套管塑性抗挤强度有限元仿真分析.pdf

收稿日期 2012 07 16 修回日期 2012 12 24 作者简介 杨登波 1988 中国石油大学 华东 硕士研究生 主要从事石油钻采机械的研究与设计 地址 266580 山东省青岛市黄 岛开发区长江西路 66 号 电话E mail yangdbyouxiang 163 com 钻采机械 套管塑性抗挤强度有限元仿真分析 杨登波 1 2 高学仕1 李富平3 王丽君1 1 中国石油大学机电工程学院 华东 2 川庆钻探测井公司 3 大陆架石油工程技术有限公司 杨登波等 套管塑性抗挤强度有限元仿真分析 钻采工艺 2013 36 1 64 66 摘要 在石油钻采过程中 套管用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑 以保证钻井过程的安全进行和完 井后油井的正常运行 具有好的抗挤毁能力十分重要 文章提出了采用 ANSYS 非线性屈曲分析仿真计算套管抗 挤强度的方法 分别计算了 API 标准塑性挤毁套管和非 API 标准高抗挤套管的抗挤强度 将仿真结果与 API 标准 值和高抗挤套管的试验值对比 发现相对误差很小 验证了该方法的可行性和正确性 可采用 ANSYS 非线性屈曲 仿真计算为高抗挤套管的研制提供参考 关键词 套管 塑性挤毁 抗挤强度 ANSYS 屈曲 DOI 10 3969 J ISSN 1006 768X 2013 01 20 套管在下井及固井过程中 要求具有良好的力 学性能和较强的抗挤毁性能 1 在 20 世纪 30 年 代 API 开始组织研究套管的抗挤问题 2 采用理论 计算和试验统计相结合的方法 给出了 4 个以套管 径厚比为界限的挤毁压力公式 屈服强度挤毁压力 公式 塑性挤毁压力公式 过渡挤毁压力公式和弹性 挤毁压力公式 3 国内外学者在套管抗挤性能和高抗挤套管的研 制等方面做了大量的研究工作 取得了可喜的成 绩 3 目前较流行的方法是把管体达到屈服极限时 所施加的外压作为套管的抗挤强度 但这种理论方 法只适用于径厚比很小的厚壁套管 按径厚比分 类 API 标准中的套管大部分为塑性挤毁 因此 本 文中笔者以套管发生塑性失稳时的临界外压作为抗 挤强度 采用 ANSYS 非线性屈曲分析对 API 标准塑 性挤毁套管和非 API 高抗挤套管的抗挤强度做仿真 研究 以探讨此方法的合理性和适用性 一 套管有限元模型和仿真计算原则 1 ANSYS 屈曲分析 屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定 时的临界载荷和屈曲模态形状的技术 ANSYS 提 供两种分析结构屈曲载荷和屈曲模态的技术 特征 值 线性 屈曲分析和非线性屈曲分析 2 套管有限元模型 建立三维实体套管柱理想模型 为避免端部约 束效应的影响 模型长度取直径的 8 10 倍 4 以 H 40 钢级的 114 3 mm 5 21 套管为例 外径为 114 3 mm 壁厚 5 21 mm 套管模型长度为 1 1 m 采用 SOLID45 单元 映射网格划分 套管两端约束 外壁施加均匀外压 有限元模型见图 1 图 1 114 3 mm 5 21 套管有限元模型 3 仿真计算原则 考虑材料弹塑性和结构大变形问题 利用弧长 法屈曲分析模块求解 二 均匀外压下套管塑性 抗挤强度仿真分析 1 特征值屈曲分析 以 H 40 钢级 114 3 mm 5 21 套管为分析 对象 在套管外壁施加单位压力载荷 打开预应力影 响 先进行静力求解 然后进行特征值屈曲分析 特 征值即为屈曲载荷 特征值屈曲分析结果见图 2 46 钻采工艺 DRILLING PRODUCTION TECHNOLOGY 2013 年 1 月 Jan 2013 最大径向变形 1 107 m 屈曲载荷为 52 4 MPa 2 非线性屈曲分析 取特征值屈曲分析得到的变形量的 0 001 倍作 为非线性屈曲分析的初始几何缺陷 添加 H 40 钢 级材料的 BISO 双线性各向同性强化曲线 在套管 外壁上施加特征值载荷 52 4 MPa 利用 ANSYS 非线性屈曲分析 得出套管变形如 图 3 通过 ANSYS 后处理技术找出套管径向最大变 形发生在中部外壁节点 1 780 上 最大变形量为 206 mm 再提取出套管外挤压力与径向位移的关系 曲线如图 4 临界压力为 18 499 5 MPa 在外挤压 力接近临界压力时 微小的压力增量即可引起变形 的大幅增加 此时套管达到失稳状态 此临界压力即 为套管的抗挤强度 3 非线性屈曲分析结果与 API 标准值的对比 由非线性屈曲分析得到的套管抗挤强度为 18 499 5 MPa 查询 API Bul 5C2 可知 H 40 钢级 114 3 mm 5 21 套管的抗挤强度为 19 0 MPa 5 二者的相对误差为 2 63 图 4套管径向位移 外压关系曲线 为进一步验证应用 ANSYS 屈曲分析仿真计算 套管 抗 挤 强 度 的 可 行 性 和 合 理 性 分 别 选 取 114 3 mm 139 7 mm尺寸系列不同钢级的 API 标准套管作为研究对象 进行非线性屈曲分析 得到 套管径向位移 外压关系曲线如图 5 图 6 所示 套管具体参数及抗挤强度仿真结果与 API 标准 值的比较如表 1 相对误差为 0 03 7 33 说明 采用 ANSYS 屈曲分析计算套管的抗挤强度是可行 的 结果较合理 4 高抗挤套管抗挤强度的 ANSYS 非线性屈曲分析 为满足油田工程实际需要 不少厂家研制出具 有高抗挤强度的非 API 标准套管 在新型套管的开 发过程中 为测试其抗挤性能需要做大量的全尺寸 模拟试验 不仅费时耗力 且成本巨大 采用有限元 仿真计算 得到的结果精度高 可靠性好 可为套管 56 第 36 卷第 1 期 Vol 36No 1 钻采工艺 DRILLING PRODUCTION TECHNOLOGY 抗挤性能研究提供参考 表 1套管抗挤强度仿真结果与 API 标准值的对比 钢级 外径 mm 壁厚 mm 径厚比 抗挤强度 MPa 仿真 结果 API 标准值 相对 误差 J 55114 35 6920 0927 6127 60 03 L 80114 37 3715 5159 9958 91 86 N 80114 37 3715 5161 4058 94 24 C 90114 37 3715 5162 0864 13 15 C 95114 37 3715 5166 4366 60 26 P 110 114 37 3715 5173 7273 60 16 Q 125 114 38 5613 35101 19109 27 33 J 55139 76 9919 9928 0627 90 56 L 80139 79 1715 2364 8760 96 52 N 80139 79 1715 2363 1660 93 71 C 90139 79 1715 2368 2966 42 84 C 95139 79 1715 2371 2369 03 23 P 110 139 79 1715 2371 2376 56 89 Q 125 139 710 5413 25109 51110 81 17 