射孔參數(shù)對射孔段套管抗外擠強度影響分析

曹銀萍 竇益華

(西安石油大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引言

射孔是國內(nèi)外最廣泛采用的完井方式。射孔后管體出現(xiàn)孔眼，破壞了管柱面的連續(xù)性，導(dǎo)致孔眼附近應(yīng)力集中，大大了降低射孔段套管抗外擠強度，進而影響套管的安全性。射孔段套管抗外擠強度不僅受套管尺寸及管材的影響，還受相位角、孔徑和孔密等射孔參數(shù)的影響。鑒于射孔段套管結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難用解析法進行射孔套管抗外擠強度分析，且現(xiàn)有的API和國標(biāo)中也未有相應(yīng)的公式，本文借助大型有限元軟件ANSYS進行了射孔段套管抗外擠強度計算，并討論了射孔參數(shù)對其影響。

1 射孔段套管抗外擠強度分析

1．1 分析對象

圖1為按螺旋布孔方式射孔的射孔套管展開示意圖。A、B間為一螺距長度，Dc為套管外徑，tc為套管壁厚。套管鋼級為TP140V，其屈服強度為965MPa，泊松比為0．25，彈性模量為2．1 ×1011Pa。套管外徑為177．8mm，壁厚為12．65mm;射孔相位角φ=90°，孔密n=16孔/m，孔徑d=12mm;取射孔段套管建模長度L=500mm。

圖1 螺旋射孔套管展開示意圖

1．2 分析中所做假設(shè)

為降低所建射孔段套管模型的復(fù)雜性，避免不必要的機時浪費，在保證結(jié)果不失真的前提下對實際模型進行了簡化，做了如下假設(shè):忽略射孔套管自身橢圓度和不均勻壁厚等幾何缺陷;孔眼未被堵塞且不存在偏心，孔眼軸線垂直相交于套管軸線;孔眼均為規(guī)則圓柱形，且直徑均相等，忽略孔邊毛刺。

1．3 邊界條件

孔眼為自由邊界，對套管施加的邊界約束為:套管管體兩端部施加對稱約束，限制軸向自由度同時保證兩端部約束相同;為避免套管的剛體運動，對管體兩端施加全約束。應(yīng)用Pro/E三維建模軟件建立射孔套管實體模型，再將模型導(dǎo)入ANSYS有限元軟件中采用SOLID92單元、自由網(wǎng)格方式劃分所建實體模型，得到如圖2所示的射孔套管有限元網(wǎng)格模型。

圖2 射孔套管有限元網(wǎng)格模型

1．4 射孔段套管抗外擠強度有限元計算結(jié)果

射孔段套管抗外擠強度計算方法為:除邊界條件約束外，只對所建射孔段模型施加1MPa外壓，計算結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力。材料屈服強度與所得到的1MPa外壓作用下的Von Mises應(yīng)力之比數(shù)值即等于套管的抗外擠強度。

通過有限元計算得到1MPa外壓作用下射孔段套管的最大等效應(yīng)力為14．43MPa，故可知射孔段的抗外擠強度為965/14．43=66．87MPa。采取同樣方法可計算出未射孔套管抗外擠強度為 110．8MPa。

研究結(jié)果表明，射孔段套管抗外擠強度不僅受套管尺寸及管材的影響，還受相位角、孔徑和孔密等射孔參數(shù)的影響。以下幾節(jié)分別采用與上面相同的方法，討論了相位角、孔徑和孔密等射孔參數(shù)對射孔段套管抗外擠強度的影響。為直觀看出射孔參數(shù)對射孔段套管剩余抗外擠強度的影響，定義剩余抗外擠強度系數(shù)為射孔后套管的抗外擠強度與未射孔時套管抗外擠強度之比值。剩余抗外擠強度系數(shù)越大表明射孔對套管抗外擠強度的影響越小

2 相位角對射孔段套管抗外擠強度的影響

假設(shè)孔密n=16孔/m，孔徑d=12mm，討論相位角分別為30°、60°、90°、120°、180°等油田常用射孔角度時射孔段套管抗外擠強度。得到不同相位下射孔套管抗外擠強度如表1所示。

表1 不同相位下射孔套管抗外擠強度

由表1可見，射孔后套管抗外擠強度顯著降低;當(dāng)射孔相位角為90°時，射孔套管抗外擠強度較其它射孔相位角時大，射孔對套管抗外擠作用削弱最小，90°射孔最佳。

3 孔徑對射孔段套管抗外擠強度的影響

假設(shè)射孔相位角φ=90°，孔密n=16孔/m，討論孔徑分別為8、10、12、14、16mm等油田常用射孔彈直徑時射孔段套管抗外擠強度。得到不同孔徑下射孔套管抗外擠強度如表2所示。

表2 不同孔徑下射孔套管抗外擠強度

由表2可見，射孔后套管抗外擠強度顯著降低;射孔彈尺寸越大，射孔段套管剩余抗外擠強度越小?？讖綖?6mm時套管抗外擠強度達到41．78Mpa，這是由于此時相鄰兩孔軸向間距較其它孔徑小，對套管幾何連續(xù)性破壞最大。

4 孔密對射孔段套管抗外擠強度的影響

假設(shè)射孔相位角φ=90°，孔徑12mm，討論孔密n分別為12、16、20、24孔/m等油田常用孔密時射孔段套管抗外擠強度。得到不同孔密下射孔套管抗外擠強度如表3所示。

表3 不同孔密下射孔套管抗外擠強度

由表3可見，射孔后套管抗外擠強度顯著降低;隨著孔密的增大，套管抗外擠強度不斷降低，當(dāng)孔密為24孔/m時套管抗外擠強度達到最小值42．77MPa。這是由于此時，相鄰兩孔軸向間距較其它孔密小，對套管幾何連續(xù)性破壞最大。

5 結(jié)論

本文以177．8mm(12．65mm TP140V鋼級射孔套管為例，采用SOLID92單元、自由網(wǎng)格方式劃分所建實體模型，并討論了相位角、孔徑和孔密等射孔參數(shù)，得出如下結(jié)論:(1)射孔后套管抗外擠強度顯著降低。(2)不同射孔相位角，射孔套管抗外擠強度不同。當(dāng)射孔相位角為90°時，射孔套管抗外擠強度較其它射孔相位角時大，射孔對套管抗外擠作用削弱最小。(3)射孔彈尺寸越大，射孔段套管剩余抗外擠強度越小。(4)隨著孔密的增大，套管抗外擠強度不斷降低。

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