一种基于气密封完整性的管柱设计三轴安全系数确定方法、系统、设备及存储介质与流程

本发明属于石油天然气开发，涉及一种基于气密封完整性的管柱设计三轴安全系数确定方法、系统、设备及存储介质，具体涉及一种基于气密封特殊螺纹连接密封完整性的完井油管和套管柱设计三轴安全系数确定方法。

背景技术：

1、石油工业的高温高压气井、非常规页岩气井、地下储气库等油气田勘探开发完井生产套管柱和油管柱设计三轴安全系数确定至今没有可靠的标准依据。现有管柱设计三轴安全系数的研究和确定方法存在的主要问题：1)工程经验统计法确定三轴安全系数：没有科学分类具体影响因素和量化影响因素权重，导致井下使用存在巨大安全隐患。2)可靠性设计方法确定三轴安全系数：只考虑了管柱承受的最大内压基于管体强度分析，没有考虑管柱中不同螺纹连接形式的密封差异存在的泄漏和管柱设计全寿命周期的安全系数，即完井试压、压裂、生产采气的全过程管理安全系数。3)现行标准规范确定三轴安全系数：一是只考虑了强度性能，没有考虑密封完整性；二是该经验总结是基于不同厂家产品质量差异，这会使得选取安全系数过大，从而导致成本提高或难以选出合适的管材的问题。这些三轴安全系数确定方法都不具有针对性，不能合理确定管柱设计三轴安全系数，因而不能保证井下管柱的安全可靠使用，还会存在管柱成本高的问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于气密封完整性的管柱设计三轴安全系数确定方法、系统、设备及存储介质，合理确定管柱设计三轴安全系数。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种基于气密封完整性的管柱设计三轴安全系数确定方法，具体步骤如下：

4、1)对井下管柱的失效形式和失效机理进行统计并分析，建立安全系数评价方法；

5、2)基于安全系数评价方法、管体实测材料和几何尺寸参数建立包络线载荷谱；

6、3)依据结构和密封完整性确定包络线载荷谱适用范围和危险载荷点；

7、4)基于全寿命生产过程周期完整性变化规律对危险载荷点进行分析，修订包络线载荷适用范围，确定三轴安全系数。

8、优选地，步骤1)中，所述安全系数评价方法为：将使管体达到极限承载能力的载荷加载到连接螺纹上，检验螺纹性能指标相对于管体性能的占比；

9、其中，管体性能包括拉伸效率、压缩效率、外压效率和内压效率。

10、进一步优选地，所述占比均为100％时，表示螺纹性能等于管体性能；所述占比＜100％时，表示螺纹性能低于管体性能。

11、优选地，步骤2)中，建立包络线载荷谱的方法为：

12、a)确定管体几何尺寸最大平均外径、最小平均壁厚和最小壁厚点；依据试验温度分别实测管体和接箍的材料屈服强度；

13、b)采用弹性力学公式计算管体在轴向载荷拉伸/压缩、外压/内压和弯曲下管体应力；

14、c)载荷作用下，结合管体应力和实测材料屈服强度的百分比分别建立安全系数评价包络线。

15、进一步优选地，步骤b)中，所述弹性力学公式为：

16、

17、

18、

19、dwall＝davg-2tmin                    (式4)

20、

21、其中，davg为管体实测最大平均外径；tmin为管体实测最小壁厚；poapi为管体名义抗挤强度；poavg为管体实测几何尺寸和材料屈服强度计算的抗挤强度；pi为按包络线载荷确定的内压值；σvme为冯米塞斯复合应力；σr为管体径向应力；σh为管体环向应力；σa为管体轴向应力；dwall为管体实际内径；po为管体评价外压载荷；r为半径。

22、优选地，步骤3)的具体步骤为：采用有限元分析不同环境温度和载荷包络线多次循环下，每一个载荷点的密封能，基于包络线载荷点的密封能变化规律，确定包络线载荷谱适用范围和危险载荷点；

23、其中，危险载荷点为具有最小密封能倍数的载荷点。

24、优选地，步骤4)之后，还包括对确定的三轴安全系数进行适用性验证分析的过程。

25、本发明还公开了一种基于气密封完整性的管柱设计三轴安全系数确定系统，包括：

26、统计分析模块，用于对井下管柱失效形式和失效机理进行统计并分析，建立安全系数评价方法；

27、包络线载荷谱建立模块，用于建立包络线载荷谱、包络线载荷谱适用范围和危险载荷点；

28、三轴安全系数确定模块，用于结合全寿命生产过程周期完整性变化规律分析危险载荷点，修订包络线载荷适用范围，得到三轴安全系数。

29、本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于气密封完整性的管柱设计三轴安全系数确定方法的步骤。

30、本发明还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于气密封完整性的管柱设计三轴安全系数确定方法的步骤。

31、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

32、本发明提供的一种基于气密封完整性的管柱设计三轴安全系数确定方法，结合井下实际情况，充分考虑井下失效形式和失效机理，科学合理的分析能够使建立的安全系数评价方法更加可靠；通过安全系数评价方法、管体实测材料和几何尺寸参数建立包络线载荷谱，这种安全系数量化的研究方法能够使得到的包络线载荷谱更加科学准确；基于结构和密封完整性判据准则确定包络线载荷谱适用范围和危险载荷点，能够充分考虑到最差密封和结构的完整性，即考虑油套管用不同螺纹连接形式具有的不同的完整性变化规律，得出包络线载荷谱的完整性变化规律，从而确定包络线载荷适用范围和危险载荷点，使得确定的三轴安全系数具有足够的安全使用余量；结合全寿命生产过程周期中完整性变化规律，修订包络线载荷适用范围，再确定三轴安全系数，能够充分考虑全寿命生产周期过程中完整性变化对安全性的影响因素，从而保证完井管柱在生产使用过程中的安全使用。该方法基于井下管柱失效形式和生产过程中全寿命周期确定管柱三轴安全系数，直接、合理且经济有效，确定的管柱三轴安全系数可靠，能够确保管柱在全寿命周期生产过程中具有安全性，同时能够降低管柱成本，解决目前三轴安全系数确定相关经验、标准或规范仅依据工程经验总结、不具有针对性，确定的三轴安全系数不合理从而造成成本高的问题。该方法可广泛应用于高温高压气井、非常规多段高内压压裂气井，特别适用于深井超深井完井用套管和油管柱三轴设计校核安全性的判定。

33、进一步地，按管体承载极限屈服载荷检验螺纹性能与管体一致性，以拉伸效率、压缩效率、外压效率和内压效率作为性能指标，能够形成包络线的四个象限，从而确定井下工况载荷是否在包络线内，并确定余量有多少。

34、进一步地，采用有限元建模具体的螺纹几何结构，考虑最差密封和结构完整性极限公差建模，按产品规定上扣最小扭矩值下限分析螺纹连接在不同包络线载荷谱下完整性变化规律，基于结构和密封完整性判据准则，分析确定适用包络线载荷范围，能够克服现有技术规定没有考虑油套管用不同螺纹连接型式，具有不同的完整性变化规律，采用统一安全系数不能保证拟用管柱具有足够的安全使用余量的问题。