本文选取天津钢管公司的 TP80T 高抗挤套管和宝 钢公司的 BG110T BG110TT 高抗挤套管作为研究 对象 6 7 由其径厚比和钢级判断应采用塑性挤毁 强度理论计算 通过仿真计算得到套管径向位移 外压关系曲线如图 7 套管参数及结果对比如表 2 图 7高抗挤套管径向位移 外压关系曲线 采用 ANSYS 非线性屈曲分析得到的结果与套 管研制厂家的试验值接近 因此 在企业研发高抗挤 套管的前期 可以采用本仿真计算方法为套管的参 数优化和全尺寸模拟试验提供参考 表 2高抗挤套管仿真结果与试验值对比 名称钢级 直径 mm 壁厚 mm 径厚比 屈服强度 MPa 抗拉强度 MPa 抗挤强度 MPa 试验结果仿真结果 TP80TN 80140 38 0717 39700804 5454 7 BG110TP 110139 79 1715 23878976 107109 9 BG110TTP 110139 79 1715 239251020 116116 3 三 结论 1 提出了采用 ANSYS 非线性屈曲分析仿真 计算塑性挤毁套管抗挤强度的方法 仿真得到套管 外挤压力与径向位移之间的关系曲线 提出把套管 发生屈曲失稳时的临界压力作为套管抗挤强度 有 别于把塑性挤毁套管的 Von Mises 等效应力达到屈 服强度时的外挤压力作为抗挤强度的传统方法 2 仿真计算多种钢级和尺寸的 API 标准塑性 挤毁套管的抗挤强度 并与 API 中的标准值作对比 相对误差为 0 03 7 33 验证了本方法是可行 的 而且结果具有较好的准确性 3 对非 API 标准高抗挤套管进行仿真分析 将仿真结果与试验数据对比 二者十分接近 验证了 本方法可用于高抗挤套管的研发设计 用本方法对 套管抗挤强度进行有限元仿真计算 可为套管参数 优化和全尺寸模拟试验提供一定的指导和参考 参考文献 1 宓小川 董晓明 田青超 超高抗挤套管的织构研究 J 宝钢技术 2010 1 43 47 2 胡文平 张来斌 樊建春 套管挤毁问题研究现状及发 展趋势 J 石油矿场机械 2006 35 5 1 4 3 高进伟 闫相祯 杨秀娟 等 用可靠性理论分析传统套 管设计中存在的问题 J 中国石油大学学报 2006 30 5 78 83 4 戴扬 高学仕 螺旋布孔射孔套管承载能力有限元分析 J 石油矿场机械 2003 32 5 49 51 5 国家石油和化学工业局 SY T 6417 1999 套管 油管 和钻杆使用性能 S 北京 机械工业出版社 1999 6 张毅 宋箭平 陈建初 BG110T 抗挤套管的试验研究 上 J 钢管 2002 31 1 13 16 7 王惠斌 魏学志 徐尚义 等 抗挤毁套管 TP80T 研究 J 钢管 2001 增刊 13 15 编辑 刘英 66 钻采工艺 DRILLING PRODUCTION TECHNOLOGY 2013 年 1 月 Jan 2013 ABSTRACT 6DRILLING PRODUCTION TECHNOLOGYVol 36 No 1 Jan 2013 FINITE ELEMENT SIMULATION ANALYSIS OF CASING PLASTIC COLLAPSING STRENGTH YANG Dengbo1 2 GAO Xueshi1 LI Fuping3and WANG Lijun1 1 Casing Laboratory College of Mechanical Engineer ing China University of Petroleum Huadong 2 CCDC Log ging Co 3 Shelfoil Petroleum Equipment Services Co DPT 36 1 2013 64 66 Abstract In the process of drilling and production casing is used for supporting the wall of well to ensure the safety of drilling and the normal operation of completed well so high anti collapsing strength of the casing is very important The simu lation calculation method of the casing anti collapsing strength was proposed by using ANSYS nonlinear buckling analysis and the collapsing strength of API standard plastic collapsing casing and the non API standard high anti collapsing casing was cal culated The simulation results were similar to the API standard value and the experiment value of high anti collapsing casing and the relative error was very small It proved the correctness and feasibility of this method It could provide some reference for development of high anti collapsing casing by using the AN SYS nonlinear buckling simulation calculation Key words casing plastic collapsing anti collapsing strength ANSYS buckling YANG Dengbo born in 1988 is studying in China Uni versity of petroleum Huadong for his master s degree mainly engaged in research and design of oil drilling machinery Add China University of Petroleum Huadong No 66 Changjiang West Road Huangdao Development Zone Qingdao City 266580 Shandong Province P R China Mobile 86E mail yangdbyouxiang 163 com OPTIMIZATION OF CALCULATION METHOD OF PUMPING UNIT POLISHED ROD LOAD IN DIREC TIONAL WELL OF CHANGQING LOW PERMEABILI TY OILFIELD CUI Wenhao ZHAO Chun FAN Song and WEI Wei National