（机械设计及理论专业论文）石油割缝筛管抗挤压强度的计算与分析研究.pdf

3 、j ： 0 、 尹 、 j ；kr 、 学位论文的主要创新点 学位论文的主要创新点 一、本文根据弹塑性力学理论，以c a t i a 为软件平台，对钢级为n 8 0 的 石油割缝筛管进行了力学模拟计算，深入地研究了均匀载荷作用下，割缝筛 管的缝数、缝宽、缝长和缝间距在一定范围内变化时与其应力分布和抗挤压 强度的关系及对其产生的影响。 二、较系统地研究了均匀载荷作用下，割缝筛管的缝数、缝宽、缝长和 缝间距在一定范围内变化以及两个参数在一定范围内变化时对其抗挤压强 度的影响。 三、。采用筛分法对大港油田官h 2 油井在一定深度时的大量岩心砂粒数 据，利用统计手段得出合理的石油割缝筛管的缝宽范围，利用本文的分析结 果确定了既能满足该油井地质条件又具有较高强度的割缝筛管的合理缝数、 缝宽、缝长和缝间距。与相关文献的优化结果比较割缝筛管的过流面积可提 高2 3 2 4 ，挤压强度可提高1 0 5 。 摘要 摘要 割缝筛管是石油钻采作业中一种重要的完井关键器材，常用于石油的先期完井和采 油防砂。由于割缝筛管防砂性能好，施工方便，造价低廉，使得油田对割缝筛管的需求 量迅速增大。但是油田中割缝筛管的大量损坏，不仅打乱了正常的生产计划，而且破坏 了正常的注采井网系统，给国家造成了巨大的损失和浪费。 最初，割缝筛管都是从国外进口的，这样需要花费大量的外汇去购买割缝筛管。加 快技术研究，实现割缝筛管的国产化，已成为石油钻采行业的一个研究热点。目前，国 内外许多专家对割缝筛管进行了大量的研究i 作，取得了很多成果，但对于割缝筛管的 研究大多集中在两个方面，即割缝筛管的加工工艺研究和割缝筛管防砂工艺的研究。有 关割缝筛管强度方面的研究仍然处于起步阶段。 制约割缝筛管强度的因素很多，首先是因为其受力的复杂性，目前不能准确地模拟 地下的受力情况；其次，狭缝钢管的破坏理论不够成熟，这需要借助于力学的发展。但 是，由于割缝筛管良好的使用性能，其在油田中的应用越来越广泛，如何根据油田的具 体情况去科学而又安全地选取割缝筛管，是个急待解决的问题。这对它的系统性研究提 出了更为迫切的要求。 本文对钢级为n 8 0 的割缝筛管进行了研究。根据弹塑性力学理论，以c a t i a 为软件 平台，对其进行了力学模拟计算。在此基础上，深入地研究了均匀载荷作用下，割缝筛 管参数在一定范围内变化对其应力和挤压强度的影响，并得出以下结论： 1 、割缝筛管割缝两端和中部的应力集中现象较为严重，所以在割缝筛管的加工和设 计中，如果能对割缝两端和割缝中部做出比较好的处理，就能显著提高割缝筛管的强度 指标。 2 、均匀载荷作用下，缝长是影响割缝筛管挤压强度的主要因素，其次为缝宽、缝间 距和缝数，设计时在满足防砂要求的前提下建议采用平行布缝、多缝数、大缝宽的割缝 筛管。 3 、其它参数一定的条件下，缝数的增大有利于改善割缝筛管的抗挤压强度，实际操 作时可以采用多缝数的方式来提高过流面积。 4 、缝间距变化对割缝筛管的抗挤压强度系数影响很小，从生产率的角度考虑，在可 选范围内应采用小缝间距的割缝筛管。 根据以上分析结果，采用筛分法对大港油田官h 2 油井在一定深度时的大量岩心砂粒 数据，利用统计手段得出合理的石油割缝筛管的缝宽范围，确定了既能满足该油井地质 条件又具有较高过流面积比率和高强度的割缝筛管的合理缝数、缝宽、缝长和缝间距。 关键词：割缝筛管；强度；均匀载荷；有限元 厂_ 十 a b s t r a c t _ 一 a b s t r a c t s l o t t e ds c r e e nl i n e r , a l li n d i s p e n s a b l et o o lo fw e l lc o m p l e t i o ni no i ld r i l l i n ga n dp r o d u c t i o n ， i so f t e nu s e di nt h ee a r l ys t a g eo fw e l lc o m p l e t i o n , o i lp r o d u c t i o na n d s a n dc o n t r 0 1 d u et oi t s h i g he f f i c i e n c y , c o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o na n dl o wc o s t , s l o t t e d s c r e e nl i n e rh a sd r a w n i n c r e a s i n g l yl a r g en e e de s p e c i a l l yf r o mo i lf i e l d s g i v e nt h e i r e v e rg