射孔管柱震动分析

1、水平井射孔作业管柱振动机理研究（伍强）摘要：针对水平井长井段射孔瞬间产生的冲击力对射孔管柱的震动伤害，立足于管柱震动机理分析，建立射孔管柱有限元模型，通过瞬态动力学方法分析射孔管柱在射孔瞬间的受力情况，得出了射孔时主要为纵向震动，横向震动弱的结论。并把这一结论应用于元坝长兴组射孔管柱优化研究。关键词：射孔管柱、有限元模型、瞬态动学力、管柱优化引言油气井射孔，常常由于射孔管柱受射孔瞬时峰值压力的影响，造成管柱变形卡枪，引起本来可以避免的修井作业以及由此带来的作业费用，因此急需对射孔管柱受射孔冲击力的影响进行研究。射孔时由于瞬时冲击波产生瞬时冲击力，使管柱产生沿油管轴线的纵向振动和与管柱轴向垂直的

2、横向振动，将在管柱中产生某一时刻的峰值载荷，使管柱受力处于恶劣状态。由于水平井管柱几千米长，要用解析方法来求解其动力学过程是非常困难，甚至不做大量简化是不可能进行其解析解，而有限元法可以解决该类问题，甚至几乎不做简化，只是建立正确的有限元模型。射孔过程中管柱的振动问题属于瞬态动力学问题，与时间历程有关的力学问题。1、瞬态动力学分析瞬态动力学分析（也称时间历程分析）是用于确定承受任意的随时间变化载荷的结构动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、应变、应力及力。载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较重要。瞬态动力学分析求

3、解的基本运动方程见(1-1)所示。 （1-1）式中：质量矩阵；阻尼矩阵； 刚度矩阵；节点加速度向量；节点速度向量；节点位移向量。在任意给定的时间，这些方程可看做是一系列考虑了惯性力（）和阻尼力（）的静力学平衡方程。ANSYS软件使用Newmark时间积分方法在离散时间点上求解这些方程，积分时间步长为接连的时间点间的时间增量。下面将用瞬态动力学的方法对射孔管柱振动问题进行求解分析。2、水平井射孔管柱有限元动力学模型建立水平井射孔管柱是属于细长杆的结构，其有限元模型可用梁单元和管单元建模，根据管柱结构形状，本研究中采用管单元建立其有限元力学模型和网格模型，模型数据来源于井眼轨迹数据和管柱结构参数，

4、根据元坝10-侧1井的井眼轨迹和管柱结构数据，其有限元力学模型分别见图1。管柱中的纵向冲击载荷和横向振动载荷，即可模拟分析管柱在振动时的动力学问题。从理论上和井筒结构的限制方面可知，射孔时横向振动对管柱受力的影响远小于纵向振动对管柱的受力影响。结合射孔水击压力数据，对管柱底部施加150KN的震击力来模拟射孔时管柱的震动。图1水平井管柱射孔振动有限元力学模型3、水平井射孔管柱振动有限元力学分析射孔时管柱中将产生沿管柱轴线的纵向振动和垂直于管柱线的横向振动。由于管柱几千米长，对管柱做整体动力学分析后，取图2中的一些曲型节点进行动力学详细分析，为管柱合理的强度设计和选择提供理论依据。在射孔过程中，射

5、孔枪、射孔弹对管柱产生的冲击波、冲击力随时间的变化具有随机性，但从统计规律来讲，可以实际测出其冲击力随时间的变化关系。图3即为射孔时，在水平井管柱模型160节点产生的管柱纵向冲击载荷，由图可知，在射孔时，纵向冲击载荷迅速增加，随后衰减。此冲击载荷作为力学边界条件施加于水平井射孔段部位的管柱纵向部位。图2水平井射孔管柱振动分典型节点位置和单元图3 射孔时在射孔部位产生的冲击载荷随时间的变化曲线3.1、振动位移、速度和加速度分析为了分析射孔后管柱纵向振动位移、速度和加速度的变化关系，在此仅考查图2中节点160处的结果，根据前面建立的射孔振动有限元力学模型，用有限元软件计算出节点160处的位移、速度

