石油矿场机械 ２００７年９月 图１ 水泥环缺少３Ｏ。时局部模型 计算分为内压存在和不存在２种情况。首先计 算井筒的温度场，套管内壁的温度为２８５。Ｃ，地层外 边界的温度为２５℃，然后用ＰＩＡＮＥ５５单元划分网 格，井筒的温度分布如图２。 ／ ８２ ７７８ １鲍髑１９＆３３３瓢１１１ ５＆８８９ １１１．６６７ １６９．４４４ ２２７．２２２甥５ 图２井筒温度场分布 计算完井筒的温度场后，将单元类型变为ＰＩ— ＡＮＥ４２三角形单元，并加载位移和力边界条件。无 内压时计算只有１步，即加载温度载荷，共分为２６ 步，将井筒温度从２５℃升高到２８５ Ｃ，每步增加１０ ℃。内压为５ ＭＰａ时计算分为２步，第１步施加内 压，就１个载荷子步；第２步施加温度载荷，分为２６ 个载荷子步，计算过程总共２７个载荷子步。 ２计算结果与分析 ２．１套管的变形分析 由于水泥环的缺少，套管受到了非均匀的作用 力，没有水泥保护的套管部分将向外突出，整个套管 变成椭圆形，图３是将位移按照１０：１放大后不受 内压作用的套管变形，由图３可以看出，水泥对于套 管的保护作用相当重要，尤其是在高温、高压井中尤 为明显。 取缺少水泥的套管部分中间最大位移点作为观 察对象，当温度达到２８５℃时候，内压存在时的套管 径向位移“ 是水泥环完整时的３．９倍。５ ＭＰａ的 内压对套管的径向位移影响不大，只增加了 １７．９ ，如图４。 图３ ２８５℃时套管变形 ＼量 匠 斗＜ 一 峨 窖 舡 图４套管最大径向位移与温度的关系 套管外壁的径向位移沿着套管外壁周向变化很 大（如图５），在水泥环缺少处径向位移“ 最大，并且 在水泥环缺少的３０。中间（１５。）处达到最大值 １．０６６ ７ ｍｍ，在套管的其他部位径向位移基本一 样，分布在０．３８ ｍｍ左右。 匠 《 制 舡 套管外壁圆周展开线／ｍ 图５套管外壁节点径向位移沿圆周展开线变化 ２．２套管的应力分析 由于水泥环的缺少导致套管受不均匀载荷，而 且在水泥环缺少处会产生应力集中。如图６，在水 泥环开始缺少处套管的Ｍｉｓｅｓ应力发生了变化，由 ２７０ ＭＰａ增加到５４３ ＭＰａ，升高了一倍，应力集中系 数为２．０。 套管的 应力分布很不均匀，水泥环缺少处的 套管外壁受拉，内壁受压。套管内壁受力分布如图 ７ 在水泥环开始缺少处发生跃变，套管内壁的 。 由一５００ ＭＰａ增加到一７００ ＭＰａ；套管外壁受力分 布如图８，套管外壁环向应力由一２００ ＭＰａ增加到 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３６卷 第９期 ～趟厘薛制 驰 杨雄文，等：固井水泥环缺陷对套管强度影 仿塞 ｌ析 ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ∞ ０ 加 ０ 趟厘薛制 驰 ０ 加 加 ∞ 们 ∞ ０ ０ ０ ０ 加加∞∞∞∞ ∞ ４６１．９ ＭＰａ，然后在水泥环缺少的套管中间跃变 为５０．２ ＭＰａ。 重 量 萎 套管外壁圆周展开线／加 图６套管的Ｙｏｎ—Ｍｉｓｅｓ应力沿圆周展开线分布 ８ ６ ４ ２ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ 套管内壁圆周展开线／加 图７套管内壁 。沿圆周展开线分布 ｒ— 、 Ｏ Ｑ １ Ｏ．２ Ｏ．３ ０．４ ０．５ ０．６ 套管外壁圆周展开线／珀 图８套管外壁环向应力沿圆 展开线分布 随着温度的增加，套管外壁的环向应力变化较 缓慢，套管内壁的环向应力变化较大。在套管外壁 和水泥环断面的连接节点处径向应力 发生了应 力集中，应力集中系数为４．０７，如图９。 剪应力 的分布如图１０。可以看出，在水泥环 开始缺少处的套管剪应力发生应力集中，显示出在 水泥环不连续处剪应力 分别突变为６７．４ ＭＰａ和 一７３．２ ＭＰａ，剪应力的突变如果超过套管的剪切强 度，套管就很容易破裂，所以水泥环的缺失会引起套 管的剪切破坏。 圆周展开线／加 图９ 套管外壁径向应力沿圆周展开线分布 趟襁制素舡 ｏＰ ｍ 圆周展开线／加 图１Ｏ套管外壁 沿圆周展开线分布 ２．３套管的应变分析 套管的塑性应变如图１１，由于受到地层的约 束，在温度增加的过程中，以水泥环缺少处为轴线处 的套管塑性应变较大，然后向两边逐渐减少。无内 压下，水泥环缺少处中间的套管最大塑性变形达到 ０．Ｏ１５ ２；５ ＭＰａ的内压条件下，套管最大塑性变形 为０．Ｏ１９ ５。图１１反映了套管内壁的等效应变分布 情况，由图１２可以看出，水泥环的缺少导致了局部 大应变，从而降低了套管的强度。 Ｑ ０２０ Ｑ ０１８ 一无内压套管内壁Ｍｉｓｅｓ应变 －－｛争（Ｑ Ｏ１６ ４－－５ ＭＰａ内压下套管内壁Ｍｉｓｅｓ应变 趔Ｑ ０１４ 葑Ｏ．０１２ Ｑ ０１０ Ｏ．Ｏｏ８ ０．Ｏ０ｄ ０ Ｕ ｌ Ｏ．２ Ｏ．３ Ｕ ４ ｎ ５ Ｕ．６ 套管内壁周向展开线／加 图１１套管内壁的等效应变沿圆周展开线分布 图１２为无内压情况下套管外壁的最大塑性应 变与温度的关系，此点位于水泥环缺少处的套管外 壁中间点。当温度在２５～１７５℃时套管处于 弹性状 态，温度超过１７５℃后套管进入了塑性变形 而且应 变增长很快。