T5724中对套管柱功能的要求，套管柱的强度设计原则应满足 以下三个方面的要求： a）钻井作业期间的强度要求。 b）完井作业期间的强度要求。 c）正常生产过程中套管柱强度要求。 一般认为，在载荷工况下，套管柱所承受应*超过了其抗挤、抗内压及抗拉强度而发生破坏，认

显然，当Z>0时，套管处于安全状态；当Z<0时，套管处于失效状态；Z=0即为套管承载能* 极限状态。 套管服役过程是一个长期的过程，期间存在着很多不确定因素，其所承受载荷是一个不断变化 的过程，具有较强的时变性，而套管强度由于套管受到磨损、腐蚀等影响而产生一定程度的降低，因 此，套管载荷和强度的变化关系如图B.1所示。套管强度可靠性设计需要保证套管在其全寿命周期内 拥有足够的强度以承受套管服役期间不同时段的载荷。根据套管服役全周期的应*及强度历程，可将 套管分为以下两种状态进行强度可靠性设计： a）钻完井阶段全井套管强度可靠性校核与优化设计。 b）生产阶段全井套管强度可靠性校核

B.1.2钻完井阶段极限状态方程

B.1.2.1针对全井简套管设计，套管在此阶段全部浸入钻井液中，考虑的主要载荷为钻井液引起的查 管所受内压与外压作用，轴向载荷则为套管自重及浮*，可认为套管受*为均匀外载，其标准值计算 方法可依据SY/T5724中规定进行计算得到，以下给出三种载荷标准值的典型计算方法（即直井油 表层套管和技术套管的载荷计算公式，其余载荷计算方法参考SY/T5724）

B.1.2.2有效外挤压*标准值S计算方法（塑性蟠变地层）：

B.1.2.3有效内压*标准值Si²计算方法

B.1.2.4有效拉*标准值S，计算方法

图B.1套管服役全周期应*载荷变化示意图

此阶段套管开始服役，可认为是完好的，其标准值可采用API规范中的规定计算公式得到。 .5套管抗挤强度标准值R计算公式： 当（a/t）≤（a/t)时，套管强度值按屈服挤毁计算

当(a/t)s≤（a/t)时，套管强度值按塑性挤毁计算

(a/)，≤(a/t)。时、套管强度值按过渡挤毁计算

(a/t)e≤(a/t)时，套管强度值按弹性挤毁计算

R., = Y, R 0.0068947C (a/t)

R., = Y, F G (a/t)

B.1.2.6套管抗内压强度标准值R，计算公式：

B.1.2.7套管抗拉强度标准值R3计算公式：

则套管在钻完井阶段的极限状态方程可表述为

SY/T74562019

2Y,0 Ri2 = 0.875

Z=aRsS (=1, 2, 3)

式中，下标11、12、13分别代表套管在钻完井阶段的抗挤、抗内压和抗拉可靠性设计，每一个 数值中的第一个数字代表可靠性设计的阶段（钻完井阶段为1或生产阶段为2)，第二数字代表设计 的类型（抗挤为1，抗内压为2，抗拉为3），下同

B.1.3生产阶段极限状态方程

生产阶段水泥环已经固结，套管与水泥环之间相互接触，可假设套管与水泥环之间无相对滑动， 因此，此阶段套管轴向**小于第一阶段，着重对作业段套管进行抗挤和抗内压强度进行校核。 此阶段套管受到的外挤压*主要为由地应*产生的外载荷标准值S21，其等效均匀外挤压*计算 方法如下：

内压S22为生产内压P可直接获得，由于套管在生产 阀仰 管强度 随时间不断减小，存在套管发生失效的可能性。此阶段进行套管可靠性设计时可对套管强度乘以一个 小于1的折减系数LN。 含缺陷套管的抗挤强度标准值R，与理想圆管的抗挤压*有如下关系：

含缺陷套管的抗内压强度标准值R2与理想圆管的抗内压压*有如下关系：

R2i 'LNi R, (i=1, 2)

套管强度的折减系数YL应根据油气井实际服役条件通过实验及工程经验等获取，则套管在生 的强度极限状态方程可表述为： 抗技

Z/=d117/LNiR—(s21S21s22S22min) ......................... Z22=d12LN2R12(s22S22max—s21S21)

根据上述分析，将套管全寿命周期的两状态对应的载荷组合及设计参数列于表B.1。在 性设计时，需要分别对套管的两种状态进行可靠性设计，套管只有在满足两种状态下的强 标，才认为套管是安全的。

