重复射孔套管抗外挤强度分析

2018-12-26李明飞窦益华曹银萍于洋

测井技术 2018年5期

李明飞,窦益华,曹银萍,于洋

(西安石油大学机械工程学院,陕西西安 710065)

0 引言

随着射孔技术和射孔工艺的进步,射孔穿深不断增加,应用原射孔技术无法获得工业油气流的储层可通过重复射孔获得再生。为了解重复射孔套管抗外挤强度安全性,为生产过程中套管安全控制提供关键参数,需要分析重复射孔套管的抗外挤剩余强度。

1995年,杨学文等[1]最早提出了重复射孔的概念并实施。王旱祥等[2]分析了新、旧2孔不同位置对筛管剩余强度的影响,筛管采用环向均匀布孔,重复射孔具有随机性,与套管射孔的螺旋布孔方式不同,将影响射孔套管的力学特性。郑子君等[3]采用有限元方法,分析了重复射孔对套管抗外挤强度的影响,主要考察了相对角度和相对距离对射孔套管剩余强度的影响。刘铁牛[4]、徐道临[5]等主要研究射孔孔边开裂套管和复杂载荷作用下射孔套管的剩余强度。近期研究热点主要包括:①孔眼缺陷、结构完整性与塑性变形、材料加工硬化对套管屈曲强度的影响规律分析[6];②射孔冲击相变对射孔套管抗挤性能的影响[7],为较新的思路和想法,但是没有考虑孔边裂纹的影响,未考虑井下高温高压的实际工况,界定相变宽度时与真实情况会略有偏差,影响计算精度;③定面射孔套管结构动态响应分析及应用[8];④射孔套管剩余抗挤能力分析[9],考虑了孔边塑性区对套管抗外挤强度的影响,与贾曦雨等人[7]的研究角度有相似之处,但没有给出计算公式;⑤射孔套管抗外挤压模拟试验研究[10]。国外有关重复射孔的文献,主要为射孔后炸药的二次清孔爆炸,对孔内堵塞的清孔作用[11],不是真正意义的重复射孔[12]。岳艳芳等[13]综合考虑内外压、油层出砂及套管自重等因素,运用断裂力学理论和有限元法分析射孔段套管的应力,分析其强度安全性。窦益华等[14]分析在内压、外压与轴向力共同作用下,不同射孔参数对套管抗内压强度的影响,以此优选出最佳的射孔参数。唐汝众等[15]分析了套管Mises应力分布,重点研究了不同孔径、射孔密度和相位角的套管最大Mises应力,得出最大应力与孔径、射孔密度和相位角间的关系。陈威等[16]采用ANSYS方法,重点研究了不同径、孔密和相位角下套管的最大Mises应力,得出最大应力与孔径、孔密间和相位角间的关系。

为了解重复射孔套管抗外挤强度安全性,为生产过程中套管安全控制提供关键参数,本文以常用5in×9.17 mm的P110套管为例,采用16孔/m、90°相位角、10 mm孔径射孔,应用ANSYS分析软件建立重复射孔套管有限元模型,用强化Mises屈服准则为套管模型分配材料属性,应用映射法划分网格,在射孔边缘10倍细化网格,并进行了网格无关性测试。考虑重复射孔孔眼和原射孔孔眼沿轴向、沿螺旋线、沿周向相切3种不利分布,分析外压作用下重复射孔套管的剩余强度。

1 重复射孔段套管有限元模型建立

如图1所示,在ANSYS中建立长度为500 mm的套管三维模型,对套管管体进行网格划分,对孔眼处进行局部网格10倍细分。选用SOLID185八节点六面体实体单元。套管模型采用强化的Misies屈服准则作为破坏准则。射孔段套管的一端为固定端约束,另一端施加x和y向约束,不限制轴向位移。模型共有35 656个单元、49 865个节点。

图1 重复射孔套管有限元模型

2 新旧孔轴向分布时孔距对套管抗外压强度的影响分析

图2为新孔沿旧孔轴向分布示意图。AA′为套管的轴线,BB′为套管的环向线。图2中b、d端点处的2孔为初次射孔形成的同一螺旋线上临近的孔眼。假设重复射孔孔眼分别位于孔1～孔5的位置。通过计算5种不同布孔方式的管体最大等效应力分布情况,分析新旧孔轴向分布时孔距对套管抗外压强度的影响。

图2 沿轴向重复射孔示意图

图3为新旧孔沿轴向不同中心距重复射孔示意图。试算发现,完全相切时,有限元计算会出现畸变,计算不收敛,无法得到分析结果,故最近的2孔之间取相距11 mm,近似代替相切的情形。由表1可以发现,图3(b)至图3(e)的4种重复射孔后套管的最大等效应力均高于初次射孔时套管的最大等效应力,随着孔距增加,等效应力值呈减小趋势。说明2孔越近,强度降低越多。

