套管均匀加载变形仿真研究

郝晓良++雷蕾++牛朋

摘 要：作为油田资产中最重要的一部分，油套管的工作状态直接影响作业者能否有效达成生产目标。生产实践表明，油套管服役后受多种因素的共同影响而发生不同形式的变形乃至损伤，因此，一个良好的油套管服役对提高油田井网利用效率、保持注采平衡具有重要意义。借助有限元分析软件ANSYS对套管均匀承载、失稳临压、椭变等不同条件下的变形规律进行仿真模拟研究，可得到油套管不同状态下受力变形规律，用于指导油田生产管柱的设计与损伤预防。

关键词：套管变形 均匀载荷 有限元仿真

中图分类号：TE931.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（c）-0085-01

随着海上油田开发不断深入，受地质条件、井身结构油套管质量、开发措施等因素的影响[1]，油套管腐蚀变形已成为海上油田正常生产的最大影响因素。练章华[2]、孙姜瑞等[3]对油套管损伤软件、有限元仿真流程和井下套管弯曲变形的力学模型进行了大量的研究，该研究者在前人研究的基础上采用数值模拟ANSYS软件对油套管失稳临界压力、弯曲变形、均匀承载、椭圆承载和单面挤压等进行了仿真研究，该文主要对均匀承载条件下载荷、压力与位移的变化关系进行研究，分析油套管均匀载荷下变形损伤规律。

1 有限元模型处理

根据均匀载荷下套管结构对称载荷对称的特点，可建立套管受力的轴对称有限元模型[4]。采用有限元仿真模拟的优点是可以根据实际需要，在应力和应变较大区域加大有限元密度即将模型无限小化来最大程度的提高仿真计算结果的可靠性。在试验模拟时可以发现，油套管受压时其两端与固定端存在较大摩擦力的束缚，导致模型不能自由侧向膨胀进而会对承压强度的测量产生影响，即端部约束效应。为避免端部约束效应对套管承压强度模拟的影响，戴扬[5]等在对螺旋补孔射孔套管承载能力有限元分析中提出，试验分析模型需要足够长，即：径长比需大于1/8～1/10，才能克服端部效应的影响，基于此，在试验模拟中采用2m长的套管模型。根据油田常用完井所用套管，分别选用不同钢级、不同尺寸的套管，如：J55-Ф139.7和N80-Ф139.7/Ф177.8，分不同情况在模型中部选取L≥10×D处施加均匀载荷进行有限元仿真处理分析。

2 均匀加载仿真过程描述

通过对均匀加载条件下套管应力及应变过程模拟，可以看出：（1）随套管承受的外部压力的逐渐增大，套管套管等效应力也随之增大，且应力逐渐向套管中部集中。（2）随套管承受的外部压力的逐渐增大，套管变形逐渐变大，并且在均匀承压的套管上出现收缩现象，且在套管加载面的与非加载面的临界处，变形尤其明显。

3 仿真结果分析与结论

3.1 仿真计算结果分析

通过有限元仿真模拟，可以得到不同套管在不同载荷情况下等效应力与形变数据，图1和图2为J55-Ф139.7mm套管在均匀载荷下外压与径向位移、等效应力与径向位移的变化曲线。曲线拐点处即为套管弹性变形向塑性变形转变时所受外力即此时套管的屈曲载荷及应变量。

通过对常用J55套管（Ф139.7mm，壁厚7.72mm）的均匀加载仿真分析，可得到：（1）当外载均匀压力低于44.86MPa，径向变形小于0.123 3mm，套管处于弹性变形阶段；当外载压力达到44.86MPa，套管所受等效应力大于套管屈服应力极限379MPa达到了381.37MPa，发生塑性形变，但不影响套管正常工作。（2）当外载均匀压力大于78.47MPa，套管所受等效应力基本为常量及517MPa，但径向位移已经超过套管正常工作时的允许位移11.491 5mm，套管损伤严重，需及时对套管进行修复。（3）外载均匀压力从44.86MPa增加到78.47MPa，为套管塑性形变损伤阶段，该损伤在外力卸载后无法恢复至原始阶段，会对后期作业及修井措施造成较大阻碍。

4 结语

（1）均匀载荷对套管变形影响非常明显。（2）随加载逐渐增大，承载套管的承载能力为一个阶段性的变化过程：由线弹性形变到非线弹性形变，直至完全损坏。（3）在线弹性范围内，套管变形较小，不影响正常生产。

参考文献

[1] 王兆水，黄煦，张向华.孤东油田套损主要因素探讨[J].石油地质与工程，2004（18）：84-85.

[2] 练章华，赵国珍，张先普，等.套管破坏的计算机仿真软件研究[J].天然气工业，1998（2）：35-38.

[3] 孙姜锐.石油套管弯曲变形的仿真分析[J].现代制造技术与装备，2009（3）.

[4] 于桂杰，王瑞和，于永南，等.对称载荷作用下的套管抗挤能力分析[J].中国石油大学学报：自然科学版，2007，31（5）：78-82.