SY/T 74562019

表B.1套管分阶段可靠性设计参数组合表

B.2套管载荷及强度设计变量概率分布

套管载荷及强度的相关变量多数服从正态分布，其统计参数可参考表B.2，对少数不服从正态分 布的变量可进行当量正态化处理，由于对套管所受地层载荷的变异性非常大，目前并没有确定的规 范标准值，难以获得载荷分布参数的实测平均值与标准值的比值，可参考表B.2（借鉴建筑结构载荷 规范）

表B.2套管载荷与强度设计变量统计参数表

表B.3为利用表B.2中统计参数、公式（B.5）至公式（B.10）及钻完井阶段的极限状态方程单 独计算出的抗挤、抗内压和抗拉强度的统计参数值（使用的方法为MonteCarlo抽样法，以径厚比差 异作为区分），供实际应用时参考。

表B.3套管可靠性设计应*与强度统计参数表

SY/T 74562019

B.3确定分项系数的设计值计算方法

考虑一般设计情况，假设各设计变量的统计参数已知，将套管设计变量代人公式（B.1），套管 数方程为如下形式： 钻完井阶段：

，将套管功能函数统一描述为用分项系数表述的

S、R应取各参数变量在验算点的值S、R，则各变量设计值可描述为

Zu=g.(s,Su, Ya./R.) Z12=812(s12S12, a12R12) Z13=813(Ys13S13, a1R13)

Zu=g..(YsS, a.R) Z/2=812(s12S12,a12R12) Zi3=813(s13S13, an,R13) =82,(s,S21，S22，aR 822(Ys2S22,S21,a12R

Z21=82,(s2,S21,S2,a.R) Z22=822(Ys22S22，S21，YaiR12)

S=S"=μs(1+βosas) R=R'=(1+BOgα)

αs、αr的值通过公式（B.26）送代计算，根据不同已知条件可分为以下两种情况计算： a）套管设计的载荷与强度统计参数μs、s和μR、OR已知。 b）套管载荷统计参数μs、Os，目标可靠指标βr，套管强度变异系数OR已知。 迭代计算步骤分别参考图B.2，其中αs和αr都取最后一次迭代数据。 敏感系数αx表达式如下（基本变量相关时，参考GB501532008中E.2.2）

可靠指标β表达式如下（基本变量相关时，参考GB50153一2008中E.2.2）

与可靠性指标之间的关系

ogx ax, ax, = cos9x (B.2 og ax

ogx ax, d ax,=cos0x X

x/=ux+βoxcos0x (i=1, 2)

SY/T 74562019

a）套管载荷与强度统计参数为已知的情况

图B.2验算点选代计算流程框图

根据以上内容，套管的可靠度评价和设计分为以下两种方法： 第一种方法：通过将公式（B.27）中的B设为指定的（固定值，具体取值参考表C.2或表 C.1)，此时其他公式，如公式（B.24)、公式（B.25）、公式（B.28）及公式（B.29）中的β值都为该 指定的值。根据GB50153一2008中规定，公式（B.23）中各分项系数可由下述公式确定，将套管各 设计变量统计参数代人公式（B.29）计算出套管各设计变量分项系数，代入公式（B.23），即可求得 在规定可靠度下的套管强度值，完成套管强度可靠性设计，可进一步对管柱结构（构件）进行强度分 析和评价。

(B.29) Xe, μx. /k, k;=μx/xk (B.30)

SY/T 74562019

第二种方法：不将β设为指定的βr，而是按照以上计算流程，当图B.2中收敛时，抽取收敛时 的可靠指标值，通过该值与表C.1或表C.2中目标可靠指标对比，确定单元设计或选择的套管所处的 安全等级及是否满足目标可靠指标的要求。 上述分项系数设计过程中敏感性系数αx是随着各设计变量统计参数的不同而变化的，使用起来 需要迭代计算，为简化计算，也可通过分析比较并结合工程经验，将其定义为常数进行使用

