基于有限元模型的油井套管受力情况分析

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应用有限元分析法分析热采井套管柱应力

文献标志码
Ａ
稠油热采开发加剧了油井套管损坏。为保护套管，降低热采井区套损率，钻井开发中需研究在
配套完井工艺，中对套管管柱应力分析是十分必其要的环节。管体的载荷及注蒸汽施工过程中的热胀冷缩构成套管柱上最危险的应力，中综合轴向其应力和综合环向应力均为压缩应力。如果缩颈产
高单元的精度，四节点矩形单元的每边中点各增在
加一个节点，就构成了八节点矩形单元，图３这如
所示。
８点上的值为零。所以，函数 Ⅳ 可以表示为形
Ｎ１＝Ａ（）１一）＋叼＋１。１一（（）
（）考虑套管与封隔器的接触应力和密封３不
问题；
（）４在任意井深处，管、泥环和地层处于平套水
面应变状态。
和３。约束环向位移。外载荷为：管内壁施加０处套内压，始轴向力、应力作为初始应力叠加到计初预
断，难免引起漏汽漏液，该处环境恶化Ｊ也使。
１热采井套管柱力学模型
热采井套管柱力学分析作如下假设ｊ：（）１固井质量良好，管、泥环和地层紧密结套水合在一起，形成一个组合的弹性体；（）管、泥环为均匀理想圆筒，与井眼２套水且

基于有限元的高压油管压力控制模型及试验研究

咼压油泵
1|a
高压抽管
图1高压油管示意图
图2喷油速率示意图
时间(ms)
问题2：柱塞向上运动时压缩柱塞腔内的燃油，当柱塞腔内的压力大于高压油管内的压力时，柱塞腔与高压油管连接的单向阀开启，燃油进入高压油管内。柱塞腔内直径为 5mm,柱塞运动到上止点位置时，柱塞腔残余容积为 20mm3o柱塞运动到下止点时，低压燃油会充满柱塞腔(包括残余容积),低压燃油的压力为0.5MPao喷油器喷嘴结构如图3和4所示，针阀直径为2,5mm.密封座是半角为 9。的圆锥，最下端喷孔的直径为1.4mmo针阀升程为0时，针阀关闭；针阀升程大于0时，针阀开启，燃油向喷孔流动,
技术创新 I rECHNOLOGY INNOVATION
摘要:针对高压油管问题，对高压油管压力控制建立模型并进行研究，通过对所给数据进行计算分析，解决了如何控制进出油来维持油压稳定；同时考虑非理想状态下系统加入高压油泵和喷油嘴时的解决方案，文章对高压油泵和喷油嘴进行了理想模型的建立，对不同数量的喷油嘴，有无减压阀等问题给出了合理的控制方案。关键词：高压油管；流体力学；等价；有限元；控制
p 所以 Ap=0.000196mg/mm3, 当压力为 100 .5MPa 时的密度p'=p+ Ap=0.85016mg/mm3o根据这样的思想，计算出了压力从0〜200MPa之间的压力和密度的关系
基于有限元的高压油管压力控制模型及试验研究
■文/林子琪廉玉康
1 •问题描述问题1：某型号高压油管的内腔长度为500mm,内直径为10mm,供油入口 A处小孔的直径为1.4mm,通过单向阀开关控制供油时间的长短，单向阀每打开一次后就要关闭10mso喷油器每秒工作10次，每次工作时喷油时间为2.4ms,喷油器工作时从喷油嘴B处向外喷油的速率如图1和图2所示。高压油泵在入口A处提供的压力恒为 160 MPa,高压油管内的初始压力为100MPao如果要将高压油管内的压力尽可能稳定在100MPa左右，如何设置单向阀每次开启的时长？如果要将高压油管内的压力从100MPa 增加到150MPa,且分别经过约2、5和40 s的调整过程后稳定在150MPa,单向阀开启的时长应如何调整？

套管有限元计算的若干问题分析

3中国石油天然气集团公司石油科技中青年创新基金资助项目。

33作者简介见本刊第19卷第2期。

地址:(100083)北京市海淀区志新西路3号938信箱。

电话:(010)62323366-2380。

套管有限元计算的若干问题分析3 张效羽33(中国石油规划总院) 张效羽等.套管有限元计算的若干问题分析12001;21(1):62～65摘　要　文章系统讨论了套管有限元计算中容易被忽视的一些问题,如加载步长、单元划分和载荷的非均匀性等因素对计算结果的影响。

分析结果表明:①加载步长对计算结果有重要影响,尤其是进入塑性阶段后,不够精细的步长会导致错误的结果。

②由于套管的形状比较简单,使人们容易忽视单元划分对计算结果的影响,事实上,即使是最简单的平面问题的应力计算,单元数量也不能太少。

尤其是计算套管的变形,沿壁厚方向只划分一层单元是不够的。

③载荷的非均匀性对套管损坏影响极大,体现在两个方面,一是载荷的非均匀性增大时,套管能承受的最大载荷急剧减小,二是在非均匀载荷作用下,套管出现一定程度的局部屈服后,即使载荷不再增大,套管的变形量仍会不断增加。

