西安石油大学 机械工程学院 张建兵 崔志强

套管膨胀后挤毁强度的有限元分析

西安石油大学 机械工程学院 张建兵 崔志强

膨胀套管在膨胀芯头的作用下膨胀，其径向尺寸以及厚度都会发生变化，并且膨胀后的残余应力以及制造缺陷在膨胀后的加剧都会对膨胀后套管的挤毁强度产生影响。本文，笔者以L–80套管和P–110套管为例，对这两种套管在不同的膨胀率条件下，径向尺寸以及厚度的变化对套管挤毁强度的影响进行有限元分析，以探求膨胀率与套管挤毁强度的关系。

一、模型建立

根据套管的结构形式及工作状况，在不影响问题实质的前提下，建立合理的套管有限元计算模型。由于套管加固模型为轴对称，而轴对称平面中的两个位移分量可以确定物体的应变和应力状态，故可将问题简化成平面模型。在建模时，采用了如下假设。

1.套管材料为各向同性的均匀弹性体。

2.套管无限长，并忽略残余应力的影响。

3.套管假设为理想套管，忽略几何因素，如套管膨胀率等的影响。

二、模型的网格划分

石油套管下井、固井后，套管、水泥环和岩石紧密结合在一起，取管体径向横截面作为分析对象，采用平面三角形边形3节点单元划分。在计算时，为消除整体刚度矩阵的奇异性，对套管的长轴和短轴处切线方向的自由度进行约束，使套管的长轴和短轴处只有径向位移而无切向位移。

三、材料参数

套管膨胀后材料的屈服强度会稍微增加，L–80在膨胀率达到20%时，其抵抗外压强度大约下降30%。……