豎直油井套管的三維有限元分析

豎直油井套管的三維有限元分析

管道是油氣井設(shè)備的主要部件，隨著管道技術(shù)的應(yīng)用和普及，它變得越來越重要。由于某些地層中存在蠕變嚴(yán)重的鹽巖層等特殊地質(zhì)條件,按照常規(guī)設(shè)計的套管在遇到鹽巖層時經(jīng)常會發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形而導(dǎo)致套管不能正常使用。近幾年來,這個問題引起了工程界的關(guān)注,并得到了若干研究者的較深入地研究。張效羽對2001年以前的套管分析研究文獻(xiàn)做了簡要的回顧與綜述;練章華和韓建增等對套管的擠毀現(xiàn)象做了工程彈塑性有限元分析;GaoDe-Li和LiuFengwu等討論了套管沿全長的屈曲問題;張效羽和徐秉業(yè)等將模糊識別技術(shù)用于在役套管的變形損壞的預(yù)測分析;韓建增、李中華等討論了幾何缺陷對套管抗擠壓強度的影響。雖然有了上述文獻(xiàn),但是對于套管在三維非均勻載荷作用下的破壞現(xiàn)象的數(shù)值分析的研究文獻(xiàn)仍然不多。本文要研究的對象是一個井深7500m的豎直油井套管。地層中6000m以下有若干段蠕變嚴(yán)重的鹽巖層。在固井后,由于鹽巖蠕變對套管產(chǎn)生的壓力引起套管產(chǎn)生過量塑性變形,進(jìn)而被擠毀。工程單位要求對原設(shè)計方案進(jìn)行三維有限元模擬驗算,并要求依據(jù)所擁有的資料提出新的設(shè)計建議。因此,本文將首先對原設(shè)計方案進(jìn)行三維彈塑性分析,之后進(jìn)一步對壁厚增加以后的套管進(jìn)行彈塑性數(shù)值模擬分析。一、管道—力學(xué)模型本文研究的套管截面的幾何尺寸是外徑為0.34m、內(nèi)徑為0.31m,全長7500m。套管在6000m以下的地層中遇到5段厚度為11m的鹽巖層。鹽巖層的壓力對稱作用在套管上2個15°的扇形區(qū)內(nèi)(見圖1)。套管在鹽巖層發(fā)生擠毀破壞。由于每段鹽巖層之間的距離超過30m,筆者認(rèn)為各段鹽巖層對于套管的作用沒有相互影響。因此,可以對套管進(jìn)行分段三維彈塑性計算。經(jīng)過簡化得到的套管的力學(xué)模型如圖1所示,圖中套管分為兩段,上部為11m的外部受鹽巖層和鉆井液壓力聯(lián)合作用的部分,下部為22m的僅受鉆井液壓力的管段部分。在給定的套管若干深度段上,外部壓力一部分(MO、NP段)是液體壓力,而另一部分(MN、OP段)是鹽巖壓力。其中:pOP33ΟΡ=pMN33ΜΝ,pMO22ΜΟ=pNP22ΝΡ,內(nèi)壓p1均勻分布。圖中角度α=π/12。由圖2可看出,均布載荷p0ol=120MPa均勻分布在上部兩個對稱的15°扇形區(qū)內(nèi)。在其上疊加有幅值為0.23MPa/m的分布鹽巖蠕變壓力梯度。套管其他部分的外表面上分布有0.017MPa/m液體壓力梯度,每一點上的壓力值是從地面0m處按深度和壓力梯度計算得來的。套管置于一個剛性孔內(nèi),上部管段與孔壁之間具有剛性接觸關(guān)系,以模擬扶正器的約束作用,剛性孔與套管間有1cm的徑向間距。管段下部為3個方向的固定位移約束。套管頂部受到的自重產(chǎn)生的壓力為440MPa。按照ABAQUS軟件要求的格式,上述模型承受有7組分布載荷,分別如下。載荷1為上部套管自重引起的豎向載荷(pz)。載荷2為套管內(nèi)部自上而下液體壓力(pmi)。載荷3為套管內(nèi)部自上而下均勻分布內(nèi)壓(po)。載荷4為套管外部自上而下均勻分布外壓(pMOo)。載荷5為套管外部自上而下液體壓力(pMOm)。載荷6為套管外部自上而下均勻鹽巖分布外壓(pMOo)。載荷7為套管外部自上而下梯度鹽巖層壓力(pMOm)。套管材料參數(shù)取值為:彈性模量E=2×105MPa,泊松比ν=0.3,初始屈服極限σs=860MPa。