这些分析和结论不但澄清了套管有限元计算中长期存在的一些问题,还使我们对套管变形损坏的机理有了新的认识。

主题词　固井　套管损坏　套管变形　有限元法　载荷(力)　分析大量研究表明,套管的实际载荷是复杂的非均匀载荷〔1,2〕。

众所周知,理论求解非均匀载荷作用下套管的变形十分复杂,只能在某些特殊条件下求解套管的弹性问题〔3～6〕。

至于非均匀载荷作用下套管的弹塑性及塑性变形的理论解,目前尚未看到有关报道。

鉴于理论求解十分困难,用有限元计算套管的弹塑性变形是目前常用的方法,如文献〔7〕计算了简单非均匀载荷作用下的弹塑性变形;文献〔8〕在考虑套管的椭圆度和偏心度情况下计算出了套管的弹塑性变形,并给出了考虑椭圆度和偏心度时套管的挤毁方程。

由于套管的外形比较简单,使人们往往忽视加载步长、单元划分等问题对计算结果的影响,习惯用简单加载方式和少量的单元划分进行套管的变形计算。

·基于有限元的破裂盘安装后套管完整性分析

２０２３年第５２卷第６期第２９页石油矿场机械犗犐犔　犉犐犈犔犇　犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０２３，５２（６）：２９３８文章编号：１００１３４８２（２０２３）０６００２９１０基于有限元的安装破裂盘后套管完整性分析马传华１，罗　鸣１，吴艳辉１，唐　龙１，王莹莹２，胡洋东２，李兴业２（１．中海石油（中国）有限公司海南分公司，海口，５７０２０６；２．中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院，北京１０２２４９）摘要：破裂盘是管理深水油气套管环空压力的重要工具，安装破裂盘需要对套管进行开孔操作，会对套管原有的性能造成一定影响。

通过建立套管短节有限元分析模型，对破裂盘安装孔位置、安装孔数量、安装孔尺寸、安装孔台阶面及螺纹类型进行参数敏感性分析，探究了破裂盘安装孔相关参数对套管短节强度的影响规律。

利用套管短节下放至飞溅区所承受弯矩对推荐方案的套管短节进行强度校核。

结果表明：在推荐方案下，当短节下放时经历一年一遇与十年一遇海流时可安全下放，当短节经历百年一遇海流时可能无法安全下放。

分析结果可为后续破裂盘套管工具的安装下放提供借鉴。

关键词：套管短节；破裂盘；参数敏感性；完整性中图分类号：ＴＥ９５２文献标识码：Ａ犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１３４８２．２０２３．０６．００４犆犪狊犻狀犵犐狀狋犲犵狉犻狋狔犃狀犪犾狔狊犻狊犪犳狋犲狉犚狌狆狋狌狉犲犇犻狊犽犐狀狊狋犪犾犾犪狋犻狅狀犅犪狊犲犱狅狀犉犻狀犻狋犲犈犾犲犿犲狀狋犕犲狋犺狅犱ＭＡＣｈｕａｎｈｕａ１，ＬＵＯＭｉｎｇ１，ＷＵＹａｎｈｕｉ１，ＴＡＮＧＬｏｎｇ１，ＷＡＮＧＹｉｎｇｙｉｎｇ２，ＨＵＹａｎｇｄｏｎｇ２，ＬＩＸｉｎｇｙｅ２（１．犎犪犻狀犪狀犅狉犪狀犮犺，犆犖犗犗犆犆犺犻狀犪犔狋犱．，犎犪犻犽狅狌５７０２０６，犆犺犻狀犪；２．犆狅犾犾犲犵犲狅犳犛犪犳犲狋狔犪狀犱犗犮犲犪狀犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵，犆犺犻狀犪犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犘犲狋狉狅犾犲狌犿，犅犲犻犼犻狀犵１０２２４９，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｒｕｐｔｕｒｅｄｉｓｋｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｏｌｔｏｍａｎａｇｅｔｈｅａｎｎｕｌａｒｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｄｅｅｐｗａｔｅｒｏｉｌａｎｄｇａｓｃａｓｉｎｇ．Ｔｏｉｎｓｔａｌｌａｒｕｐｔｕｒｅｄｉｓｋ，ｔｈｅｃａｓｉｎｇｎｅｅｄｓｔｏｂｅｏｐｅｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｉｎｅｖｉｔａｂｌｙａｆｆｅｃｔｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｃａｓｉｎｇ．Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｃａｓｉｎｇｓｕｂｊｏｉｎｔｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｈｏｌｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｈｏｌｅｓ，ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｈｏｌｅｓ，ｔｈｅｓｔｅｐｓｕｒｆａｃｅｏｆｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｈｏｌｅｓ，ａｎｄｔｈｅｔｙｐｅｏｆｔｈｒｅａｄｏｆｔｈｅｒａｐｔｕｒｅｄｉｓｋｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｌａｗｏｆｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｈｏｌｅｏｆｔｈｅｒａｐｔｕｒｅｄｉｓｋｏｎｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｃａｓｉｎｇｓｕｂｊｏｉｎｔｗａｓｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｃａｓｉｎｇｓｕｂｊｏｉｎｔｗａｓｃｈｅｃｋｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇｍｏｍｅｎｔｏｆｔｈｅｃａｓｉｎｇｓｕｂｊｏｉｎｔｌｏｗｅｒｅｄｔｏｔｈｅｓｐｌａｓｈｚｏｎｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｓｃｈｅｍｅ，ｔｈｅｓｕｂｎｏｄｅｃａｎｂｅｓａｆｅｌｙｌｏｗｅｒｅｄｗｈｅｎｉｔｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓｔｈｅ１ｙｅａｒａｎｄ１０ｙｅａｒｃｕｒｒｅｎｔｓｃｕｒｒｅｎｔ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｓｕｂｎｏｄｅｍａｙｎｏｔｂｅｓａｆｅｌｙｌｏｗｅｒｅｄｗｈｅｎｉｔｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓｔｈｅ１００ｙｅａｒｃｕｒｒｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｉｎｆｏｒｍｔｈｅｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｄｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｕｐｔｕｒｅｄｉｓｃｃａｓｉｎｇｔｏｏｌｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｃａｓｉｎｇｎｉｐｐｌｅ；ｒｕｐｔｕｒｅｄｉｓｋ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ；ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ随着我国深水油气勘探开发战略的逐步推进，深水井测试及生产过程中的一些安全问题引起了人收稿日期：２０２３０５０９　基金项目：中海石油（中国）有限公司“三新三化”项目（ＪＴＫＹＳＸＳＨ２０２２ＨＮ０１）。

