非均匀载荷作用下套管挤压失效数值分析

在已有的理论研究与试验工作的基础上,采用有限元数值方法,分析计算了受非均匀地应力作用下套管－水泥环结构的受力与变形,讨论了两个敏感参数─—非均匀载荷比和套管椭圆度对套管失效的影响问题。计算分析发现,随地应力非均匀程度的增加,套管形变经历了由两向挤压－挤压到两向拉伸－挤压组合方式的转变,而套管应力的变化相对较小。由此可得出初步结论：与非均匀地应力作用相对应的套管结构的拉伸－挤压形变,有可能是导致套管失效的主要机制;套管椭圆度的存在使得套管的强度和刚度被进一步的削弱。     

非均匀地应力下套管挤压变形的有限元分析

以地层-水泥环-套管组合系统为研究对象,根据弹塑性力学理论,通过建立非线性有限元模型,对套管变形与地应力作用大小及非均匀性之间的关系进行了研究.分析了不同条件下,不同规格套管的外载与变形关系,根据有限元计算结果,绘制出不同的最小水平主应力和最大水平主应力配比下的套管变形范围图,能够直观方便地预测非均匀地应力作用下的套管...     

残余应力对套管抗挤强度影响的有限元分析

在套管的生产过程中会产生残余应力,这种残余应力将大大降低套管的拉伸屈服极限及压缩屈服极限,进而降低套管的抗挤强度。长期以来,这个问题一直没有引起人们的充分重视而加以克服。根据弹性力学理论,建立了套管的力学模型,通过有限元分析和计算,得到了存在残余应力情况下套管的抗挤强度。研究表明,残余应力在很大程度上影响着套管的抗挤强度,因此,为了提高套管的抗挤强度,应尽量降低管体的残余应力。     

非均匀载荷下双层套管的传递系数

传递系数是衡量双层组合套管效果的主要指标。由于应力应变关系的复杂性,用理论方法求解非均匀载荷作用下该种套管的传递系数十分困难。文中用有限元方法计算了不同类型非均匀载荷作用下的传递系数,对其变化规律进行了分析。在大量计算结果的基础上,进行了传递系数计算公式的回归分析,给出了椭圆分布载荷作用下传递系数的拟合曲线及回归公式。这些结果弥补了理论分析的不足,为双层组合套管的设计提供了有效的计算依据。计算过程还证实了双层组合套管的一些试验结果,对该种套管的特点有了进一步的认识。在计算均匀载荷作用下传递系数时,文中方法与理论方法的相对误差小于0.6%;在进行曲线拟合时,最大相对误差小于2%。     

套管三轴挤压应力计算分析

在油井套管设计中广泛采用了三轴应力设计方法，具体设计公式依据Ｌａｍｅ公式推导得出，其理论推导是严格是正确的。但由于理论公式的使用条件及工况等方面的限制，三轴应力公式也有一定的局限性。分析其实际应用情况，并与其它公式计算结果对比，通过本文理论推导和对比分析，使我们对三轴应力公式有较进一步的认识，同时也对套管挤压失稳理论及公式有个对比了解。     

非均匀外挤力作用下套管强度特征分析

通过ANSYS有限元软件分析了套管在非均匀外挤力作用下的大变形特征，定义了套管在非均匀外挤力作用下破坏的临界条件，得到了此时的临界非均匀外挤力。为了表征套管在非均匀外挤力作用下的强度特征，定义了套管的等效破坏载荷，分析了等效破坏载荷与壁厚、载荷不均匀度的关系，并给出了计算实例。     

套管磨损后剩余抗挤强度的数值分析

假设套管内壁的磨损缺陷为圆弧,并视为平面问题,采用平面8结点等参元,分别按平面应力和平面应变问题,分析其抗挤强度。按平面应力分析时,得到的抗挤强度数值结果比根据最小壁厚从API标准(API Bul 5C2)中查得的数据还要小。在这两种情况下,抗挤强度都随磨损缺陷深度的增加和半径的减小而降低,而平面应变分析得到的抗挤强度数值结果比平面应力分析得到的结果要高。为了评价平面分析的精度,又假设套管的磨损缺陷为圆柱面加两个球面或椭球面,采用空间20结点等参元进行分析,结果表明:当套管无缺陷部分的长度保持不变时,其抗挤强度随缺陷长度的增加而降低并趋向一个下限值;当套管含缺陷部分的长度保持不变时,其抗挤强度随套管长度的增加而增加并趋向一个上限值;当缺陷较长时,空间数值分析结果与平面数值分析结果相近;当无缺陷部分的长度较长时,若其它条件不变,则缺陷端部为球面所得的结果与缺陷端部为椭球面所得的结果几乎没有差别;端部在轴向施加固定约束所得的抗挤强度比端部自由时要大。     