r e a ti m p o r t a n c e ，t h e e x t e n s i v ef r a y i n go fs l o t t e ds c r e e nl i n e r si n e v i t a b l yd i s t u r b e dt h en o r m a lp r o d u c t i o np l a na n d e v e nd a m a g e dt h ep r o d u c e r - i n j e c t o rw e l l - p a t t e r n , t h u sc a u s i n gh u g el o s sa n dw a s t et ot h e c o u n t r y i n i t i a l l y , a l lt h es l o t t e ds c r e e nl i n e r sw e r ee x p o r t e da n dc o s t al a r g es u n lo ff o r e i g n e x c h a n g e s i nc o n s e q u e n c e ，s p e e d i n gu pr e s e a r c hp r o c e s sa n dn a t i o n a l i z i n gt h ep r o d u c t i o no f s l o t t e ds c r e e nl i n e r sh a v eb e c o m eh e a t e dr e s e a r c hi s s u e s i nt h ef i e l do fo i ld r i l l i n ga n d p r o d u c t i o n c u r r e n t l y , l o t so fe x p e r t sa th o m ea n da b r o a d h a v ed o n es u b s t a n t i a lr e s e a r c hw o r k i nt w oa s p e c t s ：t h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n ds a n d c o n t r o lt e c h n o l o g yo fs l o t t e ds c r e e nl i n e r , a n dm a d eg r e a ta c h i e v e m e n t s n e v e r t h e l e s s ，r e s e a r c ho nt h ei n t e n s i t yo fs l o t t e ds c r e e nl i n e ri s s t i l li ni t si n f a n c y t h e r ea r em a n yf a c t o r sr e s t r i c t i n gt h ei n t e n s i t yo fs l o t t e ds c r e e nl i n e r , a m o n gw h i c ht h e p r e d o m i n a n to n ei st h ec o m p l e x i t yo f t h ef o r c ei m p a c to ni t ；t h e n ，t h ei m m a t u r i t yo ft h ef a i l u r e t h e o r yo ns l i ts t r e a kt u b ei sa l s oac r u c i a lf a c t o r , w h i c hn e e d st ob ef u r t h e rf o s t e r e db yt h e d e v e l o p m e n to fm e c h a n i c s b e c a u s eo fi t sh i g he f f i c i e n c ya n dg o o dq u a l i t yi nu s e ，s l o t t e d s c r e e nl i n e ri se m p l o y e dm o r ea n dm o r ef r e q u e n t l ya n de x t e n s i v e l yi no i lf i e l d s b u t ，h o wt o s e l e c ts l o t t e ds c r e e nl i n e r ss c i e n t i f i c a l l ya n ds a f e l yh a sb e c o m ea ni m p e n d i n