基于有限元分析的石油套管淬火残余应力

的企业生产提供一定的理论依据．
关键词：无缝钢管；淬火；有限元；残余应力
中图分类号：Ｂ１５Ｇ１６３Ｔ１；Ｔ５．４文章标志码：Ａ
ＱｕｎｈｄＲｅｉｕｌｔｅｓｆｌｓｇＢａｅｎｅｃｅｓａｒｓｉｓｄｏｄＳｏＯｉＣａｎ
基于有限元分析的石油套管淬火残余应力
李连进，武斌斌２，温殿英２
（Ｉ津商学院机械工程学院，天津．天３０３０１４；２．天津理工大学机械工程学院，天津３０９）０１１
摘
要：采用有限元分析方法，通过有限元分析软件ＭＳｒ模拟石油套管淬火过程，分ＣＭａｃ
Ｏ引 — 口二・提高无缝钢管机械性能除提高材料本身的性质外，对它进行热处理是非常必要的手段．伴随无缝钢管的热处理工艺，在提高无缝钢管机械ｌ能的生
管内外表面冷却速度不一致而造成的．影响热处理
ＦｉｉｅＥｌｍｅｔｎｔｅｎａｙｉＡｎｌｓｓ
ＬｉｎｉＷＵＢｎｉ２ＷＥａｙｎＩａｊ，ｉｂｎ，ＮＤｉｉｇＬｎｎ
（．ｌｇｆｃａｉｌｎ．ＴａｊｎｖｏＣｏＩＣｏｌｅＭｅｈｎｃｇ，ｉｉＵｉ．ｆｍｍｅｃ，ｉｎｉ３０３，ｈｎ；ｅｏａＥｎｎｒｅＴａｊ０１４Ｃｉａｎ２ＳｈｏｆｃａｉａＥｇ，ｉｎｉＵｉ．ｆｅｈ，ｉｎｉ０１ＩＣｉａ．ｃｏｌＭｅｈｎｃｌｎ．ＴａｊｎｖｏＴｃ．Ｔａｊ３０９，ｈｎ）ｏｎｎ

顶封条件下注水套管受力的有限元模拟分析 - 天然气与石油

" 顶封注水工况
封隔器是实现分层注水的重要工具!完全坐封及精确配注是达到分注要求的重要手段" 注水井顶封封隔器管柱体现了分层注水的要求!主要工作特点&油管内和封隔器以下恒为高压区!封隔器以上油套环空恒为相对低压区 !封隔器承受单向压差作用 $(%"
# 力学模型建立
本次建模采用 )*+,+ 有限元方法模拟顶封条件下注水时套管的受力情况" 模型中以常用的 -!!' 套管为例 !外径 !$.% //!壁厚 .!% //!顶封处上下两端各取 &0 / 建模" 注水管柱设计和注水压力尽可能根据实际情况取值!封隔器下深为 # (00 /!则模型顶部深度为 # $&0 /! 底部为 # (&0 /!井口的注水压力为 !(# 1-2" 封隔器坐封良好!套压为 0!以套管相对安全的情况考虑!环空液面到井口!上部套管受到的内压为环空液柱压力'封隔器下端受到的内压为井口注水压力和液柱压力之和(忽略摩阻及其他压力损失)" 依据目的区块的测井资料和压裂数据!计算得到油层段顶部和底部的水平地应力组合分别为 &3#$. 1-2 和 &.#(! 1-2"
在本模型中&封隔器上部的液柱压力较大&如若环空液面较深&此时封隔器两端的压差将更大&井口注水压力不需要达到设定值时&套管可能已经发生变径而损坏)
图套管整体变形图
图套管应力分布图模型图套管最大应力位置放大模型
图套管变形最大位置图
图 45/(&表明由于套管外压在最下端处较大 &导致套管在该处出现最大变形*

