射孔對套管強度的影響劉雪梅張德瑜鄒家林摘要：本文以彈塑性力學的有限元法為根本理論，采用大型通用有限元軟件ANSYS，建立射孔參數的優化設計模型，針對不同的套管尺寸、布孔方式進行分析射孔對套管損壞的影響。結合套管強度理論對有限元模擬結果進行了分析總結，分析研究結果為射孔段套管柱的合理設計選擇提供了一定的理論依據。關鍵詞：有限元套管射孔ThestrengthofthecasingfortheperforatingAbstract:Basedonthefiniteelementmethodoftheelastic-plasticmechanicsforbasictheories,usinglargegeneralfiniteelementsoftwareANSYS,establishperforationparametersoptimizationdesignmodel,inviewofthedifferentcasingsize,clothanalysisofperforatingholewaytheinfluenceofthecasingdamage.Combinedwiththestrengththeorytothefiniteelementsimulationresultswereanalysed,theresearchresultforperforatingcasingstringsectionofthereasonabledesignchoicetoprovideatheorybasis.KeyWord:FiniteElementAnalysiscasingperforating長期以來油田對射孔作業后套管強度降低程度沒有足夠的認識，雖然經過射孔后套管強度有所減弱，但未掌握明確的數量概念。因此，在缺乏科學分析的前提下，在現有套管設計中很難將射孔造成套管強度降低這一因素考慮進去，造成了射孔段套管實際承載能力低于設計能力，這可能是導致油層套管損壞率較高的不可無視的原因之一。所以研究射孔對套管強度影響，對提高油〔水〕井的使用壽命是很有意義的。含射孔的套管承載能力研究可分為兩類：一類是由外擠壓力引起射孔套管失穩破壞；另一類是由軸向力、套管內外壓或組合載荷作用下引起的套管強度破壞。針對這兩種情況，利用有限元方法分析射孔套管的應力場，根據極限強度理論，分析在外擠壓力作用下射孔套管的抗擠壓強度。1套管的三維有限元模型1.1研究類型確實定利用有限元分析軟件—“ANSYS〞著重分析研究了4?″套管：鋼級J55，壁厚為5.21mm在以下兩種情況下的內容：(1)針對J55-5.21套管的射孔段，分別以一種射孔參數組合，在不同均勻外壓條件下的應力場分析研究；(2)以上規格套管，分別以不射孔、射孔研究對象，按照實驗的加載方式建立模型，進行壓屈條件下的分析研究。1.2建立模型的原那么由油田現場實踐和理論研究可知，為了提高射孔套管強度，一般選擇射孔孔眼為螺旋布孔。由于是螺旋布孔，從彈性力學結構上講，不屬于對稱問題，因此建立有限元模型時，只能按實際的三維空間問題建模。套管壁厚與其外徑相比，相對較小，因此按彈性力學理論，可以將套管按板殼理論模型分析研究其力學問題。另外，為了保證分析結果的準確性，特別注意了端部約束效應的影響，選取足夠長度的套管為分析對象，徑長比必須大于0.125-0.1。利用圣維南原理[1]處理分析結果。1.3根本假設分析過程中進行了如下假設：(1)忽略套管的橢圓度；(2)整個孔眼都是圓柱的，孔眼的直徑、長度均分別相等，不考慮孔邊毛刺及裂紋的影響。(3)設所射孔眼均未堵塞，射孔孔眼不存在偏心，孔眼中心軸線與套管軸線垂直并相交。