东北石油大学课程设计弯曲段套管抗挤强度有限元分析Word文档下载推荐.docx

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[4]祝效华，余志祥．ANSYS高级工程有限元分析范例精选[M]．电子工业出版社，2004．

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专业负责人

年月日

目录

第1章概述1

1.1弯曲段套管抗挤强度有限元分析的研究目的和意义1

1.2弯曲段套管抗挤强度有限元分析的主要研究内容1

第2章理论分析3

2.1套管抗挤强度分析3

2.2SOLID45简介3

第3章偏磨套管抗挤强度有限元分析5

3.1问题描述5

3.2ANSYS有限元模型建立及求解5

结论13

第1章概述

1.1弯曲段套管抗挤强度有限元分析的研究目的和意义

套管是油井生产中重要的设施，套管损坏问题己受到国内外的普遍关注。

套管柱在大井眼曲率的水平井弯曲井段将产生较大弯曲应力，使得套管抗挤强度降低，可能导致套管发生挤毁破坏。

为了得到套管抗挤强度与水平井弯曲段造斜率间的定量关系。

由于传统石油工程中，石油套管主要用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑，以保证钻井过程的进行和完井后整个油井的正常运行。

石油套管是维持油井运行的生命线，由于地质条件不同，井下受力状态复杂，拉、压、弯、扭应力综合作用于管体，这对套管本身的质量提出了较高的要求。

一旦套管本身由于某种原因而损坏，可能导致整口井的减产，甚至报废。

基于普氏自然平衡拱理论,并考虑套管与地层的相互作用,对空洞的形态进行了分析得出其油层段应尽量使用高强度、大壁厚的套管。

近年来随着水平井钻井技术的发展,高曲率井段套管柱的设计引起了人们的关注。

对于直径大、壁厚相对钻柱来说较小的套管,如果井眼曲率过高会产生另一类突出的问题,即弯曲井段的套管会发生较大的径向变形。

而下套管作业时，除了要考虑摩阻外，还要考虑套管柱的变形，尤其是弯曲井段内套管的变形有别于其他井段，因此有必要对套管柱在弯曲井段的通过能力进行研究。

发生径向变形的套管不仅会因通径的减小影响钻井工具和完井工具的下入,而且还会因其椭圆度增加降低套管的抗挤强度。

大多数油井套管的损坏是由过大的外载荷引起的，其在各种载荷作用下的强度、变形是油井工程中非常受关心的问题之一，由于套管的成本在整个油井成本中占很大的比例，所以要尽量避免油井套管所加载的外载荷超出其所承受的极限，从而保证油井的正常使用寿命。

在进行油井套管的强度分析时，通常通过解析法对其进行计算校核，其中难免采用很多经验值和经验公式，因此，用该方法分析得到的结果不够准确。

本文中通过大型有限元软件对套管的强度进行分析，可以得到非常精确的结果，对工程应用有非常重要的指导意义。

1.2弯曲段套管抗挤强度有限元分析的主要研究内容

分析该问题应该首先从没有缺陷套管的抗挤强度入手，用ANSYS对理想套管建模井求解，得到理想状态无缺陷下套管的抗挤强度。

此时的抗挤强度应该和API套管强度公式计算出来的一致，主要用来验证ANSYS模型的正确性。

ANSYS在本研究方向具有非常大的潜力，很多用解析法解决不了的问题都可以通过ANSYS方便的求解，其中不仅包括套管抗挤强度的问题，还有抗拉强度等，不但可以求解带有理想状态弯曲段套管的问题，还可以求解有凹槽、壁厚不均匀等初始缺陷的问题。