顶封条件下注水套管受力的有限元模拟分析

＋）（０ｒｖ＿＿ｏ￣ｐｏ）＋ａｐ。
收稿日期：２０１４ — ０８ — ３０作者简介：张光明（１９６３一），男，湖北天门人，教授，博士，主要从事石油工程、储层ＡＳＦＩＥＬＤＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ油号田开发６
计算模型的假设条件：
１顶封注水工况
封隔器是实现分层注水的重要工具，完全坐封及精确配注是达到分注要求的重要手段。注水井顶封封隔器
１）模型中采用黄荣樽 “ 六五模型” 地应力模式结合测
井及压裂数据计算最大、最小水平地应力。
Ｏ＂Ｈ＝
管柱体现了分层注水的要求，主要工作特点：油管内和
Ｉ、 ≠ １＋卢）（ｖ一叩ｏ）＋叩。
一
封隔器以下恒为高压区，封隔器以上油套环空恒为相对
低压区，封隔器承受单向压差作用Ｈ］。
ｈ＝
Ｉ
方式为笼统注水或者关井停注，损失了大量的水驱控制储量，影响了油田后续开发。为了明晰顶封注水对套变的影响，建立了顶封注水模型，分析两者之间的关系。略摩阻及其他压力损失）。依据目的区块的测井资料和压裂数据，计算得到油层段顶部和底部的水平地应力组合分别为５６、３９ＭＰａ和５９、４１ＭＰａ。

套管头结构有限元分析及评价

材料：
实体模型三维空间有限元模型图
④ 考虑悬挂器螺纹牙、瓦牙与套管间的局部卡
屈服应力二次分布Ｓａｉ（Ｓ，。＝ｒｎ２Ｓ）
３套管头应力分析及强度评价
３１套管头应力分析．
表１材料参数
（）ａ实体模型图和三维空间有限元模型图
卡瓦牙模型
（）挂器螺纹和卡瓦牙的局部轴对称模型ｂ悬
图１
① 对于标材料承压装置的设计计算按ＡＭＥＳ
锅炉和压力容器规范第８卷第２册附录４所叙述的设计方法，设计许用应力应按下列准则限定：
强度评价标准及套管头极限悬挂载荷和不同套管柱套管头悬挂重量的最优载荷，此，文开展了为本不同工况条件下套管头力学分析，并对其整体及局部的应力进行应力分析及强度评价，到套管头极得
２１ＳｉｅｈＥｇｇ０ｃ．ｃ．ｎｎ．１Ｔ
套管头结构有限元分析及评价
由保胜周记满刘宇黄金波
（庆钻探钻井生产技术服务一公司，庆１３５）大大６３８
摘
要
针对固井过程中套管头损坏现象，采用有限元软件建立套管头整体有限元模型，对套管头在不同工况条件下进行应
载荷：套管头受自重、压、栓预紧力、挂内螺悬
器及局部悬挂套管作用，局部套管受到内压和悬而

东北石油大学课程设计弯曲段套管抗挤强度有限元讲解

东北石油大学课程设计年月日东北石油大学课程设计任务书课程计算力学课程设计题目弯曲段套管抗挤强度有限元分析专业工程力学姓名学号主要内容：石油工业中，API（美国石油学会）套管强度计算公式是没有考虑任何缺陷的套管强度计算公式，井下套管的使用都是通过API套管强度标准设计的。

但是在实际使用的套管都存在一定的缺陷，如出厂的不圆度、壁厚不均度等，使用过程中套管内壁被钻杆接头磨损和套管在弯曲段时的弯曲。

这些因素或多或少地影响着套管抗挤强度，当套管抗挤强度降低到一定程度时就会造成套管损坏，影响油气资源开发的经济效益。

研究和分析弯曲段套管的抗挤强度就可以知道套管曲率对套管抗挤强度的影响关系，就可以指导现场套管的设计和选材。

套管钢级为N80，屈服强度551.6MPa，泊松比0.3，弹性模量206GPa，外径177.8mm，壁厚13.72mm。

套管曲率取2°/100m、4°/100m、6°/100m、8°/100m、10°/100m，分析计算各种曲率条件下的套管抗挤强度。

基本要求：在课程设计期间，巩固有限元理论知识，掌握边界处理方法，能够应用有限元分析软件ANSYS求解工程中的实际问题，了解力学分析软件的前后处理，掌握有限元分析流程。

在3周时间内，应用ANSYS软件完成课题题目的有限元分析与计算，提交所设计题目的有限元模型、结果和命令流文件，提交5000字左右论文1份（附录为分析过程命令流）。

主要参考资料：[1] 刘巨保．石油设备有限元分析[M]．北京：石油工业出版社，1996．[2] 刘扬，刘巨保，罗敏．有限元分析及应用[M]．中国电力出版社，2008．[3] 罗敏，张强．ANSYS应用—基础篇[M]．大庆石油学院自编教材，2008．[4] 祝效华，余志祥．ANSYS高级工程有限元分析范例精选[M]．电子工业出版社，2004．完成期限指导教师专业负责人年月日目录第1章概述 (1)1.1 弯曲段套管抗挤强度有限元分析的研究目的和意义 (1)1.2 弯曲段套管抗挤强度有限元分析的主要研究内容 (1)第2章理论分析 (3)2.1套管抗挤强度分析 (3)2.2 SOLID45简介 (3)第3章偏磨套管抗挤强度有限元分析 (5)3.1 问题描述 (5)3.2 ANSYS有限元模型建立及求解 (5)结论 (14)第1章概述1.1 弯曲段套管抗挤强度有限元分析的研究目的和意义套管是油井生产中重要的设施，套管损坏问题己受到国内外的普遍关注。

