高温高压气井管柱力学有限元分析

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内容简介

第1章 概 述
　　本书目标是针对塔里木油田目前工程存在的严重影响生产的与管柱及封隔器 相关的若干典型的材料强度与结构刚度等问题，进行三维结构变形与应力分布弹 塑性研宄，得到相关问题的三维有限元数值解。以此为基础，提出管柱系统的改 进和完善措施，为节约成本且安全、高效的生产提供先进、可靠的技术保障。
　　鉴于以前常用的相关工程计算工具主要是以解析解为基础进行分析计算的软 件，这些解析解的理论基本上都是20世纪90年代的成果。其模型基础都是对实 际工程对象进行了大幅简化的模型。这些模型的背景主要是当时的计算条件还不 够发达，满足不了更详细模型计算的要求。
　　目前的计算技术与20年前相比进步巨大，客观上提供了使用更详细、更接 近实际的模型进行计算分析的可能。为了得到与实际工程更接近的模型和解决方 案，需要在模型中考虑比以前的模型更多的细节，包括结构细节和载荷细节。这 样，有必要采用三维有限元方法求得管柱及封隔器等设施的结构力学行为的三维 数值解。
　　本书的研究手段和求解工具将以三维有限元数值计算软件ABAQUS为主要 工具，对课题涉及的相关研宄对象建立具体结构的详细三维有限元模型。以此为 基础，结合实际工程中的各种力载荷、流体压力载荷和热载荷，进行各种工况下 结构的力学行为的详细的弹塑性和破坏失效分析，给出变形、应力、塑性变形等 各种相关的力学量和分析评价结果。
　　理论上，由于管柱长度尺度远远大于管柱截面尺度，以往按传统方法建立的 三维数值解要么需要大量的网格才能满足精度要求，要么模型过于简单而与实际 差别较大，达不到基本的精度要求。长期以来，基于解析解的管柱力学分析在工 程中占主导地位。近年来，随着计算技术的发展，管柱力学的三维数值解大约在 10年前开始得到工业界的重视，目前已经有了越来越多的应用。
　　根据对塔里木油田目前工程中存在问题的了解，结合实际需要，本书的主要 研究内容有6个。
　　(1)管柱全长的三维力学分析。包括管柱在重力载荷、压力载荷和热载荷各种 工作载荷下各处的变形、弯矩、应力分布，以及在此基础上的屈曲分析、塑性变 形分析和可能的破坏失效分析。
　　模型中将考虑下述载荷因素：①管柱和套管之间的接触和摩擦力；②管柱所 受的浮力；③液体压力载荷；④热载荷；⑤其他可能的载荷，比如异常环空压力 等。这一部分研宄工作所提供的主要数值解包括：①各种载荷工况下的变形、弯 矩、应力沿管柱全长的分布，包括云图和Excel文件；②结合材料强度参数和上 述力学量的数值得到的管柱塑性、屈曲等力学状态的评价结论。
　　(2)封隔器的破坏形式和承载能力分析。包括封隔器在重力载荷、压裂泉注压 力载荷和热载荷各种工作载荷下封隔器各处的变形、应力分布、塑性变形等力学 量的数值，以及在此基础上的封隔器可能的破坏失效分析。
　　这个部分的研宄模型中，封隔器底部管柱可以简化为固支端约束。但来自上 部管柱的载荷从管柱分析的结果中获得之后将施加在封隔器上，而不是简化为固 支端。这样得到的模型考虑了管柱螺旋屈曲和正弦屈曲，以及不屈曲等各种工况 对管柱底部封隔器受力的影响。因此，理论上这个模型更接近实际，得到的解在 数值上也更准确。
　　结合工程实际现象，封隔器三维破坏失效数值分析的重点是心轴的断裂。
　　这个部分的研究内容是上一部分的延续扩展，是在前面成果的基础上进行的。这一部分研宄工作所提供的主要数值解包括：①各种载荷工况下封隔器的变形、 弯矩、应力分布，包括云图和Excel文件；②结合材料强度参数和上述力学量的 数值，得到的封隔器塑性变形等力学状态的评价结论。
　　(3)多封隔器管柱系统的封隔器破坏形式和承载能力分析。包括封隔器在重 力载荷、压裂泵注压力载荷和热载荷各种工作载荷下封隔器各处的变形、应力分布、塑性变形等力学量的数值，以及在此基础上的各个封隔器可能的破坏失效分析。
　　这一部分研宄工作所提供的主要数值解成果包括：①各种载荷工况下各个封 隔器的变形、弯矩、应力分布，包括云图和Excel曲线等形式；②结合材料强度 参数和上述力学量的数值，得到的各个封隔器塑性变形等力学状态的评价结论。
　　(4)射孔孔周部位的应力分析。包括射孔段管柱的变形与应力分析，以及使用 子模型技术得到的射孔孔周部位应力集中区的应力分析。
　　这个内容是在前面内容（1)的三维管柱力学数值解的基础上进行的。管柱 在各种载荷下的整体变形行为数值结果是进行本部分内容分析的基础和模型输入 数据。
　　这个部分将给出管柱在压裂泵注压力载荷等作用下射孔孔周部位应力集中的 数值解。这个应力数值解能够用于解决应力腐蚀的问题。
