摘要
许多关于井身结构设计的高振幅循环载荷是基于材料假设的，即从单轴单向试验的外推力性质到循环多轴压力的施加。这篇论文说明了关于普通石油套管材料的循环试压，同时论证了在循环载荷条件下测得的物理特性和单轴单向的数字模型条件下的物理特性的不同。在讨论塑性变形模型理论的同时也讨论了在循环载荷环境下它的局限性和证明，也涉及到了热采井设计选择的讨论。
关于高振幅、低循环的失效形式在热采井的实施以前没有深层次的研究，尤其是关于石油套管方面的。关于循环机械的特性，文章也在此讨论了低循环失效性质钢在热采井套管中的普遍应用。协调失效的结果被生产即具有代表性的循环机械的应用，基于特殊的循环变形的提出，依据假设方案和在疲劳寿命方面的大量数据偏差这些所期望的。因此精确的失效寿命假设是不期望的。模型性能最主要的价值是当套管损坏被指明时对延长井的寿命缓蚀选择的评价。
文章也讨论了一些关于实际材料特性和理想材料特性在模型中使用效果的实质性的不同，同时也包含了一个关于循环材料特性和疲劳寿命预测的例子。
前言
在加拿大西部的许多热采井都采用了蒸汽吞吐和蒸汽驱采油。在这两种方法中，实施因素取决于加在井身结构上的热采循环，特别是中间套管。由于蒸汽吞吐和蒸汽驱井中的地层和固井，热采膨胀是受约束的，当井被加热时加在油管上的载荷将超过其屈服力。结构定位可能增加变形量，施加附加的塑性变形在井身结构中的不同位置。
热采井套管设计已有30多年的实施经验，同时大量描述套管信息的计算机模型都是以单轴材料性质为基础，通过工程模型推断出多维的循环特性，形成的 假设也被用来决定施加在井身结构上的载荷和应力。
实际的循环材料特性数据是很分散的，尤其是热采井中的普通温度流态。因此，关于应用在井中的普通材料的塑性疲劳寿命的信息是很难得到的。然而，这些信息在进行可靠的机械变形预测和有关的疲劳寿命在井循环及热采实施变形方面是必须的。
一个关于循环材料特性的试井材料被补充来评价机械循环性质和低循环疲劳寿命，试井结果论证了可被应用于形成解析模型和寿命评估的可靠材料特性的密度指示，被评述的循环材料特性也论证了与通过工程模型为了输出的单轴单调材料特性的重大不同。这些与热采井设计中选择的钢级具有极其重要的含义，同时在技术上补充了套管变形的缓和。
基本情况
塑性过屈服：对于过屈服性质的金属的大部分工作在超过要求的屈服条件下都被形成支持结构分析了。材料的性质通常有单轴挂片试验决定，它给出了弹性模量、屈服强度和过屈服强度或塑性变形的硬化值。结构模量，无论是解析模型或数值模型，其特性的测试都需要从一维压力状态延展到多维压力状态。因此，塑性特性是指载荷路径的决定，压力状态不是只有应力决定的，而还要依靠结构中的塑性变形。
对于塑性结构分析最常用的模型方法是有限元分析法，同时很多本构模型的形成方案也支持这种方法。有限元分析理论在很多有关非线形分析方案的教科书中也被使用，这些书中提出了一种基本的可塑性理论的观点和提到了许多可塑性理论形成的大部分细节。金属可塑性被认为是一种独立的流体静压力，塑性变形在没有容积变化的情况下发生。这使得材料特性和数学模型的许多方面在对比中得到简化，例如，土工技术材料。
关于各向同性的硬化流量：许多基本可塑性模型通常用在分析含有Von Mises效应应力功能，各向同性硬化模型在塑性变形压力的各个方向都增加材料强度。这个模型在大多数情况下工作顺利，尤其是在载荷成比例和单调的情况下。硬化与塑性应力积聚效应有关，塑性应力积聚效应就是多维增量的塑性应力成分的数字固结作用转变成从材料试验下的塑性应力的单一变行代表。预测的单一弹性应变范围是两倍于弹性极限和增加的弹性变形。在这个模型中，硬化定义为弹性范围的增长伴随增加的塑性应力。