基于有限元模型的油井套管受力情况分析

［］地球物理学报，０２Ｊ．２０．
２计算结果分析
在均匀水平地应力条件下，果地层为横观各向同性，如
一
３Ｏ一８
ｌ有限元计算模型来自套管起到加强保护的作用。而在一般的钻井设计中，于安异性，管内壁处的应力均呈现非均匀分布规律。其原因基全的考虑，常忽略水泥环的影响。本文也作此处理，以便更清可能有两点：（）管的刚度远远大于地层，此，管承受了绝大１套因套楚的认识地层力学性质各向异性对套管应力的影响规律
径为１７１５．ｍｍ，管弹性模量２０ＧＰ，松比０２，层［３李军，套１ａ泊．６地２陈勉，广清，辉．张张易坍塌地层椭圆形井眼内套管应力的弹性模量Ｅ —３Ｐ，ｚ２Ｐ，ｌ＝７５ＧＰ。１０ＧａＥ一０ＧａＧｚ．ａ有限元分析［．油大学学报（刀石自然科学版）２０．，０５
中图分类号：ＢＴ文献标识码：Ａ文章编号：６２３９（００１．３００１７—１８２１）３０８— １
套管损坏是油田开发中后期面临的重大技术难题，近那么套管所受的应力也是均匀分布的。而当地层为各向异年来呈现愈演愈烈之势，石油安全生产构成严重威胁。性性质时，管内壁处的应力则由均匀转化为非均匀分布，对套

套管钻井中套管屈曲变形的有限元分析

谴越稔一
堡
图２套管在不同井斜角下的屈曲变形
有限元结果分析
笔者通过ＡＡＵＢＱＳ有限元软件对斜直井眼中的套管进行分析计算，研究其屈曲变形。在分析过
程中利用 “ 约束” 和 “ 放松”迭代法来判断套
管和井壁的接触。为方便计算，分析过程中忽略了
一
，
套管的屈曲变形会在井眼内形成弯曲的几何形状，增加了套管的应力而且可能增加产生横向振动的可能性。通常人们采用解析法来研究石油管柱的屈曲
变形，但使用有限元分析法能更清楚地了解管柱在井眼中的变形情况，以便调节套管钻井中的相关参数。
套管；二是在套管柱上安装刚性扶正器。
关键词套管钻井屈曲变形有限元分析扶正器套管鞋
一
—
百
理论分析
选取在直径为１８７ｍ（英寸）的斜直５．５ｍ６井眼中钻进的直径为１４３ｍ（英寸）的套．０ｍ１４管为研究对象。套管在斜直井眼中的受力情况如图１所示。沿长度方向作用的有套管自重和钻井液浮
力等分布载荷ｇ，将这些载荷分解为局部坐标系的
套管钻井作为一种新的钻井技术，广泛引起石油行业的关注。套管钻井 ¨ 指在钻井过程中， “是
直接采用标准的油田套管向井下传递机械能和水力
能，井下钻具组合接在套管柱下面，边钻进边接套

基于ANSYS的油井套管强度的有限元分析

收稿日期．０ —０ —１＇７５２２０
１套管力学模型的建立
对有限元分析来讲，力学模型的建立非常重要．套管力学模型是在套管正常工作状态下建立
基金项目：辽宁省自然科学基金资助项目（０５１２．２０２９）作者简介：张晓丽（５一）女，１４，辽宁大连人，９副教授，主要从事机械工程ＣＤＣＥＡ／Ａ及起重运输机械参数化设计研究．
（ｏｅｅｏＭｃａｉｌｎｅｎ，ａａｎｅｉｆｅｈｏｇ，ａａ１０３Ｃｉ）ＣｌｇｆｅｈｎｃｌａＥｅｒｇＤｌｎＵｉｒｔｏＴｎｌｙＤｌｎ１６２，ｈａｉｉｖｓｙｃｏｉｎ
ＡｂｔａｔｙｕｉｇＡＳｏｔａｅｈｓｐｐｒｋｓｔｅｍｅｈｎｃｌａａｙｉｏｅｓｕｔｒｆｉｗｌｓｒｃ：ＢｓＮＹＳｓｆｒ，ｔｉａｅｅｃａｉａｎｌｓｓｎｔｔｃｕｅｏｌｅｌｎｗｍａｈｈｒｏ
２００７年８月
Ａｕｇ．２００７
【机械与材料】
基于ＡＹＳ的油井套管强度的有限元分析。ＮＳ
张晓丽，明鹏，李肖化友，李跃华
（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连１６２）１０４
摘要：ＡＳＳ软件对油井套管进行力学分析，用ＮＹ建立符合工程实际的力学模型，并进行非线性接
维普资讯
７２
重庆工学院学报
的，因此，管模型不能以单独状态建模，须考套必

