天然气井套管膨胀变形的有限元分析

天然气井套管膨胀变形的有限元分析

1abaqus6.8模型的建立和假设地震负荷可导致套筒变形，其他地质负荷和套筒本身材料的不均匀、磨损可导致套筒变形。如果严重，油气井将被弃。修复油井变形套管已成为油田开发中一项重要工作,主要方法有机械整形和爆炸整形。通过测井设备,测量出气井套管变形位置和变形尺寸。未变形时的内径为φ121mm,机械加工为圆形,壁厚为5mm。某井的变形在井下3500~3505m位置,此变形部位最大内径为φ126mm,最小内径为116mm,即井的形状由圆形变为椭圆形。用CATIA软件建立模型,然后再直接导入ABAQUS6.8进行分析。建立的套管模型不是完整的5m长的变形部分,而是只采用了其中的500mm建立模型。套管一端为椭圆形,一端为圆形,高度为500mm。椭圆形的一端完全采用测井获得的实际参数,最大内径为φ126mm,最小内径为φ116mm。通过软件的【线框和曲面设计】工作台,先将椭圆线和圆弧绘制出来,然后使用【多截面扫掠】功能,生产一个一端是圆形,另一端为椭圆形的曲面。将曲面增加厚度5mm,最终生成套管的形状,如图1所示,软件的具体使用方法见参考文献。共有两个膨胀头,两个尺寸不一致,第一个膨胀头外径小,第二个膨胀头外径大。套管膨胀头的形状是圆柱体和圆台体的组合,一端为圆柱体,另一端为圆台体。第一个膨胀头圆柱体外径为φ118.5。第二个膨胀头圆柱体的外径为121mm,即正常套管的内径尺寸,圆柱体的高度为100mm。两个膨胀头的圆台部分尺寸相同,圆台体小端的直径为φ80mm,大端和圆柱体相同,圆台的高度为300mm。最终生成套管膨胀头的形状如图2所示。在CATIA软件的装配工作台,将两个零件装配在一起。装配模型设计完成后,将模型直接导入到有限元计算软件ABAQUS6.8中。2.采用分段膨胀元件计算模型2.1膨胀头网格划分膨胀头采用六面体结构化网格,而套管的形状在软件中无法自动划分为六面体结构化网格,采用四面体网格。由于将模型导入时,膨胀头模型导入后出现误差,自动划分的网格出现问题,在侧面一个位置出现细长狭窄的网格。为了消除该问题,使用ABAQUS软件虚拟拓扑内的合并边功能,将膨胀头圆柱和圆台交界面的分段的棱边合成为一个完整棱边。修正后再划分网格,就是均匀的六面体网格。模型划分后的网格如图3所示。2.2膨胀头屈服应力膨胀头弹性模量210000MPa,泊松比0.3,膨胀头屈服应力360MPa。套管材料的弹性模量和泊松比与膨胀头所取值相同,但对套管材料考虑塑性应力,对应屈服应力和塑性应变参数如表1所示。2.3膨胀头膨胀开套管外压膨胀头的整个外表面,包括圆柱侧面和圆锥侧面,都设置为和套管内表面接触。摩擦系数设置为0.1,摩擦公式为罚函数公式。施加的载荷有两个,一个是作用在套管外表面的外压,另一个是施加在膨胀头上促使膨胀头运动的拉力。为了在计算过程中,膨胀头和套管之间很容易进入接触状态,而不出现网格的穿透或者不收敛的情况,膨胀头端面的拉力载荷是逐渐增大的,而施加在套管外表面的载荷,直接施加上去,计算过程中无变化。对于不同的外压作用,膨胀头胀开套管需要的载荷也不一致。对应于每一个套管外载荷,都对应有一个膨胀头拉力载荷可以将套管膨胀,假设作用在膨胀头上的载荷为A。随着时间增加,施加的载荷A变化规律如表2所示。也就是经过100s的计算时间后,施加在膨胀头小头一端的载荷达到A值,这样逐渐增加载荷,主要是为了使膨胀头和套管内表面逐渐进入接触状态。