SY/T 74562019

系统的绝对安全状态是不存在的，系统的安全是相对于危险而言的，安全标准是相对于人的认识 和社会的经济承受能*而言的。安全具有必要性和普遍性、随机性和相对性、局部稳定性、经济性、 复杂性、社会性六大基本特征，其中局部稳定性是指在系统中，利用系统工程的原理和控制安全的要 素，局部稳定安全是可实现的；安全的经济性即安全是可产生效益的，而安全的社会性即安全与社会 稳定直接相关，任何形式的事故都将成为影响社会安全的因素。因此，运用安全系统的方法，结合目 标系统的特点，对目标系统进行安全监控的安全管理，实现系统的相对安全是必要的。对系统进行安 全等级的划分，并针对不同的安全等级制订不同的管理方案，有助于系统的安全管理，对提高系统安 全性有显著作用。 目标安全等级，即为某确定套管的最大可接受失效概率等级。目标安全等级的评价主要是在本质 安全等级的基础上通过使用目前可接受的设计原则（如守则或者标准），对套管的安全等级进行综合 评定。 确定套管结构的安全等级时，一方面要考虑结构破坏的造成的后果，包括是否会危及人员生命、 是否会造成经济损失及损失量的大小、是否会对环境产生影响、是否影响社会安定等；另一方面也要 考虑结构发生破坏的影响因素和破坏的性质，影响因素可能包括套管所受压*、是否存在腐蚀性物 质，破坏的性质针对失效破坏模式确定。 根据油气井套管损坏数据分析，结合计算套管的可靠指标β，根据可靠指标的不同，将套管柱系 统推荐分为五个安全等级供工程应用参考，见表C.1。

表C.1套管柱系统安全等级与可靠指标的关

编出套管结构单儿 分析参考使用

JC／T 2281-2014 道路用建筑垃圾再生骨料无机混合料表C.2套管安全可靠度分级标准

SY/T7456—2019表D.3套管柱可靠度分析结果汇总外挤可靠抗外挤内压可靠抗内压拉伸可靠抗拉可单元可整体可整体可靠整体安全管柱类型度指标可靠度度指标可靠度度指标靠度靠度靠度指标等级表层套管9.621.00000027.691.00000034.501.0000001.0000001.000000>4.75I11.441.0000004.191.00000031.981.0000001.000000技术套管17.061.00000010.001.00000032.571.0000001.000000（4个单元）1.000000>4.755.131.0000004.51.00000032.631.0000001.00000012.171.00000015.781.00000034.551.0000001.0000008.231.0000003.250.99942322.921.0000000.999423技术套管28.231.0000003.250.99942322.921.0000000.9994230.9988463.05II(3个单元）15.291.00000013.181.00000033.941.0000001.00000023.611.0000003.270.99946217.551.0000000.99946220.161.0000003.340.9995817.991.0000000.999581油层套管15.621.0000003.880.99994814.901.0000000.9999480.9989913.09（6个单元）II15.401.00000013.591.00000033.691.0000001.00000022.161.00000018.141.00000035.151.0000001.00000025.421.00000018.271.00000035.611.0000001.0000003.540.9998007.911.00000024.761.0000000.999800尾管3.870.9999467.321.00000025.211.0000000.9999460.9996893.423.860.9999437.321.00000025.851.0000000.999943生产尾管射孔3.550.9998076.731.00000025.841.0000000.999807（7个单元）0.9996653.403.630.9998587.141.00000026.011.0000000.999858射孔3.730.9999046.621.00000026.131.0000000.9999040.9996963.433.530.9997927.061.00000026.191.0000000.999792D.2套管柱结构可靠性分析实例2该实例对某井技术套管柱生产阶段不同强度折减系数下的抗挤强度进行可靠性评估。该井实钻井深6500m。名各井深位置的套管抗挤强度标准值列于表D.4。根据公式（B.12）计算出的井深方向外挤载荷标准值列于表D.4。生产阶段的管柱强度和载荷分项系数求取过程中，套管抗挤强度类型按照塑性抗外压极限状态模型（取R.），套管载荷类型按照生产阶段外挤力模型（取S2），具体见表D.5。表D.4某井套管强度与载荷标准值计算结果设计套管下深钢级外径壁厚强度标准值载荷标准值设计工况mksimmmmMPaMPa抗挤0 ~ 4218110200.0310.9249.947.2抗挤4218 ~577695200.0312.8873.5264.6抗挤5776 ~6500110177.812.6589.8173.626

SY/T 74562019

表D.5套管柱强度与载荷统计参数表

根据表C.2的分类标准，将考虑不同强度折减系数的套管柱安全可靠性评估结果列于表D.6。分 沂结果显示，在3960m～4218m处是该井管柱危险层段CNAS-AL06-2011 实验室认可领域分类，套管失效概率较高。套管柱服役过程因腐 蚀和其他因素引起的强度折减导致套管柱危险段范围增加。套管柱可靠性评估结果可为套管柱检测与 检修方案制订提供数据支撑，保证油气井的正常生产

表D.6套管柱结构抗挤可靠性评估结果