非均匀地应力下套管变形和整形复位分析

通过建立非线性有限元模型,用有限元软件对套管的承载能力进行分析。对套管的变形形态与地应力作用大小、应力范围之间的关系和非均匀地应力的求解进行了研究。用ANSYS中的非线性弹簧单元模拟地应力的作用,并建立了套管受压损坏后的有限元模型,对套管的整形修复过程进行了分析模拟,得到了在大港油田现有条件下可修复的套损套管范围。建立了套管修复后的力学模型,对套管再次受压变形损坏进行了预测,并与首次变形的计算结果进行了对比。     

非均匀载荷下套管强度的计算

在建立了泥岩蠕变非均匀外载模型基础上,提出了一种对泥岩蠕变引起的椭圆形非均匀外载下套管应力和强度的计算方法。在非均匀载荷下,套管所能承受的最大载荷迅速降低。当内压为0.1MPa时,套管的临界载荷平均约为均载情况下的11%.大庆榆树林油田泥岩段的套损分析表明高压注入水沿垂直裂缝进入泥岩层,引起泥岩层吸水蠕变,使得所用J-55套管难以承受较大的非均匀挤压力,导致套管损环。建议在易发生泥岩蠕变井段,应采用P-110型套管以确保井筒安全。     

套管外表面均匀磨损和偏磨后的挤毁试验研究

在套管钻井中,由于套管外表面被磨损后外径、壁厚和径厚比等都发生了改变,抗挤强度下降,严重影响整口井的安全。为了模拟套管外表面在井下受到的均匀磨损和偏磨情况,选择同一规格的7根套管试样对其外表面进行小磨损量的均匀磨损和偏磨挤毁试验、对比分析和研究。结果表明,径厚比是影响套管磨损后抗挤强度的主要因素;随着磨损量的增加,试验值与API挤毁公式计算值差值增大,表明套管局部长度外表面磨损量较大时API公式不再适用,需要修正。     

外压作用下套管抗挤强度研究

为提高套管挤毁压力的计算精度,应用统计方法对213根套管全尺寸挤毁试验数据进行了方差分析。结果表明,径厚比、屈服强度是套管抗挤强度的主要影响因素,不圆度、壁厚不均度、残余应力等因素对套管抗挤强度的影响呈随机性分布。利用有限元方法对外径不圆度、壁厚不均度和残余应力的不同组合进行模拟分析得出,数值相同的外径不圆度、壁厚不均度及平均残余应力组合不同时,套管的挤毁压力相差很大。提出了新的套管挤毁压力计算公式,计算表明精度可满足工程要求。     

月牙形和偏心圆筒形内壁磨损套管应力分析

为了分析偏心圆筒形磨损套管和月牙形磨损套管的等效应力,以177.8 mm×12.65mm的P110钢级套管为例,建立了月牙形磨损套管和偏心圆筒形磨损套管的有限元模型,用有限元法分析了内、外压作用下不同磨损深度套管的偏心圆筒形模型和月牙形磨损模型的等效应力,同时还分析了不同直径钻杆磨损后月牙形磨损套管的等效应力。分析结果表明,受磨损套管内部应力的影响,在内、外压作用下月牙形磨损套管的等效应力大于偏心圆筒形磨损套管的等效应力;将月牙形磨损模型转化为偏心圆筒形模型来分析磨损套管的等效应力是危险的,相同磨损深度和载荷作用下月牙形磨损模型的等效应力更大;将月牙形磨损模型转化为偏心圆筒形模型来分析磨损套管的剩余强度值偏大。     

偏心磨损套管应力分布的双极坐标解答

内壁磨损套管横截面形状多为月牙形，在直角坐标系下，很难得到其应力分布的解析解，因此将内壁磨损套管月牙形简化为偏心圆形。通过直角坐标向双极坐标的转换，得出了偏心磨损套管在内外压联合作用下应力分布的解析解。给出了偏心磨损套管的径向应力、环向应力和剪应力的计算公式，并对公式中各个参数的计算给出了解答。以壁厚7．7mmφ139．7mmN80套管为例，图示说明了套管剩余壁厚为4．2mm时的偏心圆的应力分布，并应用Matlab对公式进行了分析计算，绘出了磨损套管危险截面处的应力分布曲线。对推导出的公式进行了简要分析，确定了影响磨损套管应力分布的主要因素。     