石油套管弯曲变形的仿真分析

5 结论随着服役年限的增长，井下服役的套管都会经受不同
程度的损坏，本文针对套管在井下发生弯曲变形损坏情况，选取多种规格服役套管套管进行了全面详细的计算，为现场评价井下套管的服役状态，提供了有效的理论依据。
井下套管弯曲变形的必要条件是套管周围掏空或失去约束；地层运移和骨架塌陷是造成井架套管变形损坏的重要条件；井架套管掏空高度越高，套管发生弯曲变形所需的外力越小；井架套管掏空高度越高，套管发生弯曲变形横向偏移量越大。所以在实际生产中一定要预防套管弯曲变形发生的条件的出现。
当侧向载荷增加到65mpa时套管最大变形为45410mm是套管变形由弹性进入塑性的转折点此后套管的流动性迅速增加套管出现了局部屈服但是套管并结论随着服役年限的增长井下服役的套管都会经受不同程度的损坏本文针对套管在井下发生弯曲变形损坏情况选取多种规格服役套管套管进行了全面详细的计算为现场评价井下套管的服役状态提供了有效的理论依据
尾舵驱动器 9 接到遥控信号或是单片机控制信号，调整转向舵 8 的位置改变前进方向。如果采用螺旋前进工作模式时，调整转向舵 8 改变船体的旋转半径，使它适合漂浮物的分布宽度；随后调整加速检测开关 11 相对与船体 7 的位置，指南针的指向绝对静止，这样就改变了加速检测开关 11 与船体 7 的相对位置，从而改变了加速行驶的方向，使它的行驶方向与水面漂浮物的分布长度方向一致即可。这样，水上清洁机器人就会自动的完成水上清洁工作。
12 7.5237 575.83 P110- 177.8 12.1 8.324 579.35 - 10.36

用有限元方法分析石油套管矫直产生的残余应力

Ｔｈｉｉｅｅｅｎｄｌｆｒｔｅｓｒｉｈｅｉｇｏｉｃｓｎｓｉｅｔｂｉｈｄｅｆｎｔｌｍｅｔｍｏｅｏｈｔａｇｔｎｎｆｌａｉｇｓｓａｌｓｅ．ｏ
Ｋｅｏｒｙｗｄｓ：Ｏｉｃｉｌａｓｎｇ；Ｓｔａｉｔｒｇｈｅｎｉｇ；Ｒｅｉａｌｓｒｓ；Ｆｉｔｅｍｅｅｈｏｎｓｄｕｔｅｓｎｉｅｅｌｎｔｍｔｄ
ｔｏｓｂｔｅｈｔａｇｔｎｎｍｏｎｎｈｅｉｕｌｓｒｓｒｅｅｒｈｄｉｒｅｏｍｅｔｔｅｒｑｉｅｎｓｉｎｅｗｅｎｔｅｓｒｉｈｅｉｇａｕｔａｄｔｅｒｓｄａｔｅｓａｅｒｓａｃｅｎｏｄｒｔｅｈｅｕｒｍｅｔ
ｆｈｔａｉｔｅｓｎｄｔｏｕｎｅｓｆｏｌｃｉｇｓＴｈｅｄｅｏｍａｔｏｎｌｗｓｄｕｉｇｔｉｔａｇｈｅｎｉｇａｒａｌｅｏｒｔｅｓｒｇｈｎｓａｈｅｒｄｎｓｏｉａｓｎ．ｆｒｉａｒｎｈｅｒｓｒｉｔｎｅａｎｙｚｄ．
轧制和热处理后的石油套管总会存在纵向弯曲及圆度误差等，这些缺陷一般要通过矫直工艺予以消除。为此，作为石油套管制造最后生产环节的矫
直工艺决定了石油套管的几何形状，同时也影响其力学性能在矫直过程中，如果适当调整轧辊的压下量，可以将石油套管轴线的纵向弯曲逐渐矫直，消除圆度误差，足标准所规定的直线度和圆度要满

《水平井杆管柱力学的有限元分析及应用》范文

《水平井杆管柱力学的有限元分析及应用》篇一一、引言随着石油、天然气等能源需求的持续增长，水平井技术因其高效采油的特点得到了广泛的应用。

水平井杆管柱力学作为其核心技术之一，对于保障井下作业的安全与效率具有重要意义。

本文将着重介绍水平井杆管柱力学的有限元分析方法及其在工程实践中的应用。

二、水平井杆管柱力学基本概念水平井杆管柱力学是研究水平井中钻杆、油管等杆管柱在地下复杂环境中的受力、变形及失效规律的学科。

其核心内容包括杆管柱的力学模型、受力分析、变形计算及失效预测等。

三、有限元分析方法在水平井杆管柱力学中的应用1. 有限元分析方法概述有限元分析是一种基于离散化的数值计算方法，通过将连续体离散为有限个单元的组合体，对每个单元进行分析并综合得出整体的行为特性。

在水平井杆管柱力学中，有限元分析方法能够有效地模拟杆管柱在地下环境中的受力与变形过程。

2. 有限元模型建立在水平井杆管柱力学的有限元分析中，首先需要根据实际井况建立合理的几何模型。

模型应包括井眼轨迹、杆管柱的几何尺寸、材料属性等。

随后，根据模型的几何特性和受力情况，划分合适的有限元网格，定义材料属性、边界条件和载荷等。

3. 受力与变形分析通过有限元分析软件对模型进行求解，可以得到杆管柱在地下环境中的受力与变形情况。

包括各节点的位移、应力、应变等参数，以及杆管柱的整体变形形态。

这些数据对于评估井下作业的安全性、优化杆管柱设计及预防失效具有重要意义。

四、应用实例以某油田水平井为例，采用有限元分析方法对杆管柱的受力与变形进行了详细的分析。

首先建立了包括井眼轨迹、杆管柱几何尺寸和材料属性等在内的几何模型。

然后，根据实际工况定义了边界条件和载荷，并进行了有限元网格划分。

通过求解，得到了杆管柱在地下环境中的受力与变形情况。

根据分析结果，优化了杆管柱设计，提高了井下作业的安全性和效率。

五、结论水平井杆管柱力学的有限元分析方法在工程实践中具有广泛的应用价值。

通过建立合理的几何模型、划分合适的有限元网格、定义材料属性、边界条件和载荷等，可以有效地模拟杆管柱在地下环境中的受力与变形过程。

中段改性石油套管抗弯扭能力有限元分析

- 10 -论文广场石油和化工设备2017年第20卷中段改性石油套管抗弯扭能力有限元分析于洪喜1，余焱群2（中国石化新疆煤制天然气外输管道有限责任公司（湖广分部），湖南长沙 410016）（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266580）[摘要] 套管中段减薄改填碳纤维是N80石油套管开发的一种新生产工艺。

