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      非均勻載荷下厚壁套管強度CAE分析

      發布于:2023-02-09 20:05
      CAE分析

            非均勻載荷作用下,套管的抗擠強度會大大降低。對某些復雜地層,若不考慮非均勻載荷的影響將會給油田勘探開發帶來巨大經濟損失。因此,眾多學者對非均勻載荷下套管的抗擠問題進行了大量研究,并取得許多有益成果。但這些研究主要以徑向的非均勻外載為邊界載荷,沒有考慮套管外壁受非均勻剪切力的作用;其次,對非均勻載荷下套管磨損、殘余應力、不圓度和壁厚不均度等缺陷的影響未作考慮。為此,筆者討論了非均勻地應力下套管邊界的受力情況,建立了套管受徑向非均勻擠壓、環向受非均勻剪切載荷的抗擠CAE分析力學模型,由此給出了非均勻載荷下含缺陷套管擠毀失效的判斷方法。
            根據力學原理,套管抗擠問題可視為平面應變問題,并假設管內全掏空,其力學模型中,分別為最大、最小水平地應力,分別為地層無窮遠邊界處的徑向力、剪應力,為圓周角以印分別為套管外壁徑向壓力和剪切力。一些學者采用有限元分析對非均勻載荷下套管的抗擠問題進行了大量研究,他們假設套管非均勻載荷的形式為橢圓形分布。
            在固井質量良好的情況下,水泥環和套管將膠結在一起。根據力學原理,在圖所示載荷形式下,套管外壁將受到非均勻剪切載荷作用。因此,載荷不能完全反映非均勻載荷下套管的受力狀態。
            假設套管為壁厚均勻的理想厚壁圓管,根據套管邊界的受力情況,本文采用了彈性力學逆解法對圖所示力學模型進行求解。
            為了研究非均勻載荷下套管的承載危險點及其失效機理,根據所得的解析解編制了套管應力分析程序。對偽77.8 mmX13.72套管在形如式的載荷下,(-50 MPa-3 MPa-15 MPa套管的應力分布情況進行了計算,拉應力為負)。圖中,a,b,c,d,e分別為套管內壁、距內壁3.34 mm、距內壁6.68 mm、距內壁10.29~和套管外壁的環向應力曲線。
            由圖可知,在套管周向0.1800處,從套管內壁到外壁,其應力由75.88 MPa增加至434.74MPa;在套管周向900內壁處,應力絕對值最大,其值為626.26 MPa?梢,在非均勻載荷作用下,套管周向與最大地應力夾角為900處、套管的內壁是承載危險區。因此,該區域的應力狀態可作為判斷套管抗擠能力的依據。
            上述理論分析只適用于理想圓管,而實際套管并非理想圓管,可能存在內壁磨損、殘余應力等缺陷。這些缺陷的分布隨機性很大,難于建立考慮各種缺陷的力學模型。因此,一些學者提出了非均勻載荷等效為均勻載荷的方法,進而由API標準或其他計算方法對非均勻載荷下套管的擠毀問題進行判斷。


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