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深井生产作业管柱力学研究

发布时间:2018-08-26 09:37
【Abstract】Deep production operations safety issues has been widespread concern, however, in the course of a job due to the stress of the situation is complex and difficult to string a clear measurement of dynamic search string will make happen instability and damage caused by pipeline rupture accident. This article from the perspective of deep production operations string mechanics studies the impact of a given explosive perforating string system brings loads, from basic theoretical level, finishing a mathematical model of mechanics, for mechanics to string brings deep production operations a new research angle and direction.
Keywords:Mechanics research; deep production operations; column system
近年来,为了提高低渗透油气井的采油(气)量,大装药量射孔弹、高密度射孔器以及加砂、测井联作等技术在国内外得到广泛应用,导致射孔段管柱爆炸冲击载荷强度大幅增加,使得整个井下管柱设备处于十分复杂和恶劣的受力环境。
管柱失稳及弯曲断裂等事故的发生,将严重影响油气的正常开采,甚至可能造成难以弥补的致命性破坏。因此,有效克服提高射孔效率与降低爆炸冲击载荷对管柱损伤之间的矛盾,已成为射孔技术发展过程中亟待解决的重大问题。在不同射孔工艺条件下的动态响应规律研究还十分缺乏,射孔段管柱在不同工况下的载荷输出形式、承载大小尚不明确,管柱的结构强度变化以及在射孔过程中的位移变化情况也不清楚。因此对冲击载荷下力学的研究迫在眉睫。
1.前言
1.1 课题选择背景
由于深井生产作业中的重要性与普遍应用性,射孔技术在近几年受到了国内外学者的广泛关注,并且作为研究对象也成果颇丰。在深井生产作业中正在日益受到重视的问题是由于射孔段管柱爆炸冲击载荷强度大幅度增加而导致的安全隐患问题。在这一个问题上,已经有相关的研究论文,如周海峰,马峰,陈华彬,徐豫新等人的《射孔段管柱动态载荷综合测试》、陈锋,陈华彬,唐凯,任国辉的《射孔冲击载荷对作业管柱的影响及对策》等,并且对实际的生产有一定的实践指导作用。
本文围绕着射孔段管柱为主要对象进行研究,但是将分析研究的重点放在管柱的力学角度。从我国目前的实际生产情况来讲,技术的发展会促进着深井作业的发展,而深井作业的逐渐范围扩大,也会带来更多的难题,对于这些问题的解决不可能有一个统一的具体解决方案,都应该与实际情况相结合,再结合相关的基础理论。因此,对于射孔段管柱的冲击载荷问题,比起具体有效的对策,对于管柱力学的基础理论研究是很有价值的。该角度会比实际的深井生产作业角度更高一些,但是可以从宏观的理论角度来找出载荷的根本原因,并对射孔爆炸下管柱的动态力学进行相应的分析,以便进一步提出行之有效的防止超载荷的对策及措施。
1.2 国内外管柱力学研究现状
深井生产过程中的管柱不仅由于其在处于狭长的环境中,还由于其中充满流动液体的运动使得各种情况的突发性变高。在国内外对于这一复杂受力环境的研究有很多,但主要集中在管柱失稳和损伤以及涉射孔段管柱爆炸冲击力相应力学的两个研究方面。
1.2.1管柱失稳和损伤研究现状
对于管柱失稳和损伤的研究,国内外都有一系列的成果。在国外,某些大型的石油公司已经自主研发出对于射孔段管柱状态动态反应的应用软件并且进行了相应现场作业的测试。在深井生产作业中的模拟测试方面,可以用上述的应用软件对于作业中管柱的力学进行分析,并且获得材料状态随时间变化的一系列数据与线性规律。
在国内,随着深井作业的生产范围的逐渐扩大,对于其研究也逐渐增多。由于国内对于管柱力学研究的起步较晚,基础还很薄弱,在应用软件开发方面存在数据不精确、拓展能力不强以及在地方地区设备不先进的情况同时限制了生产作业的实际生产和研究分析二者的共同发展,自主产权的意识也还不足。但是随着以上问题的克服,国内对于管柱力学的研究情况正在逐渐好转并且飞速发展。然而,无论是国内还是国外对于管柱失稳和损伤的研究在对于损伤的评估方面仍然不能做到统一的标准,而且在相关的商业应用软件开发的方面,测试所得到的具体参数同管柱失稳和损伤的宏观程度没有线性关联,这也从另一个角度说明了管柱失稳和损伤的方面仍然有很大的发展空间。
1.2.2射孔段管柱爆炸冲击响应力学研究现状
关于射孔段管柱爆炸的冲击响应力因其在实践具有不可忽略性,所以无论是在国外还是国内都受到普遍的关注。国外的起步比较早。1953年,鲁宾斯基对于在垂直深井中的钻柱进行研究并且估算出其最大载荷;1961年美籍俄罗斯力学家铁木辛柯以能量守恒为理论基础提出对于屈曲临界载荷确定方法;在六十年代末,“封隔器管柱螺旋弯曲”理论的提出使得在建立简单模型之上对于浅井作业的计算有一定的准确度;八十年代,对于深井作业中的直圆管与屈曲管的受力情况计算公式有了进一步的发展;进入二十世纪之后,随着计算机信息技术的发展,在虚拟的环境中对于管柱受力模型进行测试,可以结合前人的理论基础以及新的数学函数模型更加精确地模拟深井生产作业中管柱的真实受力情况。在国内,射孔段管柱爆炸冲击响应的研究也引起诸多重视,基于静载荷的理论分析有了一定的发展,但仍有许多不足的因素,表现在评估的数据精确度不高,成本消耗大,并且大多是引进国外的先进数学模型以及测试软件,缺少自主研发的模型。总体来说,在深井生产作业力学的研究方面对于如何在复杂的环境下以更高精确度且更低成本的测试射孔段管柱爆炸冲击的相应力仍有很大的提升空间。
2.冲击载荷下管柱动态响应理论分析
2.1柱面波传播理论
在深井生产作业中,管柱在爆炸冲击的环境下受力情况非常复杂,在爆炸发生的时候会有拉应力等一系列的外力。但是基本环境是由射孔段管柱、深井井筒和井液构成,三部分共同构成了一个类似于柱面的环境,因此可以用柱面波的传播理论为理论模型将来对于管柱的受力进行详细分析。图1是管柱模型与柱面波传播模型的类比图。
 