gp r o b l e m ，w h i c h m a d ei te v e nm o r eu r g e n tt os t u d yt h e ms y s t e m a t i c a l l y t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h es l o t t e ds c r e e nl i n e rw h o s es t r u c t u r ei sn 8 0s t e e la n dc a r r i e do u t as i m u l a t e dm e c h a n i cc a l c u l a t i o no fi tw i t hc a t i aa st h es o f t w a r ep l a t f o r mf r o mt h ea n g l eo f e l a s t i c i t ya n dp l a s t i c i t yt h e o r y f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dt h ei m p a c to f t h e c o n f i n e dc h a n g e so fs l o t t e ds c r e e nl i n e r sp a r a m e t e ro ni t ss t r e s sa n de x t r u s i o ni n t e n s i t y , a n d h e n c e f o r t hc o m et ot h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： 1 b o t he n d sa n dt h em i d d l ep a r t so fs l o t t e ds c r e e nl i n e r sc o m m i s s u r ea r et h ec o n v e r g i n g a r e a so fs t r e s s t h e r e f o r e ，t h ea i mo fs u b s t a n t i a l l yi m p r o v i n gt h e i ri n t e n s i t yi n d e xc a nb e a c h i e v e di fb o t he n d sa n dt h em i d d l ep a r t so ft h e mc a nb eh a n d l e db e t t e ri nt h ep r o c e s s i n ga n d d e s i g n i n go f s l o t t e ds c r e e nl i n e r s 2 l o a d e de q u a l l y , t h el e n g t ho fas l o ti st h em a i nf a c t o ri n f l u e n c i n gas l o t t e ds c r e e n l i n e r ，se x t r u s i o ni n t e n s i t y ；s e c o n dt oi ta r et h ew i d t h ，s p a c ea n dn u m b e ro fs l o t s i ft h e t l a b s t r a c t s a n d - c o n t r o lr e q u i r e m e n t sa r em e tw i t h ，s l o t t e ds c r e e nl i n e r sw i t hp a r a l l e ls l o t s ，h u g es l o t n u m b e ra n d g r e a t e rs l o tw i d t h a r eh i g r d yr e c o m m e n d e d 3 o t h e rp a r a m e t e r sb e i n gs e t , t h ei n c r e a s i n go fs l o t sn u m b e rw i l lg r e a t l yi m p r o v ea s l o t t e ds c r e e nl i n e r sa n t i - e x t r u s i o ni n t e n s i t y i np r a c t i c e ，t h em e t h o do fi n c r e a s i n gs l o tn u m b e r c a nb ea d o p t e at oi