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1、Ξ磨损对套管接头拉伸与内压强度的影响ΞΞ杨龙高智海练章华唐波孟英峰(中国石油天然气集团公司管材研究所)(西南石油学院)摘要采用弹塑性有限元方法,建立了套管接头磨损拉伸与抗内压的有限元力学模型。对套管接头处内壁不同磨损量时的抗内压强度和抗拉强度进行了计算分析,得出了磨损量与套管接头抗内压系数的定量数据和磨损量与套管接头抗拉系数的定量数据。同时,在不同磨损量下,分析了套管接头内VonMises应力和套管接头内的变形,所得出的抗内压强度系数kp和抗拉强度系数kt为磨损套管柱的强度设计和校核提供了定量的理论数据。关键词有限元分析抗内压强度抗拉强度磨损套管接头响,因此,研究套管接
2、头处内壁磨损对抗内压及抗拉性能的影响是磨损套管柱设计的重要因素,笔者的研究结果尤其为深井、超深井、大位移井、水平井磨损严重的套管柱设计,提供了理论数据。引言国内外学者对套管本体磨损进行了一些理论和实验研究1～5,但对套管接头磨损与其拉伸强度和抗内压强度的研究还少有相关报道。笔者用弹塑性有限元分析法,对套管接头处内壁不均匀磨损量进行抗内压、抗拉性能影响的定量分析,并研究由不均匀磨损造成抗内压、抗拉性能降低的程度。深井、超深井、大位移井和水平井下套管后仍需继续钻进,由于钻杆的往复运动及旋转在套管内是偏心的,钻杆与套管径向、轴向摩擦使钻杆外壁及套管内壁严重磨损,这种磨损多发生
3、于钻杆及套管的接头部位。钻杆运动是相对移动的,故钻杆近似于均磨损量与抗内压、抗拉强度系数定义由大量的套管磨损实测和统计可知,套管接头的磨损形状是“月牙形”,是由钻杆接头与套管接头内壁接触磨损而形成的,“月牙”部分为图1中ABFC,ABFC磨损区最大磨损深度Twear在AB线上,本文定义:套管磨损量dt(%)为套管最大磨损深(mm)除以套管的原始壁厚T(mm),即度TwearTweardt=×100%(1)匀磨损,而套管只发生局部不均匀磨损,套管十分困难。况且更换T由于套管被磨损后,其抗内压的能力(强度)要降低,为了能方便地分析其降低程度,用抗内压强度系数来衡量随套管磨损
4、量变化而引起的抗内压的变化量,定义:抗内压强度系数kp为套管磨损后的接头抗内压强度pwear除以套管未被磨损时接头的抗内压强度p0,即套管接头由套管接箍及套管端部螺纹部分构成,常用套管接箍其内壁直径大于套管内壁直径,故其内壁磨损多指接头处的套管内壁磨损。套管端部为锥螺纹,其套管壁比管体部分薄,如果发生接头处的内壁磨损将对螺纹连接强度产生较大的影Ξ本课题得到国家自然科学基金(批准号50074025)项目和四川省青年科技基金资助。ΞΞ杨龙,高级工程师,生于1952年,1977年毕业于西南石油学院钻井专业,现在西南石油学院攻读博士学位,主要从事石油钻井、石油管线力学及套管损坏
5、机理研究和管理工作,任管材研究所所长。地址:(710065)陕西省西安市。电话:(029)8726128。练章华为第二作者,本刊特邀通讯员。(收稿日期:2003-05-22)·10·石油机械2003年第31卷第10期pwearkp=()2p0同理,抗拉强度系数kt定义为:套管接头在某一磨损量时的抗拉强度Fwear除以未被磨损时的抗拉强度F0,即Fwear()3kt=F0磨损套管接头力学模型建立图2接头抗拉、抗内压的有限元模型21P110套管材料特性参数笔者研究的套管强度问题是属于弹塑性力学问为了准确地获取套管材料的力学特性数据,将11力学模型本文用P110×9&3英寸(
6、244147mm)×11199mm的技术套管,套管接头内壁月牙形磨损半径等于钻进时所采用的ø168mm钻杆接头半径,其磨损量由套管内壁圆与钻杆接头的偏心距决定,偏心距决定磨损量。与套管相配合的API梯形螺纹接箍外径为269188mm。套管接头的磨损主要为套管端部的磨损,在进行强度计算分析时采用月牙磨损形状,并认为此磨损形状沿管长方向分布的长度远远大于套管的外径(特别是在水平井和大曲率井中此种现象极为明显),所以可以假设磨损区贯通整个套管长度。由于套管接头具有对称面,故模型可以进一步简化为题,某油田购进的P110套管加工成标准试件,在MTS材料试验机上测其力学特性参数,测
7、得P110套管材料屈服强度为890MPa,抗拉强度为970MPa,延伸率为2210%。可见,该P110套管的屈服强度高于API套管P110的屈服强度(750MPa)。31套管抗内压强度判据在有限元分析过程中,用不断改变套管内壁压力载荷P的方法来试算破损后套管的抗内压强度pwear,以结果中的VonMises等效应力为强度判断依据,因为VonMises等效应力σs(第四强度理论)可以直接用于套管钢材的强度分析。关于XOY面及XOZ面对称的对称模型,的实体模型见图1。套管接头1222σs=2[(σ1-σ2)+(σ2-σ3)+(σ3-σ1)](
