030305套管强度的有限元分析

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／ % 用3 7 8 9 软件建立三维立体模型
在3 ／ 并存为’ 7 8 9 中绘制不同射孔数的套管模型， : ; <文件。一个典型三维立体模型如图 / )所示。
北京机械工业学院学报 第! +卷 " " ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
!—套管轴向压力； " —岩石层的压力 图! 井下套管工作状态的虚拟模型
收稿日期： ’ " " ( $ " $ " ! 作者简介： 张春水 （ ， 男， 北京市人， 北京机械工业学院机械工程系硕士研究生， 主要从事机械设计及理论、 水力深穿 ! V ’ $） 透射孔技术的研究。
第 %期 张春水等： 套管强度的有限元分析 ! " ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
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图5 套管的总合应力云图
套管不同高度上射孔， 孔的方向夹角为+ 时，此时套管应力随孔的上下间距增大而先减小再 : 增大的一个变化过程，所以此时.孔上下间距不应小于, 并且不应超过** +/ /， + +/ /。由 方案5 、 方案9 、 方案0可知，在套管不同高度上射孔， . 孔上下间距不变时，套管应力随孔的 方向夹角增大而增大。由方案0 、 方案* 方案* 孔的方向夹 +、 *可知，在套管不同高度上射孔，
在!$ 长的套管内， 选取中间一段"$ 长套管来进行射孔布孔， 一是这样布孔符合井下施 工的实际情况， 二是在套管两端布孔， 又在套管两端施加外力会带来很大的应力集中， 这不符 合井下施工的实际情况， 三是这样布孔有利于研究"$ 长套管范围内最多能射多少孔。 方案"是射"个孔的布孔方案， 方 根据井下施工射孔惯例， 设计出可能的! !种射孔方案， 案!至" 方案" 方案" "是射!个孔的布孔方案， !至" 0是射%个孔的布孔方案， (至! !是射) 个孔的布孔方案。其示意图如下图%所示。
［ ］ , 案不可用 。用这样的计算方法将图 4 中
图, 套管模型的网格划分图
的所有方案进行计算， 计算结果见表. 。 从表.中可见， 方案 * ， 套管上射 * 个 孔时， 对套管强度影响较小。 当套管上射 . 个孔时，不同的布孔方 案，对套管强度影响很大。由方案. 、 方案 在套管同一高度上射孔，套管应力 4可知， 随射的孔的方向夹角变化而变化， 当.孔 方向夹角为 * 对称时，套管应力最小。 9 + : 由方案! 、 方案, 、 方案 5 、 方案 ; 可知，在
［ ］ ! 得到最新发展和应用 ， 国内一些油田也开始应用水力深
穿透射孔技术， 采用新型射孔器， 对套管进行冲孔开窗， 射 孔数多有利于油井增产， 但过多的射孔会破坏套管， 本文 通过 . 以便合理地控制 1 N U N软件对其进行有限元分析， 射孔数量和射孔位置。
! 井下套管工作状态的虚拟模型
选取井下!" 材料为 1$ " "F 深处一段’F 长， # "的 套管作为研究对象， 用它来模拟目前井下 !" " "F 深处采 油作业时， 射孔套管的工作状态， 模型受力见图! 。
方案!为!个孔； 方案" 方案! 方案! ! ! !为"个孔； " ! ! #为$个孔； % ! " "为&个孔 图$ 布孔位置示意图
图& 用 ’ ／ ( ) * 软件绘制的套管模型
第 4期 张春水等： 套管强度的有限元分析 . 4 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "
北京机械工业学院学报 第! "卷 % 0 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
角为! 不变时， 增大%孔上下间距能降低套管的最大应力，所以此时 % 孔上下间距不应小 " # $ 于& # #’ ’。
［ ］ ! 网格划分模型如图,所示 。
为了进行比较， 首先用 ./ 长完整的 无射孔套管模型， 模拟井下 *+ + +/ 处的 受力状态， 进行 " # $ % $软件有限元分析， 从" # $ % $软件分析结果的总合应力云图 中可知， 在井下 *+ + +/ 深处 ./ 长的无 射孔套管的最大应力为 0 ， 它作 ! 1 02 & 3 为套管强度变化的参考标准。图 4 中， 方 案*套管射 * 个孔时， " # $ % $ 软件分析 结果的总合应力云图如图5所示。 从图5中可知，方案*时套管总合最 大应力为* ， 再根据表 * 中的套管 + *2 & 3 ， 计算套管强度降低程 屈服强度, , +2 & 3 度! ： （ ） ／ ! 6 * + * 70 ! 1 0 , , +6* 1 * 8 !, 8， 对套管强度影响较小，故认为方案可用， 若套管强度降低程度大于 , 8，则认为方
# ! ( #2 3 4 岩石参数
岩石密度 岩石弹性模量 图! 井下"# # #$ 处的套管模型
% ／ ! ’ 0 &/ 5 $ " ’ ! ( 1 " 2 3 4
套管开窗方孔尺寸 （$ $） ) ! 1 % !
套管轴向压力 ! ， 是由"# 岩石层的压力 " ， 是由长宽各 # #$ 长套管重 量产生的压力， 厚"# 表"中列出了计算所需的其它参数， 根据图பைடு நூலகம்所 # # -$， # #$ 的岩石层重量产生的压力， 岩石参数， 计算套管轴向压力 ! 、 岩石层的压力 " ， 计算结 示的模型和表"所示的套管参数、 果如下： 套管轴向压力 ! ： 岩石层的压力 " ： "# # # 1 ! ’ % 1 & ’ , ( ( ’ 0 )2 3 4 ! （ !］ + 06 ［" （ ／ ） ／ ） " % & ’ ( ! +"" ! ) ’ % ! 1 " #