1.4計算邊界條件位移邊界條件：套管兩端均為固支；載荷邊界條件：射孔套管受均勻外壓作用；1.5射孔套管的幾何參數模型選擇射孔參數及布孔方式：射孔孔徑8mm、10mm、12mm、……、22mm；相位角30°、45°、60°、90°、120°、180°；孔密8孔／m、10孔／m、12孔／m、……、32孔／m；螺旋形布孔。套管機械性能如表1表1套管機械性能鋼級楊氏模量Es〔Pa〕剪切模量G〔Pa〕泊松比u屈服強度〔MPa〕最小最大J552.06E+1178.5E+90.3379552N802.06E+1178.5E+90.3552758P1102.06E+1178.5E+90.37589651.6建立模型本計算中以4?″套管為例，針對不同的鋼級壁厚、不同的射孔參數組合，在不同的環境條件〔不同內外壓〕下，進行建模分析研究。以J55-5.21套管，布孔方式為孔徑10mm、孔密10孔/m、相位角90°為例，其實體模型如圖1，網格劃分模型如圖2。圖1J55-5.21孔徑10mm、孔密10孔/米、相位90°實體模型圖2J55-5.21孔徑10mm、孔密10孔/米、相位90°網格劃分模型2套管的三維有限元計算分析2.1鋼級、壁厚對射孔套管抗擠強度的影響選取外徑為114.3mm，分別不同鋼級、壁厚的套管，同一射孔參數射孔，射孔參數為孔密10孔/米，相位角90°，射孔孔眼直徑為10mm，計算在外壓為10MPa時，各型號套管以相同射孔參數射孔后套管抗擠強度，計算結果見表2。表2不同套管型號射孔前后抗擠強度外徑(mm)鋼級壁厚(mm)屈服強度(MPa)射孔前抗擠強度(MPa)射孔后抗擠強度(MPa)強度降低程度〔%〕114.3J555.2138022.8021.734.71114.3J555.6938027.6425.168.97114.3J556.3538034.2028.3617.08114.3N806.3555043.8041.156.04114.3N807.3755058.9048.3517.90114.3P1106.3575852.3048.637.02114.3P1107.3775873.6066.329.89114.3P1108.5675898.975.3123.8外徑〔114.3mm〕、壁厚相同〔6.35mm〕時，不同鋼級套管射孔后抗擠強度變化以及強度降低程度見圖3。從圖3中可以看出，其它參數一定，射孔后套管的抗外擠強度隨著管材鋼級的增加〔主要是屈服強度的提高〕而增加，射孔后各鋼級套管強度均降低，但強度降低程度隨鋼級增大而減小。因此，為了保證射孔套管的抗外擠強度，可以選取高鋼級套管。圖3相同壁厚不同鋼級射孔套管抗擠強度圖4射孔后相同鋼級不同厚度射孔套管抗擠強度外徑取114.3mm、鋼級取J55時，不同厚度套管射孔后抗擠強度變化以見圖4。從圖4可以看出，射孔后套管抗擠強度隨著壁厚的增加而增大，因此為了提高射孔套管的抗擠強度，可以選用厚壁套管。2.2射孔參數對套管強度的影響分析射孔參數主要有孔眼直徑、孔密、相位角等，射孔參數的選擇對今后油氣開采有很重要影響，孔徑、孔密越大，越有利于油氣流入井筒以獲得較高的產量，而孔徑、孔密過大、相位角不同必然會影響套管強度，造成套管損壞而得不償失。以API標準套管J55-5.21為例，采用螺旋布孔方式，通過改變射孔參數來計算分析其對套管強度的影響。〔1〕射孔孔徑的影響固定孔密〔10孔/米〕、相位角〔90°〕、外壓為10MPa，模擬不同孔徑的套管射孔后強度變化，計算結果見表4、圖5所示。從表4和圖5可以看出，當相位角、孔密一定時，隨著孔徑的增加，射孔套管的抗擠強度減小，套管的強度降低程度增大，但是降低的程度非常低，尤其在10mm到16mm段，降低的程度不超過5.5%，所以孔徑的增大對強度影響非常微弱，幾乎可以忽略，但從16mm到22mm變化時，強度降低程度相對之前有所變大。