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第３６卷 第９期第５２页 石油矿 场机械 ｏＩＬ ＦＩＥＬＤ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ ２００７，３６（９）：５２～５４ 文章编号：１Ｏ０１－３４８２（２００７）０９—００５２—０３ 掣烈 内壁磨损套管抗挤毁强度计算 王小增 ，杨久红 ，窦益华 （１．嘉应学院电子信息工程系，广东梅州５１４０１５；２．西安石油大学机械工程学院，西安７１００６５） 摘要：套管磨损后壁厚变薄，抗挤毁能力随之降低，若对此估计不足，有可能因此而导致钻井事故或 油气井的早期报废。以最小壁厚分别为４．２ ｍｍ和５．２ ｍｍ的Ｎ一８０ １３９．７ ｍｍ×７．７ ｍｍ套管 为例，得出了磨损套管抗挤毁强度计算公式，对一些磨损套管的剩余抗挤毁强度做了理论计算，并 对计算结果和试验值进行了比较。结果表明，该公式的计算误差小于１０ ９／５，符合工程设计的需要。 关键词：套管；磨损；抗挤毁强度；剩余壁厚 中图分类号：ＴＥ９３１．２０２ 文献标识码：Ａ Ｔｈｅ Ｗｏｒｎ Ｃａｓｉｎｇ Ｃｏｌｌａｐｓｅ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｃａｌｃｕｌａｔｅ ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｚｅｎｇ ．ＹＡＮＧ Ｊｉｕ—ｈｏｎｇ 。ＤＯＵ Ｙｉ—ｈｕａ。 （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｒｎａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｙｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｍｅｉｚｈｏｕ ５１４０１５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘ ’ａｎ Ｓｈｉｙｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘ ’ａｎ ７１００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｔｅｒ ｃａｓｉｎｇ ｉｓ ｗｏｒｎ，ｗａｌｌ ｂｅｃｏｍｅｓ ｔｈｉｎ，ｗｈｉｃｈ ｗｅａｋｅｎｓ ｉｔｓ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｐｒｅｓｓ．Ｗｅａｒｉｎｇ ｍａｙ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃａｓｉｎｇｓ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｖｏｉｄ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｗｅｌｌ ｔｅｓｔ，ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒ— ｔａｎｔ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｃａｓｉｎｇ ｗｅａｒｉｎｇ ｄｅｇｒｅｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｗｏｒｎ ｃａｓｉｎｇｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｌ— ｌｕｓｔｒａｔｅｓ ｔｈｅ Ｎ一８Ｏ １ ３９．７ ｍｍ Ｘ ７．７ ｍｍ ｃａｓｉｎｇ ｗｈｉｃｈ ｒｅｍａｉｎｓ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｓ ４．２ ｍｍ ａｎｄ ５．２ ｍｍ． ｎ∞５ ｎ Ｏｏ４ ｎ Ｏｏ４ ｎ∞３ ｎ∞３ ｎ∞２ Ｑ∞２ ｎ∞１ ｎ∞１ ｎ∞Ｏ ７５ １２５ １７５ ２２５ ２７５ 对固井水泥环缺陷引起的套管应力变化进行仿真 模拟分析得出，无内压下套管的最大径向位移达 ： １．０６６ ７ ｍｍ 是水泥环完整时的３．９倍，水泥环的 缺少导致Ｍｉｓｅｓ应力集中系数为２．０，套管外壁的 最大塑性应变达到０．０１５ ２。 参考文献： 温度／℃ ［１］陈月明．注蒸汽热力采油ＥＭ－１．东营：石油大学出版 社，１９９５． 图１３套管外壁最大塑性应变与温度关系 ３ 结论 热采井固井质量对套管的强度影响很大。通 过建立的水泥环缺少１／１２的井筒平面应变模型， ［２］ 王勋成．有限单元法基本原理和数值方法ｒ－Ｍ］．北京： 清华大学出版社，２００３． Ｅ３］ 房军．非均匀地应力作用下套管与水泥环的受力分 析［Ｊ－Ｉ．石油大学学报，１９９５（６）：５２—５７． 收稿日期：２００７—０２—２８ 作者简介：王小增（１９７３一），男，辽宁绥 人，讲师，硕士，主要从事可编程控制器、单片机应用系统研究与程序开发工作，Ｅ— ｍａｉｌ：ｗｘｚ７３０２２４＠１６３．ｃｏｍ。
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容