n c r e a s er e s t r i c t i n ga r e a 4 t h ec h a n g e so f s p a c e sb e t w e e ns l o t sh a v e l i t t l ei n f l u e n c eo nt h ea n t i - e x t r u s i o ni n t e n s i t y i n d e xo fas l o t t e ds c r e e nl i n e r f r o mt h ea n g l eo fp r o d u c t i v i t y , s l o t t e ds c r e e nl i n e r sw i t hs m a l l e r s l o ts p a c e sa r ea d v i s e dt ob eu s e di fp o s s i b l e 5 s i e v i n gm e t h o di se m p l o y e dt oc o l l e c td a t ao fal a r g en u m b e ro f c o r es a n di nac e r t a i n d e p t hi na no i lw e l lo fd a g a n go i lf i e l da n dt h r o u g hs t a t i s t i c s ，t h er e a s o n a b l es c o p eo fs l o t w i d t ho fas l o t t e ds c r e e nl i n e rh a sb e e nd i s c o v e r e d o nt h eb a s i so ft h ea b o v e - m e n t i o n e d a n a l y s i s ，t h er e a s o n a b l es l o tn u m b e r , w i d t h ，l e n g t ha n ds p a c eo fac o m p a r a t i v e l yh i g hi n t e n s i t y s l o t t e ds c r e e nl i n e rw h i c hc a r lm e e tw i t ht h eg e o l o g i cc o n d i t i o no ft h i so i lf i e l da r ec o n f i r m e d k e yw o r d s ： s l o t t e ds c r e e nl i n e r i n t e n s i t ye q u a ll o a d i n g l i m i t e du n i t s 1 1 i 目录 目录 摘要。i a b s t r a c t 。i l 第一章绪论l 1 1 本文研究的背景及目的和意义l 1 2 国内外研究现状：2 1 2 1 国内外实体套管的研究现状一2 1 2 2 国内外预制孔管和割缝筛管挤毁的研究现状2 1 3 本文的目的及意义3 1 4 本文主要完成的工作3 第二章石油割缝筛管的设计及加工：4 2 1 石油割缝筛管的设计4 2 1 1 缝型结构设计o 4 2 1 2 布缝状态设计6 2 2 割缝筛管的加工方法7 第三章有限元分析方法9 3 1 有限元法及其的产生和发展9 3 2 有限元的基本思想1 1 3 3 有限元的方法论1 2 3 4 有限元法的发展1 3 3 5c a t i a 简介一i 1z 4 第四章割缝筛管的弹塑性有限元力学模型1 7 4 1 割缝筛管力学模型的建立1 7 4 1 1 基本假设17 4 1 2 建模原则1 7 4 1 3 弹塑性分析的基本理论1 9 4 2 割缝筛管力学模型的求解与验证2 0 4 2 1 几何参数一2 0 4 2 2 材料物理性能和力学性能2 0 4 2 3 确定破坏形式2 1 4 2 4 割缝筛管的有限元网格划分2 1 4 2 5 模型的求解和验证2 1 4 3 本章小结2 2 第五章均匀载荷作用下割缝筛管应力分布规律研究；2 3 5 1 力学模型求解2 3 5 2 力学模型的结果处理2 3 5 2 1 割缝筛管参数对应力分布的研究2 3 5 2 2 均匀载荷作用下不同参数割缝筛管的力应力云图2 9 5 3 本章小结3 4 第六章均匀载荷作用下割缝筛管抗挤压强度研究3 5 6 1 力学模型求解3 5 6 2 结果分析3 5 6 2 1 单个参数变化对抗挤压强度系数的影响3 5 i v 目录 影响3 5 。l ( ) 4 l 。1 1 z l l 。