鉆井套管的剪切變形力有限元計算方法技術

本發明專利技術提供一種鉆井套管的剪切變形力有限元計算方法，該方法是基于有限元軟件模擬由于地層的錯動導致鉆井套管發生剪切變形的計算，該方法包括有11個步驟。本發明專利技術的效果是通過鉆井套管的剪切變形力有限元計算方法，能夠精確的模擬出套管在井下受到地層錯動力的作用時管體的形貌，以及管體所能承受的最大剪切錯動力的大小。通過有限元計算可大幅度降低進行鉆井固井套管剪切試驗的成本。本發明專利技術計算的剪切力結果與實物試驗進行了對比，誤差在5％以內，本發明專利技術的計算結果對套管管串設計有重要的指導意義。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及鉆井和采油
，涉及一種鉆井套管的剪切變形力有限元計算方法。
技術介紹
在鉆井抽采過程中，油層出砂后會造成地層疏松，形成空洞。導致地層支撐的損失和滑移，將對鉆井固井套管產生橫向的剪切作用，很容易導致套管的剪切破壞甚至完全錯斷，會使鉆井被迫停止抽采，造成巨大的經濟損失。中國專利文獻號為ZL201610333516.7公開了一種鉆井固井套管剪切試驗系統，可以對不同管徑的固井套管施加剪切力，用來模擬巖層的相對位移對固井套管的剪切作用。但是該文獻只能通過試驗的方法得到套管的剪切變形力，試驗耗費大量的物力財力，并且試驗設備的最大剪切載荷有一定的限制，對所進行的試驗規格也有一定的局限性。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種鉆井套管的剪切變形力有限元計算方法，可以定量分析套管的側向位移變化和套管能承受的最大剪切力，能為預防套管損壞和屈曲變形提供了理論依據，確定套管在井下的剪切破壞力的大小，從而更好的為油田選擇合適的套管。為鉆井工程提供技術支持。為實現上述目的，本專利技術提供的鉆井套管的剪切變形力有限元計算方法包括以下步驟：1)通過有限元軟件作圖建立鉆井套管的三維薄壁圓筒幾何模型，該薄壁圓筒的外徑是鉆井套管的外徑D，壁厚為套管的壁厚t，該薄壁圓筒長度L為1000mm；2)通過有限元軟件在上述薄壁圓筒幾何模型的管體總長對稱位置建立兩個剪切環的三維薄壁圓筒幾何模型，剪切環的內徑dj與管體外徑D相同，剪切環的外徑Dj大于管體外徑D，剪切環的長度s為20～60mm，兩個剪切環的距離a為127mm；3)所述套管為碳鋼或低合金鋼材質，在有限元軟件中根據材料的特性設置所述套管的彈性模量、應力應變曲線、泊松比、材料密度的性能；4)設置兩個剪切環為剛體，即在任何情況下都不發生任何變形；5)在有限元軟件中，在計算前需要設置的加載過程為單個或多個步驟即分析步，設定鉆井套管的剪切變形為準靜態，設置分析步的形式為動態隱式分析，計算時間為1秒，迭代時長0.01秒；6)對所建立的套管三維薄壁圓筒的幾何模型進行網格劃分，網格劃分的方式是先設置種子點，后進行有限元軟件的自動劃分網格，在壁厚方向上至少劃分3層網格，網格的形式為六面體單元；7)約束該套管兩端面的徑向位移為0；8)設置套管的外表面與兩個剪切環的內表面之間的接觸形式為面-面接觸；9)對兩個剪切環中的一個施加徑向位移，另一個質心施加大小相等方向相反的位移，位移值至少為4mm；10)通過有限元軟件的求解器實現步驟1～9所完成的前處理步驟的運算求解，計算的結果將保存在后處理文件中；11)從步驟10得到的計算結果中提取出管體所受的剪切力的值，并作出隨著剪切環的徑向位移增加的管體的剪切力值曲線，對所述曲線進行分析，剪切力的值隨著剪切環的位移增加而增速減緩，之后開始有突增和突降的突變，在突變之前的最大值為所述套管能承受的剪切力最大值。本專利技術的效果是，通過鉆井套管的剪切變形力有限元計算方法，能夠精確的模擬出套管在井下受到地層錯動力的作用時管體的形貌，以及管體所能承受的最大剪切錯動力的大小。