射孔套管抗擠強度全尺寸試驗新方法

摘" "要：由于缺乏進行射孔套管全尺寸抗擠強度試驗的方法，對于射孔套管的抗擠強度研究多局限于有限元模擬試驗。首次利用“軟密封”封堵孔眼的方法，成功對射孔套管進行外壓試驗，實現(xiàn)了射孔套管的抗擠強度全尺寸實物試驗的新方法，得到了射孔套管的抗擠強度比未射孔套管的抗擠強度降低約16%的結論。同時，建立射孔套管的有限元模型，利用全尺寸試驗結果驗證有限元模型的準確性，并對影響射孔套管抗擠強度的因素進行有限元模擬試驗，結果表明，有限元模擬值與全尺寸試驗結果基本一致，套管的抗擠毀強度有限元計算值和全尺寸試驗值二者誤差小于3.2%；孔眼直徑對射孔套管抗擠強度影響最大，最大下降率為23%，相位角和布孔密度對射孔套管抗擠強度影響次之，下降率都為18%。

關鍵詞：射孔套管；抗擠強度；全尺寸試驗；射孔參數(shù)

中圖分類號：TE931.2" " " " " 文獻標志碼：A" " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.02.003

A New Method for Full-Scale Testing of Collapse Strength of Perforated Casing

SUN Guiqi1，LUO Wen2，WANG Kongyang1，ZHANG Jijiu3，WANG Shiyu4，JI Bingyin4，SHI Jiaoqi4

（1. Tianjin Branch， CNOOC China Ltd.， Tianjin 300459， China;2. Engineering Technology Branch， CNOOC Energy Development Ltd.， Tianjin 300452， China;3. Oilfield Technology Branch of China Oilfield Services Lid.， Langfang

065201， China;4. Xi’an Serv Sress Engineering Technology Service Co.，Ltd.， Xi’an 710075， China）

Abstract： Due to the lack of a method for conducting full-scale collapse strength tests on perforated casings， previous research on the collapse strength of perforated casings has been limited to finite element simulation tests. However， the finite element simulation results differ from the actual situation. In this paper， for the first time， the method of \"soft seal\" was used to seal the perforation hole， and the external pressure test of the perforated casing was successfully carried out， thus achieving a new method of full-scale physical test of the collapse strength of the perforated casing. The experimental results show that the collapse strength of perforated casing is reduced by about 16% compared with that of unperforated casing. At the same time， a finite element model of perforated casing was established， and the accuracy of the finite element model was verified by full-scale test results. Finite element simulation tests were conducted on the factors affecting the collapse strength of perforated casing. The results showed that the finite element simulation values were basically consistent with the full-scale test results， and the error between the finite element calculation values and the full-scale test values of the collapse strength of the casing was less than 3.2%; the diameter of the perforation hole has the greatest effect on the collapse strength of the perforated casing， with a maximum decrease rate of 23%. The phase angle and hole density have the second largest effect on the collapse strength of the perforated casing， with a decrease rate of 18% for both.

Key words： perforated casing; collapse strength; full-size test; perforation parameters

國內外很多油田都存在套管損壞現(xiàn)象，影響套管損壞的因素很多，如地質因素、工程因素和腐蝕因素等等［1-8］。相對而言，油層段射孔套管由于射孔段射孔工藝對套管結構完整性、幾何形狀（外徑和壁厚）、殘余應力、受力狀態(tài)等因素產(chǎn)生影響，射孔套管損壞影響因素更多［9-10］。國內外對射孔段套管抗擠強度研究主要集中在模擬試驗和理論計算分析上，而射孔段套管抗擠強度全尺寸試驗研究未有相關報道［11-15］。國外已知文獻中，W K Godfrey amp; N E Methven［16］主要進行試驗研究射孔套管的抗擠能力問題，試驗采用相似試驗，運用比例試樣模擬。King G" E［17］研究集中在模擬試驗上，利用模擬試驗研究高射孔密度對射孔套管抗擠強度的影響。GUO Y ［18］利用有限元對射孔和未射孔套管進行比較，通過觀察其變形特征，研究射孔套管的失效機理。Fereidoum A［19］針對射孔套管單孔眼周邊應力集中進行分析，但未對多孔應力分布進行研究。國內文獻中，宗幼芄等［20］對無裂紋射孔套管的抗擠能力進行理論計算探討，采用小尺寸試樣對其理論結果進行模擬實驗驗證，試驗對象為？準139.7 mm套管，方形孔眼。王木樂［21］同樣對小尺寸射孔套管抗擠強度進行模擬研究，試驗方法將600 mm射孔套管放入金屬盒，然后充填砂泥土且夯實（以保證套管周邊全被砂泥土包圍），最后將金屬試驗盒置于壓力機上進行擠壓試驗。姬丙寅等［22］利用有限元模擬分析方法，建立射孔套管三維有限元模型，采用非線性屈曲方法，對套管射孔前后的擠毀規(guī)律進行研究。劉獻博等［23］通過建立了三維射孔數(shù)值計算模型，計算了射孔后套管抗擠剩余強度系數(shù)。蘇義寶［24］研究了巖石對射孔套管強度的影響，在流固耦合理論基礎上，結合不同力學分析，建立了應力耦合模型，對數(shù)值模擬結果進行驗證。張文來［25］建立了不同射孔參數(shù)的射孔套管有限元模型，研究了抗擠強度和應力集中系數(shù)的關系。已有的文獻和報道大多數(shù)采用模擬試驗的方法（有限元模擬、試樣模擬或者試驗方法模擬），未有射孔套管抗擠強度全尺寸擠毀試驗研究的報道。