图 1 管柱模型与柱面波传播模型类比图
在此基础之上,还要将冲击波的受力简化成单维平面上的反射和透射问题。柱面波是平面波的叠加,具体来讲就是柱面波的计算是以平面波的不同θ角度来计算的。在管柱中,用计算机对爆炸冲击波反射角度进行测量,然后用柱面波传播理论的公式对于管柱的受力进行分析,可以获得冲击力反射下的管柱受力情况。同时还要注意,爆炸冲击波在不同介质中传播力度的差异。由图1中管柱的模型可以得知,爆炸压力波对于管柱的用力不是单一的,而是在多种介质中反复反射与投射所形成的十分复杂的情况,因此要对于每种介质的传播的受力情况进行单独的计算,最终综合相加。
2.2射孔枪应力分析
射孔枪是深井生产作业不可缺少的设备,也是射孔段管柱的组成部分之一。在受力的方面,除了有分析方面的难度,还有着极高的要求。首先,射孔枪在井筒之中就要受来自于管柱的压力,并且在射孔的瞬间会受到极强的冲击力,综合来说,射孔枪的受力是一种动态与静态相结合的一种受力。在生产作业中,无论是从工程的质量方面还是安全的角度,射孔枪的应力分析都有着重要的意义。射孔枪的结构是一个圆筒,由圆筒的壁厚与内径大小关系决定分为厚壁圆筒和薄壁圆筒两种类型。尽管圆筒的受力不能看做一个均匀受力的问题但是可以从轴对称的角度来分析。
2.2.1几何变形关系
从上述的厚壁圆筒受力关系和轴对称的角度来看,可以分为几何和物理两种形式,本文主要从几何的角度来进行受力分析和计算。几何的变形关系需要建立相关的几何模型进行相关的数学运算,单元体的概念是建立在一定的理论基础之上的(见附录[1])。由所设定的管柱模型可以建立如图2的单元体模型。
 

图 2管柱单元体模型
2.2.2射孔枪内压和外压情况下的受力情况
射孔枪的强度要求很高,不仅在于其射孔瞬间所要载荷的爆炸冲击力,另一个原因是其在动态的内压和外压环境下的受力情况是十分复杂的。因此,对于射孔枪应力的分析,内压和外压的计算情况是不可缺少的。首先计算只有内压的情况下射孔枪的受力情况,此时外压可以视为0。井筒壁的受力情况应该是:
 