借助ANSYS有限元软件就可以对理想和使用过程中的套管建模和求解，可以得到理想和使用过程中的缺陷对套管抗挤强度的影响关系，避免井下事故的发生。

在钻井及修井作业中，套管弯曲是不可避免的，尤其在深井、超深井、大位移井和水平井中更为显著。

弯曲后的套管不仅抗挤强度会降低，其他使用性能也会有所下降。

本研究以弯曲形式为空心柱形套管进行分析，得到这种弯曲模型的程度和套管抗挤强度之间的关系。

接下来分析弯曲套管的抗挤强度，使用过程中套管内壁被钻杆接头磨损和套管在弯曲段时的弯曲。

建立空心圆柱形的实体模型，对套管的外表面施加1MPa的外压，接着使其一端受到全约束，另一端受到弯曲载荷的作用，让套管自然就弯曲。

接着改动命令流，可以得到不同曲率的套管的应力集中。

这个问题涉及到弯曲的问题，属于三维问题，建立三维有限元模型，采用SOLID45单元。

本文中只给出套管曲率为6

的情况下的GUI实例和APDL程序，其他曲率情况套管可以通过改变APDL程序得到。

第2章理论分析

2.1套管抗挤强度分析

套管所能承受的最大外挤压力称为套管的抗挤强度。

套管抗挤强度是国际上一个比较活跃的研究领域,多年来,API/ISO一直在组织国际合作研究。

目前,API/ISOCollapseSub-Team（美国石油学会/国际标准化组织套管挤毁工作组）正计划修订现行API5C3标准，研究的焦点集中在提高抗挤强度计算公式的精度。

针对美国石油协会的套管抗挤强度计算公式与实测套管挤毁压力差距较大的问题，利用统计学方法，详细分析了套管实物挤毁试验检测数据，得到了各因素影响套管抗挤强度的定量指标.研究表明，套管抗挤强度主要由径厚比决定；

套管计算屈服外压和失稳外压等其他参数及其交互作用对套管的抗挤强度也有显著影响;

套管外径和壁厚数据的变异系数比外径不圆度和壁厚不均度对套管抗挤强度的影响更显著.最后给出了套管抗挤强度统计计算公式,为生产厂和用户提供了预测套管抗挤强度的简单实用的计算方法。

API所公布的套管强度数据是套管受相应的单一外载作用时的强度，如抗挤强度是套管仅受外挤压力作用时套管所能承受的最大外挤压力值；

套管在井下主要考虑管柱的摩阻力限制。

除了要考虑这个以外，还要考虑套管的变形。

如果基于刚性模型和弹性模型对套管进行套管柱在井下一般是处于复合外载作用状态（两种及两种以上外载同时作用状态）。

在复合外载作用下，套管的强度要发生变化，有时套管的强度增加，有时套管的强度降低。

套管抗挤强度计算:

在外压力与轴向力或内压力与轴向力作用下，管柱内的应力状态为三向应力状态，三个主应力分别为轴向应力、周向应力和径向应力：

（1）

根据第四强度理论，可得套管在多向应力下的强度条件为：

cs

第四强度理论变为：

2.2SOLID45简介

单元性质：

3-D维实体结构单元

单元说明：

solid45单元用于构造三维实体结构.单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度.单元具有塑性,蠕变,膨胀,应力强化,大变形和大应变能力。

有关该单元的细节参看ANSYS,理论参考中的SOLID45部分。

类似的单元有适用于各向异性材料的solid64单元。

Solid45单元的更高阶单元是solid95。

SOLID45假定和限制：

（1）体积等于0的单元是不允许的。

·

单元结点编号可参照图45.1:

"

SOLID45几何描述"

，面IJKL和MNOP也可互换。

单元不能扭曲，这样单元就会有两个独立的体。

这通常发生在当单元结点编号不当时。

所有单元都必须有8个结点。

可以通过定义重合的K和L、O和P来形成棱柱形单元（参见三角形、棱柱形和四面体单元）。

四面体形状也是允许的。

对四面体单元，额外形状被自动删除。

SOLID45产品限制

对于以下产品，将在上述一般假设和限制的基础上再增加一定的限制：

。

ANSYSProfessional. 

不允许有DAMP材性。

不能施加流量体荷载。

唯一允许的特殊性能是应力钢化。

KEYOPT（6）=3不可用。

图1SOLID45单元几何

第3章偏磨套管抗挤强度有限元分析

3.1问题描述

图2套管实体示意图

3.2ANSYS有限元模型建立及求解

GUI步骤：

（1）进入ANSYS

程序→ANSYS9.0→ANSYSproductlauncher→filemanagement→workingdirectory（路径）→jobName（文件名）→run。

图3定义文件名

（2）设置计算类型

ANSYS主菜单：

Preferences→selectStructural→OK

（3）选择单元类型

Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delet→Add→select→SolidBrick8node45→Ok→close（）

图4定义单元类型

（4）定义材料参数

Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structual→linear→Elastic→Isotropic→inputEX：