為研究射孔套管抗擠強度，滿足油田射孔參數(shù)設計及選材需要，采用全尺寸試驗方法對射孔套管進行外壓擠毀試驗，同時建立射孔套管抗擠強度有限元計算模型并利用全尺寸試驗結果進行驗證，根據(jù)驗證的模型計算不同參數(shù)下射孔套管的抗擠強度，分析射孔套管抗擠強度的影響因素，為油田射孔參數(shù)選擇提供技術支撐。

1 射孔套管抗擠強度全尺寸試驗方法

1.1 試樣情況

試樣選擇110級、規(guī)格為？準244.48 mm×11.99 mm的套管，為了保持試驗結果的一致性，同時排除試樣之間的誤差，射孔套管取2支，編號為1#、2#，未射孔套管取1支，編號為3#，試樣總長為3.4 m，射孔端長度為1 m，射孔段位居試樣中部，射孔參數(shù)布孔密度40 孔/m基管、相位角45°、名義孔眼直徑20 mm，射孔后外觀，如圖1所示。

1.2 試驗方法

根據(jù)試驗目的，試驗流程可分為4步進行。首先進行材料力學性能試驗和幾何尺寸測量，對套管理化性能、外徑和壁厚進行測試；其次對1#、2#套管進行射孔幷測量幾何尺寸，分析射孔對其幾何尺寸的影響；然后采用軟密封封堵孔眼的方法，對射孔孔眼進行封堵，如圖2所示；最后對1#、2#、3#套管進行外壓擠毀試驗。

1.3 試驗設備

射孔套管抗擠強度試驗在外壓擠毀試驗機上進行，該機主要評價石油管材的抗外擠強度。試驗樣管直徑？準244.48 mm～？準339.72 mm；最大試驗壓力150 MPa（水壓）；壓力加壓速率≤35 MPa/min；壓力控制精度≤1％（F·S）；液壓增壓系統(tǒng)為試驗提供壓力源?？箶D強度全尺寸試驗驗裝置安裝示意如圖3所示。對射孔套管施加均勻外壓，試驗的加載示意如圖4所示。具體試驗步驟為：①一步加載至試樣失效；②試驗過程中記錄時間和載荷；③對失效試樣進行拍照。

2 試驗結果

2.1 材料性能試驗結果

1） 化學成分分析。在管體上切取30 mm×30 mm化學分析樣品，采用ARL 3460 Advantage直讀光譜儀進行化學成分分析，分析結果如表1所示。分析結果表明，管體和接箍的化學成分均滿足委托方技術協(xié)議要求。

2） 拉伸試驗。在管體上切取尺寸為38 mm×50.8 mm的板狀縱向拉伸試驗樣品，依據(jù)ASTM A370—2022標準，采用電液伺服萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸試驗結果，如表2所示。管體的拉伸試驗結果滿足委托方技術協(xié)議要求。

2.2 幾何尺寸測量結果

在試驗前對1#、2#套管進行幾何尺寸測量，在管體上每隔300 mm取一個截面，每個截面取A～F共8個點，幾何尺寸測量位置如圖6所示。在1#、2#套管射孔完后，進行第二次幾何尺寸測量，測量結果如表5所示。1#射孔套管前后外徑和壁厚對比如圖7～8所示。根據(jù)測量結果，從試樣尺寸分析，1#射孔前最大外徑246.92 mm，射孔后最大外徑為252.62 mm，外徑變化量2.3%；2#射孔前最大外徑為246.92 mm，射孔后最大外徑為250.60 mm，外徑變化量1.5%，表明射孔前后外徑發(fā)生明顯變化，而壁厚未發(fā)生明顯變化。