4 ：! z l ：； ：o o o o o o o o oooooooooo o o z ：1 2 i 4 5 4 6 v 4 8 4 9 5 6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究的背景及目的和意义 油层出砂是疏松砂层油藏开采过程中常见的问题之一。油层出砂不严重时的直接危 害是形成砂堵影响油井产量，同时也会磨损抽油泵和抽油杆，增加清砂作业的工作量； 油层出砂严重时会堵塞油井，使油井停产，也可能会使地层亏空，井壁坍塌，导致井下 割缝筛管和套管挤毁事故的发生。在石油的钻采作业中，割缝筛管是用于先期完井或采 油防砂重要的器材。目前，使用较多的筛管是绕丝筛管，如图卜1 所示。这种筛管的制 造方法是：在均匀分布于周围的筛杆上或开孔的金属衬管上，缠绕某种截面的钢丝并焊 牢，留出一定的缝隙作为筛孔。这种制造方法在我国已被较多的厂家所采用，如胜利油 田了不同用户的要求。 图卜1 绕丝筛管 图1 - 2 割缝筛管 但是，绕丝筛管的管、缝不同体的结构特点决定了它固有的一些缺点，绕丝筛管在 井下时存在一些问题，尤其在强压通过大斜度井和水平井的弯段时，不可避免地要与井 壁或套管发生碰撞、挤压和摩擦，容易出现“乱丝( 跑丝) 现象，造成筛管损坏或缝隙变 形，致使完井质量和防砂效果降低或失效。另外钢丝和筛杆的热膨胀系数不一致，受热 时也容易出现“乱丝”，用于稠油热采井时更受限制，并且绕丝筛管的制造工艺复杂，造 价高( 约为割缝筛管的1 5 2 倍) 【1 1 。 针对绕丝筛管的弊端，管、缝同体的割缝筛管便应运而生，如图卜2 所示，割缝筛 管是在石油套管或油管上用多种方式切割出多条一定规格的纵向或螺旋直排式缝隙。缝 隙采用特殊超薄切割片或激光切割而成。割缝筛管防沙性能好、无堵塞，可提高采油质 量，同时割缝筛管也克服了在下井时与井壁或套管发生碰撞、挤压和摩擦而出现“乱丝 现象，提高了完井质量和防砂效果。它的出现受到了油田用户的高度重视，国外同类井 完井方式可达9 0 以上采用石油割缝筛管，因此割缝筛管是当前特殊采油工艺首选的配 套专用管材。 第一章绪论 由于水平井可使采油产量大幅度提高，所以水平井技术近些年来在国外得到了迅速 的发展，钻井数目以惊人的速度增长。从油层的地质状况来看，我国的许多地区非常适 宜水平井开发。在“八五 期间，我国将水平并技术列入重点科技攻关计划之中，到目 前已经取得了多项研究成果。此外，我国各油田均有一定数量的报废油井，而侧钻井技 术可使这些死井变活( 重新出油) ，并且侧钻井的完井也易采用割缝筛管。由于割缝筛管 在水平井和侧钻井完井中的优越性，割缝筛管在我国各个油田钻采中已经得到广泛的重 视，同时各油田也加大了对割缝筛管防砂工艺的研究和应用，并且已取得了很大的进展， 如大港、胜利等油田在这方面都作了大量的工作，并取得了很好的效果。总之，割缝筛 管的出现，为水平井、侧钻井的发展及高砂油藏的石油开采提供了物质条件。 但是，油田中割缝筛管的大量损坏，不仅打乱了正常的生产计划，而且破坏了正常 的注采井网系统，给国家造成了巨大的损失和浪费。如何对割缝筛管的参数进行优化， 使其抗挤压强度尽可能大，以及如何根据油田的具体情况去科学而又安全地选取割缝筛 管，设计出既能满足油田地质条件又有高的抗挤压强度的合理的割缝筛管，是个急待解 决的问题，这对石油的钻采作业有着重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 从结构上看，割缝筛管是带有割缝的套管，相对于割缝筛管来说，套管具有比较完善 的强度分析理论，因此通过对套管强度分析理论的研究，可以指导本文建立割缝筛管的 分析模型。 1 2 1 国内外实体套管的研究现状 从二十世纪三十年代开始，国内外学者就对套管的抗挤压强度进行了研究【2 一。主要 是基于均匀载荷作用下研究套管的抗挤压强度，但管体受力是一个复杂的问题，绝大多 数情况下受非均匀载荷的作用。对- ：i l s 均匀载荷作用下的套管的抗挤压强度，国外学者对 其进行了研究，得出在非均匀载荷作用下，套管的抗挤压强度大大降低【9 1 0 】。我国在这 方面进行的理论探索也十分活跃，以韩建增、房军、王桂华等为代表的一大批学者对套 管在非均匀载荷作用下抗挤压强度计算问题进行了大量的理论分析和探讨【1 1 2 1 。所得套 管挤压变形仿真结果有利于指导在非均匀载荷作用下套管柱的设计，有利于分析套管变 形损坏机理研究并提出防治措施，同时也为开孔管在均匀和非均匀载荷作用下的抗挤压 强度提供了一定的基础。 1 2 2 国内外预制孔管和割缝筛管挤毁的研究现状 长期以来，国内外学者在有孔套管挤毁方面的研究作了大量工作；鲁里叶【1 3 】首先对 圆柱壳体开小孔的问题进行了研究，并得到出了开单个小孔的弹性解；a n 卢尔t 1 j t l 4 1 根 据弹塑性力学理论给出了圆柱上开d , - 孑l 的近似解。