套管塑性抗挤强度有限元仿真分析

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1、钻采工艺2013年1月·64·DRILLING＆PRODUCTIONTECHNOLOGYJan．2013钻采机械套管塑性抗挤强度有限元仿真分析1，2131杨登波，高学仕，李富平，王丽君(1中国石油大学机电工程学院·华东2川庆钻探测井公司3大陆架石油工程技术有限公司)杨登波等．套管塑性抗挤强度有限元仿真分析．钻采工艺，2013，36(1):64－66摘要:在石油钻采过程中，套管用于钻井过程中和完井后对井壁的支撑，以保证钻井过程的安全进行和完井后油井的正常运行，具有好的抗挤毁能力十分重要。文章提出了采用ANSYS非线性屈曲分析仿真计算套管抗挤强

2、度的方法，分别计算了API标准塑性挤毁套管和非API标准高抗挤套管的抗挤强度。将仿真结果与API标准值和高抗挤套管的试验值对比，发现相对误差很小，验证了该方法的可行性和正确性，可采用ANSYS非线性屈曲仿真计算为高抗挤套管的研制提供参考。关键词:套管;塑性挤毁;抗挤强度;ANSYS;屈曲DOI:10．3969/J．ISSN．1006－768X．2013．01．20套管在下井及固井过程中，要求具有良好的力值(线性)屈曲分析和非线性屈曲分析。［1］学性能和较强的抗挤毁性能。在20世纪30年2．套管有限元模型［2］代，API开始组织研究套管的抗挤

3、问题，采用理论建立三维实体套管柱理想模型，为避免端部约［4］计算和试验统计相结合的方法，给出了4个以套管束效应的影响，模型长度取直径的8～10倍。以径厚比为界限的挤毁压力公式:屈服强度挤毁压力H－40钢级的114.3mm×5．21套管为例，外径为公式、塑性挤毁压力公式、过渡挤毁压力公式和弹性114．3mm，壁厚5．21mm，套管模型长度为1．1m，［3］挤毁压力公式。采用SOLID45单元，映射网格划分，套管两端约束，国内外学者在套管抗挤性能和高抗挤套管的研外壁施加均匀外压，有限元模型见图1。制等方面做了大量的研究工作，取得了可喜的成［3

4、］绩，目前较流行的方法是把管体达到屈服极限时所施加的外压作为套管的抗挤强度，但这种理论方图1114．3mm×5．21套管有限元模型法只适用于径厚比很小的厚壁套管。按径厚比分3．仿真计算原则类，API标准中的套管大部分为塑性挤毁，因此，本考虑材料弹塑性和结构大变形问题，利用弧长文中笔者以套管发生塑性失稳时的临界外压作为抗法屈曲分析模块求解。挤强度，采用ANSYS非线性屈曲分析对API标准塑性挤毁套管和非API高抗挤套管的抗挤强度做仿真二、均匀外压下套管塑性研究，以探讨此方法的合理性和适用性。抗挤强度仿真分析一、套管有限元模型和仿真计算原则1

5、．特征值屈曲分析1．ANSYS屈曲分析以H－40钢级114．3mm×5．21套管为分析对象，在套管外壁施加单位压力载荷，打开预应力影屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定响，先进行静力求解，然后进行特征值屈曲分析，特时的临界载荷和屈曲模态形状的技术。ANSYS提征值即为屈曲载荷。特征值屈曲分析结果见图2，供两种分析结构屈曲载荷和屈曲模态的技术:特征收稿日期:2012－07－16;修回日期:2012－12－24作者简介:杨登波(1988－)，中国石油大学(华东)硕士研究生，主要从事石油钻采机械的研究与设计。地址:(266580)山东省青岛

6、市黄岛开发区长江西路66号，电话:13854216553，E－mail:yangdbyouxiang@163．com第36卷第1期钻采工艺Vol.36No.1DRILLING＆PRODUCTIONTECHNOLOGY·65·［5］最大径向变形1．107m，屈曲载荷为52．4MPa。114.3mm×5．21套管的抗挤强度为19．0MPa，2．非线性屈曲分析二者的相对误差为2.63%。取特征值屈曲分析得到的变形量的0．001倍作为非线性屈曲分析的初始几何缺陷，添加H－40钢级材料的BISO双线性各向同性强化曲线，在套管外壁上施加特征值载荷52

7、．4MPa。图4套管径向位移—外压关系曲线为进一步验证应用ANSYS屈曲分析仿真计算套管抗挤强度的可行性和合理性，分别选取114.3mm、139．7mm尺寸系列不同钢级的API标准套管作为研究对象，进行非线性屈曲分析，得到套管径向位移—外压关系曲线如图5、图6所示。利用ANSYS非线性屈曲分析，得出套管变形如图3，通过ANSYS后处理技术找出套管径向最大变套管具体参数及抗挤强度仿真结果与API标准形发生在中部外壁节点1780上，最大变形量为值的比较如表1，相对误差为0．03%～7．33%，说明206mm，再提取出套管外挤压力与径向位移的

8、关系采用ANSYS屈曲分析计算套管的抗挤强度是可行曲线如图4，临界压力为18.4995MPa。在外挤压的，结果较合理。力接近临界压力时，微小的压力增量即可引起变形4．高抗挤套管抗