本文建立了改性套管的弯扭力学模型，利用ABAQUS有限元分析软件，基于Newton-Raphson接触算法分析了改性套管的抗弯扭能力。

计算结果显示：改进后的N80石油套管可减轻套管重量、降低成本并能有效提高抗弯扭能力。

[关键词] N80石油套管；改性；有限元法；弯曲；扭转作者简介：于洪喜（1963—），男，山东烟台人，大学本科，高级工程师，研究方向：油气集输、地面工程及施工管理。

图1 N80改性套管结构图图2 完整套管纯弯曲正应力云图套管是目前石油开采中用量最大的石油专用管材，为了降低成本，油井管生产厂家纷纷加大了对N80石油套管的开发[1-3]。

在保证N80套管强度的前提下，中段减薄改填碳纤维是降低成本，减轻重量，改善套管性能的一种新工艺和方法[4]。

石油套管工作条件非常恶劣，因此对于石油套管综合力学性能的要求较为严格。

改进后的N80石油套管必须进行相应的综合力学性能测试，采用有限元法分析改进后套管抗弯扭能力对新方法的实施和具体试验具有指导意义。

1 分析目标改性套管为7" N80 29b/ft 型套管，长10m ，内径D 1=157.1mm ，外径D 2=177.8mm ，套管两端各留200mm ，中段减薄改填碳纤维到原径。

具体结构尺寸如图1所示。

要求碳纤维层与套管本体完全粘接，使用过程中不出现局部或整体的相互脱离现象。

2 抗弯能力分析2.1 原始套管根据材料力学理论，纯弯曲套管的应力状态为单向应力状态，第四强度理论相当应力等于横截面正应力[5]。

套管横截面上的弯曲正应力达到材料的屈服极限，材料发生破坏。

基于ANSYS的油井套管强度的有限元分析

基于ANSYS 的油井套管强度的有限元分析作者：张晓丽李明鹏肖化友李跃华套管是油井生产中重要的设施，套管损坏问题己受到国内外的普遍关注.大多数油井套管的损坏是由过大的外载荷引起的，其在各种载荷作用下的强度、变形是油井工程中非常受关心的问题之一由于套管的成本在整个油井成本中占很大的比例，所以要尽量避免油井套管所加载的外载荷超出其所承受的极限，从而保证油井的正常使用寿命。

在进行油井套管的强度分析时，通常通过解析法对其进行计算校核，其中难免采用很多经验值和经验公式，因此，用该方法分析得到的结果不够准确。

本文中通过大型有限元软件对套管的强度进行分析，可以得到非常精确的结果，对工程应用有非常重要的指导意义。

1 套管力学模型的建立对有限元分析来讲，力学模型的建立非常重要。

套管力学模型是在套管正常工作状态下建立的，因此，套管模型不能以单独状态建模，必须考虑到与套管相接触的固井水泥井壁的作用。

这2种模型差别不大，只是在水泥井壁的存在问题上有所不同，但这2 种情况下的分析结果差别却很大，不是工程中可以忽略的问题。

如图1所示，建立120°(1/3 圆周)套管-井壁模型。

图1对力学模型划分网格的工作包括选择单元类型、定义材料属性、网格划分设置、划分阿格等内容.笔者选取的是时solid 185自单元，Solid 185 单元用于构造三维固体结构，单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元具有超弹性、应力刚化、蠕变、大变形和大应变能力。

还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑性材料和完全不可压缩超弹性材料。

由于模型相对比较简单，而且加载载荷位置的特殊性，单元网格采用自由阿格划分的办法，网格划分结果如图2所示。

图22 套管-井壁系统接触分析油井井壁是由油井固井的水泥凝固而成，套管和井壁之间是面一面接触的，因此，需对套管和井壁进行非线性接触分析。

计算接触非线性问题有许多种方法，例如罚函数法、拉格朗日乘子法等，但由于方法本身对数学和力学知识要求较高，在工程解中没有得到普及.近年来，随着计算机和有限元法的发展，利用接触单元能非常有效地求解接触非线性问题。