我国力学专家钱令希【”】分析了圆柱壳 2 第一章绪论 开孔问题；徐秉汉等【1 6 1 对壳体结构开孔问题进行了理论分析和实验研究，对圆柱壳和球 壳在各种边界条件下的开孔应力集中问题作了大量的有限元分析和实验，并对壳体结构 开孔问题进行了分析研究；胡超等【1 r l l l 8 】研究了厚壁容器圆柱壳体开孔应力集中问题，建 立了求解厚壁圆柱壳非圆开孔应力集中问题的复变函数分析解法，给出了厚壁圆柱壳非 圆小开孔应力系数的一般表达方式。这些理论和实验研究积累了丰富的文献资料，但以 上分析仅局限于弹性范围内开单孔的应力集中分析，然而对于弹塑性材料壳体上开多孔 ( 缝) 的应力集中是个十分复杂的力学问题，目前国内外有关这方面的研究较少。宋幼 芄、赵怀文【1 9 】等在以上研究的基础上将圆孔简化为方孔推导出抗挤毁强度系数公式，但 此计算公式不便于工程应用，并且对于复杂布缝形式的情况处理能力较差。西南石油大 学的庄保堂、李黔【2 0 】等利用有限元软件建立了割缝筛管抗挤压强度的有限元计算模型并 计算了割缝筛管的抗挤压强度；中国石油大学的王路超、徐兴平l 2 l j 采用大型有限元软件 a n s y s 对割缝筛管进行了强度计算和分析：王伯军、张士诚等 1 2 1 研究了非均匀载荷对割缝 筛管抗挤压强度的影响，他们都是仅对单个割缝筛管在小范围内进行的抗挤压强度研究。 所研究的参数固定不变，有一定的局限性。对于缝数、缝长、缝宽等参数在一定范围内 变化时割缝筛管的应力和抗挤压强度的系统研究和定量分析未见报道。 1 3 本文的目的及意义 割缝筛管是油田采油的关键设备，但在目前的油田中，割缝筛管的尺寸均由使用经 验来确定，而缺乏科学的设计依据。不可否认，采用经过生产实践检验的割缝筛管尺寸 具有很高的安全性，但同时也限制了采油的效率，因为割缝筛管的尺寸结构对采油量有 非常重要的影响。如何在保证安全的条件下，选择合理的割缝筛管的设计参数，找到可 以使其抗挤压强度尽可能大，并且能够用于指导优化割缝筛管设计及防护割缝筛管损坏 的有效措施，最大限度地提高其使用效率就是一个非常重要的课题，对石油的钻采作业 有着重要的现实意义。 1 4 本文主要完成的工作 1 、以弹塑性理论为基础，建立了割缝筛管的三维有限元力学模型； 2 、以c a t i a 为软件平台，利用其有限元分析模块研究均匀作用下载荷割缝筛管参数 对应力的影响以及割缝筛管参数对抗挤压强度的影响，得出了可以用于指导优化割缝筛 管设计及防护割缝筛管损坏的有效措施； 3 、采用筛分法对大港油田官h 2 油井在一定深度时的大量岩心砂粒数据，利用统计手 段得出合理的石油割缝筛管的缝宽，根据本文的分析结果确定了既能满足该油井地质条 件又具有较高强度的割缝筛管的合理缝数、缝宽、缝长和缝间距。 3 a 矩形缝 4 b 梯形缝 第二章石油割缝筛管的设计及加工 c 二次曲线缝 d 组合缝 图1 - 4 断面缝型结构不意图 割缝筛管的缝宽是决定割缝筛管防砂效果好坏的决定性因素。在防砂技术方面，最 重要的是合理选择与储层砂颗粒大小相适应的割缝筛管，缝宽度必须根据需阻挡的地层 砂合理地选择，缝太宽，则不防砂；缝太窄，可能堵死油流通道，导致产量降低。缝口 宽度应有利于形成“砂桥 。c o b e r l y 的割缝筛管缝宽标准为 2 3 】： e = 2 d l o 公式( 卜1 ) 上式中：e 一割缝筛管的缝宽： 口n 一在砂粒累积分布曲线上，从大粒径算起占累积质量1 0 所对应的砂粒直径 的百分比。也就是说，9 0 的细砂允许通过筛封，只把1 0 的较大直径的砂粒阻挡在外， 以便由砂粒桥架形成高渗透的“砂桥 。 公式( 卜1 ) 说明：在砂桥形成以前，允许底层砂通过割缝筛管，只有当砂桥形成以 后，才能有效地挡住地层砂通过割缝筛管。那么两颗直径之和大于或等于缝宽的砂粒的 数量和运移方式决定了形成砂桥的概率大小。我国学者为了提高形成砂桥的概率，依据 实验研究，选择割缝筛管的缝宽为 2 4 1 ： e 2 d i o 公式( 卜2 ) 公式( 卜1 ) 和公式( 1 - 2 ) 均要求多个砂粒( 2 个以上) 一起运移，并且他们的直径 之和不小于缝宽，才有形成砂桥的可能。如图卜5 所示砂桥的形成机理。 图1 5 “砂桥”的形成机理示意图 5 第二章石油割缝筛管的设计及加工 为了形成砂桥或完井时阻止地层砂，而又不过分限制流通能力，需要知道地层砂的 粒度，以便合理地确定割缝筛管的缝宽尺寸。岩芯代表了地下岩石，所以岩芯分析是获 得地下岩石信息的十分重要的手段，是认识和评价油气层的重要手段之一，也是完井工 程设计和油气田勘探开发必不可少的依据。 ， 沉积岩粒度分析，是指确定岩石中不同粗细质点的含量。它不仅广泛应用于研究沉 积岩的成因和沉积环境、储集层岩石分类和评价，而且沉积岩粒度分析参数还是疏松弱 胶结储层防砂设计的一个重要的工程参数和油田开发中储层均质性好坏的一个重要的依 据【2 5 】【2 6 】。通过岩心分析可知油田地质状况，然后根据公式( 1 2 ) 选择割缝筛管的缝宽。 