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侧钻水平井射孔管柱力学与强度有限元分析

发布于:2020-12-04 21:18

有限元分析

       侧钻水平井井眼尺寸小、井身曲率大、其射孔管柱直径小、壁薄、起爆压大。该管柱在完井套管(含大曲率段)内的下放、上提工况中(包括爆炸工况),其强度和射孔枪的强度对安全施工都是至关重要的。为此,对射孔管柱接触力、摩擦力和管柱应力进行有限元分析,为管柱强度和可靠性评定提供理论依据。
       选取整个射孔管柱为研究对象,井眼轴线为一条任意曲率的空间螺旋线,工作中管柱与井壁发生随机接触,用多向接触摩擦间隙元来描述。假设:
       (1)井眼是圆形刚性(也可以是弹性),井眼直径随井深可任意变化。
       (2)射孔管柱是弹性体,变形前的管柱轴线与井眼轴线重合,管柱与井壁之间有初始间隙,变形后管柱与井壁之间沿井深某些位置在井眼圆周某一方向可能发生接触,管柱在接触点受到接触反力和摩擦阻力作用。
       (3)管柱结构沿井深可以任意变化,忽略动态因素影响。载荷主要有射孔管柱的自身重力、井口的约束反力、井内液体的浮力、在接触点井壁对射孔管柱的法向反力、摩擦阻力以及爆炸压力等。
       射孔管柱力学是多向随机非线性力知识题,采用非线性有限元理论来解决。用一般有限元法把射孔管柱沿轴线离散为若干个空间梁单元,然后在射孔管柱的每个梁单元的节点处设置一个多向接触摩擦间隙元,通过该间隙元使管柱和井壁结合起来形成一个系统,在该系统下利用间隙元理论能方便地计算出射孔管柱与井壁之间有初始间隙的多向随机接触的接触状态、接触反力及相应接触摩擦力,使射孔管柱的受力和变形计算结果更接近实际状态,提高计算精度。射孔管柱每个梁单元都能列出一个单元平衡方程,将所有单元的平衡方程经过坐标转换和拼装,可以得到下部钻具的总体平衡方程。这些量目前还是未知量,需要进行迭代运算,随着迭代次数的增加,逐步收敛于准确值。应当指出,在迭代运算中要满足钻具与井壁之间的接触状态判定条件。
       以G160侧钻水平井射孔管柱为例,比较不同的井身曲率半径对射孔管柱应力强度的影响,也对曲率半径R为30~50 m的理想光滑井眼内的射孔管柱进行受力变形计算,计算工况为4种,其计算结果见表1。从表1中可见,射孔管柱在实际井眼中,只有 50.8 mm油管的上提工况,丝扣部分的最大工作应力σ4Jmax=799.1 MPa,大于σb=703.2 MPa,但局部集中应力允许超出屈服极限;当远离丝扣根部时,应力会很快衰减,不会出现断裂事故。其他工况各部件都满足强度条件。因此,对射孔管柱可以安全下放、上提和完成射孔作业。另外,井身曲率半径R≥50 m时,对该射孔管柱可以安全完成射孔作业过程。但井身曲率半径R<50 m时,不满足强度条件,该射孔管柱不能用于射孔作业。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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