其次对于射孔强外压的计算,此时的内压是0,具体情况应该是:
             
3.不同载荷下管柱静力学分析
射孔枪在发射射孔弹时产生的爆炸冲击力,顺延着几何模型的单元体向整个管柱进行径向力的传播。由于射孔弹的不对称性结构以及冲击波力度的定向性,又使得这种爆炸冲击力在反射和投射的过程中不仅仅只是沿着径向作用的,而是基于不对称性的扭转振动。在爆炸压力传播的过程中,在射弹孔排布的方向会形成一种围绕管柱轴线的扭转振动。在上述的理论基础之上,对于径向力作用以及轴向力作用下的管柱静力学分析是十分有必要的。因此,下文将进一步从径向力作用下、轴向力作用下以及复合载荷作用下的三种管柱静力学情况来分析射孔段管柱载荷的输出单元对于管柱强度的冲击影响,之后计算管柱的载荷承载能力。以下均是在管柱静力学模拟软件环境下进行的,会用到WORKBENCH、SOLIDWORKS等软件。由于管柱系统受到损伤的范围是有限的,因此可以缩小计算的范围来简化问题。封装器下方的管柱系统模型可以简化为一端是固定端,另一端受到径向力、轴向力和扭转力的作用,这样可以更好地明晰受力的情况。
3.1径向力作用下管柱静力学分析
首先对于管柱系统其中一段的径向力进行分析。用WORKBENCH软件对于管柱进行静态的分析,再用SOLIDWORK建立好实体的模型,将其保存到WORKBENCH软件中之后,进行材料选择等一列的细节操作,在此不多加赘述。第二个步骤是对于实体模型进行网格的划分,便于单元体的计算。给管柱径向方向模拟施加一个力,力的大小为1000N,同时还要考虑管柱系统受到来管套中的另一个约束力(见附录[2])。计算的结果如以下三图所示。
 
图 3 管柱位移云图(径向力)
 
图 4 管柱应变云图(径向力)
 
图 5 管柱应力云图(径向力)
从上面三图的综合计算结果表明,施加的径向力在管柱弹性范围内产生了明显的形变,但是在管柱固定一端的受力与另一端的受力程度并不一致,所以说,在固定端的受力集中情况同底端的受力情况并没有直接的联系,也就是说对于管柱系统的固定端,另一端的管柱径向力作用对于管柱失稳和损伤的影响不大,并不是主要的影响因素。
3.2轴向力作用下管柱静力学分析
在轴向力作用下的管柱静力学分析环境与径向力的相同,同样需要建立实体模型、选择材料以及划分网格等一系列的过程。其只需将模拟受力的方面加以改变,即仍然将1000N的力向轴向的方向施加,得到的计算结果如下图。
 
图 6 管柱位移云图(轴向力)
 
图 7 管柱应力云图(轴向力)
 
图 8 管柱应变云图(轴向力)
结果表明,轴向力的作用使得在管柱在轴向的方向有着明显的压缩。可以看出,轴向力的施加对于固定端的应力集中有着正比的关系,但是随着离管柱距离的减小,应力的大小反而会增大。固定端本身对于管柱没有力的作用,却在轴向力的作用下对于管柱的稳定性产生了影响。
3.3扭转力作用下的管柱静力学分析
同上文径向力和轴向力的环境一样,将模拟软件施加的力转化成为1000N的扭转力,其余的条件仍然不变,得到了如下图的计算结果。
 
图 9 管柱位移云图(扭转力)
 
图 10 管柱应力云图(扭转力)
 
图 11 管柱应变云图(扭转力)
从计算机结果上来看,扭转力使得使得轴向载荷时期发生压缩,随着应力的增强,管柱的整体受到的影响也逐渐地增强。
3.4复合载荷作用下管柱静力学分析
复合载荷是径向力、轴向力和扭转力三个力的复合作用,这三个力的动态作用使得管柱发生振动、扭曲甚至断裂。模拟测试软件将三个力同时增加到管柱模型上,得到了如下图的计算结果。
 
图 12 管柱位移云图(复合载荷)
 
图 13管柱应力云图(复合载荷)
 
