楊紫曄,童 臨,張曉梅,王洋洋
(西安石油大學(xué),陜西 西安 710000)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和石油工業(yè)的發(fā)展,非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的力度不斷增加,各個(gè)油田的大斜度井、定向井和水平井部署數(shù)量都呈上升趨勢(shì)。由于大斜度 井的鉆井周期長(zhǎng)、摩阻大、鉆柱作用在套管上的側(cè)向力大等原因,套管磨損現(xiàn)象十分嚴(yán)重[1]。而大斜度井、水平井等存在彎曲井眼段,不同磨損程度對(duì)套管抗擠強(qiáng)度產(chǎn)生的影響不同。為此,本文采用有限方法,分析不同磨損程度對(duì)彎曲套管和直套管抗擠強(qiáng)度產(chǎn)生的影響,并總結(jié)規(guī)律,以求為套管設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供一定參考。
在大斜度井中,單根鉆桿的重量集中在鉆柱接頭處。由于井斜的原因,鉆柱緊貼到套管內(nèi)壁一側(cè),鉆柱接頭在套管壁面產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向接觸力FN,使得套管發(fā)生偏磨[2]。本文中套管偏磨使用“月牙形”模型,采用SolidWorks 軟件建立磨損后套管三維模型,如圖1 所示:
本文中“月牙形”模型采用偏磨率η,其定義為套管壁厚最大磨損量與原壁厚的比值,公式為:式中,Δt 為套管最大偏磨尺寸,mm;t 為套管原始壁厚,mm。
圖1 磨損后套管三維模型
建立的三維模型套管鋼級(jí)選用P110,套管外徑為244.5mm,套管原始壁厚為11.99mm,套管總長(zhǎng)度采用10 倍外徑,為2445mm,其密度為7850kg/m3,彈性模量為210GPa,泊松比為0.3,屈服強(qiáng)度為758MPa,與套管摩擦的鉆桿接頭直徑選用168mm,套管磨損采用上述偏磨率η,分別取0%、10%、20%、30%、40%、50%。
有限元分析中單元類(lèi)型選擇Workbench 默認(rèn)的soild186 單元,網(wǎng)格采用sweep 掃略形式進(jìn)行劃分,劃分出的網(wǎng)格較規(guī)整。
外擠力以均布的方式施加在套管模型的外壁,不斷改變套管外擠力的大小,直到套管內(nèi)部的最大Von-Mises 等效應(yīng)力大于等于管材的屈服強(qiáng)度為止。根據(jù)塑性擠毀壓力的定義,此時(shí)的套管外擠力值即認(rèn)為是套管的抗擠強(qiáng)度。套管彎曲通過(guò)施加彎曲載荷的方法模擬,計(jì)算彎曲載荷的公式如下[4]:式中,f 為斷面上的彎載荷,N;E 為彈性模量,MPa;I 為截面慣性矩,m4;θ 為斷面轉(zhuǎn)角,rad;L 為套管長(zhǎng)度,mm。
假設(shè)套管的材料性能均勻,外壓分布均勻,不考慮管體殘余應(yīng)力的影響[3],忽略管子制造誤差,如橢圓度和壁厚不均度。通過(guò)固定套管彎曲度,改變套管偏磨率的方法,分析計(jì)算磨損后套管的剩余抗擠強(qiáng)度。
本小節(jié)有限元分析中,首先固定套管彎曲度為30°/100m,改變套管的偏磨率,得到不同磨損程度套管剩余抗擠強(qiáng)度。隨后取消套管彎曲度設(shè)置,采用上述使用的偏磨率計(jì)算直套管剩余抗擠強(qiáng)度,與彎曲套管進(jìn)行對(duì)比。有限元分析Von-Mises 應(yīng)力云圖如圖2 所示。通過(guò)對(duì)不同偏磨率套管的有限元分析計(jì)算,得到六種偏磨率下彎曲套管的剩余抗擠強(qiáng)度和直套管的剩余抗擠強(qiáng)度,如圖3 所示:
圖2 有限元Von-Mises 應(yīng)力云圖
圖3 套管不同偏磨率下抗擠強(qiáng)度折線圖
1)隨著偏磨率的增加,套管磨損越嚴(yán)重,彎曲套管的剩余抗擠強(qiáng)度逐漸降低,且磨損深度與彎曲套管剩余抗擠強(qiáng)度基本呈線性關(guān)系。2)對(duì)比同偏磨率下彎曲套管剩余抗擠強(qiáng)度和直套管剩余抗擠強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)彎曲套管剩余抗擠強(qiáng)度總是低于直套管剩余抗擠強(qiáng)度,說(shuō)明彎曲同樣會(huì)降低套管的抗擠強(qiáng)度。3)未磨損直套管抗擠強(qiáng)度有限元計(jì)算值相對(duì)于其他偏磨率套管較大,原因可能是未磨損直套管是以名義尺寸建模、沒(méi)有缺陷,導(dǎo)致套管為完美套管,抗擠強(qiáng)度提升較大。