割缝筛管的缝长是指割缝筛管上通透缝的长度。割缝筛管的缝宽、缝形、布缝形式 选定后，缝长对割缝筛管强度的影响是显著因素。割缝筛管缝长的设计原则是：满足割 缝管使用强度要求的前提下，应使缝的最小有效过流面积趋于最大。 割缝筛管的缝长设计有如下要求【2 7 】： 1 、缝宽最小变形值小于o 0 5m m ，即在允许使用的工作载荷范围内，缝与缝之间 的条筋不能发生失稳，只允许在弹性范围内有较小的变形位移。在使用过程中只允许其 变形位移所造成的缝宽变化在o 0 5m m 以内，亦即割缝筛管缝单边节点最大位移 o 0 2 5 ，并以此为基点限制割缝筛管的使用载荷和割缝筛管的缝长。 、 2 、割缝的最小有效过流面积要最大，为了使割缝筛管在完全挡砂防砂中能够获得 尽可能大的最小有效过流面积，需要按照最小充填砾石粒径和最小挡砂粒径，在计算缝 长的基础上，优选缝长，使有效缝长不等于最小填充砾石粒径的整数倍。 2 1 2 布缝状态设计 布缝状态设计主要确定：缝数、缝的轴向距、缝的周向距、布缝形式和布缝方向。 割缝筛管的缝数应在保证割缝筛管强度的前提下，有足够的过流面积。割缝筛管缝 数一般取割缝开口总面积为套管外表面积的2 - - - , 6 。 割缝总面积占筛管表面积百分比公式： c = n e l ：一竺! 一 a1 0 0 0 万d 公式( 1 4 ) 刀= 一 公式( 1 5 ) e l 式中：1 7 一每米割缝筛管上割缝的数目，条m ； e 一割缝筛管的缝宽，单位：m m ； ，一每条割缝的长度，单位：m m ； a 一每米割缝筛管的外表面积，单位：t l l r r l 2 m ： c 一割缝总面积占筛管表面积百分比，2 - - - - 6 ； 6 第二章石油割缝筛管的设计及加工 d 一割缝筛管的外径，单位：m m 。 割缝筛管缝的轴向距是指在管体上相邻两组缝之间的轴向距离，一般取缝长的o 3 o 7 倍【2 8 】。割缝筛管缝的周向距是同一组缝相邻两条缝之间的周向距离，因同一组缝是在 割缝筛管的管体上均匀分布，因此当割缝筛管的缝数确定后，周向距就可以确定。 割缝筛管的布缝形式分为平行布缝、交错布缝和螺旋布缝三种。布缝方向分为轴向 布缝、斜向布缝和周向布缝等，布缝类型、布缝方向示意图如图卜6 、图卜7 所示。 a 平行布缝 a 轴向布缝 b 交错布缝c 螺旋布缝 图1 - 6 布缝形式示意图 b 斜向布缝c 周向布缝 图卜7 布缝方向示意图 割缝筛管的布缝状态设计不但要考虑地质情况和产量的要求，还必须满足强度条件、 稳定条件等，以保证割缝筛管的作业安全和使用寿命。例如割缝筛管的缝长越长，缝数 越多则过流面积越大，产量也越高，但此时割缝筛管的强度要相应减小，寿命也要降低， 发生事故的几率也增大，所以设计时必须权衡利弊，达到最好的效果。 2 2 割缝筛管的加工方法 设计的某种割缝筛管能否形成产品，决定于制造割缝筛管的设备能力和制造工艺。 加工方法除常规的机械加工以外，还出现了一些特种工艺或组合工艺。从有关专利文献 和信息资料可见割缝筛管国内外的加工现状，同时也分析了几种制造方法所存在的问题。 ( 1 ) 金属块镶嵌法 7 为克服前述加工方法的不足，人们把目光瞄向了激光这一高新技术。激光是一种高 能光束，聚集后可形成直径为0 1 5 聊册左右的焦斑，功率密度可达1 0 7 w c m 2 以上。若将 光束焦斑照射到钢管上，被照射部位的材料可在瞬间熔融、蒸发而被去除。当光束和钢 管相对运动时，便可在管体上切出割缝来。激光加工机床是多维的数控机床，利用开发 的各种程序软件和成熟的激光切割工艺，不但可以切出简单的直线矩形缝，而且可以加 工出难度较大的折线缝、曲线缝和梯形缝等性能优良的割缝。 8 第三章有限元分析方法 第三章有限元分析方法 3 1 有限元法及其的产生和发展 所谓有限元法( f i n i t ee l e m e n tm o t h o d ) 就是关于连续体( 连续结构) 的一种离散化 的数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法，它的基本思路是，假象地将连续 体( 连续结构) 划分为有限个单元。这些单元都有具有一定自由度的节点相互连接而成， 这样，原来的连续体( 连续结构) 就变成由有限个单元装配而成的离散结构，原有连续 体的无限个自由度问题就变为离散结构的有限个自由度问题。 人类的能力是有限的，不能一下子就弄清复杂的环境及人类制品的性态。因此，先 把整个系统分成性态容易了解的单个元件或“单元”。然后由这些元件重建原来的系统以 研究其性态，这是工程师、科学家甚至经济学家都采用的一种自然的方法 2 9 1 。 在许多情况下，利用有限个已完全确定的元件得到合适的模型，这类问题为离散型。 在另外一些情况下，部分是无限地继续的，问题只有利用无穷小这一数学虚构才能定义。 这导致微分方程或与其等价的表达形式，它意味着无限个单元构成了连续系统。 