套管均勻加載變形仿真研究

郝曉良++雷蕾++牛朋

摘 要：作為油田資產(chǎn)中最重要的一部分，油套管的工作狀態(tài)直接影響作業(yè)者能否有效達(dá)成生產(chǎn)目標(biāo)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，油套管服役后受多種因素的共同影響而發(fā)生不同形式的變形乃至損傷，因此，一個(gè)良好的油套管服役對(duì)提高油田井網(wǎng)利用效率、保持注采平衡具有重要意義。借助有限元分析軟件ANSYS對(duì)套管均勻承載、失穩(wěn)臨壓、橢變等不同條件下的變形規(guī)律進(jìn)行仿真模擬研究，可得到油套管不同狀態(tài)下受力變形規(guī)律，用于指導(dǎo)油田生產(chǎn)管柱的設(shè)計(jì)與損傷預(yù)防。

關(guān)鍵詞：套管變形 均勻載荷 有限元仿真

中圖分類號(hào)：TE931.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（c）-0085-01

隨著海上油田開發(fā)不斷深入，受地質(zhì)條件、井身結(jié)構(gòu)油套管質(zhì)量、開發(fā)措施等因素的影響[1]，油套管腐蝕變形已成為海上油田正常生產(chǎn)的最大影響因素。練章華[2]、孫姜瑞等[3]對(duì)油套管損傷軟件、有限元仿真流程和井下套管彎曲變形的力學(xué)模型進(jìn)行了大量的研究，該研究者在前人研究的基礎(chǔ)上采用數(shù)值模擬ANSYS軟件對(duì)油套管失穩(wěn)臨界壓力、彎曲變形、均勻承載、橢圓承載和單面擠壓等進(jìn)行了仿真研究，該文主要對(duì)均勻承載條件下載荷、壓力與位移的變化關(guān)系進(jìn)行研究，分析油套管均勻載荷下變形損傷規(guī)律。

1 有限元模型處理

根據(jù)均勻載荷下套管結(jié)構(gòu)對(duì)稱載荷對(duì)稱的特點(diǎn)，可建立套管受力的軸對(duì)稱有限元模型[4]。采用有限元仿真模擬的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)實(shí)際需要，在應(yīng)力和應(yīng)變較大區(qū)域加大有限元密度即將模型無限小化來最大程度的提高仿真計(jì)算結(jié)果的可靠性。在試驗(yàn)?zāi)M時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，油套管受壓時(shí)其兩端與固定端存在較大摩擦力的束縛，導(dǎo)致模型不能自由側(cè)向膨脹進(jìn)而會(huì)對(duì)承壓強(qiáng)度的測量產(chǎn)生影響，即端部約束效應(yīng)。為避免端部約束效應(yīng)對(duì)套管承壓強(qiáng)度模擬的影響，戴揚(yáng)[5]等在對(duì)螺旋補(bǔ)孔射孔套管承載能力有限元分析中提出，試驗(yàn)分析模型需要足夠長，即：徑長比需大于1/8～1/10，才能克服端部效應(yīng)的影響，基于此，在試驗(yàn)?zāi)M中采用2m長的套管模型。根據(jù)油田常用完井所用套管，分別選用不同鋼級(jí)、不同尺寸的套管，如：J55-Ф139.7和N80-Ф139.7/Ф177.8，分不同情況在模型中部選取L≥10×D處施加均勻載荷進(jìn)行有限元仿真處理分析。

2 均勻加載仿真過程描述

通過對(duì)均勻加載條件下套管應(yīng)力及應(yīng)變過程模擬，可以看出：（1）隨套管承受的外部壓力的逐漸增大，套管套管等效應(yīng)力也隨之增大，且應(yīng)力逐漸向套管中部集中。（2）隨套管承受的外部壓力的逐漸增大，套管變形逐漸變大，并且在均勻承壓的套管上出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，且在套管加載面的與非加載面的臨界處，變形尤其明顯。

3 仿真結(jié)果分析與結(jié)論

3.1 仿真計(jì)算結(jié)果分析

通過有限元仿真模擬，可以得到不同套管在不同載荷情況下等效應(yīng)力與形變數(shù)據(jù)，圖1和圖2為J55-Ф139.7mm套管在均勻載荷下外壓與徑向位移、等效應(yīng)力與徑向位移的變化曲線。曲線拐點(diǎn)處即為套管彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)變時(shí)所受外力即此時(shí)套管的屈曲載荷及應(yīng)變量。

通過對(duì)常用J55套管（Ф139.7mm，壁厚7.72mm）的均勻加載仿真分析，可得到：（1）當(dāng)外載均勻壓力低于44.86MPa，徑向變形小于0.123 3mm，套管處于彈性變形階段；當(dāng)外載壓力達(dá)到44.86MPa，套管所受等效應(yīng)力大于套管屈服應(yīng)力極限379MPa達(dá)到了381.37MPa，發(fā)生塑性形變，但不影響套管正常工作。（2）當(dāng)外載均勻壓力大于78.47MPa，套管所受等效應(yīng)力基本為常量及517MPa，但徑向位移已經(jīng)超過套管正常工作時(shí)的允許位移11.491 5mm，套管損傷嚴(yán)重，需及時(shí)對(duì)套管進(jìn)行修復(fù)。（3）外載均勻壓力從44.86MPa增加到78.47MPa，為套管塑性形變損傷階段，該損傷在外力卸載后無法恢復(fù)至原始階段，會(huì)對(duì)后期作業(yè)及修井措施造成較大阻礙。

4 結(jié)語

（1）均勻載荷對(duì)套管變形影響非常明顯。（2）隨加載逐漸增大，承載套管的承載能力為一個(gè)階段性的變化過程：由線彈性形變到非線彈性形變，直至完全損壞。（3）在線彈性范圍內(nèi)，套管變形較小，不影響正常生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王兆水，黃煦，張向華.孤東油田套損主要因素探討[J].石油地質(zhì)與工程，2004（18）：84-85.

[2] 練章華，趙國珍，張先普，等.套管破壞的計(jì)算機(jī)仿真軟件研究[J].天然氣工業(yè)，1998（2）：35-38.

[3] 孫姜銳.石油套管彎曲變形的仿真分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2009（3）.

[4] 于桂杰，王瑞和，于永南，等.對(duì)稱載荷作用下的套管抗擠能力分析[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，31（5）：78-82.