本文給出的計算結(jié)果共有3組,分別是:①原設(shè)計外徑為0.34m、內(nèi)徑為0.31m的套管在內(nèi)外液體壓力以及對稱的15°扇形區(qū)鹽巖壓力作用下的三維彈塑性分析;②新設(shè)計建議的外徑為0.35m、內(nèi)徑為0.315m的套管在內(nèi)外液體壓力和非對稱的15°扇形區(qū)鹽巖壓力作用下的三維彈塑性分析;③將上述②的模型所處位置深度增加,即平移使其頂部深度達(dá)到6500m時套管的三維彈塑性分析。二、三維阿部阿部彈塑料的等效計算ABAQUS有限元分析模型總共采用了8688個節(jié)點、1224個三維20節(jié)點減縮積分二階等參單元對所選管段進(jìn)行離散。(1)原設(shè)計套管的塑性區(qū)分析計算1給出了原設(shè)計外徑為0.34m、內(nèi)徑為0.31m的套管在內(nèi)外液體壓力以及對稱的15°扇形區(qū)鹽巖層壓力作用下的三維彈塑性分析結(jié)果,包括頂部深度位置為6400m的套管段的有限元等效塑性應(yīng)變分布圖、vonMises等效應(yīng)力分布圖和網(wǎng)格變形圖。表明加載到總載荷的91.44%時已經(jīng)發(fā)生了塑性變形,在載荷因子0.9144以后的加載行為比較難以收斂,這說明原設(shè)計套管不能承受鹽巖層壓力和鉆井液壓力聯(lián)合形成的工作載荷。結(jié)果中塑性區(qū)的值遠(yuǎn)高于其他地方的值。應(yīng)該說明的是:ABAQUS計算應(yīng)力是在高斯積分點上進(jìn)行的,但是其后處理顯示卻在節(jié)點上的應(yīng)力值,而ABAQUS節(jié)點上的應(yīng)力值則是由高斯積分點上的值線性外推插值得到的,從而產(chǎn)生了較大的偏差。分析認(rèn)為節(jié)點上的應(yīng)力值在塑性區(qū)已超過給定的材料強度極限,只是顯示出來的偏差。經(jīng)檢查確認(rèn)高斯積分點上的應(yīng)力值嚴(yán)格等于屈服強度值。從變形后網(wǎng)格與變形前網(wǎng)格的比較可知,原設(shè)計套管在對稱的鹽巖層壓力和正常工作液壓聯(lián)合作用下,會發(fā)生大面積塑性屈服變形。這表明原設(shè)計套管強度和剛度均不夠,必須加厚套管,才能滿足工作載荷的要求。這一點與工程施工現(xiàn)場的實際情況是相符合的。(2)復(fù)合載荷作用下彈塑性行為分析計算2為對加厚了的套管(外徑為0.35m、內(nèi)徑為0.315m)在同樣的液壓和鹽巖層的復(fù)合載荷作用下的彈塑性行為分析結(jié)果。套管段頂部深度位置不變。結(jié)果中各處的等效塑性應(yīng)變值為零,表明沒有塑性區(qū)產(chǎn)生。(3)頂部深度增加到400m在這一組計算中幾何模型同計算2相同,只是載荷作了修改:頂部深度增加到6500m,從而內(nèi)部液壓、外壓及鹽巖層壓力都作了相應(yīng)增加。結(jié)果中各處的等效塑性應(yīng)變值也為零,表明沒有塑性區(qū)產(chǎn)生。三、管段模型的應(yīng)用(1)改進(jìn)后的套管的有限元數(shù)值結(jié)果中等效應(yīng)力值低于塑性屈服應(yīng)力值,沒有塑性區(qū)出現(xiàn),說明改進(jìn)后套管的強度和剛度均符合工程需要。(2)應(yīng)用ABAQUS有限元軟件在模擬及求解彈塑性接觸問題時表現(xiàn)出了超凡的能力。本文在模擬扶正器對套管的約束作用時在簡化的管段模型的端部引入了接觸約束,從而很好地避免了由于剛性位移約束引起的過大的端部約束力,使得計算結(jié)果與實際情況吻合較好。由于套管的細(xì)長比很大,對7500m套管全長進(jìn)行三維整體非均勻分布載荷數(shù)值計算的計算量過于龐大,當(dāng)采用簡化管段模型進(jìn)行分析時,簡化模型與套管其余部分的連接模型細(xì)節(jié),如位移約束等的選擇對模型的計算結(jié)果具有比較大的影響。本研究曾經(jīng)進(jìn)行的試算表明,當(dāng)采用固定位移約束(而不是接觸