李明飛,竇益華,曹銀萍,于洋

(西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院,陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著射孔技術(shù)和射孔工藝的進步,射孔穿深不斷增加,應(yīng)用原射孔技術(shù)無法獲得工業(yè)油氣流的儲層可通過重復(fù)射孔獲得再生。為了解重復(fù)射孔套管抗外擠強度安全性,為生產(chǎn)過程中套管安全控制提供關(guān)鍵參數(shù),需要分析重復(fù)射孔套管的抗外擠剩余強度。

1995年,楊學(xué)文等[1]最早提出了重復(fù)射孔的概念并實施。王旱祥等[2]分析了新、舊2孔不同位置對篩管剩余強度的影響,篩管采用環(huán)向均勻布孔,重復(fù)射孔具有隨機性,與套管射孔的螺旋布孔方式不同,將影響射孔套管的力學(xué)特性。鄭子君等[3]采用有限元方法,分析了重復(fù)射孔對套管抗外擠強度的影響,主要考察了相對角度和相對距離對射孔套管剩余強度的影響。劉鐵牛[4]、徐道臨[5]等主要研究射孔孔邊開裂套管和復(fù)雜載荷作用下射孔套管的剩余強度。近期研究熱點主要包括:①孔眼缺陷、結(jié)構(gòu)完整性與塑性變形、材料加工硬化對套管屈曲強度的影響規(guī)律分析[6];②射孔沖擊相變對射孔套管抗擠性能的影響[7],為較新的思路和想法,但是沒有考慮孔邊裂紋的影響,未考慮井下高溫高壓的實際工況,界定相變寬度時與真實情況會略有偏差,影響計算精度;③定面射孔套管結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)分析及應(yīng)用[8];④射孔套管剩余抗擠能力分析[9],考慮了孔邊塑性區(qū)對套管抗外擠強度的影響,與賈曦雨等人[7]的研究角度有相似之處,但沒有給出計算公式;⑤射孔套管抗外擠壓模擬試驗研究[10]。國外有關(guān)重復(fù)射孔的文獻,主要為射孔后炸藥的二次清孔爆炸,對孔內(nèi)堵塞的清孔作用[11],不是真正意義的重復(fù)射孔[12]。岳艷芳等[13]綜合考慮內(nèi)外壓、油層出砂及套管自重等因素,運用斷裂力學(xué)理論和有限元法分析射孔段套管的應(yīng)力,分析其強度安全性。竇益華等[14]分析在內(nèi)壓、外壓與軸向力共同作用下,不同射孔參數(shù)對套管抗內(nèi)壓強度的影響,以此優(yōu)選出最佳的射孔參數(shù)。唐汝眾等[15]分析了套管Mises應(yīng)力分布,重點研究了不同孔徑、射孔密度和相位角的套管最大Mises應(yīng)力,得出最大應(yīng)力與孔徑、射孔密度和相位角間的關(guān)系。陳威等[16]采用ANSYS方法,重點研究了不同徑、孔密和相位角下套管的最大Mises應(yīng)力,得出最大應(yīng)力與孔徑、孔密間和相位角間的關(guān)系。

為了解重復(fù)射孔套管抗外擠強度安全性,為生產(chǎn)過程中套管安全控制提供關(guān)鍵參數(shù),本文以常用5in×9.17 mm的P110套管為例,采用16孔/m、90°相位角、10 mm孔徑射孔,應(yīng)用ANSYS分析軟件建立重復(fù)射孔套管有限元模型,用強化Mises屈服準(zhǔn)則為套管模型分配材料屬性,應(yīng)用映射法劃分網(wǎng)格,在射孔邊緣10倍細(xì)化網(wǎng)格,并進行了網(wǎng)格無關(guān)性測試?？紤]重復(fù)射孔孔眼和原射孔孔眼沿軸向、沿螺旋線、沿周向相切3種不利分布,分析外壓作用下重復(fù)射孔套管的剩余強度。

