标准规范下载简介：

内容预览由机器从pdf转换为word，准确率92%以上，供参考

SY／T 7456-2019 油气井套管柱结构与强度可靠性评价方法

5.2.5当管柱强度标准值及其随机分布参数、载荷标准值及其随机分布参数均确定时，可依据附录B 中规定完全采用基于可靠指标的方法进行设计和分析。当条件不具备时，可采用半经验法进行可靠性 分析；当强度随机参数不确定时，可参照ISO10400:2007（APITR5C3）附录F中规定进行计算；载 荷随机分布参数无法准确确定时，可采用载荷标准值乘以安全系数作为可靠性分析的载荷值

6.1管柱结构（构件）抗力标准值及其分布

管柱结构（构件）抗力的概率分布宜采用正态分布或对数正态分布。不同钢级和规格的套管宜 根据生产厂家的产品线数据确定其抗力标准值及其偏差值。当观测或实验数据不足时，对于具体的参 数，如统计均值和标准差等，可结合工程经验或小样本法分析判断。管柱结构抗力由材料性能、几何 尺寸等参数共同决定。

管柱材料参数主要包括弹性模量、泊松比、屈服强度等，相应的标准值（名义值）应根据相关 试验方法确定。 材料的性能应采用随机变量概率模型描述。相关性能的各种统计参数和概率分布函数GB 15269.2-2011 雪茄烟 包装标识，应以试 为基础，运用参数估计和概率分布的假设检验方法确定。

SY/T 74562019

当观测或实验数据不足时，对于具体的参数，如统计均值和标准差等，可结合工程经验或小样本 法分析判断。部分相关统计结果可参考表B.2

管柱结构（构件）的几何参数宜采 率模型描述。相应的统计参数和分布类型应 尺寸的测试数据为依据，通过参数估计和概率分布假设检验法确定。 实际测量数据不足或测量困难时，几何参数的统计参数可根据有关标准中规定的公差，结合 验或小样本法分析判断。部分相关统计结果可参考表B.2。

7管柱结构上的作用分析

7.1管柱结构上作用的相关性处理

管柱结构（构件）上的各种作用， 若在时间和空间上相互独立时，每一种作用可按对结构单独作 用考虑；当某些作用密切相关，并且经常以最大值出现时，可将其按一种作用考虑。

7.2管柱结构作用的分类及求取

当前管柱结构（构件）可靠性分析中，各种外载按照静态作用确定，载荷组合可参照表B.1。对 于随时间和空间变化的作用，如岩层蠕变作用，可按照最终稳定值计算。 具体设计与校核时，静态载荷可直接采用标准值作为代表值，也可参考表B.2，采用实际均值与 标准值比值的形式间接求取（宜采用标准值乘以表B.3中对应的数值）。 在不能准确确定作用参数时，应对作用参数给出上下限范围，并进行比较以确定不利的作用效应， 应采用管柱力学分析每一工况作用出现的空间位置、大小和方向，分析确定对结构最不利的载荷条件。

施加在管柱结构（构件）上的载荷采用随机过程概率模型描述。如套管外挤载荷通常符合正态分 布类型，通过概率分析估计模型参数。 当观测或实验数据不足时，对于具体的参数，如统计均值和标准差等，可结合工程经验或小样本 法分析判断。

7.4作用相关材料和几何参数

作用相关材料和几何参数是作用效应的重要影响因素。材料方面，钻井阶段主要包括钻井液或泥 浆液密度等；生产阶段主要包括：地层弹性模量、泊松比、内摩擦角等地应力参数。几何方面主要包 含井眼约束、水泥环等有关参数。这些参数应根据有关标准试验方法确定。 地层和水泥材料参数宜采用随机过程概率模型描述，一般符合正态分布。在统计数据充足时宜采 用参数估计和概率分布的假设检验方法。数据较少或无法测量时，可结合工程经验或小样本法分析判 断。部分统计结果可参见表B.2。

可根据作用形成的机理，建立适当的数学模型来表征作用的大小、位置、方向和持续期等 构上的作用F，可采用下列数学模型

F=d(Fo, W) ..........................

