高压酸性气田的开发对气井套管柱各项性能提出了更高的要求,高压、腐蚀等因素给天然气安全生产带来了更大隐患。因此,在采油用套管失效机理研究成果上结合气田生产特点,建立高压气井套管柱的安全可靠性评估模型,对预防套管失效,延长气井寿命具有一定理论指导意义。考虑气井高压、腐蚀特点,论文着重对以下几点展开研究:1)井内高压对含缺陷套管破裂失效的影响;2)腐蚀引起的套管强度减弱;3)接头螺纹受力不均性分析;4)套管密封结构的高压气体泄漏率定量计算。首先,鉴于压力温度的耦合作用,采用双重迭代试算法结合热力学和传热学理论,得到井筒内压力、温度沿井深方向的分布情况,并依据CO2/H2S分压比推荐使用不同的腐蚀速率计算预测模型。其次,对螺纹脱扣、接头断裂和螺纹牙剪切破坏的失效机理进行研究,由API圆螺纹、API偏梯形螺纹以及特殊螺纹套管接头加工参数,计算得到三种失效形式在各扣型中的发生情况及其相应临界载荷。同时,对整个套管接头的螺纹牙啮合建立物理力学模型和变形协调方程,从而得到套管接头螺纹受力不均的理论依据和定量计算方法。再次,采用Monte Carlo随机抽样方法模拟得到服从正态分布的密封面粗糙度轮廓曲线,借助分形理论研究不同加工精度下的粗糙轮廓曲线共性,建立通用的密封面分形接触模型,应用接触力学和流体力学将密封面预紧力、表面粗糙度以及套管接头密封结构尺寸与气体泄漏率联系起来,推导出特殊螺纹套管接头主密封面的气体泄漏率计算公式。最后,在对高压气井套管柱进行可靠度计算时,载荷时变性主要考虑井筒内气体压力产生的内压载荷和围岩蠕变引起的外挤载荷随时间变化的规律,强度随机性则考虑套管属性参数的分布形式和概率密度,而套管强度时变性则由CO2/H2S腐蚀对管壁减薄和管体缺陷深度增加造成,综合考虑井深方向上压力、腐蚀速率、套管属性和地层岩性的差异,依据二分法思想对套管柱可靠度基本计算单元进行时空划分,采用结构时变可靠性理论和概率论方法结合气井生产实际,最终建立高压气井套管柱服役期内的随机时变可靠度计算模型。上述研究在总结规律的同时更加注重理论计算公式的寻求和推导,目的就是希望可以通过计算机编程实现复杂的套管柱时变可靠度计算,现场操作人员仅需要输入套管当前真实工作状态参数,就可以对服役期内套管柱的安全可靠性进行初步评估预测,从而为气田的安全开采提供一定参考帮助作用。在此思想的指导下,最终完成了具有友好用户界面和便捷操作方式的“高压气井套管柱时变安全可靠性评估”软件。