射孔對(duì)套管強(qiáng)度的影響

射孔對(duì)套管強(qiáng)度的影響劉雪梅張德瑜鄒家林摘要：本文以彈塑性力學(xué)的有限元法為根本理論，采用大型通用有限元軟件ANSYS，建立射孔參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，針對(duì)不同的套管尺寸、布孔方式進(jìn)行分析射孔對(duì)套管損壞的影響。結(jié)合套管強(qiáng)度理論對(duì)有限元模擬結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)，分析研究結(jié)果為射孔段套管柱的合理設(shè)計(jì)選擇提供了一定的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：有限元套管射孔ThestrengthofthecasingfortheperforatingAbstract:Basedonthefiniteelementmethodoftheelastic-plasticmechanicsforbasictheories,usinglargegeneralfiniteelementsoftwareANSYS,establishperforationparametersoptimizationdesignmodel,inviewofthedifferentcasingsize,clothanalysisofperforatingholewaytheinfluenceofthecasingdamage.Combinedwiththestrengththeorytothefiniteelementsimulationresultswereanalysed,theresearchresultforperforatingcasingstringsectionofthereasonabledesignchoicetoprovideatheorybasis.KeyWord:FiniteElementAnalysiscasingperforating長(zhǎng)期以來(lái)油田對(duì)射孔作業(yè)后套管強(qiáng)度降低程度沒有足夠的認(rèn)識(shí)，雖然經(jīng)過(guò)射孔后套管強(qiáng)度有所減弱，但未掌握明確的數(shù)量概念。因此，在缺乏科學(xué)分析的前提下，在現(xiàn)有套管設(shè)計(jì)中很難將射孔造成套管強(qiáng)度降低這一因素考慮進(jìn)去，造成了射孔段套管實(shí)際承載能力低于設(shè)計(jì)能力，這可能是導(dǎo)致油層套管損壞率較高的不可無(wú)視的原因之一。所以研究射孔對(duì)套管強(qiáng)度影響，對(duì)提高油〔水〕井的使用壽命是很有意義的。含射孔的套管承載能力研究可分為兩類：一類是由外擠壓力引起射孔套管失穩(wěn)破壞；另一類是由軸向力、套管內(nèi)外壓或組合載荷作用下引起的套管強(qiáng)度破壞。針對(duì)這兩種情況，利用有限元方法分析射孔套管的應(yīng)力場(chǎng)，根據(jù)極限強(qiáng)度理論，分析在外擠壓力作用下射孔套管的抗擠壓強(qiáng)度。1套管的三維有限元模型1.1研究類型確實(shí)定利用有限元分析軟件—“ANSYS〞著重分析研究了4?″套管：鋼級(jí)J55，壁厚為5.21mm在以下兩種情況下的內(nèi)容：(1)針對(duì)J55-5.21套管的射孔段，分別以一種射孔參數(shù)組合，在不同均勻外壓條件下的應(yīng)力場(chǎng)分析研究；(2)以上規(guī)格套管，分別以不射孔、射孔研究對(duì)象，按照實(shí)驗(yàn)的加載方式建立模型，進(jìn)行壓屈條件下的分析研究。1.2建立模型的原那么由油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和理論研究可知，為了提高射孔套管強(qiáng)度，一般選擇射孔孔眼為螺旋布孔。由于是螺旋布孔，從彈性力學(xué)結(jié)構(gòu)上講，不屬于對(duì)稱問題，因此建立有限元模型時(shí)，只能按實(shí)際的三維空間問題建模。套管壁厚與其外徑相比，相對(duì)較小，因此按彈性力學(xué)理論，可以將套管按板殼理論模型分析研究其力學(xué)問題。另外，為了保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，特別注意了端部約束效應(yīng)的影響，選取足夠長(zhǎng)度的套管為分析對(duì)象，徑長(zhǎng)比必須大于0.125-0.1。利用圣維南原理[1]處理分析結(jié)果。1.3根本假設(shè)分析過(guò)程中進(jìn)行了如下假設(shè)：(1)忽略套管的橢圓度；(2)整個(gè)孔眼都是圓柱的，孔眼的直徑、長(zhǎng)度均分別相等，不考慮孔邊毛刺及裂紋的影響。(3)設(shè)所射孔眼均未堵塞，射孔孔眼不存在偏心，孔眼中心軸線與套管軸線垂直并相交。