2.3 射孔套管抗擠強度全尺寸試驗結果

試樣1#（射孔）、2#（射孔）和3#（未射孔）進行外壓擠毀試驗，試樣安裝在擠毀試驗設備上的形貌，如圖9所示。擠毀試驗結果如表6，試驗后試樣照片，如圖10所示。射孔后套管的抗擠強度分別為48.0、48.4 MPa，光管的抗擠強度為56.0 MPa，結果表明，射孔會導致套管的抗擠強度下降，試驗結果上看，1#、2#射孔后套管的抗擠強度比未射孔套管的抗擠強度降低了16.7%和15.7%。

3 射孔套管抗擠強度影響因素分析

影響套管抗擠強度因素較多，同時射孔工藝對套管結構完整性、幾何形狀（外徑和壁厚）、殘余應力、受力狀態(tài)等因素產(chǎn)生影響，進而影響抗擠強度。套管射孔后，對套管影響主要有以下方面：

1） 射孔破壞了套管的結構。由于射孔因素的存在，孔周圍存在較大的局部應力集中，射孔孔眼改變了套管結構，當套管受外力后，孔眼周圍出現(xiàn)應力集中而使套管的強度降低，套管發(fā)生損壞。

2） 孔眼周圍產(chǎn)生射孔微裂紋。高強度射孔彈射孔后孔眼附近形成微裂紋和應力集中，壓力直接作用在裂紋上，使裂紋逐步擴展。

3） 射孔作用造成套管幾何尺寸的變化。套管射孔產(chǎn)生的巨大的沖擊波作用在套管上，套管突然脹大，套管直徑變大，壁厚減薄，套管脹大對套管抗擠強度影響較大，套管外徑越大，抗擠強度越低。

4） 射孔對套管材料性能產(chǎn)生影響。套管射孔后，孔眼局部射孔開裂，導致套管局部材料強度硬度變化，進而導致材料不均勻分布。

5） 套管射孔工藝對殘余應力分布產(chǎn)生影響。孔眼的出現(xiàn)使套管的應力重新分布，而引起殘余應力變化，殘余應力對抗擠強度也有較大影響。

由于套管上射孔的應力集中的影響，其抗擠強度失效機理較為復雜?？籽壑睆酱笮　⒖籽勖芏?、相位角均對抗擠強度產(chǎn)生影響，為了研究不同參數(shù)對抗擠強度影響規(guī)律，參數(shù)化建模分析不同參數(shù)對射孔套管抗擠強度的影響。

3.1 模型假設及邊界條件設置

以110級、規(guī)格為？準244.48 mm×11.99 mm的套管為例，試樣射孔參數(shù)布孔密度40 孔/m基管、相位角45°、名義孔眼直徑20 mm，建立射孔套管抗擠強度三維實體模型，有限元網(wǎng)格如圖11所示。采用彈塑性失穩(wěn)有限元分析，射孔套管為110鋼級，屈服強度為940 MPa，抗拉強度為1 020 MPa，彈性模量為225 GPa，泊松比0.3，采用真實應力應變曲線。套管長度取3.4 m，射孔段長度為1.0 m，射孔段位居試樣中部，套管兩端約束，套管外壁施加壓力。

3.2 射孔套管在均勻外壓條件下破壞失效規(guī)律分析

以相位角45°，孔密為40/m，孔眼直徑20 mm射孔套管為例，編號為1#，施加外壓，隨著外壓的增加，射孔套管整體應力水平升高；隨著外壓進一步增加，施加壓力到47.5 MPa時，射孔套管抗擠強度承載達到最大值，隨后即使外壓壓力降低，然而徑向位移卻仍可以增加，套管擠毀現(xiàn)象發(fā)生，如圖12所示。此時外壓壓力為射孔套管抗擠強度。采用同樣的方法對3#光管模型進行分析，結果如表7所示。

3.3 全尺寸試驗與有限元模擬結果對比

射孔套管抗擠強度全尺寸試驗結果與有限元模擬結果對比如表8所示，1#、2#和3#（光管）試驗值與有限元計算值誤差分別為1.0%、1.9%和3.2%，有限元計算值與試驗值計算結果基本一致，說明計算模型準確，計算方法可行，以下采用此模型對射孔進行參數(shù)化分析。