1 重復(fù)射孔段套管有限元模型建立

如圖1所示,在ANSYS中建立長度為500 mm的套管三維模型,對套管管體進行網(wǎng)格劃分,對孔眼處進行局部網(wǎng)格10倍細(xì)分。選用SOLID185八節(jié)點六面體實體單元。套管模型采用強化的Misies屈服準(zhǔn)則作為破壞準(zhǔn)則。射孔段套管的一端為固定端約束,另一端施加x和y向約束,不限制軸向位移。模型共有35 656個單元、49 865個節(jié)點。

圖1 重復(fù)射孔套管有限元模型

2 新舊孔軸向分布時孔距對套管抗外壓強度的影響分析

圖2為新孔沿舊孔軸向分布示意圖。AA′為套管的軸線,BB′為套管的環(huán)向線。圖2中b、d端點處的2孔為初次射孔形成的同一螺旋線上臨近的孔眼。假設(shè)重復(fù)射孔孔眼分別位于孔1～孔5的位置。通過計算5種不同布孔方式的管體最大等效應(yīng)力分布情況,分析新舊孔軸向分布時孔距對套管抗外壓強度的影響。

圖2 沿軸向重復(fù)射孔示意圖

圖3為新舊孔沿軸向不同中心距重復(fù)射孔示意圖。試算發(fā)現(xiàn),完全相切時,有限元計算會出現(xiàn)畸變,計算不收斂,無法得到分析結(jié)果,故最近的2孔之間取相距11 mm,近似代替相切的情形。由表1可以發(fā)現(xiàn),圖3(b)至圖3(e)的4種重復(fù)射孔后套管的最大等效應(yīng)力均高于初次射孔時套管的最大等效應(yīng)力,隨著孔距增加,等效應(yīng)力值呈減小趨勢。說明2孔越近,強度降低越多。

為考察射孔后套管抗外壓強度的變化,以套管首次出現(xiàn)屈服點時所施加的外壓值為參考點(見圖4)。圖5和圖6所示,只列出了新舊孔相距11 mm和30 mm重復(fù)射孔套管的應(yīng)力云圖,從中提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)點,表2為新舊孔之間采用不同中心距布孔時套管出現(xiàn)屈服點時的外壓值,可以看出,與初次射孔相比,重復(fù)射孔后套管承受的最大外壓進一步降低,5組數(shù)據(jù)取平均值,平均下降10.71%,軸向近似相切為最不利分布,套管剩余強度最大降低15.17%。

表1 不同中心距軸向重復(fù)射孔套管等效應(yīng)力最大值

圖3 不同軸向中心距重復(fù)射孔示意圖

圖4 初次射孔套管應(yīng)力云圖及局部放大圖

圖5 軸向中心距11 mm重復(fù)射孔套管應(yīng)力云圖及局部放大圖

圖6 軸向中心距30 mm重復(fù)射孔套管應(yīng)力云圖及局部放大圖

表2 不同中心距軸向重復(fù)射孔套管外壓對照表

圖9 新舊孔環(huán)向相距11 mm應(yīng)力云圖及局部放大圖

3 新舊孔環(huán)向分布時孔距對套管抗外壓強度的影響分析

圖7為新舊孔沿環(huán)向重復(fù)射孔示意圖。圖8為新孔與舊孔的中心距離(孔距)為11 mm、環(huán)向角為10°、30°、45°、60°、80°與85°示意圖。圖8(a)中新、舊孔之間中心距離為11 mm,此時新、舊孔邊緣距離1 mm,近似相切。通過計算7種不同布孔方式管體最大等效應(yīng)力的分布情況,分析新舊孔環(huán)向分布時孔距對套管抗外壓剩余強度的影響。如表3所示,重復(fù)射孔后施加相同載荷,得到的套管的最大等效應(yīng)力,據(jù)此計算套管的安全系數(shù),反算得到剩余強度降低值。重復(fù)射孔后套管的最大等效應(yīng)力均高于初次射孔時套管的最大等效應(yīng)力,隨著孔距增加,等效應(yīng)力值呈減小趨勢。說明孔距越近,強度降低越多。