割缝环模型和有限元模型分析磨损套管剩余抗内压强度

维普资讯
５６
Ｍ＝Ｆｔ
ｚ
内蒙古石油化工
（）４
２０年第８０８期
较小时，缝环模型计算值与有限元计算值较接近。割并且随着磨损半径的增大，两者计算的差值减小。在磨损半径为４．５ｍｍ时两种方法计算的剩余抗内４４压强度曲线随磨损量的变化趋势一致。随着磨损半径的减小，限元模型计算结果与割缝环模型计算有结果的差值增大。图中曲线取趋势线发现，对以二次方程表示的曲线拟合值均在０９．９以上，以可以认所为该套管的剩余抗内压强度随磨损量的变化成二次曲线分布。分别对比不同磨损半径的套管剩余抗内压强度的有限元计算结果与割封环模型的计算结果
式中，套管磨损深度，为ｍ；为磨损产生的周向
力，ＯＮ。１
缝环模型与有限元模型计算的结果有一定规律性。有限元模型能够直观显示套管的应力、变分布，应但计算较为繁琐。
１套管抗内压理论
在剩余壁厚部分增加的套管周向应力由下式计算：
一
（）３
磨损套管抗内压强度可以定义为当套管在剩余壁厚部分达到最小屈服强度时的内压力。在受力均匀的情况下，管磨损部分内壁首先达到屈服。着套随磨损量的增加套管的剩余抗内压强度降低。定义磨损量为磨损掉的套管壁厚。２割缝环模型计算套管抗内压强度２１无磨损套管周向应力．

井下管柱力学分析及优化设计

井下管柱力学分析及优化设计一、本文概述随着石油工业的发展，井下管柱作为石油开采过程中的关键组成部分，其力学性能及优化设计日益受到业界的广泛关注。

本文旨在全面探讨井下管柱的力学特性，以及针对其在实际工作环境中的受力情况进行详细分析，从而提出有效的优化设计策略。

通过对井下管柱的力学分析，可以深入理解其在石油开采过程中的行为规律，预测潜在的安全风险，并为提高管柱的承载能力和延长使用寿命提供理论支持。

优化设计的提出将有助于降低开采成本，提高石油开采效率，为石油工业的可持续发展做出贡献。

本文的研究不仅具有重要的理论价值，而且具有广泛的应用前景。

二、井下管柱力学基础在石油、天然气等地下资源开采过程中，井下管柱作为重要的设备之一，其力学特性对于确保开采过程的安全和效率具有决定性的影响。

因此，深入理解和掌握井下管柱的力学基础，是优化设计井下管柱结构、提高开采效果的前提。

井下管柱的力学行为主要受到轴向力、弯曲力、剪切力以及压力等多种力的影响。

这些力主要来源于地层应力、流体压力、温度变化、管柱自身的重量以及操作过程中的外力。

其中，轴向力主要由管柱自身的重量和地层应力引起，弯曲力则是由地层弯曲和管柱自身的挠曲造成，剪切力则可能由流体流动、温度变化等因素产生。

在力学分析中，我们通常采用弹性力学、塑性力学以及断裂力学等理论工具，对井下管柱在各种力作用下的行为进行深入的研究。

例如，通过弹性力学，我们可以分析管柱在弹性范围内的应力、应变分布，以及管柱的变形情况；而塑性力学则可以帮助我们理解管柱在塑性变形阶段的力学行为，以及管柱的承载能力；断裂力学则可以揭示管柱在断裂过程中的力学规律，为预防管柱断裂提供理论依据。

井下管柱的力学行为还受到流体压力的影响。

在开采过程中，地层流体（如石油、天然气、水等）的压力会对管柱产生压力作用，从而影响管柱的力学行为。

因此，在力学分析中，我们还需要考虑流体压力对管柱的影响，以及管柱与流体的相互作用。

大位移水平井下套管受力分析及漂浮接箍设计的开题报告

大位移水平井下套管受力分析及漂浮接箍设计的开题报告一、研究背景在油田工程中，大位移水平井是一种常见的钻井方式，其钻井方式和井深使得套管的受力分析和设计变得复杂。

此外，由于采用了水平钻井技术，井筒的封闭水平井管段较长，弹性夹层的长度较短，而且井身平顶，井眼体心度大，套管的受力状况异常复杂，也增大了套管的失稳风险。

因此，研究大位移水平井下套管的受力分析和漂浮接箍设计具有很高的实用价值。

二、研究目的本研究旨在针对大位移水平井下套管的受力状况进行详细分析，并根据实际情况，开展漂浮接箍设计的研究。

主要包括以下几个方面：1. 对大位移水平井下套管的受力分析进行研究，重点关注套管受内压、井壁失稳、温度变化等因素的影响。

2. 根据分析结果，针对拟建井区的实际情况，开展漂浮接箍的设计方案的研究。

3. 基于理论研究，结合实际应用，提出适宜的工程实施方案。

三、研究内容1. 大位移水平井下套管的受力分析（1）对套管受内压作用、井壁失稳、温度变化等因素的影响进行详细分析。

（2）建立大位移水平井下套管的有限元模型，利用有限元法对其受力状况进行模拟计算。

（3）分析套管在不同受力作用下的变形与位移情况，并结合实际情况，制定合理的支撑措施和防失稳措施。

2. 漂浮接箍设计（1）根据套管相关数据及实际施工情况，结合力学分析，开展漂浮接箍的设计研究。

（2）通过分析套管受力状况，优化设计方案，达到保证套管安全运行的目的。

（3）结合漂浮接箍生产工艺，对设计方案进行优化调整。

3. 工程实施方案（1）通过对套管受力分析和漂浮接箍设计方案的研究，结合现场实际情况，提出适宜的工程实施方案。

（2）针对实际施工过程中可能出现的问题，制定应对方法，确保施工过程中的安全和有效。

四、研究意义本研究可以为大位移水平井下套管的受力分析和漂浮接箍设计提供科学的理论基础，有助于优化套管的设计方案，提高套管的安全性和可靠性。

此外，研究结果也可以为类似井下开采工程的研究提供借鉴和参考。