通過有限元計算可大幅度降低進行鉆井固井套管剪切試驗的成本。本專利技術計算的剪切力結果與實物試驗進行了對比，誤差在5％以內，本專利技術的計算結果對套管管串設計有重要的指導意義。附圖說明圖1是本專利技術的套管的剪切變形力有限元計算方法的三維有限元模型示意圖；圖2是本專利技術的剪切環示意圖圖3是本專利技術的套管網格劃分示意圖；圖4是本專利技術的套管的剪切變形力有限元計算方法提取出的套管所承受的剪切力與剪切環錯動位移的曲線圖。圖5-1、5-2是本專利技術的套管的剪切變形力有限元計算方法的有限元計算結果示意圖。圖中：A：管體；B：剪切環；C：受到剪切力后變形的管體；D：管體外徑；t：管體壁厚；L：管體長度；s：剪切環的長度度；a：兩個剪切環之間的距離；Dj：剪切環外徑；dj：剪切環內徑具體實施方式結合附圖對本專利技術的鉆井套管的剪切變形力有限元計算方法加以說明。本專利技術提供的鉆井套管的剪切變形力有限元計算方法包括以下步驟：1)通過有限元軟件作圖建立鉆井套管的三維薄壁圓筒幾何模型，該薄壁圓筒的外徑是鉆井套管的外徑D，壁厚為套管的壁厚t，該薄壁圓筒長度L為1000mm，如圖1的A所示。2)通過有限元軟件在上述薄壁圓筒幾何模型的管體總長對稱位置建立兩個剪切環的三維薄壁圓筒幾何模型，剪切環的內徑dj與管體外徑D相同，剪切環的外徑Dj大于管體外徑D，剪切環的長度s為20～60mm，兩個剪切環的距離a為127mm，如圖1的B和圖2所示。3)所述套管為碳鋼或低合金鋼材質，在有限元軟件中根據材料的特性設置所述套管的彈性模量、應力應變曲線、泊松比、材料密度的性能。4)設置兩個剪切環為剛體，即在任何情況下都不發生任何變形。5)在有限元軟件中，在計算前需要設置的加載過程為單個或多個步驟即分析步，設定鉆井套管的剪切變形為準靜態，設置分析步的形式為動態隱式分析，計算時間為1秒，迭代時長0.01秒。6)對所建立的套管三維薄壁圓筒的幾何模型進行網格劃分，網格劃分的方式是先設置種子點，后進行有限元軟件的自動劃分網格，在壁厚方向上至少劃分3層網格，網格的形式為六面體單元，如圖3所示。7)約束該套管兩端面的徑向位移為0。8)設置套管的外表面與兩個剪切環的內表面之間的接觸形式為面-面接觸；9)對兩個剪切環中的一個施加徑向位移，另一個質心施加大小相等方向相反的位移，位移值至少為4mm。10)本步驟對1～9步建立的有限元模型進行求解。在求解時，將方程在空間上采用有限元方法離散后，變成常微分方程：F＝M(u)+C(u)+K(u)通過動態隱式分析所用的NewMark法求解該方程，任一時刻的位移、速度、加速度都相互關聯，采用迭代和求解聯立方程實現求解。計算的結果將保存在后處理文件中。11)從步驟10)得到的計算結果中提取出管體所受的剪切力的值，并作出隨著剪切環的徑向位移增加的管體的剪切力值曲線，對所述曲線進行分析，剪切力的值隨著剪切環的位移增加而增速減緩，之后開始有突增和突降的突變，在突變之前的最大值為所述套管能承受的剪切力最大值。如圖4所示，在突變之前的最大值為所述套管能承受的剪切力最大值。圖5-1、5-2為剪切力導致的管體發生變形示意圖。下面給出兩個具體計算實例。實施例1套管規格外徑D＝139.7mm，壁厚t＝12.7mm，鋼級Q125，其彈性模量E＝206GPa、泊松比μ＝0.3、屈服強度σS＝862～1034MPa、抗拉強度σb>931MPa。根據上述有限元計算法進行建模，管體長度1000mm，兩個剪切環寬度s＝40mm，相距a＝127mm。圖4為通過有限元軟件提取的剪切力與剪切環的移動的距離的關系圖，可以得到剪切力在突變前的最大值1625KN，所以該值為該套管能承受的最大剪切力。