随着数字计算机的出现，求解离散的问题一般比较容易，即使单元数目非常之大也 是如此。而连续问题通常只能运用数学运算才能精确求解，纵使借助计算机，可用的数 学方法通常使这种可能性限于过分简化的情况。 为了克服连续问题的不易处理性，工程师及数学家们不时提出各种离散化方法。这 些方法都包含着近似：即当离散变量的数目增加时，它如希望的那样逼近于真实的连续 解。数学家及工程师用不同的方法实现了连续体问题的离散化。并建立了可直接应用于 问题的控制微分方程的一般方法，如有限差分近似、各种加权余值法以及求适当定义的 “泛函”的驻值的近似方法。另一方面，工程师经常更直观地处理这个问题，他们的办法 是建立实际离散单元与连续区域的有限部分之间的模拟。 “有限单元”一词的产生正是来自这种工程的“直接模拟”的观点。c l o u g h 是第一个采用 这一术语的人，这一术语意味着直接应用可用于离散系统的标准研究方法。无论在概念 上还是从计算的观点看，这都极端重要。在概念上，使对方法的理解得到改善；在计算 上，可对各种问题应用统一的方法并研制出标准的计算程序。 从应用数学角度看，有限单元基本思想的提出，可以追溯至w j c o u r a n t 在1 9 4 3 年的工作， 他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解 s t v e n a n t 扭转问题。一些应用数学家、物理学家和工程师由于各种原因都涉足过有限单 元的概念。但只是到1 9 6 0 年以后，随着电子计算机的广泛应用和发展，有限单元的发展 速度才显著加快。 现代有限元法的第一个成功尝试，是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题， 9 第三章有限元分析方法 这是t u r n e r ，c l o u g h 等人在分析飞机结构时于1 9 5 6 年得到的成果。他们第一次给出了用三 角形单元求得平面应力问题的正确解答。他们的研究工作打开了利用电子计算机求解复 杂平面弹性问题的新局面。1 9 6 0 年c l o u g h 进- - 步处理了平面弹性问题，并第一次提出了 “有限单元法”的名称，使人们开始认识有限单元法的功效。 4 0 多年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由 静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑 性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力 学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术 相结合。 随着计算机技术的发展，有限元法对求解各类力学问题表现出广泛的适用性。在工 业应用需求的强力推动下，一大批数学工作者和力学工作者一起逐步建立起有限元方法 的数学理论，建立了通用的求解方法和程序段。在传统的力学中，结构力学和固体力学 各类问题，如杆系、板、壳、块体，其基本方程和求解方法都有明显的差别，归属于不 同的研究领域。现在，力学界在历史上第一次向工业界提供了统一求解很多类型问题的 方法和工具有限元分析程序。这个方法的通用性使得它在土木、航空、机械工业中 迅速得到广泛应用。现在人们可以相当准确地预测出摩天大楼、跨海大桥、汽车、飞机 和火箭的力学特性，模拟很多高速碰撞、爆炸和复杂的流动现象。由于其强大的生命力， 这个方法迅速向其它力学领域和物理领域推广。开发、销售有限元软件现在己成为一个 蓬勃发展的产业。 图2 - 1 中给出了大型有限元分析软件的整体结构图，同时也反映了大型有限元分析软 件的操作过程和主要功能构成1 3 0 。其中： 图3 1软件整理结构框图 前处理器的主要功能是：形成并提交求解器能识别的有限元模型数据文件，包括数据 文件的输入输出功能、自动网格划分功能、生成几何图形功能和图形显示及输出功能。 l o 因此，前处理器要处理如下数据文件：读写描述有限元模型的数据库文件；生成求解器 可识别的输入数据文件：读写并记录各种操作的命令，编辑过程文件等。 求解器的主要功能是：对有限元模型形成的整体方程组进行计算和分析，包括带宽优 化、方程组求解方法的选取、确定收敛判据等等；因此，它是有限元的理论方法、计算 方法和软件分析方法的结晶。 后处理器的主要功能是：处理求解器分析后的结果，包括识别求解器生成的格式化 及非格式化结果文件；将结果写成各种常用的图形文件；还要以图形、动画、曲线、表 格和文件形式分别显示求解器分析后的结果等。 软件接口的主要功能是：读写可被其它c a d c a e 软件识别的各种文件，实现与其它 c a d c a e 软件间的数据转换功能，使得几何建模可以由第三方c a d c