2.06e11，PRXY：

0.3→OK

图5定义材料属性

（5）生成几何单元模型

ANSYS主菜单→Preprocessor→modeling→create→Volume→Cylinder→HollowCylinder→input：

WPX（0），WPY（0），Rad-1（75.18e-3）

，Rad-2（88.9e-3），Depth

（1）→OK。

如图1所示

图6建立几何模型

建立未弯曲套管实体模型，加上弯曲载荷后就变成为弯曲段套管抗挤压分析实体模型。

（6）网格划分

打开当前工作坐标，把它移动到关键点4（0，0.0889,0），旋转工作平面绕Y轴旋转90度，用工作平面把实体切成两部分。

Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Divide→Volumebyworkplane→pickall

把工作平面移动到关键点2（0.0889,0,0），旋转工作平面绕X轴旋转90度，用工作平面把实体模型切成4部分。

图7用工作平面切实体模型

Preprocessor→Meshing→Meshtool→Lines→选择厚度方向上的8条线→OK→选择2份→OK

Preprocessor→Meshing→Meshtool→Lines—环向上的16条线→OK→选择6份→OK

Preprocessor→Meshing→Meshtool→Lines→长度方向上的8条线→OK→选择20份→OK

图8实体分网控制

最后如下图设置，点击Sweep→pickall→分网完成，保存一下分网模型。

图8对所有进行分六面体网格

图9有限元网格模型

（7）模型施加约束

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnAreas→选择Z坐标为0的平面→Ok→Lab2：

ALLDOF→Ok

（8）模型施加载荷

1.施加外载荷：

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnAreas→选择外圆周上的四个平面7,8,15,16：