有关运动学的硬化流量：应用于载荷不单调或不成比例条件下，材料的其他方面就变的特别重要。其中一个在循环载荷条件下的材料特性是当材料在相反方向被硬化时，某一方向屈服强度的减少。这通常被成为包欣格效应。扑捉这种解析的简单方法是一个普通的运动学硬化模型，它保持同样的压力范围通过解释屈服“表面”而不是扩展它，它被应用于运动学硬化模型中。单轴弹性应力范围开始于两倍的初始弹性极限和保持常量。硬化模量是应用于各向同性的硬化模型中的同样的累积的有效塑性应力的一部分，各向同性硬化模型是扑捉用来解决在应力空间中各个方向的塑性应力。在这个模型中，硬化控制屈服表面用塑性变形转移应力空间的多少。
塑性模型：对于循环变形测量应力的反映证明了比伴随的累积可变的塑性变形以硬化特性为特征的模型中扑捉的更多的复杂特性。特别地，在应力反转伴随在一个方向的塑性变形的弹性范围实际上比两个弹性强度小，特别是只是弹性极限，其中还经常甚至小于它。在许多情况下，非弹性特性可在一个方向的载荷移动之前被观测到，通过整个反转载荷的反应变的越来越非线性。
塑性模型通过磁张量沿着塑性变形走，而不是标量函数 ，历史依据塑性变形评价由于应力成分被追踪。这允许循环特性在更多的细节上被模仿。当这些模型的有效性在文献中被广泛的论证时，这些模型的复杂性在大量的模型策略的实施方面有困难，因为在商业有限元素程序方面缺少严格的 模型可用性已被证明。
疲劳破坏：众所周知，一个结构在最初在最初载荷的承载下不会失效，但是如果载荷被卸载或重复地施加载荷后它将会失效。这种现象被称为疲劳破坏，已被广泛地研究。然而，被给材料的疲劳寿命必须通过试验决定。
最常用的预测疲劳寿命的方法是经验公式，它描绘了循环载荷振幅和疲劳寿命之间的关系。对于高循环疲劳，材料经验通常是弹性载荷和压力被用来测定载荷振幅。经验数据的获取通常用下面的公式：
参数 ， 和 是取自适合于方程1的经验数据。方程中最后的关系被忽略在材料没有疲劳极限的情况下。对于低循环疲劳，作为测量载荷，关系式通常被修正使用塑性应力振幅：
疲劳寿命数据通常显示在log-log图中，它们形成一个线形关系。
材料特性
当这篇论文的范围被限制在室温条件下的材料特性时，它往往是材料特性的温度从属。材料性质的热采敏感性在高温和大的温度范围内设计热采井的井身结构时应该被考虑。
物理材料特性：应用于石油套管的材料当遭到大的塑性变形时，总显示一个复杂的应力应变关系。在这篇论文中的经验数据显示了这些复杂的关系，材料试验表是从单向的L80油管中取得的，178mm，34.3kg/m，通常应用于石油套管，试验也在室温下进行。
读者要注意在不同的石油套管制造商和制造工厂之间，产品可能具有重大的变化。因此，不同等级的套管的说明书需要标明变化的对比、屈服强度、极限强度和应变硬化的特点。当适合于这篇论文给出的关于热采井的结果时，对于石油套管的可能变化应仔细考虑，另外，材料性质的变化应属于实施条件。
机械特性：图1给出了测量试验加载在单调张力上3.3%的应变,循环伴随一个2.8%的应变振幅。单调载荷从弹性响应开始。应力峰值在最初的屈服点处，即其后面便是应力曲线的平直部分。许多金属都在单调载荷特性下显示这种性质。然而，随着载荷反转之后金属的循环载荷总是显示出渐渐的从弹性变形转变到塑性变形。另外，反转后的屈服点和之后的循环载荷发生在比初始单调载荷还要低的振幅应力下。结果证明被观察的循环弹性应力/应变范围比所评估预测的运动学硬化假设少。结果，当材料模型响应它时，对待不同的单调载荷和循环载荷的各自的材料响应是必要的。在这个例子中，弹性范围在初始单调载荷下显示出等同于当前屈服强度值。