磨损套管抗内压强度试验与有限元分析

当套管受到严重偏磨时,套管抗内压和抗外压能力显著下降。鉴于此,从理论和试验2个方面分别研究了磨损套管的抗内压强度,研究结果表明:(1)在内压作用下,磨损套管的周向应变发生局部变化,最大值主要发生在磨损与未磨损的过渡区,最小值集中在磨损最严重的区域,因此套管截面在磨损区域"内凹";(2)在相同内压力作用下,随着磨损量的增大,磨损最严重处先周向变形减小且内收缩,继而周向变形增大,与磨损区相对的另一侧,从向外鼓胀变形转而向内收缩,套管截面出现椭圆变形;(3)在套管内壁的磨损初期相对磨损量对套管的初始抗内压性能影响相对较大。     

内壁磨损套管抗挤毁强度计算

套管磨损后壁厚变薄，抗挤毁能力随之降低，若对此估计不足，有可能因此而导致钻井事故或油气井的早期报废。以最小壁厚分别为4．2mm和5．2mm的N-80φ139．7mm×7．7mm套管为例，得出了磨损套管抗挤毁强度计算公式，对一些磨损套管的剩余抗挤毁强度做了理论计算，并对计算结果和试验值进行了比较。结果表明，该公式的计算误差小于109／5，符合工程设计的需要。     

不同注水压力下射孔套管的ANSYS分析

根据对油田套管损坏情况的分析,发现大多数套管损坏部位在射孔段.利用ANSYS有限元软件,对套管射孔段建立仿真模型,在不同的注水压力下分析套管的受力情况,为套管的设计和预防套损提供理论依据.     

内压作用下含裂纹射孔套管临界开裂应力分析

为了了解内压作用下含裂纹射孔套管临界开裂应力,为现场确定泵压等施工参数提供参考依据,用ANSYS有限元分析软件建立了射孔套管有限元模型,给出了含孔边裂纹射孔套管应力强度因子计算公式,对内压作用下含裂纹射孔套管临界开裂应力进行分析计算,得到了临界开裂应力与纵向裂纹长度的关系曲线。研究结果表明,套管最大应力集中在孔边裂纹处,在内压产生的应力作用下裂纹有可能沿轴向产生脆性扩展,因此,孔边裂纹大大削弱了射孔套管的强度;射孔套管临界开裂应力随裂纹长度的增加而减小;在短裂纹区(10 mm相似文献   

爆炸耦合载荷作用的射孔套管强度模拟分析

为了研究爆炸和压力耦合载荷对射孔套管强度的影响,进行套管静水压挤毁理论分析。建立仿真模型,分析准静态载荷作用下非约束套管的力学特性,得到全尺寸套管和射孔套管的固有频率,以及套管的挤毁强度数据,拟合得到套管挤毁强度公式。验证数值仿真结果的可靠性。进一步对完整套管和射孔套管施加约束,进行仿真研究。比较分析结果,施加约束套管的抗挤能力比非约束套管的高; 在约束条件下,射孔套管的强度比完整套管的强度降低约10%; 在射孔布置方面,60°相位优于90°相位。     

磨损套管抗挤强度计算模型

套管磨损后其承载能力降低,因此对磨损套管进行抗挤毁能力预测或评估就显得尤为重要。采用数值模拟和实物试验相结合的方法,系统分析了磨损套管的挤毁失效机理、影响抗挤强度的因素及影响规律。分析得出,月牙形磨损套管的挤毁属"三铰"失稳,严重磨损处首先屈服进入塑性区并产生很大变形,从而导致整体结构发生弹塑性失稳。磨损套管的抗挤强度随剩余套管壁厚、磨损半径和轴向载荷分别呈指数、幂函数和线性函数式变化。以此为基础,从未磨损套管实际抗挤强度计算入手,建立了完整的磨损套管抗挤强度计算模型,并对模型进行了试验验证,试验结果表明,模型计算值与试验实测值的相对误差在5%以内。所建立的磨损套管抗挤强度计算模型可用于磨损套管和未磨损套管抗挤强度的预测和评估。