射孔参数对射孔段套管抗外挤强度影响分析

曹银萍 窦益华

(西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065)

0 引言

射孔是国内外最广泛采用的完井方式。射孔后管体出现孔眼，破坏了管柱面的连续性，导致孔眼附近应力集中，大大了降低射孔段套管抗外挤强度，进而影响套管的安全性。射孔段套管抗外挤强度不仅受套管尺寸及管材的影响，还受相位角、孔径和孔密等射孔参数的影响。鉴于射孔段套管结构的复杂性，很难用解析法进行射孔套管抗外挤强度分析，且现有的API和国标中也未有相应的公式，本文借助大型有限元软件ANSYS进行了射孔段套管抗外挤强度计算，并讨论了射孔参数对其影响。

1 射孔段套管抗外挤强度分析

1．1 分析对象

图1为按螺旋布孔方式射孔的射孔套管展开示意图。A、B间为一螺距长度，Dc为套管外径，tc为套管壁厚。套管钢级为TP140V，其屈服强度为965MPa，泊松比为0．25，弹性模量为2．1 ×1011Pa。套管外径为177．8mm，壁厚为12．65mm;射孔相位角φ=90°，孔密n=16孔/m，孔径d=12mm;取射孔段套管建模长度L=500mm。

图1 螺旋射孔套管展开示意图

1．2 分析中所做假设

为降低所建射孔段套管模型的复杂性，避免不必要的机时浪费，在保证结果不失真的前提下对实际模型进行了简化，做了如下假设:忽略射孔套管自身椭圆度和不均匀壁厚等几何缺陷;孔眼未被堵塞且不存在偏心，孔眼轴线垂直相交于套管轴线;孔眼均为规则圆柱形，且直径均相等，忽略孔边毛刺。

1．3 边界条件

孔眼为自由边界，对套管施加的边界约束为:套管管体两端部施加对称约束，限制轴向自由度同时保证两端部约束相同;为避免套管的刚体运动，对管体两端施加全约束。应用Pro/E三维建模软件建立射孔套管实体模型，再将模型导入ANSYS有限元软件中采用SOLID92单元、自由网格方式划分所建实体模型，得到如图2所示的射孔套管有限元网格模型。

图2 射孔套管有限元网格模型

1．4 射孔段套管抗外挤强度有限元计算结果

射孔段套管抗外挤强度计算方法为:除边界条件约束外，只对所建射孔段模型施加1MPa外压，计算结构的Von Mises应力。材料屈服强度与所得到的1MPa外压作用下的Von Mises应力之比数值即等于套管的抗外挤强度。

通过有限元计算得到1MPa外压作用下射孔段套管的最大等效应力为14．43MPa，故可知射孔段的抗外挤强度为965/14．43=66．87MPa。采取同样方法可计算出未射孔套管抗外挤强度为 110．8MPa。

研究结果表明，射孔段套管抗外挤强度不仅受套管尺寸及管材的影响，还受相位角、孔径和孔密等射孔参数的影响。以下几节分别采用与上面相同的方法，讨论了相位角、孔径和孔密等射孔参数对射孔段套管抗外挤强度的影响。为直观看出射孔参数对射孔段套管剩余抗外挤强度的影响，定义剩余抗外挤强度系数为射孔后套管的抗外挤强度与未射孔时套管抗外挤强度之比值。剩余抗外挤强度系数越大表明射孔对套管抗外挤强度的影响越小

2 相位角对射孔段套管抗外挤强度的影响

假设孔密n=16孔/m，孔径d=12mm，讨论相位角分别为30°、60°、90°、120°、180°等油田常用射孔角度时射孔段套管抗外挤强度。得到不同相位下射孔套管抗外挤强度如表1所示。

表1 不同相位下射孔套管抗外挤强度

由表1可见，射孔后套管抗外挤强度显著降低;当射孔相位角为90°时，射孔套管抗外挤强度较其它射孔相位角时大，射孔对套管抗外挤作用削弱最小，90°射孔最佳。

3 孔径对射孔段套管抗外挤强度的影响

假设射孔相位角φ=90°，孔密n=16孔/m，讨论孔径分别为8、10、12、14、16mm等油田常用射孔弹直径时射孔段套管抗外挤强度。得到不同孔径下射孔套管抗外挤强度如表2所示。

表2 不同孔径下射孔套管抗外挤强度

由表2可见，射孔后套管抗外挤强度显著降低;射孔弹尺寸越大，射孔段套管剩余抗外挤强度越小。孔径为16mm时套管抗外挤强度达到41．78Mpa，这是由于此时相邻两孔轴向间距较其它孔径小，对套管几何连续性破坏最大。

4 孔密对射孔段套管抗外挤强度的影响

假设射孔相位角φ=90°，孔径12mm，讨论孔密n分别为12、16、20、24孔/m等油田常用孔密时射孔段套管抗外挤强度。得到不同孔密下射孔套管抗外挤强度如表3所示。

表3 不同孔密下射孔套管抗外挤强度

由表3可见，射孔后套管抗外挤强度显著降低;随着孔密的增大，套管抗外挤强度不断降低，当孔密为24孔/m时套管抗外挤强度达到最小值42．77MPa。这是由于此时，相邻两孔轴向间距较其它孔密小，对套管几何连续性破坏最大。

5 结论

本文以177．8mm(12．65mm TP140V钢级射孔套管为例，采用SOLID92单元、自由网格方式划分所建实体模型，并讨论了相位角、孔径和孔密等射孔参数，得出如下结论:(1)射孔后套管抗外挤强度显著降低。(2)不同射孔相位角，射孔套管抗外挤强度不同。当射孔相位角为90°时，射孔套管抗外挤强度较其它射孔相位角时大，射孔对套管抗外挤作用削弱最小。(3)射孔弹尺寸越大，射孔段套管剩余抗外挤强度越小。(4)随着孔密的增大，套管抗外挤强度不断降低。

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