Engineering Laboratory for Exploration and Develop ment of Low Permeability Oil and Gas Fields Changqing Oil field Oil Gas Technology Research Institute DPT 36 1 2013 67 69 Abstract For the special casing program in Changqing Oilfield directional well the mechanical behavior of pump rod was complicate and the polished rod load of pumping unit couldn t calculate accurately which resulting in the lectotype of pum ping unit was unreasonable in well construction of new block Based on the empirical formula of polished rod load calculation a new calculation method of polished rod load was optimized by using statistical method and gray correlative method The new calculation method adopted different calculation coefficient in different range of pump setting depth that could reduce the rela tive error of the actual load Field application results showed that the accuracy rate of polished rod load increased about 5 which could guide the lectotype of pumping unit better Key words directional well polished rod load calcula tion coefficient pump setting depth CUI Wenhao assistant engineer born in 1985 graduated from China University of Petroleum Huadong in 2010 is en gaged in the research on oil production technology and oil pro duction project design Add Mingguang Road Weiyang District Xi an City 710018 Shanxi Province P R China Tel 86 29 86590777 E mail cuiwh cq petrochina com cn FAILURE ANALYSIS OF THE ARROW SHAPED INVERTED VALVE IN GAS DRILLING ZHANG Xiaodong1 WANG Kai1 YAN Jia1 GOU Ruyi1 ZHANG Ye1and WANG Haijuan2 1 Faculty of Me chanical and Electronic Engineering Southwest Petroleum Uni versity 2 Henan Oilfield DPT 36 1 2013 70 72 Abstract Along with the development and application of gas drilling technology more arrow shaped inverted valves were used The failure accidents of arrow shaped inverted valve were happened frequently and seriously hindered the pop ularization and application of the gas drilling technology The major failure modes of the arrow shaped inverted valve were analyzed i e body s leakage the passageway block and the wear of bearing and valve seat At the same time the failure reasons of arrow shaped inverted valve were also discussed According to the failure modes and failure reasons some preven tive measures and suggestions were put forward to reduce the failure probability of the arrow shaped inverted valve in gas drilling improve the service life and safety Key words gas drilling arrow shaped inverted valve failure analysis preventive measure ZHANG Xiaodong professor PhD advisor born in 1959 is engaged in the teaching and research of new technology of oil drilling equipment modern design theory and methods and drilling tools Add School of Mechanical and Electrical Engineering Southwest Petroleum University Xindu District 610500 Cheng du City Sichuan Province P R China Tel 86 28 83037204 E mail zxd123420 126 com DEVELOPMENT OF LOW DRAG AND TORQUE TOOLS IN EXTENDED REACH WELL LU Yangyang PetroChina Great Wall Drilling Co Engi neering Research Institute DPT 36 1 2013 73 75 Abstract Downhole