3.4 相位角對射孔套管抗擠強度的影響

選取110級、規(guī)格為？準244.48 mm×11.99 mm套管的射孔套管，保持孔密40孔/m和孔眼直徑20 mm不變，相位角分別取30°，45°、60°、75°、90°、105°和120°進行射孔套管抗擠強度有限元分析，計算結果如圖13所示。由圖13可知，射孔套管比未射孔套管抗擠強度降低，隨著相位角的改變，射孔套管的抗擠強度呈現(xiàn)不同的變化趨勢。①當相位角從0°增大到60°時，隨著相位角的增大，射孔套管的抗擠強度不斷下降，當相位角從75°增大到120°時，射孔套管的抗擠強度出現(xiàn)不規(guī)律的變化趨勢，但變化幅度不大；②從整體的試驗結果來看，當相位角增大到75°時，射孔套管的抗擠毀強度下降幅度最?。ㄅc光管相比），而相位角為60°時射孔套管的抗擠毀強度下降幅度最大為18%；③對比不同角度的有限元結果，當相位角分別為30°、75°、105°時，套管抗擠毀強度相近，分別為49.3、49.9、49.2 MPa，當相位角分別為45°、90°、120°時，套管抗擠強度相近，分別為47.8、47.4、48.0 MPa，根據(jù)這一結果分析，在其他條件不變的情況下，均勻外壓條件下射孔套管抗擠強度變化與相位角呈周期變化趨勢。

3.5 孔眼直徑對射孔套管抗擠強度的影響

選取110級、規(guī)格為？準244.48 mm×11.99 mm的射孔套管，保持孔密40孔/m和相位角45°不變，孔眼直徑分別取10、20、30、40、50 mm進行射孔套管抗擠強度有限元分析，計算結果如圖14所示。由圖14可知，隨著孔眼直徑的增大，射孔套管的抗擠強度逐漸減小，抗擠強度減小呈近似線性變化，對于一定的孔密和相位角，抗擠強度與孔眼直徑成反比變化趨勢。當孔眼直徑超過40 mm后，射孔套管的抗擠強度值趨于穩(wěn)定，與光管相比射孔套管抗擠強度下降幅度為23%。

3.6 孔密對射孔套管抗擠強度的影響

選取110級、規(guī)格為？準244.48 mm×11.99 mm的射孔套管，保持孔眼直徑為20 mm和相位角45°不變，布孔密度分別取18、22、26、30、34、40 孔/m進行射孔套管抗擠強度有限元分析，計算結果如圖15所示。由圖15可知，隨著射孔密度的增大，射孔套管的抗擠強整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，但強度變化不明顯，當布孔密度為22 孔/m時，射孔套管的強度達到最大50.3 MPa。布孔密度超過22 孔/m后，射孔套管的抗擠強度下降，布孔密度為40 孔/m時，射孔套管的強度最低，強度下降幅度為18%。

3.7 不同射孔參數(shù)對射孔套管抗擠強度影響的機理分析

通過以上對試驗數(shù)據(jù)的分析，不同射孔參數(shù)（相位角、孔眼直徑、布孔密度）對射孔套管抗擠強度的影響機理主要有以下方面：

1） 相位角的不同會導致射孔周圍的應力分布發(fā)生變化。當相位角選擇合理，其射孔的應力集中區(qū)域相對分散，使得局部應力集中減小，套管的抗擠強度得到提高。

2） 相位角的不同會影響射孔后套管的結構穩(wěn)定性。適宜的相位角會有助于保持套管的結構穩(wěn)定性，提高其抗擠強度。

3） 隨著孔徑/孔眼密度的增加，射孔套管的抗擠強度系數(shù)減小。表明孔徑/孔眼密度越高，套管承受外擠壓力的能力越弱。

4） 孔徑/孔眼密度增加，導致射孔套管應力集中區(qū)域增多，從而降低了套管的整體抗擠強度。

5） 射孔過程中產(chǎn)生的沖擊波使套管變形，并在局部形成殘余應力?？讖?孔眼密度增加，沖擊波和殘余應力的累積效應增強，進一步削弱了套管的材料性能。

4 結論

1） 首次采用“軟密封”封堵孔眼的方法，成功對射孔套管進行外壓試驗，實現(xiàn)了射孔套管的抗擠強度全尺寸實物試驗的新方法，通過試驗結果對比，射孔后套管的抗擠強度比未射孔套管的抗擠強度降低約16%。

2） 建立射孔套管有限元模型，并對外壓條件下射孔套管抗擠強度進行模擬研究，利用全尺寸試驗結果驗證有限元模型的準確性，結果表明有限元計算值與試驗值計算結果基本一致，射孔套管和未射孔抗擠強度有限元計算值和全尺寸試驗值二者誤差分別為1.9%和3.2%。

3） 利用準確的射孔套管有限元模型對影響射孔套管抗擠強度的因素進行分析。模擬試驗結果表明：孔眼直徑、相位角和布孔密度的不同，會對射孔套管的抗擠強度造成影響。其中，孔眼直徑對射孔套管抗擠強度影響最大，最大下降幅度為23%，相位角和布孔密度對射孔套管抗擠強度影響次之，下降幅度都為18%。

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（編輯：馬永剛）