p009_射孔对套管抗压强度影响的有限元分析

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1、2004年MSC.Software中国用户论文集射孔对套管抗压强度影响的有限元分析杨智春崔海涛李斌西北大学-1-2004年MSC.Software中国用户论文集射孔对套管抗压强度影响的有限元分析FiniteElementAnalysisofTubewithShootingHoleunderPressure杨智春崔海涛李斌(西北大学)摘要:射孔是射穿套管形成孔眼穿过水泥环进入地层某一深度的过程，射孔完井是国内、外采用的最为广泛的完井方式。但是射孔会破坏套管柱面的一致性，对套管的抗压强度有一定的影响。大量的现场实践表明，射孔对套管有严重的影响。本文采用有限元方法，对套管一种典

2、型的射孔分布情况进行射孔前后的应力分析，结果表明，射孔后套管极限载荷降低约40%。关键词:射孔套管抗压强度有限元MSC.MarcAbstractShootingperforationistheprocesstopenetratethedrillingpipethroughthecementringandenterthestratumatcertaindepth.Itisthemostwidelyusedmethodtocompletetheoilwell.Buttheperforativeholeswilldestroytheconsistenceofthepipesur

3、facetherebyhavinganiMPactonthestressdistributionaroundtheholes.Practicalcasesindicatethattheperforativeholeswilldecreasethecompressivestrengthofthepipe.Inthispaper,thestressesaroundtheholesareanalyzedusingMSC.MarcfortypicaldistributedholesandthecalculatedstressesarecoMParedwiththoseofthep

4、ipewithoutholes.Theresultsshowthatthelimitloadofthepipedecreasedbyabout40%.Keywords:perforationhole，pipe，compressivestrength，FEMMSC.Marc一、前言射孔完井是国内、外采用的最为广泛的完井方式，射孔是指射穿套管形成孔眼穿过水泥环进入地层某一深度的过程。但是射孔会破坏套管柱面的一致性，从而对套管的抗压强度产生一定的影响。大量的现场实践也表明，射孔对套管强度有严重的影响，据统计，有的油田油区套管的损坏发生在射孔井段或直接与射孔有关的井口数占套管损坏

5、井口数的60%~70%。研究表明，射孔对套管强度影响的主要因素有：第一，射孔过程中十几枚甚至几十枚射孔弹同时爆炸产生的冲击波使套管变形，并在局部形成应力集中及残余应力；第二，射孔眼的存在，影响到套管受载时的应力分布。前者可通过采用有枪身的射孔弹等射孔工艺来减小射孔过程对套管强度的损坏，但后者是无法避免的，只有通过对孔眼尺寸及分布的控制来尽量减小其对套管强度的影响。射孔段套管位于固井段，在固井段作用于管体上的轴向载荷较小，可忽略其对套管抗压强度的影响。而且管体内外液体贯通，即使在管体内流体压力很高（如进行压裂施工等）的情况下，由于套管内外的压力差较小，因此也可忽略其对套管抗

6、内压强度的影响。但地应力、-2-2004年MSC.Software中国用户论文集岩石蠕变等长期作用于套管外壁，形成对套管的外压作用，管体受到的外压将直接影响套管的使用寿命，为此有必要对射孔套管的抗外压强度问题进行深入的研究，并与未射孔的套管抗外压强度进行对比，以确定射孔对套管抗外压强度的影响。本文采用MSC.Marc带有射孔的套管抗压强度进行了计算分析。二、分析方法1、分析模型套管的几何和材料参数为：外径114.3mm，内径97.18mm，弹性模量210GPa，泊松比0.3。将套管视为无限长，并假定套管壁厚均匀，所以可只取有射孔的一段套管来建立分析模型。射孔孔眼的分布规律

7、为沿轴向每62.5mm射一个孔，且全部射孔在管体上呈螺旋线分布，孔眼所在螺旋线展开后与套管径向成45°，如图1所示。可以推算出，7个射孔孔眼构成一个完整的螺旋，因此，取包含7个孔眼的一段套管来建立力学分析模型就可以比较精确的反映实际情况。分析中建立的和实体有限元模型如图2所示，为了减小计算规模，同时能正确模拟射孔周围的应力分布，在进行套管的有限元网格划分时，仅对射孔周围的有限元网格进行了细化。图1射孔眼位置示意图（展开）图2、带射孔套管的实体有限元模型为了确定分析中的有限元素类型，首先进行了无射孔套管的应力分析，并与理论解做了