套管膨胀后抗挤毁性能的有限元模拟分析

术在 我 国得 到较 快 发 展 ， 其在 理 论 方 面 国 内学 者 尤 做 了大量 的研究 ， 主 要 集 中在 套 管 膨 胀 过程 的力 但
着手 分析 了套管膨胀 后 的挤毁情 况 ， 为后续 的有 限元 分 析提供 了套管 膨胀后挤毁失 效的力学判断标准 。
１ １ 二 维 力 学 模 型 ．
收 稿 日期 ：０ ９ ０ — ； 回 日期 ： ０ ９ ０ — ４ ２０ — ７ １ 改 ７ ２ ０ — ９ １
胀过 程 中残 余应 力 的存 在 ， 以及 残 余 应 力 和膨 胀 过
程 的密切相 关性 导致 膨胀 后 的抗挤毁 性 能更难用 解 析方 法求得 精 确解 。为此 ， 笔者 采用 有 限元法 ， 分析 了抗 挤毁 压 力 和 膨 胀 后 实 体 管 中残 余 应 力 和 Ｄ／ ｔ （ 膨胀 后 实体管 的直径 和 厚 度 比） 间 的关 系 ， 建 之 为 立膨 胀管 膨胀 后 的挤 毁压 力方 程提 供 了数据支 持 。
可 膨胀 套管 技术 最早 由壳 牌公 司在 ２ Ｏ世纪 ９ ０ 年 代提 出 ， 要 用 于 封 堵 复 杂 地 层 、 管 修 复 等 领 主 套 域， 以达到 用 同一 尺 寸 的套管 代 替 现 行 多层 套 管 的
目 的 ， 而 保 证 同 一 井 眼 内 多 个 复 杂 地 层 的 钻 进 安 从 套 管 膨 胀 后 的 挤 压 分 析 目前 还 没 有 很 成 熟 的理
第３ ７卷 第 ６期
２０ ０ ９年 １ 月 １
石
油
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术
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“６ ” 划 专 栏 ８ ３计
套 管 膨 胀 后 抗 挤 毁 性 能 的 有 限 元 模 拟 分 析
使 用 的一 个 重要参 数 。 目前关 于套 管 的挤毁 强度计 算 一般 采 用 的是 ２ ０世 纪 ６ ０年 代 美 国公 布 的 ＡＰ Ｉ ５ ３标 准口 Ｃ 。但 该 标 准 中计 算 挤 毁 强 度 的公 式 主 要 适用 于未 膨胀前 套 管挤毁 强度 的计算 。国外对 实
体 管 膨 胀 后 的 抗 挤 毁 性 能 分 析 已 经 有 一 些 理 论 研
陈功 剑 李 春 福 申文 竹 王 绍 先 李 作会 朱 海 波
６ ０ ０ ； ．胜 利 石 油管 理 局 钻 井 工 艺 研究 院 ， １５０２ 山东 东 营 ２７１） ５ ０ ７
（ ．西 南 石 油 大 学 油 气 藏 地 质 与 开 发 工程 国家 重 点 实 验 室 ， Ｉ 都 １ ＮＪ 成 ｒ
为径 向许用 应力 ； 为 周 向许 用 应力 ； ｉ 内压 ； Ｐ 为
Ｐ 为外 压 。
膨 胀 套 管 的膨 胀 过程 是 一 种 高度 非 线性 行 为 ， 很 难 用解析 方法 求得 精确 解 。膨胀后 的套 管 由于膨
式 （ ） 叫 Ｌ ｍｅ方 程 ， 一 种 屈 服 挤 毁 方 程 。 ｍｍ， 采用 塑性 屈 服
在 较 大缺 陷 ， 以及 随 着 套 管 膨 胀 后 残 余 应 力 增加 ， 胀 后 套 管 的 挤 毁 强 度 降 低 。 膨 关 键 词 ： 胀 套 管 ； 压 强度 ； 余 应 力 ； 限 元 法 ； 学模 型 膨 抗 残 有 力
中 图分 类 号 ： ＴＥ２ １ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ １ ０ ９ （ ０ ９ ０ — ０ ８ Ｏ １ ０ —８ ０ ２ ０ ） ６０ １一 ４
摘 要 ： 用 弹 塑 性 有 限 元 建 立 了可 膨胀 套 管膨 胀 和 挤 毁过 程 的 力 学模 型 ， Ｎ ０铜 级 材 料 的 ¨ ４ ３ ｍｍ 膨 采 对 ８ ．
胀 套 管在 不 同膨 胀 率条 件 下膨 胀 后 的 挤 毁 强度 进 行 了计 算 ， 出 了采 用 Ａ Ｉ Ｃ 给 Ｐ ３标 准 和 有 限 元 法 计 算 的 膨 胀 后 套 ５ 管挤 毁 强度 以及 膨 胀 后 挤 毁 强度 与残 余 应 力之 间的 关 系 曲线 ， 现 用 Ａ Ｉ Ｃ 发 Ｐ ３标 准 计 算 膨 胀 后 套 管 的 挤 毁 强度 存 ５
而 套 管 膨 胀 后 的抗 挤 毁 性 能 是 膨 胀 套 管 能 否 在 井 下
在 外 压 的作 用下 ， 套管 发生 挤毁 破坏 ， 破坏机 其
理 十 分 复 杂 。二 维 情 况 下 ， 用 弹 性 力 学 理 论 ， 设 利 假 挤 毁 压 力 只 和 套 管 的 Ｄ／ 和 屈 服 强 度 有 关 ， ： ｔ 则
学分 析 ， 膨胀 锥位 移对残 余应 力 的影 响［ 、 如 ９ 膨胀 锥 ］
角 的影 响ｍ］ 摩擦 系数 的影 响＿ 、 １ 和套管 塑性理 论 等方 面 。关 于 套 管 膨 胀 后 的 管 材 性 能 研 究 还 比较 少， 尤其 对膨 胀 后 套 管 抗 挤 毁 性 能 的 研 究 还 较 少 。
１ 基 础 力 学 模 型
全 ， 高钻 井作业 效 率 ， 提 降低 钻井 成本 。该 技术 最近
６ａ在 石 油 工 程 中应 用 越 来 越 广 泛 ［ ］ 近 几 年 该 技 １ ，
论公式 ， 其力学模 型均 是在简化 的条件下 建立 的。笔
者 从 套 管 受 外 挤 力 的 二 维 力 学 模 型 和 三 维 力 学 模 型
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式 中 ， 任 意 半 径 为 套 管 内 径 ；。 套 管 外 径 ； ｒ为 ｒ为
究 ］ 国 内还 鲜 见 相 关研 究 ， 且 国外 目前 也 没 有 ， 而
统一 的膨胀 套管 挤毁 强度计 算 的理论 公式 。