圖7 環(huán)向重復(fù)射孔示意圖

圖8 不同環(huán)向角重復(fù)射孔示意圖

為了考察射孔后套管抗外壓強度的變化,以出現(xiàn)屈服點時所施加的外壓值為參考點。圖9和圖10列出了新舊孔環(huán)向中心距11 mm和60°重復(fù)射孔套管的應(yīng)力云圖,從中提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)點,可以看出,與初次射孔相比,重復(fù)射孔后套管承受的最大外壓進一步降低,7組數(shù)據(jù)取平均值,平均下降12.32%,環(huán)向近似相切為最不利分布,套管剩余強度最大降低16.35%。從圖9和圖10還可以看出,孔眼軸向處的應(yīng)力明顯大于孔眼環(huán)向處的應(yīng)力。

表3 不同環(huán)向角復(fù)射孔套管等效應(yīng)力最大值

圖10 新舊孔環(huán)向相距角60°應(yīng)力云圖及局部放大圖

新舊孔環(huán)向角/(°)初次射孔外壓/MPa重復(fù)射孔外壓/MPa外壓降低/%542.235.316.351042.236.513.513042.236.912.564542.237.710.666042.239.66.168042.238.88.068542.238.68.53

圖12 孔1布孔方式射孔套管應(yīng)力云圖及局部放大圖

4 新舊孔沿螺旋線分布時孔距對套管抗外壓強度的影響分析

圖11為新舊孔沿螺旋線重復(fù)射孔示意圖。依據(jù)螺旋線軌跡,經(jīng)計算得到孔1至孔5的依次相對坐標(biāo):孔1距離舊孔邊緣1 mm;孔2軸向上升20 mm,環(huán)向角右偏30°;孔3軸向上升30 mm,環(huán)向角右偏45°,孔4軸向上升40 mm,環(huán)向角右偏60°;孔2軸向上升50 mm,環(huán)向角右偏75°。計算5種不同布孔方式的管體最大等效應(yīng)力的分布情況,分析新舊孔螺旋線分布時孔距對套管抗外壓剩余強度的影響。

初次射孔后施加載荷,套管的最大等效應(yīng)力為613 MPa。沿螺旋線重復(fù)射孔數(shù)值分析過程,圖12、圖13列出了孔1和孔4的重復(fù)射孔套管的應(yīng)力云圖。由表5可以發(fā)現(xiàn),重復(fù)射孔后套管的最大等效應(yīng)力均高于初次射孔時套管的最大等效應(yīng)力,隨著孔距增加,等效應(yīng)力值呈減小趨勢。說明孔距越近,強度降低越多。

表5 不同環(huán)向角復(fù)射孔套管等效應(yīng)力最大值及安全系數(shù)

圖13 孔3布孔方式射孔套管應(yīng)力云圖及局部放大圖

為了考察射孔套管抗外壓強度的變化,以出現(xiàn)屈服點時所施加的外壓值為參考點。表6為新舊孔之間采用不同中心距布孔時,套管出現(xiàn)屈服點時的外壓值,可以看出,與初次射孔相比,重復(fù)射孔后套管承受的最大外壓進一步降低,5組數(shù)據(jù)取平均值,平均下降11.28%,螺旋向近似相切為最不利分布,套管剩余強度最大降低15.88%。由圖12和圖13中重復(fù)射孔段套管的應(yīng)力云圖還可以看出,孔眼軸向處的應(yīng)力明顯大于孔眼環(huán)向處的應(yīng)力。

表6 不同中心距螺旋線向重復(fù)射孔套管外壓對照表

5 結(jié)論與建議

(1)應(yīng)用ANSYS有限元軟件,首次考慮重復(fù)射孔不利分布的沿軸向、螺旋線、周向相切3種情況,進行了外壓作用下重復(fù)射孔最不利分布的對比分析。

(2)3種不利分布重復(fù)射孔套管強度平均降低約11.43%,重復(fù)射孔孔眼和原射孔孔眼環(huán)向相切為最不利分布,強度降低16.35%。

(3)實際生產(chǎn)中,應(yīng)重視重復(fù)射孔對套管強度降低,如保守設(shè)計,強度降低幅度可取最大值16.35%;如一般設(shè)計,強度降低幅度可取平均值11.43%。