疲劳特性：低循环疲劳寿命试验对于相同的石油套管钢材同样也在三种不同应力振幅下展开。应力-应变曲线特征在图2中显示，观测了每个参数的半个循环寿命。每条曲线都被转化了，以便它处于初值的中心。数据显示处在循环载荷下的应力振幅是应变振幅的一部分。总之，应力振幅与应变振幅两者之间的关系是非线形的。非线形同时也对”循环房”屈服有明显的影响，明显的低于应力振幅1%。
图1 测量的应力应变反应
图2 对于三应力振幅所测量的循环应力应变反应
图3显示了疲劳寿命的数据在20 ，125 ，225 和335 。当低循环疲劳寿命在方程2中的关系符合经验数据时，被观测的参数值大约为： =17.2和 =-0.464。通过对比，给出的曲线适合ATSM A516 Gr.7.0的低合金碳钢的所给出的参数值 =28.8和 =-0.499的试验结果。两组数据显示了对于热采井应用（>400周期）的峰值相对于弹性应力振幅峰值低2%的实际疲劳寿命。
图3 低循环疲劳寿命的测量
热采井的结构可能在经验温度的310 左右变化。在重力作用下，热采膨胀被地面变形结果所制约，总的机械应力大约为0.45%。使用L80钢级套管，材料疲劳试验的结果显示在这种应力水平下一口井的寿命大于1000周期。通过这些结果，当设计假设满意时，对于热采井的当前设计是绝对充足的。
过高的预测应力的水平，由于应力位置和变形运动可能在一口井中发生，还总是随着开采油藏的顶峰发生。这些过高的应力水平在一些小的循环周期内能导致疲劳失效。应力位置发生在相对于环境结构中的一部分井结构刚度减少的地方，不论是由于制造品的变形还是由于被其它载荷所损坏。在热采载荷下，这部分将要遭受比环境结构更多的应力。
从试验数据上看是不明显的材料特性的其它复杂性是应变率的依存性和应力松弛。当应力率增加时高的应力发生在给定的应变下，同时当应变载荷不停止时应力振幅将下降。
模型特性：数学模型总是被用来模拟构造动态，同时扑捉材料特性是构造模型必不可少的一部分。有限元分析用来帮助设计结构的工具，同时它也适用于油井设计的问题。通过有限元分析所预测的构造响应是依据在分析中所用的材料模型。在前一部分提出的经验数据显示了物理材料特性的一些复杂性。对于实际应用，数学模型用来预测物理特性是需要理想化和简单化。然而，模拟必须扑捉必要的材料特征，为了使材料综合特性流态下变形的条件下制造出合理的预测。
物理材料试验提供了在单轴载荷条件下材料反映的信息。为了预测井身结构的特性，有限元模型必须预测材料对普通的多轴载荷的反映。硬化规则推迟了在多轴或循环载荷下的过屈服反映到在单调单轴载荷下的过屈服的反映。Ellyin在他的教科书中总结了大量使用本构模型的硬化规则。典型的有限元分析软件提供了各向同性的、运动学的和混合各向同性的/运动学的硬化规则在它们的本构材料模型中。接下来的讨论揭示了每一个这些模型对于前面提到扑捉被测量特性的有效性。由于简单，模型特性的例子将在下面给出的单轴载荷中提到，然而读者应该注意，硬化规则被用来预测多维特性。
各向同性的硬化：需要说明的是当偏应力在同等数量累积的塑性应力下等同于等量的单轴应力时，屈服将在多轴载荷下发生。这个规则可被下面这个方程所指示：