1.4計(jì)算邊界條件位移邊界條件：套管兩端均為固支；載荷邊界條件：射孔套管受均勻外壓作用；1.5射孔套管的幾何參數(shù)模型選擇射孔參數(shù)及布孔方式：射孔孔徑8mm、10mm、12mm、……、22mm；相位角30°、45°、60°、90°、120°、180°；孔密8孔／m、10孔／m、12孔／m、……、32孔／m；螺旋形布孔。套管機(jī)械性能如表1表1套管機(jī)械性能鋼級(jí)楊氏模量Es〔Pa〕剪切模量G〔Pa〕泊松比u屈服強(qiáng)度〔MPa〕最小最大J552.06E+1178.5E+90.3379552N802.06E+1178.5E+90.3552758P1102.06E+1178.5E+90.37589651.6建立模型本計(jì)算中以4?″套管為例，針對(duì)不同的鋼級(jí)壁厚、不同的射孔參數(shù)組合，在不同的環(huán)境條件〔不同內(nèi)外壓〕下，進(jìn)行建模分析研究。以J55-5.21套管，布孔方式為孔徑10mm、孔密10孔/m、相位角90°為例，其實(shí)體模型如圖1，網(wǎng)格劃分模型如圖2。圖1J55-5.21孔徑10mm、孔密10孔/米、相位90°實(shí)體模型圖2J55-5.21孔徑10mm、孔密10孔/米、相位90°網(wǎng)格劃分模型2套管的三維有限元計(jì)算分析2.1鋼級(jí)、壁厚對(duì)射孔套管抗擠強(qiáng)度的影響選取外徑為114.3mm，分別不同鋼級(jí)、壁厚的套管，同一射孔參數(shù)射孔，射孔參數(shù)為孔密10孔/米，相位角90°，射孔孔眼直徑為10mm，計(jì)算在外壓為10MPa時(shí)，各型號(hào)套管以相同射孔參數(shù)射孔后套管抗擠強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果見表2。表2不同套管型號(hào)射孔前后抗擠強(qiáng)度外徑(mm)鋼級(jí)壁厚(mm)屈服強(qiáng)度(MPa)射孔前抗擠強(qiáng)度(MPa)射孔后抗擠強(qiáng)度(MPa)強(qiáng)度降低程度〔%〕114.3J555.2138022.8021.734.71114.3J555.6938027.6425.168.97114.3J556.3538034.2028.3617.08114.3N806.3555043.8041.156.04114.3N807.3755058.9048.3517.90114.3P1106.3575852.3048.637.02114.3P1107.3775873.6066.329.89114.3P1108.5675898.975.3123.8外徑〔114.3mm〕、壁厚相同〔6.35mm〕時(shí)，不同鋼級(jí)套管射孔后抗擠強(qiáng)度變化以及強(qiáng)度降低程度見圖3。從圖3中可以看出，其它參數(shù)一定，射孔后套管的抗外擠強(qiáng)度隨著管材鋼級(jí)的增加〔主要是屈服強(qiáng)度的提高〕而增加，射孔后各鋼級(jí)套管強(qiáng)度均降低，但強(qiáng)度降低程度隨鋼級(jí)增大而減小。因此，為了保證射孔套管的抗外擠強(qiáng)度，可以選取高鋼級(jí)套管。圖3相同壁厚不同鋼級(jí)射孔套管抗擠強(qiáng)度圖4射孔后相同鋼級(jí)不同厚度射孔套管抗擠強(qiáng)度外徑取114.3mm、鋼級(jí)取J55時(shí)，不同厚度套管射孔后抗擠強(qiáng)度變化以見圖4。從圖4可以看出，射孔后套管抗擠強(qiáng)度隨著壁厚的增加而增大，因此為了提高射孔套管的抗擠強(qiáng)度，可以選用厚壁套管。2.2射孔參數(shù)對(duì)套管強(qiáng)度的影響分析射孔參數(shù)主要有孔眼直徑、孔密、相位角等，射孔參數(shù)的選擇對(duì)今后油氣開采有很重要影響，孔徑、孔密越大，越有利于油氣流入井筒以獲得較高的產(chǎn)量，而孔徑、孔密過(guò)大、相位角不同必然會(huì)影響套管強(qiáng)度，造成套管損壞而得不償失。以API標(biāo)準(zhǔn)套管J55-5.21為例，采用螺旋布孔方式，通過(guò)改變射孔參數(shù)來(lái)計(jì)算分析其對(duì)套管強(qiáng)度的影響?！?〕射孔孔徑的影響固定孔密〔10孔/米〕、相位角〔90°〕、外壓為10MPa，模擬不同孔徑的套管射孔后強(qiáng)度變化，計(jì)算結(jié)果見表4、圖5所示。從表4和圖5可以看出，當(dāng)相位角、孔密一定時(shí)，隨著孔徑的增加，射孔套管的抗擠強(qiáng)度減小，套管的強(qiáng)度降低程度增大，但是降低的程度非常低，尤其在10mm到16mm段，降低的程度不超過(guò)5.5%，所以孔徑的增大對(duì)強(qiáng)度影響非常微弱，幾乎可以忽略，但從16mm到22mm變化時(shí)，強(qiáng)度降低程度相對(duì)之前有所變大。