套管均勻加載變形仿真研究

郝曉良++雷蕾++牛朋

摘 要：作為油田資產中最重要的一部分，油套管的工作狀態直接影響作業者能否有效達成生產目標。生產實踐表明，油套管服役后受多種因素的共同影響而發生不同形式的變形乃至損傷，因此，一個良好的油套管服役對提高油田井網利用效率、保持注采平衡具有重要意義。借助有限元分析軟件ANSYS對套管均勻承載、失穩臨壓、橢變等不同條件下的變形規律進行仿真模擬研究，可得到油套管不同狀態下受力變形規律，用于指導油田生產管柱的設計與損傷預防。

關鍵詞：套管變形 均勻載荷 有限元仿真

中圖分類號：TE931.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0085-01

隨著海上油田開發不斷深入，受地質條件、井身結構油套管質量、開發措施等因素的影響[1]，油套管腐蝕變形已成為海上油田正常生產的最大影響因素。練章華[2]、孫姜瑞等[3]對油套管損傷軟件、有限元仿真流程和井下套管彎曲變形的力學模型進行了大量的研究，該研究者在前人研究的基礎上采用數值模擬ANSYS軟件對油套管失穩臨界壓力、彎曲變形、均勻承載、橢圓承載和單面擠壓等進行了仿真研究，該文主要對均勻承載條件下載荷、壓力與位移的變化關系進行研究，分析油套管均勻載荷下變形損傷規律。

1 有限元模型處理

根據均勻載荷下套管結構對稱載荷對稱的特點，可建立套管受力的軸對稱有限元模型[4]。采用有限元仿真模擬的優點是可以根據實際需要，在應力和應變較大區域加大有限元密度即將模型無限小化來最大程度的提高仿真計算結果的可靠性。在試驗模擬時可以發現，油套管受壓時其兩端與固定端存在較大摩擦力的束縛，導致模型不能自由側向膨脹進而會對承壓強度的測量產生影響，即端部約束效應。為避免端部約束效應對套管承壓強度模擬的影響，戴揚[5]等在對螺旋補孔射孔套管承載能力有限元分析中提出，試驗分析模型需要足夠長，即：徑長比需大于1/8～1/10，才能克服端部效應的影響，基于此，在試驗模擬中采用2m長的套管模型。根據油田常用完井所用套管，分別選用不同鋼級、不同尺寸的套管，如：J55-Ф139.7和N80-Ф139.7/Ф177.8，分不同情況在模型中部選取L≥10×D處施加均勻載荷進行有限元仿真處理分析。

2 均勻加載仿真過程描述

通過對均勻加載條件下套管應力及應變過程模擬，可以看出：（1）隨套管承受的外部壓力的逐漸增大，套管套管等效應力也隨之增大，且應力逐漸向套管中部集中。（2）隨套管承受的外部壓力的逐漸增大，套管變形逐漸變大，并且在均勻承壓的套管上出現收縮現象，且在套管加載面的與非加載面的臨界處，變形尤其明顯。

3 仿真結果分析與結論

3.1 仿真計算結果分析

通過有限元仿真模擬，可以得到不同套管在不同載荷情況下等效應力與形變數據，圖1和圖2為J55-Ф139.7mm套管在均勻載荷下外壓與徑向位移、等效應力與徑向位移的變化曲線。曲線拐點處即為套管彈性變形向塑性變形轉變時所受外力即此時套管的屈曲載荷及應變量。

通過對常用J55套管（Ф139.7mm，壁厚7.72mm）的均勻加載仿真分析，可得到：（1）當外載均勻壓力低于44.86MPa，徑向變形小于0.123 3mm，套管處于彈性變形階段；當外載壓力達到44.86MPa，套管所受等效應力大于套管屈服應力極限379MPa達到了381.37MPa，發生塑性形變，但不影響套管正常工作。（2）當外載均勻壓力大于78.47MPa，套管所受等效應力基本為常量及517MPa，但徑向位移已經超過套管正常工作時的允許位移11.491 5mm，套管損傷嚴重，需及時對套管進行修復。（3）外載均勻壓力從44.86MPa增加到78.47MPa，為套管塑性形變損傷階段，該損傷在外力卸載后無法恢復至原始階段，會對后期作業及修井措施造成較大阻礙。

4 結語

（1）均勻載荷對套管變形影響非常明顯。（2）隨加載逐漸增大，承載套管的承載能力為一個階段性的變化過程：由線彈性形變到非線彈性形變，直至完全損壞。（3）在線彈性范圍內，套管變形較小，不影響正常生產。

參考文獻

[1] 王兆水，黃煦，張向華.孤東油田套損主要因素探討[J].石油地質與工程，2004（18）：84-85.

[2] 練章華，趙國珍，張先普，等.套管破壞的計算機仿真軟件研究[J].天然氣工業，1998（2）：35-38.

[3] 孫姜銳.石油套管彎曲變形的仿真分析[J].現代制造技術與裝備，2009（3）.

[4] 于桂杰，王瑞和，于永南，等.對稱載荷作用下的套管抗擠能力分析[J].中國石油大學學報：自然科學版，2007，31（5）：78-82.