图 14管柱应变云图(复合载荷)
计算结果表明,在三种力的复合载荷的作用下,管柱系统发生了弯曲及形变,在管柱固定的一端受力比较集中,而在另一端发生了比较大的位移,而且受力也更加明显集中。
根据以上四个不同类型的载荷进行的静态受力模拟,可以地清楚地知道管柱在不同情况下受到的影响。从分析的结果可以看出,在径向力的作用下可以使得管柱系统在弹性范围内发生弯曲形变,并且相对于固定端载荷输入端的变化更大,径向力的叠加使得管柱系统产生失稳和损伤;扭转载荷的增加使得管柱系统受到的影响逐渐地增强而发生扭曲,而在轴向力的作用下,管柱的一端对于受到的力会有拉断的结果;对于径向力、轴向力与扭曲力的三种复合载荷,管柱系统会在动态的受力下发生强烈的弯曲与扭转,而在扭转力的进一步作用下发生更集中的应力效果,最终使得管柱的轻度与承受能力降低而发生断裂。总体来说,由于深井生产作业的实际环境复杂,尽管目前计算机的模拟软件可以测试出管柱系统的受力情况,但是仍然有很多因素需要考虑。
4.结论
本文将管柱模型的横截面作为单元体综合地分析了载荷输入及其受力的情况。通过柱面波的传输以及射孔枪应力的一系列基础原理,得到了受力的数学计算方式,从几何单元体的角度对于计算公式进行了分析。同时在计算机软件模拟的环境下对于管柱静态力学进行了分割式的分析,最终从径向力、轴向力以及复合载荷的三个角度来说明管柱的受力情况,对于深井生产作业的管柱力学有一定的指导意义,也是改善射孔枪强度有力的理论支撑。
参考文献
[1]李海涛,韩岐清,张国辉,崔喜凤,王永清.射孔与测试联作管柱可靠性评价.天然气工业,2008,16(07).
[2]韩星,王元勋,李春植.冲击载荷下的减震分析与分析[J].现代机械,2003,(2).
[3]李子丰.油气井杆管柱力学[M].北京石油工业出版社,1996.
[4]陈锋,陈华彬,唐凯,任国辉.射孔冲击载荷对作业管柱的影响及对策[J].天然气工业,2010,30(5)
[5]丁鹏,闫相祯,杨秀娟.压裂酸化管柱载荷分析与优化设计软件[J].钻采工艺,2006,29(4):83—85.
[6]刘巨保,王成艳,罗敏.套管串受力变形分析与居中度计算[J].大庆石油学院学报,2003,27(4):71—73.
 
 
 
致 谢
论文的完成离不开指导老师的悉心指导与热情关怀。在论文的选题、论文的构思与资料收集方面,老师都给了我极大的帮助,可以说是倾注了大量的心血,在这里我对指导老师表达我自己由衷的感谢,不仅是这篇论文,老师在平日的学习中也给予了我极大信心和鼓励,使我在学习的阶段不断地进步,同时还要感谢许多热心同学的宝贵意见,没有你们论文也不会如此顺利的完成。再次,对于所有帮助过我的良师益友表达由衷的感谢!
 
 
 
附 录
[1]刘巨保等人在1994年提出的“水平井压裂管柱受力变形分析的间隙元法”是单元体模型的基础,具体来讲就是说先用有限元的方法沿轴向的方向将管柱系统分成无数个空间梁单元,每个梁单元的节点上都要设置一个所谓的“多向接触摩擦间隙元”。若干个间隙元素使压裂管柱和套管内壁形成一个系统,可以容易、准确地描述压裂管柱和套管内壁时,接触反应力和相应的接触摩擦阻力之间的接触状态,从而使力压裂管柱变形分析更趋于合理
[2]管套的约束力具有一定的条件:第一,管套内壁条件,内壁是刚性的,而且还有沿着井深的方向可以随意变化井径值;第二,封隔器等管柱结构是弹性形变的,并且有一定的空间缝隙存在。在所建立的虚拟管柱模型中对于边界条件还有四个条件的限制:(1)井口和井底处的已知力或位移边界;(2)压裂管柱与套管内壁的随机接触摩擦边界;(3)封隔器或水力锚与套管内壁的接触摩擦边界;(4) 滑套喷砂器与固定封隔器的边界条件。在外部负载的方面,除了该管柱的重量、浮力,也要考虑管柱和套管的温度、载荷、活塞力、摩擦阻力等因素。
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