為了獲得高的油氣產(chǎn)能比，在射孔時(shí)盡可能采用大孔徑，考慮套管強(qiáng)度降低程度，所以可以選擇12mm或16mm孔徑。表4不同孔徑套管抗擠強(qiáng)度影響孔徑〔mm〕未射孔抗擠強(qiáng)度〔MPa〕射孔后抗擠強(qiáng)度〔MPa〕強(qiáng)度降低程度〔%〕622.821.784.46822.821.764.551022.821.734.711222.821.694.871422.821.645.091622.821.565.451822.821.296.642022.820.918.272222.820.3210.86圖5孔徑與套管強(qiáng)度降低程度的關(guān)系〔2〕射孔孔密的影響外壓為10MPa、射孔孔徑16mm、相位90°，改變孔密〔8孔/米~32孔/米〕，計(jì)算射孔后套管強(qiáng)度降低程度，如表5和圖6所示。從表5和圖6中可以明顯看出：改變孔密對(duì)套管強(qiáng)度的影響比改變孔徑的影響大，隨著孔密的增加，套管的強(qiáng)度降低程度增大，從8孔/米到12孔/米的強(qiáng)度降低程度增大了1.5個(gè)百分點(diǎn)；但是孔密從12孔/米到32孔/米到時(shí)，強(qiáng)度降低程度超過(guò)了20%，說(shuō)明在12孔/米以內(nèi)采取高孔密射孔對(duì)套管強(qiáng)度的影響不大，孔密超過(guò)了12孔/米強(qiáng)度降低比擬快。表5不同孔密對(duì)應(yīng)套管抗擠強(qiáng)度影響孔密〔孔/m〕未射孔抗擠強(qiáng)度〔MPa〕射孔后抗擠強(qiáng)度〔MPa〕強(qiáng)度降低程度〔%〕822.821.724.731022.821.565.451222.821.386.241622.820.808.782022.820.1211.772422.819.1216.132822.818.1720.293222.817.1924.62圖6孔密與套管強(qiáng)度降低程度的關(guān)系〔3〕射孔相位角的影響固定射孔孔密〔12孔/米〕、孔徑〔16mm〕，計(jì)算不同相位角套管射孔后強(qiáng)度下降值，計(jì)算結(jié)果如表6和圖7所示。表6J55-5.21套管不同射孔相位角時(shí)的強(qiáng)度相位角〔°〕未射孔抗擠強(qiáng)度〔MPa〕射孔后抗擠強(qiáng)度〔MPa〕強(qiáng)度降低程度〔%〕3022.820.997.934522.821.137.326022.821.256.789022.821.386.2412022.820.958.1318022.820.2811.04圖7抗擠壓強(qiáng)度與相位角的關(guān)系從表6和圖7中可以看出，相位角從30°到90°變化，強(qiáng)度降低程度隨相位角的增加而逐漸降低；從90°到120°變化時(shí)，強(qiáng)度降低程度隨相位角的增加而逐漸增大。在90°相位角的時(shí)候射孔對(duì)套管的抗擠強(qiáng)度影響最小，其次是60°，影響最大的為180°。通過(guò)分析可知，孔徑和孔密增大使套管抗擠強(qiáng)度下降，其中孔密對(duì)套管抗擠強(qiáng)度影響最大；相位角在180°時(shí)，套管抗擠強(qiáng)度最低，在90°時(shí)，套管抗擠強(qiáng)度最高，其次是60°。從各自下降程度上看，采用孔徑16mm、孔密在12孔/m、相位角90°〔也可60°〕對(duì)套管強(qiáng)度影響最小。3小結(jié)本研究建立了射孔套管的的力學(xué)模型，在此力學(xué)模型的根底上，利用有限元分析軟件——“ANSYS〞對(duì)不同鋼級(jí)壁厚的套管，在不同的射孔狀況和外界條件下，進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析，求解壓屈條件下套管強(qiáng)度降低情況。通過(guò)分析計(jì)算可知，可得到如下結(jié)論：〔1〕選取高鋼級(jí)或高強(qiáng)度套管、增加套管壁厚能有效提高射孔后套管的抗擠強(qiáng)度，從而延長(zhǎng)套管使用壽命?！?〕射孔孔密和相位角一定時(shí)，隨著孔徑的增加，射孔套管的抗擠強(qiáng)度減小，套管的強(qiáng)度降低幅度不大。為了獲得高的油氣產(chǎn)能比，在射孔時(shí)盡可能采用大孔徑，考慮套管強(qiáng)度降低程度，推薦孔徑12mm~16mm?！?〕孔徑和相位角一定時(shí)候，隨著射孔孔密的增加，套管抗擠強(qiáng)度降低，套管的強(qiáng)度降低程度增大，在16孔/米以內(nèi)采取高孔密射孔對(duì)套管強(qiáng)度的影響不大,孔密超過(guò)了16孔/米強(qiáng)度降低比擬快?！?〕射孔孔密和孔徑一定時(shí)候，射孔套管的抗擠強(qiáng)度在不同的變化區(qū)間變化趨勢(shì)有所不同，相位角在90°時(shí)，套管的抗擠強(qiáng)度最大，強(qiáng)度降低程度最小，其次是60°，最差180°，推