實施例2套管規格外徑D＝146.7mm，壁厚t＝15.9mm，鋼級TP140V，其彈性模量E＝206GPa、泊松比μ＝0.3、屈服強度σS＝985～1080MPa、抗拉強度σb>1034MPa。根據上述有限元計算法進行建模，管體長度1000mm，兩個剪切環寬度s＝40mm，相距a＝127mm。通過有限元軟件可以得到剪切力在突變前的最大值2405KN，所以該值為該套管能承受的最大剪切力。實施例本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鉆井套管的剪切變形力有限元計算方法，該方法是基于有限元軟件模擬由于地層的錯動導致鉆井套管發生剪切變形的計算，其特征是：該方法包括以下步驟：1)通過有限元軟件作圖建立鉆井套管的三維薄壁圓筒幾何模型，該薄壁圓筒的外徑是鉆井套管的外徑D，壁厚為套管的壁厚t，該薄壁圓筒長度L為1000mm；2)通過有限元軟件在上述薄壁圓筒幾何模型的管體總長對稱位置建立兩個剪切環的三維薄壁圓筒幾何模型，剪切環的內徑dj與管體外徑D相同，剪切環的外徑Dj大于管體外徑D，剪切環的長度s為20～60mm，兩個剪切環的距離a為127mm；3)所述套管為碳鋼或低合金鋼材質，在有限元軟件中根據材料的特性設置所述套管的彈性模量、應力應變曲線、泊松比、材料密度的性能；4)設置兩個剪切環為剛體，即在任何情況下都不發生任何變形；5)在有限元軟件中，在計算前需要設置的加載過程為單個或多個步驟即分析步，設定鉆井套管的剪切變形為準靜態，設置分析步的形式為動態隱式分析，計算時間為1秒，迭代時長0.01秒；6)對所建立的套管三維薄壁圓筒的幾何模型進行網格劃分，網格劃分的方式是先設置種子點，后進行有限元軟件的自動劃分網格，在壁厚方向上至少劃分3層網格，網格的形式為六面體單元；7)約束所述鉆井套管兩端面的徑向位移為0；8)設置所述鉆井套管的外表面與兩個剪切環的內表面之間的接觸形式為面?面接觸；9)對所述兩個剪切環中的一個施加徑向位移，另一個質心施加大小相等方向相反的位移，位移量至少為4mm；10)通過有限元軟件的求解器實現步驟1～9所完成的前處理步驟的運算求解，計算的結果將保存在后處理文件中；11)從步驟10)得到的計算結果中提取出管體所受的剪切力的值，并作出隨著剪切環的徑向位移增加的管體的剪切力值曲線，對所述曲線進行分析，剪切力的值隨著剪切環的位移增加而增速減緩，之后開始有突增和突降的突變，在突變之前的最大值為所述套管能承受的剪切力最大值。...

【技術特征摘要】
1.一種鉆井套管的剪切變形力有限元計算方法，該方法是基于有限元軟件模擬由于地層的錯動導致鉆井套管發生剪切變形的計算，其特征是：該方法包括以下步驟：1)通過有限元軟件作圖建立鉆井套管的三維薄壁圓筒幾何模型，該薄壁圓筒的外徑是鉆井套管的外徑D，壁厚為套管的壁厚t，該薄壁圓筒長度L為1000mm；2)通過有限元軟件在上述薄壁圓筒幾何模型的管體總長對稱位置建立兩個剪切環的三維薄壁圓筒幾何模型，剪切環的內徑dj與管體外徑D相同，剪切環的外徑Dj大于管體外徑D，剪切環的長度s為20～60mm，兩個剪切環的距離a為127mm；3)所述套管為碳鋼或低合金鋼材質，在有限元軟件中根據材料的特性設置所述套管的彈性模量、應力應變曲線、泊松比、材料密度的性能；4)設置兩個剪切環為剛體，即在任何情況下都不發生任何變形；5)在有限元軟件中，在計算前需要設置的加載過程為單個或多個步驟即分析步，設定鉆井套管的剪切變形為準靜態，設置...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫宇，冉啟華，姚坤全，陳敏，范宇，馬勇，史彬，閆龍，梅麗，黃永智，陳濤，郝玉華，呂春莉，柳玉偉，郭強，張軍，朱海濤，
申請(專利權)人：天津鋼管集團股份有限公司，
類型：發明
國別省市：天津;12