为考察射孔后套管抗外压强度的变化,以套管首次出现屈服点时所施加的外压值为参考点(见图4)。图5和图6所示,只列出了新旧孔相距11 mm和30 mm重复射孔套管的应力云图,从中提取关键数据点,表2为新旧孔之间采用不同中心距布孔时套管出现屈服点时的外压值,可以看出,与初次射孔相比,重复射孔后套管承受的最大外压进一步降低,5组数据取平均值,平均下降10.71%,轴向近似相切为最不利分布,套管剩余强度最大降低15.17%。

表1 不同中心距轴向重复射孔套管等效应力最大值

图3 不同轴向中心距重复射孔示意图

图4 初次射孔套管应力云图及局部放大图

图5 轴向中心距11 mm重复射孔套管应力云图及局部放大图

图6 轴向中心距30 mm重复射孔套管应力云图及局部放大图

表2 不同中心距轴向重复射孔套管外压对照表

图9 新旧孔环向相距11 mm应力云图及局部放大图

3 新旧孔环向分布时孔距对套管抗外压强度的影响分析

图7为新旧孔沿环向重复射孔示意图。图8为新孔与旧孔的中心距离(孔距)为11 mm、环向角为10°、30°、45°、60°、80°与85°示意图。图8(a)中新、旧孔之间中心距离为11 mm,此时新、旧孔边缘距离1 mm,近似相切。通过计算7种不同布孔方式管体最大等效应力的分布情况,分析新旧孔环向分布时孔距对套管抗外压剩余强度的影响。如表3所示,重复射孔后施加相同载荷,得到的套管的最大等效应力,据此计算套管的安全系数,反算得到剩余强度降低值。重复射孔后套管的最大等效应力均高于初次射孔时套管的最大等效应力,随着孔距增加,等效应力值呈减小趋势。说明孔距越近,强度降低越多。

图7 环向重复射孔示意图

图8 不同环向角重复射孔示意图

为了考察射孔后套管抗外压强度的变化,以出现屈服点时所施加的外压值为参考点。图9和图10列出了新旧孔环向中心距11 mm和60°重复射孔套管的应力云图,从中提取关键数据点,可以看出,与初次射孔相比,重复射孔后套管承受的最大外压进一步降低,7组数据取平均值,平均下降12.32%,环向近似相切为最不利分布,套管剩余强度最大降低16.35%。从图9和图10还可以看出,孔眼轴向处的应力明显大于孔眼环向处的应力。

表3 不同环向角复射孔套管等效应力最大值

图10 新旧孔环向相距角60°应力云图及局部放大图

新旧孔环向角/(°)初次射孔外压/MPa重复射孔外压/MPa外压降低/%542.235.316.351042.236.513.513042.236.912.564542.237.710.666042.239.66.168042.238.88.068542.238.68.53

图12 孔1布孔方式射孔套管应力云图及局部放大图

4 新旧孔沿螺旋线分布时孔距对套管抗外压强度的影响分析

图11为新旧孔沿螺旋线重复射孔示意图。依据螺旋线轨迹,经计算得到孔1至孔5的依次相对坐标:孔1距离旧孔边缘1 mm;孔2轴向上升20 mm,环向角右偏30°;孔3轴向上升30 mm,环向角右偏45°,孔4轴向上升40 mm,环向角右偏60°;孔2轴向上升50 mm,环向角右偏75°。计算5种不同布孔方式的管体最大等效应力的分布情况,分析新旧孔螺旋线分布时孔距对套管抗外压剩余强度的影响。

初次射孔后施加载荷,套管的最大等效应力为613 MPa。沿螺旋线重复射孔数值分析过程,图12、图13列出了孔1和孔4的重复射孔套管的应力云图。由表5可以发现,重复射孔后套管的最大等效应力均高于初次射孔时套管的最大等效应力,随着孔距增加,等效应力值呈减小趋势。说明孔距越近,强度降低越多。

表5 不同环向角复射孔套管等效应力最大值及安全系数

图13 孔3布孔方式射孔套管应力云图及局部放大图

为了考察射孔套管抗外压强度的变化,以出现屈服点时所施加的外压值为参考点。表6为新旧孔之间采用不同中心距布孔时,套管出现屈服点时的外压值,可以看出,与初次射孔相比,重复射孔后套管承受的最大外压进一步降低,5组数据取平均值,平均下降11.28%,螺旋向近似相切为最不利分布,套管剩余强度最大降低15.88%。由图12和图13中重复射孔段套管的应力云图还可以看出,孔眼轴向处的应力明显大于孔眼环向处的应力。