图4揭示了预测的单轴材料模型在简单的、双线形应力-应变曲线和各向同性的硬化规则下的反映。符号E和 分别代表弹性硬化模量和塑性硬化模量。实线代表单调张应力；虚线代表如果载荷在2%应力处反转时是应力反映；点虚线代表如果载荷在6%应力处反转时的情况。在这两种情况下，当压应力的数量在载荷反转开始处等于热应力的数量时，应力首先从反方向减少弹性和屈服。对于材料在单轴单调载荷下显示出应力硬化时，各向同性硬化规则预测出越来越大的循环屈服强度同时伴随着越来越大的塑性应力，这与图1中的包欣格效应是相反的。然而，各向同性硬化仅适用于在与塑性变形发生联系的应力且没有发生大的方向上的变化时的情况。
图4对于载荷反向使用各向同性硬化条件下的模型反应
运动学的硬化：需要说明的是多轴载荷下的屈服发生在当偏应力 和动应力之间的不同转换成等量的初始单轴屈服应力的情况下。这个规则可以用下面这个方程说明：
运动学的背应力变化是作为塑性应力和（单轴等量的）过屈服硬化模量的一部分增量。图5揭示了被预测的单轴材料模型在简单的、双线形应力-应变曲线和运动学的硬化规则下的反映。再次，实线代表单调张应力；虚线代表如果载荷在2%应力处反转时是应力反映；点虚线代表如果载荷在6%应力处反转时的情况。当载荷反转时，应力首先减少弹性。在弹性应力范围是初始单调屈服应力的两倍之后，在相反的方向屈服发生。当运动学规则预测的低压屈服应力的数量（就象包欣格效应那样）不是预测的循环载荷像图1那样的“调车房”的屈服形状。运动学模型经常接受多线形的近似“调车房”，但这种折中是循环模型能力。因为，从弹性特性到塑性特性的转变是通过总的累积的塑性应力限定的，使“调车房”
有根据的描述只有第一个半循环。随后的循环显示出了人为的减少应力振幅。
图5对于载荷反向使用运动学硬化条件下的模型反应
因此，在循环载荷条件下，应力振幅是总的塑性应力的一部分，而不是塑性应力振幅，因为屈服应力是背应力的一部分，同时，背应力的转移也是总的有效塑性应力的一部分。然而，运动学硬化仅仅提供了原有的循环材料特性的初始值。
混合的各向同性硬化/运动学硬化：该硬化结合了各向同性和运动学硬化的规则；然而，它仍旧不能显著的描述石油套管材料循环特征。更多的依据有效塑性应力来描述材料特性的成熟的硬化规则，在已发表的文献中是可以找到的，但是，在商业有限元软件的实施上基本没有。
硬化使用初始屈服表面和一系列常数硬化表面：
, k=1,2,…n
在背应力 上的变化仍是塑性应力和硬化模量增量的一部分，但被控制以便它们表面上相接触但不相交。图6揭示了在单轴载荷下两个表面 模型的特性。与运动学硬化相比较， 硬化允许塑性变形的两个区域具有不同的硬化模量 和 。双线形过屈服特性更接近的描绘“调车房”应力-应变特性在循环挂片试验中的情况。另外， 表面在“调车房”特征模型中将提供出高精度，但是这个模型的商业实施并未得到认同。
图6对于载荷反向使用两面 硬化条件下的模型反应
许多材料的循环应力-应变特性显示出“调车房”曲线特征，与载荷的振幅无关。这个材料特征被定义为“主曲线”。生成材料主曲线的第一步是把单轴循环不同振幅的应力-应变曲线转变成校正两个应变反转中的某一个。曲线被转变成和弹性倾斜一样，直到与“调车房”曲线中的一部分相匹配。下面的模型方程能描述主曲线：
参数K和n通过等量的经验数据查得。图7显示了从前面图2给定的循环应力-应变曲线中形成的合适的主曲线。合适的方程中参数值大约为： 和 。在合理的方程和经验数据之间的好的均差已被获取。
图7 从经验数据中形成的主曲线