為了獲得高的油氣產能比，在射孔時盡可能采用大孔徑，考慮套管強度降低程度，所以可以選擇12mm或16mm孔徑。表4不同孔徑套管抗擠強度影響孔徑〔mm〕未射孔抗擠強度〔MPa〕射孔后抗擠強度〔MPa〕強度降低程度〔%〕622.821.784.46822.821.764.551022.821.734.711222.821.694.871422.821.645.091622.821.565.451822.821.296.642022.820.918.272222.820.3210.86圖5孔徑與套管強度降低程度的關系〔2〕射孔孔密的影響外壓為10MPa、射孔孔徑16mm、相位90°，改變孔密〔8孔/米~32孔/米〕，計算射孔后套管強度降低程度，如表5和圖6所示。從表5和圖6中可以明顯看出：改變孔密對套管強度的影響比改變孔徑的影響大，隨著孔密的增加，套管的強度降低程度增大，從8孔/米到12孔/米的強度降低程度增大了1.5個百分點；但是孔密從12孔/米到32孔/米到時，強度降低程度超過了20%，說明在12孔/米以內采取高孔密射孔對套管強度的影響不大，孔密超過了12孔/米強度降低比擬快。表5不同孔密對應套管抗擠強度影響孔密〔孔/m〕未射孔抗擠強度〔MPa〕射孔后抗擠強度〔MPa〕強度降低程度〔%〕822.821.724.731022.821.565.451222.821.386.241622.820.808.782022.820.1211.772422.819.1216.132822.818.1720.293222.817.1924.62圖6孔密與套管強度降低程度的關系〔3〕射孔相位角的影響固定射孔孔密〔12孔/米〕、孔徑〔16mm〕，計算不同相位角套管射孔后強度下降值，計算結果如表6和圖7所示。表6J55-5.21套管不同射孔相位角時的強度相位角〔°〕未射孔抗擠強度〔MPa〕射孔后抗擠強度〔MPa〕強度降低程度〔%〕3022.820.997.934522.821.137.326022.821.256.789022.821.386.2412022.820.958.1318022.820.2811.04圖7抗擠壓強度與相位角的關系從表6和圖7中可以看出，相位角從30°到90°變化，強度降低程度隨相位角的增加而逐漸降低；從90°到120°變化時，強度降低程度隨相位角的增加而逐漸增大。在90°相位角的時候射孔對套管的抗擠強度影響最小，其次是60°，影響最大的為180°。通過分析可知，孔徑和孔密增大使套管抗擠強度下降，其中孔密對套管抗擠強度影響最大；相位角在180°時，套管抗擠強度最低，在90°時，套管抗擠強度最高，其次是60°。從各自下降程度上看，采用孔徑16mm、孔密在12孔/m、相位角90°〔也可60°〕對套管強度影響最小。3小結本研究建立了射孔套管的的力學模型，在此力學模型的根底上，利用有限元分析軟件——“ANSYS〞對不同鋼級壁厚的套管，在不同的射孔狀況和外界條件下，進行應力場分析，求解壓屈條件下套管強度降低情況。通過分析計算可知，可得到如下結論：〔1〕選取高鋼級或高強度套管、增加套管壁厚能有效提高射孔后套管的抗擠強度，從而延長套管使用壽命。〔2〕射孔孔密和相位角一定時，隨著孔徑的增加，射孔套管的抗擠強度減小，套管的強度降低幅度不大。為了獲得高的油氣產能比，在射孔時盡可能采用大孔徑，考慮套管強度降低程度，推薦孔徑12mm~16mm。〔3〕孔徑和相位角一定時候，隨著射孔孔密的增加，套管抗擠強度降低，套管的強度降低程度增大，在16孔/米以內采取高孔密射孔對套管強度的影響不大,孔密超過了16孔/米強度降低比擬快。〔4〕射孔孔密和孔徑一定時候，射孔套管的抗擠強度在不同的變化區間變化趨勢有所不同，相位角在90°時，套管的抗擠強度最大，強度降低程度最小，其次是60°，最差180°，推