|
套管是油井生产中重要的设施，套管损坏问题己受到国内外的普遍关注.大多数油井套管的损坏是由过大的外载荷引起的，其在各种载荷作用下的强度、变形是油井工程中非常受关心的问题之一由于套管的成本在整个油井成本中占很大的比例，所以要尽量避免油井套管所加载的外载荷超出其所承受的极限，从而保证油井的正常使用寿命。在进行油井套管的强度分析时，通常通过解析法对其进行计算校核，其中难免采用很多经验值和经验公式，因此，用该方法分析得到的结果不够准确。本文中通过大型有限元软件对套管的强度进行分析，可以得到非常精确的结果，对工程应用有非常重要的指导意义。
1 套管力学模型的建立
对有限元分析来讲，力学模型的建立非常重要。套管力学模型是在套管正常工作状态下建立的，因此，套管模型不能以单独状态建模，必须考虑到与套管相接触的固井水泥井壁的作用。这2种模型差别不大，只是在水泥井壁的存在问题上有所不同，但这2 种情况下的分析结果差别却很大，不是工程中可以忽略的问题。如图1所示，建立120°(1/3 圆周)套管-井壁模型。
图1
对力学模型划分网格的工作包括选择单元类型、定义材料属性、网格划分设置、划分阿格等内容.笔者选取的是时solid 185自单元，Solid 185 单元用于构造三维固体结构，单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元具有超弹性、应力刚化、蠕变、大变形和大应变能力。还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑性材料和完全不可压缩超弹性材料。由于模型相对比较简单，而且加载载荷位置的特殊性，单元网格采用自由阿格划分的办法，网格划分结果如图2所示。
图2
2 套管-井壁系统接触分析
油井井壁是由油井固井的水泥凝固而成，套管和井壁之间是面一面接触的，因此，需对套管和井壁进行非线性接触分析。计算接触非线性问题有许多种方法，例如罚函数法、拉格朗日乘子法等，但由于方法本身对数学和力学知识要求较高，在工程解中没有得到普及.近年来，随着计算机和有限元法的发展，利用接触单元能非常有效地求解接触非线性问题。新的通用接触单元(包括点四面和面-面单元)特别适合计算该类接触问题。利用非线性有限元法分析这类问题已日趋成熟。
接触问题属于边界非线性问题，其特点是在物体接触过程中，受接触体变形和接触边界摩擦作用的影响，使得部分边界条件随加载过程而变，且不可恢复。同时，受被接触体的材料和几何形状的影响，在求解接触问题时还需考虑接触体的材料非线性和几何非线性.当用有限元法对接触问题求解时，一般采用接触单元法，即在2个接触体间施加接触单元，通过接触单元来跟踪接触位置，保证接触协调性，并在接触表面之间传递接触应力。
接触问题一般分为3类:①点对点接触问题，②点对面接触问题，③面对面接触问题。本文中的接触属于第③类。
接触分析的关键是要识别接触对，在本工程中套管和井壁在变形过程中会发生接触，可以视套管和井壁为一个接触对。接触对包括接触面和目标面2 部分。接触单元被约束住，不能穿透目标面，然而目标单元可以穿透接触面。在制定目标面和接触面时应考虑以下原则:
当凸面和平面或凹面接触时，应指定平面或四面作为目标面。
1)如果一个面上的网格拉细，另一个面上的网格较粗，应将较细网格所在的面作为接触面，粗网格所在面作为目标面。
2)如果2个面的刚度不同，应将较硬的面作为目标面，较软的面作为接触面。
3)如果-个面上的基础单元是高阶单元，而另一个面上的基础单元是低阶单元，应将基础单元为高阶单元的面作为接触面。
4)如果2个面的大小明显不同，应将大面作为目标面。
基于以上原则，将水泥井壁内壁作为目标面，套管外壁作为接触面，在模型中建立接触对，如图3所示。
图3
有限元分析的主要目的是检查结构或者构件对一定载荷条件的响应。因此，在分析中指定合适的载荷条件是关键的一步。在ANSYS 程序中，可以用各种方式对模型进行加载，而且可以借助载荷步选项，控制在求解过程中如何使用载荷。大多数载荷可以施加在实体模型(关键点、线、面)或者有限元模型(节点或单元)上。无论怎样，在开始求解时，所施加的载荷都会由程序自动将这些载荷转换到节点或单元上。
就本文中的问题而言，笔者选取的是实体模型。套管与水泥井壁的2个平行于xoy的面施加z向约束，侧向剖面施加对称约束，因为水泥井壁在外侧空间上是不可移动的，所以对其施加全约束.在套管的内壁表面上施加一个局部面识的均布载荷p，即可进行计算分析.加载情况如图4所示。
3 算例
在工程中，依据实际汹井的工作状况和实际需要，来用不同厚度、不同材料的套营，因此其抗压强度有所不同.本文中分析对象的参数选取如下:井眼直径为158.75mm,套管直径为114.30mm，套管厚度为6.20mm，材料为35CrMn，所加载荷的承载面为3mm x 80mm x 6O°，即面积SC=θRh=4785.36mm2。
由文献[2]中得水泥井壁及套管的各参数如表1所示。
依据表1，可以计算出许用抗压强度[σp]。
水泥井壁许用抗压强度:
[σp1]=σp1/n =24.6 MPa。
套管许用抗压强度:
[σp2]=σp2/n =553.33 MPa。
在上述工程条件下，加载1MPa 的均布面载荷，用ANSYS软件可以分析求得套管和水泥井壁的Von Mise 应力，如图5 所示。
图5
应用ANSYS 对模型进行分析，分别得出套管和井壁在加载后节点的量大应力值，如表2所示。
4 有限元结果分析
套管和井壁在加载载荷之后，究竟是哪部分先达到许用抗压强度极限(这部分在过载后首先破坏)是该井壁-套管系统研究的关键。分别考虑井壁和套管在单独状态下所加的载荷。
井壁部分：
套管部分：
由于N1
5 结论
1)对于套管模型的建立，采用套管-井壁系统模型，进行非线性接触分析符合工程实际，是解决该类工程问题的关键之一。
2)对油井套管及其井壁的系统破坏问题进行有限元分析，计算结果表明井壁的压溃先于套管的破坏，对于套管尺寸的选择主要取决于井壁的抗压强度。
3)本研究是对油井套管系统进行的强度分析，比传统的套管校核更为科学，对油井的防护以及后期的维修都提供了理论上的参考，具有深刻的意义。
|