主曲线的概念已经形成了深层次的描述循环应力-应变在对称载荷下对多轴应力状态的反映。同时，对于非对称载荷也与本构模型进行了结合。对于背应力的变化也伴随 特征规则。根据方程5体现了使用过屈服应力-应变的关系，从而允许在物理材料试验下观察到的模型来精确的预测“调车房”特性。这个本构模型对于更精确的扑捉循环材料特性具有更好的潜在性。然而，它仍不能结合商业的有限元程序来获得更广泛的认同。因此，普遍的包括热采从属还没有得到论证。
应用
热采井设计的工业推荐实践：在加拿大的阿尔伯塔省的石油工业培训服务中心认为工业推荐实践文献应被称为“重质油和油砂开采”。在推荐中包括一种在设计热采井开采对提供循环热采循环载荷的方法。IPR的附录E中包括描述热采套管的反映和对于不同材料的循环载荷，同时指明当热采应力的范围超过材料的弹性范围时，套管材料将“硬化”或屈服强度增加。这个循环结论是建立在以计算机模拟材料外推的单轴物理材料试验中的反映为基础的。
多表面的本构模型与热采从属是不可用的，当对IPR的工作被实施时，事实上，它仍旧和以前一样。仅仅单轴挂片的试验数据是有效的，而塑性模型是唯一有效的来实施各种IPR要求的材料的参数评价的方法。认识到各向同性和运动学的硬化模型在扑捉一些循环特性的是不可靠的，尤其是在硬化特性、IPR的一些循环硬化结论，特别是这些与K55材料的循环硬化上都需要重新做。文献包含了许多金属在高应力硬化特征方面的信息，这些特征彻底的搜查了稳定的迟后曲线，但没有展示在循环载荷下的过度的强度棘轮。L80循环钢级特性的物理结果显示出与IPR模拟结果的重大差别，类似的不同还有所期望的K55钢级。这个情况表明IPR结论需要通过物理材料硬化的有效循环塑性硬化。
这有一些物理证据表明循环热采载荷不能总是生产被指明的“调车房”特性通过当前试验结果，同时总的弹性范围与运动学硬化假设的总的范围模型相近，这可能是在试验中受限制的总的应力的结果，它生产的数据不能使任何位置特性变成理由。因此，试验包括一定数量的热采循环和小的塑性应力振幅，同时试验也不能证实在循环载荷下材料硬化的结论。
这个讨论意味着强调一些模型假设的含义的重要性和从这些假设中所得出的具有挑战性的结论，因为这在考虑的情况下的应用具有潜在使用替换钢级的情况。在机械性质的选择中提供更具灵活性的减少设计中的限制和增加对其它限制选择的满意度，像经济损失和腐蚀损失。材料疲劳性质也表明基础应力设计的大量机会被扩展到现代设计操作的包罗络面。
损坏套管的疲劳预测和热采套管的缓蚀选择：在加拿大西部的蒸汽吞吐开采的井中已发现其中一些井的套管变形了。在可能发生变形的位置的工作难度、多敏感元件的卡钳测井和技术解释对于确定变形的数量都是可用的。井套管对于缓和的侧面变形具有明显的忍受性。虽然这些变形可能表现的很严重，但是温和额外的循环应力联合变形相当于相对的延长了疲劳寿命，基于图3所示的疲劳性质。在压力完善性之前耐用性成了问题。结果，监督程序追踪变形的过程在这种井中从一个周期到一个周期中完成的，同时根据继续油井开采的决定也是基于这个进程制定的。
如果数量基准被发展，根据继续开采油井的工作性能制定的决定必须提升。因此，这样的数量基准可以用来评价对扩展损坏的套管寿命缓蚀选择的有效性。可靠的循环机械和疲劳性质是提供这种评估的一个主要的预测方法。