Value：

Loadpressurevalue：

1e6→Ok

2.施加弯曲载荷：

弯曲载荷的施加比较复杂，首先根据套管的曲率来计算弯曲载荷的大小，再平均分配到每一个节点上。

由材料力学可以知道：

式中：

F是施加在断面上的弯曲载荷，N；

E是为套管的材料弹性模量，Pa；

I是套管截面惯性矩，

是套管的转角，rad；

L是套管的长度，m；

将参数代入计算得F为5170.137N

弯曲载荷施加在断面的每个节点上，首先选择断面上的每一个节点，并且知道断面总共有几个节点。

Select→Entities→Areas→Apply→选择所要选择的断面→Ok→Nodes→AttachedTo→Area，all→Ok

Plot→Nodes→Ok

List→Nodes→O，本实例中的节点数为72，故每个节点的载荷为5170.137/72=71.807。

k

列出所有的节点的数量

Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→On→Nodes→pickall→Lab：

FY，VALUE：

-71.807→OK

图10施加弯曲载荷示意图

（9）分析计算

Select→everything

Solution→Solve→CurrentLS→Ok（toclosethesolvecurrentLoadstepwindow）→Ok

图11求解后的模型

（10）结果显示

在提取结果时，根据圣文南原理，取远离施加载荷和约束的位置，所以本例中应去中间位置查看结果。

GeneralPostproc→PlotResult→ContourPlot→NodalSolu→Select：

stressintensitySINT→Ok

图12结果云图显示

（11）结果提取

ANSYS主菜单：

GeneralPostproc→QueryResult→SubgridSolu→Select：

stressintensitySINT→Ok（TurntoQueryResultwindow）→Select→Max→Ok

根据本实例提取最大应力值为23.755MPa，如下图13所示。

（12）退出系统

File→Exit→Saveeverything→Ok

图13提取结果图

3.3结论分析

前面的有限元计算中得到套管曲率为6°

/100m时，外压为1MPa情况下最大应力强度为23.755MPa。

根据套管的最大屈服强度是551.6MPa，所以计算得到套管曲率为6°

/100m时的抗挤强度为29.156MPa。

确定套管抗挤强度的方法和偏磨套管抗挤强度的方法是一样的。

当给定外径、壁厚、弹性模量、泊松比时套管受到外压，在线性和小变形内，其最大应力强度

和和外压之比是一个无量纲常数K。

根据徐秉业的塑性力学书选取屈服准则，其应力强度

的表达式为：

（2）

根据屈强度限挤毁形式套管抗挤强度

的定义（使套管中某一点表达达到材料的屈服强度

的外压力值为套管抗挤强度），在求得K值之后，将材料的屈服极限代入上式，即可求得套管抗挤强度：

（3）

将数值带入

（1）和（3）式，可以得到该种套管的抗挤强度为29.156MPa

同理可把套管曲率6

换为2

、4

、8

、10

，即可求出弯曲套管在这些曲率下的最大应力强度和套管抗挤强度。

表1弯曲套管的曲率对最大应力值和抗挤强度的影响

套管曲率

最大应力强度

Mpa

套管抗挤强度

MPa

弯曲载荷F

/N

单位节点载荷

2

11.383

58.871

1723.379

23.936

4

15.367

37.384

3446.758

48.872

6

23.755

29.156

5170.137

70.807

8

26.004

23.269

6893.516

95.743

10

35.587

19.988

8616.895

119.679

结论

经过三周的时间的学习，我完成了弯曲套管抗挤强度有限元分析，同时对ANSYS有了一个新的了解。

在这我要感谢我的指导老师对我耐心的指导，感谢老师给我的帮助，因为在设计的过程中遇到了很多的困难，所以老师给予我极大的帮助。

在设计的过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获颇丰。

在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习特别是毕业设计、工作、生活有非常重要的影响。

虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。

（1）套管曲率增大，弯曲井段套管的径向变形和应力也随之增大，套管弯曲载荷和单位节点载荷都增大，最大应力强度也增大，说明曲率与它们成正比。

（2）套管曲率增大，套管的抗挤强度反而减小，说明曲率和套管抗挤强度成反比。

（3）套管的最大应力强度和抗挤强度成反比，通过以上研究，对套管曲率下弯曲井段套管柱强度设计提供了理论依据。

参考文献

[5]刘鸿文．材料力学[I]．第四版．高等教育出版社，2008．

[6]朱伯芳．有限单元法原理与应用[M]．第二版．中国水利水电出版社，1997

[7]祝效华，高原．水平井弯曲段套管下入可行性分析，2011

[8]李黔，施太和．水平井弯曲井段套管径向变形计算，1998

[9]蔡恩宏．弯曲井段中套管通过能力分析研究，2010

[10]

[11]

附录

分析过程APDL程序方法

/PREP7

ET,1,SOLID45

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,1,,2.06e11

MPDATA,PRXY,1,,0.3

CYL4,,,75.18e-3,,88.9e-3,,1

KWPAVE,4

wprot,0,0,90

VSBW,1

KWPAVE,2

wprot,0,0,-90

wprot,0,90,0

FLST,2,2,6,ORDE,2

FITEM,2,2

FITEM,2,-3

VSBW,P51X

LPLOT

FLST,5,4,4,ORDE,4

FITEM,5,25

FITEM,5,27

FITEM,5,29

FITEM,5,31

CM,_Y,LINE

LSEL,,,,P51X

CM,_Y1,LINE

CMSEL,,_Y

LESIZE,_Y1,,,2,,,,,1

FITEM,5,26

FITEM,5,28

FITEM,5,30

FITEM,5,32

!

*

FLST,5,8,4,ORDE,2

FITEM,5,9

FITEM,5,-16

LESIZE,_Y1,,,6,,,,,1

*

FITEM,5,1

FITEM,5,-8

LESIZE,_Y1,,,6,,,,,1

FITEM,5,17

FITEM,5,-24

LESIZE,_Y1,,,20,,,,,1

FLST,5,4,6,ORDE,3

FITEM,5,4

FITEM,5,-6

CM,_Y,VOLU

VSEL,,,,P51X

CM,_Y1,VOLU

CHKMSH,'

VOLU'

CMSEL,S,_Y

VSWEEP,_Y1

CMDELE,_Y

CMDELE,_Y1

CMDELE,_Y2

FINISH

/SOL

FLST,2,4,5,ORDE,4

FITEM,2,1

FITEM,2,4

FITEM,2,6

FITEM,2,23

DA,P51X,ALL,

FINISH

FITEM,2,7

FITEM,2,-8

FITEM,2,15

FITEM,2,-16

/GO

SFA,P51X,1,PRES,1e6

FLST,5,4,5,ORDE,4

FITEM,5,2

FITEM,5,5

FITEM,5,21

FITEM,5,24

ASEL,S,,,P51X

NSLA,S,1

NPL