　　所谓的应力腐蚀是指：工程结构中的材料腐蚀发生在应力集中部位，应力越 大、腐蚀程度越严重。如果材料点上发生塑性变形，则腐蚀会很严重。
　　根据射孔段孔周部位应力集中的数值解，如果应力指数接近塑性屈服极限，则 采用高强度钢级材料制成的油管，这样能够减轻应力腐蚀程度；如果应力指数明 显小于材料屈服极限，则建议采用较低强度的Cr钢材料制成的管柱，这样既能 节约成本，又能提高结构的抗腐蚀能力。
　　(5)单封隔器完井管柱的管柱力学分析有限元及封隔器完整性校核。这个部 分将在前述管柱力学分析计算的基础上，进一步对封隔器的完整性进行评价。具 体的方法是利用管柱力学的数值解作为封隔器上下轴向力的载荷条件，使用常规 的封隔器完整性信封包络曲线，检验校核封隔器的完整性。
　　(6)双封隔器完井管柱的管柱力学分析及封隔器完整性校核。这个部分对含 有两个封隔器的管柱系统进行管柱力学分析。在此基础上，对封隔器的完整性进 行校核。因为引入了两个不同型号的封隔器，技术细节更加复杂。
　　第2章 油管管柱的三维力学分析
　　2.1 基本概念简介
　　为了使本书内容易于理解，这里先简单介绍一些油管管柱的三维有限元力学 分析基本概念。
　　2.1.1 什么是有限元法
　　有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模 拟。利用简单而又相互作用的元素（即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近 无限未知量的真实系统。
　　有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工 程分析手段。
　　有限元分析的特点是：模型的网格离散。所有的有限元分析都需要先对分析 目标进行模型网格离散，之后才能进行有限元分析计算。由于有限元计算的工作 量一般明显大于解析法求解的工作量，一般只有在下述两种情况下才会使用有限 元法进行分析：①结构是复杂几何体；②结构受复杂载荷作用。
　　作为例子，图2.1给出了封隔器芯轴的有限元模型局部的显示。芯轴的筒状构造本来是一个简单几何体，但是在有穿压孔和台阶之后就成为复杂几何体。这样，芯轴的力学分析必须采用有限元法来进行数值计算。
　　图2.1 封隔器芯轴的有限元模型局部的显示
　　2.1.2 油管管柱的三维有限元力学分析的优点
　　结合上述有限元法的特点可以知道油管管柱的三维有限元力学分析具有下述优点。
　　(1)模拟不规则井轨迹。钻井质量差造成的井轨迹偏离很难在解析法的模型 中来准确模拟。
　　(2)准确计算油管-套管间的摩擦接触力。这里包括两方面内容：①首先是有 限元模型可以逐点计算油管-套管之间的接触力和摩擦力。②在油管变形过程中， 油管-套管间的接触状态随时会变化。有限元法可以根据各点的受力情况随时判 断一个点的接触状态，精确计算接触力和相应的摩擦力。上述两点是解析法无法 做到的。
　　(3)复杂载荷、非线性接触，解析法处理不了。
　　(4)模拟多种载荷。包括重力载荷、浮力载荷、压力载荷、环空压差载荷，以 及支反力载荷等。
　　(5)对于管柱屈曲变形计算不需要特别处理。管柱全长的有限元模型在计算 管柱屈曲时不需要特别措施，只是按照常规有限元进行位移和应力分析，根据位 移的情况即可判断得知是否发生屈曲。而解析法通常需要对屈曲进行特殊的简化 处理，才能计算屈曲现象。
　　(6)芯轴局部载荷。芯轴局部载荷由于穿压孔等局部构造的影响，只能采用数 值求解。
　　(7)网格离散。管柱的有限元模型釆用特殊设计的管单元来对管柱进行离散、 模拟，高效、准确。此外，还采用ITT接触单元模拟油管-套管间的摩擦接触，结 果精确，计算效率非常髙。
　　图2.2中给出了油管-套管模型组装在一起的几何视图。里面的红色管柱为油管。外面的蓝色管柱为套管。套管外表面为位移约束边界，其内表面与油管存在 可能的接触关系。
　　图2.2 油管-套管模型组装在一起的几何视图
　　图2.3为管柱的纵向剖面局部视图。套管的半径为a，油管的半径为b，油 管-套管间隙标准初始值为。在实际工程中，油管受力后会偏向一侧，从而导致油管-套管的接触与摩擦。
　　图2.3 管柱的纵向剖面局部视图
　　图2.4给出了管柱模型中油管截面的应力点分布。油管被视为厚壁筒。横截 面上有24个应力点。应力点的位置分别在外表面、内表面和厚度中间点上。间隔 角为45°。当由有限元分析结果得到管单元某一深度上的节点位移时，有限元数 值结果会同时给出24个点上的各个应力分量和主应力大小与方向。
　　下面我们通过书中的实例MJ4井来给出三维管柱力学有限元分析数值计算 结果的展示。之所以选择MJ4井来进行分析展示，不仅是因为这口井在实际工程 中发生了塑性变形以及屈曲变形，还因为这口井安装了伸缩管，是比较典型的复