有限元模型被用来准备模拟在循环热采条件下损坏套管的特性。模型通过物理试验程序被分度来证明变形模型在井径测井图像里观察到的近似值。分刻度是为了揭露需要解决的大量模型问题；特别四在材料模型方面。例如，在第一个压缩载荷处的材料特性实际上与被指明的循环载荷是不同的。因此，适当的模型被要求允许材料特性在第一个半循环之后改变。通过材料挂片被指明的独立的材料特性也适用于全规模应用的这些结果是有效的。“发现”的结果是为了更好的控制要求和监控在第一个半循环的所有试验中的变形。
两个有限元模型的描述被创作：一个是物理试验的有效理论，另一个是模拟就地燃烧特性。图8包含了一个就地燃烧模型。它组成一个适当的1.6m管柱的长度，中间是一个可能损坏的结构剪应变。就地燃烧模型也结合应力位置和支持载荷环境的侧向地层结构。图中提供了一个从循环热采载荷中预测的循环塑性应力的例子。
图8 在循环载荷下的就地燃烧套管的有限元模型的侧向变形
循环应力结果被用来与材料的疲劳特性进行比较来评估井的潜在寿命。图9显示了一个期望套管寿命的柱状图，依据循环，基于应力范围和结合预测应力的塑性疲劳寿命。图中揭示了在结合图8载荷条件下的井的寿命预测，当一个切断的线被安装用来减少应力位置时，与生产的各项采油修理工作相比较。模型的绝对疲劳寿命的精确预测通过运动学硬化规则和其它模型假设被限制。然而，基于选择之间的相对照，在合适的减少措施下，分析揭示大量的保持井损坏的耐用性的机会。
图9 预计改善套管寿命的缓蚀选择
总结和结论
这篇论文论述了一种178mm，34.3kg/m，L80套管的物理材料性质，石油套管经常用于热采井的循环应用。对于材料的机械性质和疲劳特性都在室温下测得。结果显示套管材料的循环弹性范围远小于通常在工业设计假设条件下的决定。然而，低碳钢与试验材料在所提供的实际的疲劳寿命在适度的循环塑性张力载荷下的保守设计是相似的。从这些观察中得出的结论是应力基础方法提供了基于受限制的热采井的更多的合适的设计。在这种设计方法下，供选择的材料级别被用来考虑这些井来提供更多的井设计的灵活性来满足其它要求，被证明提供更好的疲劳寿命。
在结构分析中为了模拟材料特性的普通可用的数学模型的回顾在上文中的循环材料响应中提供。然而许多这些模型提供了大量结构分析的好的评估，一些模型问题被提出应用于循环变形。最普通的各向同性硬化模型被显示指明在材料中伴随循环塑性的人工硬化。运动学硬化模型被指明来论证减少积累的塑性应力的强度。针对精确的模型循环变形特性，多表面的 类型模型显示了最大可能的允诺，但是成功地实施这些模型在解析工业中还是很稀少的。随着解析法越来越适用于在石油工业热采生产领域的问题，结合应力基础设计方法论，发展和实施可靠的 类型的多表面模型将是一个重要的支持这种类型设计的演化。达到这个目的的最有用的方法是实施这个模型时，把它在一个或多个主要的多目的有限元素规则中作为用户的子程序。
提供了两个从试验中得到的材料知识发展的应用。首先，基于人工的材料模型假设，关于加拿大西部的在IPR方面的设计基础的回顾阐明了潜在的从关于材料选择方面得到的结论。特别地，关于材料硬化方面结合了在低强度材料方面的循环塑性可能被过分强调了。在IPR方面伴随物理材料试验数据的模拟结果的扩大介绍了一个在将来井的设计上增长挠性的重要机会。
介绍的第二个应用是说明在模型中评价损坏套管的疲劳寿命和一些缓蚀选择的有效性的应用循环和失效性质。这个例子论证了连贯的低循环疲劳评估基础，伴随物理试验的分度和应用就地燃烧的条件。结果被用来提供更多的关于评估损坏井的耐用性的数量和决定更有效的缓蚀选择来扩展损坏井的寿命。
[ 此贴被技术明白人在2008-09-18 19:19重新编辑 ]