在实际计算分析过程中,针对每一个固定的套管外压,都要对膨胀头端面载荷的A进行了多次设置,反复对模型进行计算,直到设置的载荷能够使膨胀头穿过变形套管为止。对膨胀头没有其它位移条件约束,而对套管,圆形端、约束套管端面为固支,即模型在此位置没有位移。计算过程分两步进行,第一步是对第一个膨胀头施加拉力载荷,让第一个膨胀头通过套管,然后使该载荷不起作用。在第二步,对第二个膨胀头施加拉力载荷,让第二个膨胀头通过套管,完成对套管的膨胀作用。计算时又分了两种工况,第一种是套管外表面作用10MPa的外压作用,第二步是套管外表面没有任何外压作用。3计算结果和结论3.1第二膨胀头通过套管下面先说明套管外压为10MPa时的计算结果。当作用在第一膨胀头端的载荷为14418N时,第一膨胀头可以顺利通过套管,即需要1.4t的载荷,第一膨胀头就可以通过套管。当作用在第二膨胀头端的载荷为155744N时,第二膨胀头可以顺利通过套管,即需要15.6t的载荷,第二膨胀头就可以通过套管。在第一步计算后,也就是第一膨胀头通过套管后,套管的应力如图3所示,最大应力值为437MPa,位于套管椭圆形的短轴方向。套管的位移分布图如图4所示,最大应力值为1.28mm,也就是说,通过第一膨胀头膨胀后,套管可以在半径方向胀开1.28mm,在直径方向共胀开2.56mm。在第二步计算后,也就是第二膨胀头通过套管后,套管的应力如图5所示,最大应力值为458MPa,位于套管椭圆形的短轴方向。套管的位移分布图如图6所示,最大应力值为1.92mm,也就是说,通过第二膨胀头膨胀后,套管可以在半径方向胀开1.92mm,在直径方向共胀开3.84mm。3.2膨胀管路所需要的载荷下面先说明套管外压为0时的计算结果。当作用在第一膨胀头小端的载荷为10751N时,第一膨胀头可以顺利通过套管,即需要1.07t的载荷,第一膨胀头就可以通过套管。当作用在第二膨胀头小端的载荷为100480N时,第二膨胀头可以顺利通过套管,即需要10t的载荷,第二膨胀头就可以通过套管。在第一步计算后,也就是第一膨胀头通过套管后,套管的应力如图7所示,最大应力值为441MPa,位于套管椭圆形的短轴方向。套管的位移分布图如图8所示,最大应力值为1.05mm,也就是说,通过第一膨胀头膨胀后,套管可以在半径方向胀开1.05mm,在直径方向共胀开2.1mm。在第二步计算后,也就是第二膨胀头通过套管后,套管的应力如图9所示,最大应力值为458MPa,位于套管椭圆形的短轴方向。套管的位移分布图如图10所示,最大应力值为3.03mm,也就是说,通过第二膨胀头膨胀后,套管可以在半径方向胀开3.03mm,在直径方向共胀开6.06mm。以上计算说明,在考虑外载荷时,膨胀头膨胀套管所需要的载荷明显增大,而膨胀后套管的位移减小。根据作者原来的计算结果,同样在套管承受10MPa外压的条件下,只使用第二膨胀头进行膨胀套管,所需要的载荷为18.8t,与本文的计算结果相比,载荷增加了3.6t,即使用两个尺寸不同的膨胀头,对套管进行两次膨胀,所需要的载荷,要比一次膨胀所需要的载荷有所降低。但是比较两次对套管进行膨胀时作用在膨胀头上的载荷,可以发现,第一膨胀所需要的载荷,明显低于第二次膨胀所需要的载荷,第一次膨胀的载荷为第二次膨胀所需载荷的10%。在计算时,考虑膨胀头的尺寸所采用的原则是,将套管变形的一半用第一个膨胀头进行