F=d(Fo. W)

SY/T Z4562019

8.1管柱结构分析内容、方法及要求

管柱结构（构件）分析内容包括： a）结构作用效用的分析，用于确定结构或截面上的作用效应。 b）结构抗力的分析，用于确定结构或截面的抗力。 结构分析可采用模型计算、模型试验或原型试验等方法，针对管柱结构可靠性分析宜采用模型计 算法，以模型或原型试验完成必要的验证。结构分析使用的基本假设和计算模型应能充分反映所考虑 极限状态下的结构响应。 传统安全系数设计法要求结构（构件）的最低抗力值不能低于外部最大载荷效应值，并使用安全 系数来表征结构（构件）的安全裕度，安全系数S定义为：

许用应力法【即确定公式（5）中的抗力值】是油气井管柱设计与分析中常用的方法，在设计和 分析中运用管柱最小承载能力描述，通常基于管柱材料的弹性极限；载荷的计算由设计操作者结合载 荷设计准则和工程经验获得，确定性的许用应力法设计和分析的流程如图1所示。 本标准规定的管柱结构与强度可靠性评价方法是在管柱极限状态分析的基础上，考虑管柱强度、 尺寸及服役载荷等变量的随机性，定量评价管柱服役安全性，建立管柱安全可靠度与安全系数的联 系。套管柱结构与强度可靠性分析方法宜采用以概率理论为基础、以分项系数表达的极限状态分析方 法，是采用许用应力或安全系数等确定性方法的补充。

图1管柱许用应力设计和分析方法

8.2管柱可靠性评估所需资料

SY/T Z4562019

管柱可靠性评估所需资料涉及套管在设计、生产和使用过程中相关的数据，应包括相应的名义参 数及概率分布数据。套管设计研制数据包含套管材料性能、几何尺寸及螺纹接头结构的基础数据，为 套管抗力计算提供科学依据；套管生产制造数据包含套管产品线质量控制数据，可动态反映套管的设 计和制造水平；套管使用数据包括套管使用过程的工艺设计、现场操作及井下服役条件等数据，为套 管作用计算提供依据，直接反映套管服役的可靠性水平。管柱可靠性分析所需要的资料可参考表1。

表1管柱可靠性评估所需资料

8.3管柱结构可靠性分析过程

8.3.1总体分析流程

管柱结构的可靠度水平是在明确管柱极限状态的基础上，通过可靠性分析方法计算获得。管柱可 靠性分析宜与基于安全系数的传统设计分析方法相结合，并应根据工程经验对分析结果进行判断，可 靠性计算分析的思路如图2所示。 管柱可靠性设计与分析中，考虑载荷作用与承载性能的随机性，即载荷和性能参数均为不确定 和变化的。管柱载荷和性能认为是服从统计分布的随机变量。管柱性能的分布可以通过检测数据分析 较方便地得到。管柱载荷的分布特征较难获得，载荷作用可采用基于统计分析的极限经验值，设置为 基于应用载荷数据集的缺省值，应用半经验法可靠性设计与分析（套管载荷为确定值）；在数据条件 允许时，管柱载荷可充分考虑不确定性因素，给予一定的分布函数描述，应用完全法可靠性设计与分 析，如图3所示。

SY/T74562019

图2管柱可靠性分析思路

图3管柱可靠性设计与分析的经验法与完全法

管柱可靠性设计与分析的流程如图4所示，通过考虑管柱载荷作用和承载性能的分布特征（在经 验法可靠性设计与分析中，仅考虑管柱承载性能的分布函数，不考虑载荷的不确定性和分散性），可 发现管柱载荷超过承载性能的情况，计算出管柱的失效概率，与管柱的可靠度相对应。

图4管柱可靠性设计与分析流程

8.3.2套管柱结构与强度极限状态计算模型

套管柱结构与强度极限状态可按照油气井服役周期的钻完井阶段和生产阶段分别分析，计算 模型参见附录B。钻完井阶段的管柱结构强度 按照SY/T5724[可参见公式（B.2）至公式 (B.10)]。生产阶段的管柱结构强度和载荷可参 B【可参见公式（B.12）至公式（B.14)]。生产 阶段管柱可靠性分析可考虑服役过程管柱强 成效应[可参见公式（B.15）1

油气并管柱结构可靠性设计、分析与评价方法推荐采用分项系数法（参考ISO2394和GB 50153一2008），分项系数的统一表达方式如下

="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。 管柱结构的抗力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力和作用相同 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

8.3.4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

当管柱作用和抗力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力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，套管柱所承受应力超过了其抗挤、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即为套管承载能力 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力及强度历程，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力，可认为套管受力为均匀外载，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有效外挤压力标准值S计算方法（塑性蟠变地层）：

B.1.2.3有效内压力标准值Si²计算方法

B.1.2.4有效拉力标准值S，计算方法

图B.1套管服役全周期应力载荷变化示意图

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。

HJ 2519-2012 环境标志产品技术要求 水泥表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

TB/T 3149-2007 铁路液压组合式作业机械技术条件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