6、和加速度对时间的变化关系分别见图4图6所示。图4 射孔时节点160位置的纵向振动位移随时间的变化曲线图5 射孔时节点160位置的纵向振动速度随时间的变化曲线 图6 射孔时节点160位置的纵向振动加速度随时间的变化曲线从图4可知，在图3中射孔时产生的冲击载荷作用下，节点160处将产生脉冲的纵向位移，其振幅约为1.25m。而图15为节点160处的纵向振动速度曲线，其最大振幅速度约为4.3m/s。图6为射孔时节点160处油管内纵向振动加速度随时间变化的曲线，其峰值加速度分别为11.76m/s2和-13.47 m/s2。图4图5的结果均未考虑阻尼的情况所得的计算结果，但这些曲线可以定量地分析射孔时，射

7、孔管柱内任意位置的振动位移，速度和加速度随时间的变化关系。3.2、射孔管柱内纵向和横向振动载荷分析由于射孔后，油管内将产生纵向和横向振动，在此将油管柱内某些典型节点上的振动载荷随时间的变化关系取出进行分析，其结果见图7、图8和图9所示。其中图7和图8为节点3、节点66、节点90和节点113处的纵向（横向）振动载荷随时间的变化曲线。图7为井口附近节点3处管柱纵向振动载荷随时间的变化曲线，其平均振幅为214kN，最大峰值为428kN，与井口载荷235.7kN相比较，在射孔动载荷作用下，井口的油管轴向载荷约为其静载荷的2倍，因此设计管柱时，不可忽略射孔动载荷的影响。图8是造斜段节点66、节点90和节

8、点113处油管柱纵向（轴向）振动载荷随时间的变化曲线，从图可知，节点66处的振动载荷幅值大于节点90和节点113处的振动幅值。节点66处的最大振幅为（85119）kN，节点90处的振幅最大值为（9095）kN，而节点113处的振幅最值为70kN。图9为节点2、节点59、节点81、节点110、节点120和节点160处的横向振动载荷随时间的变化关系，从图可知，节点59、节点2、节点110这三个节点位置管柱横向振动随时间的变化，其载荷变化较大，其最大振幅分别约为：9kN、6.7kN和5.3kN，而节点81、节点120和节点160处的横向振动的振幅约为零，说明这三点处管柱在射孔后几乎没有横向振动，也就

9、是说射孔后，并不是整个管柱均有横向振动，而是油管柱内某位置几乎不发生振动。而油管柱的纵向振动任何位置都会发生。比较图7和图18可知，管柱横向振动的载荷幅值（约为5.3kN9kN）远小于油管柱内纵向振动的幅值（约为70kN119kN），也就是说油管柱射孔后引起油管柱内产生纵向振动起主要作用，而横向振动占次要地位，与前面最初的理论分析一致。图7 射孔时，节点3处油管柱纵向(轴向)振动载荷随时间的变化曲线图8射孔时，节点66、90和节点113处油管柱纵向(轴向)振动载荷随时间的变化曲线 图9 射孔时，节点2、59、81、110、120和节点160处油管柱横向振动载荷随时间的变化曲线4、结论通过建立水

10、平井射孔管柱振动的有限元力学模型来分析射孔时管柱的振动力学问题。首先必须正确预测或测出射孔时，射孔部位对管柱产生的横向和纵向冲击波随时间的变化关系，以此数据作为整个油管柱有限元振动分析的瞬时初始动载荷。通过对管柱振动的有限元分析可以以下总结：1、射孔时，对管柱产生纵向振动载荷远高于对管柱产生的横向载荷，即纵向（轴向）振动起主要作用。2、射孔后，管柱内任何位置均有纵向振动，而横向振动不一定任何位置会产生。 3、射孔管柱内产生最大应力值发生在射孔后（1.01.5）秒内，此应力值很可能远超过管柱本身的强度。 由以上的理论研究应用于元坝射孔管柱优化得出以下两点：1、基于以上对射孔管柱射孔时的瞬间冲击力

11、分析，射孔时主要为纵向振动，横向振动弱，元坝长兴组气藏射孔时，射孔管柱只加纵向减震器，径向减震器作用不大，且增大了管柱下入的摩阻力。因此，不采用径向减震器。2、根据射孔管柱内产生最大应力值发生的时间关系，元坝长兴组射孔管柱纵向减震器的位置应该连接在射孔枪附近。参考文献1 Miska S, Qiu W Y and Volk L. Analysis of drill pipe/coiled tubing buckling in a constant-curvature wellbore. JPT, May 1998:66-68 P, 77P2 李子丰,马兴瑞,黄文虎. 水平管中受压扭细长圆杆(管)的几何非线性弯曲.