尚曉峰，李　喆，王志堅(jiān)

螺旋復(fù)合篩管下井過(guò)程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)值模擬

尚曉峰，李喆，王志堅(jiān)

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，沈陽(yáng)110136）

螺旋復(fù)合篩管是一種新型的防砂篩管，外護(hù)管是其中的重要部件。利用有限元分析軟件ANSYS建立螺旋復(fù)合篩管整體有限元模型，并模擬其在下井過(guò)程中堵塞時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。取扭轉(zhuǎn)載荷為12 k N·m，拉力失效載荷為140 MPa，壓力失效載荷為120 MPa；對(duì)外護(hù)管的材料進(jìn)行對(duì)比，選用316L材料作為外護(hù)管材料；在外護(hù)管應(yīng)力較大區(qū)域設(shè)置路徑，獲得沿路徑長(zhǎng)度方向的等效應(yīng)力分布情況，給出側(cè)流孔的布孔安全距離，外護(hù)管2個(gè)側(cè)流孔之間軸向安全距離為3．49 mm，周向安全距離為4．56 mm。

篩管；強(qiáng)度；數(shù)值模擬

油氣井出砂一直是困擾疏松砂巖油藏開采的重要問(wèn)題［1-2］。篩管作為一種重要的完井工具，廣泛應(yīng)用于石油鉆采工業(yè)中的水平井、側(cè)鉆井、分支井等完井和出砂層油藏的采油防砂中［3］。螺旋復(fù)合篩管作為一種新型的防砂篩管如今被廣泛應(yīng)用于各大油田的完井中。

螺旋復(fù)合篩管主要由3部分組成，從內(nèi)到外依次為基管、過(guò)濾層和外護(hù)管，各部分之間使用焊接方式連接。外護(hù)管采用螺旋布孔方式，油液通過(guò)側(cè)流孔流入過(guò)濾層，過(guò)濾層由不同規(guī)格的過(guò)濾網(wǎng)燒結(jié)而成。其三維模型如圖1所示。外護(hù)管主要作用是在整體篩管下井過(guò)程中，保護(hù)過(guò)濾層不被刮傷破壞，因此，對(duì)外護(hù)管在下井過(guò)程中，強(qiáng)度的模擬分析具有很重要的實(shí)際意義。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)這方面的研究非常少，相關(guān)的文獻(xiàn)主要是針對(duì)割縫篩管的強(qiáng)度數(shù)值模擬。楊曉東［4］等研究了均勻載荷作用下割縫篩管參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化對(duì)其抗擠壓強(qiáng)度的影響；莊保堂［5］等利用有限元軟件建立了割縫篩管抗擠壓強(qiáng)度的有限元計(jì)算模型并計(jì)算了割縫篩管的抗擠壓強(qiáng)度；王伯軍［6］等研究了非均勻載荷對(duì)割縫篩管抗擠壓強(qiáng)度的影響；吳建平［7］考慮防砂篩管材料物性的溫度效應(yīng)，分析了充填等多種工況對(duì)防砂篩管穩(wěn)定性的影響。本文將針對(duì)螺旋復(fù)合篩管在下井過(guò)程中進(jìn)行數(shù)值模擬，利用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)篩管整體進(jìn)行模擬，并有效地對(duì)外護(hù)管的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定，為外護(hù)管的設(shè)計(jì)提供參考。

圖1　螺旋復(fù)合篩管三維模型

1　有限元模型的建立

1．1 建立原則和基本假設(shè)

由于基管和外護(hù)管都是采用螺旋布孔方式，模型不能采用對(duì)稱處理。外護(hù)管的側(cè)流孔不能做忽略處理，因?yàn)閭?cè)流孔布置密集，對(duì)強(qiáng)度的影響不能忽略。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間和得到比較精確的結(jié)果，外護(hù)管使用殼單元（Shell 181），其他部件則采用實(shí)體單元（Solid 187），并在基管的孔處加密網(wǎng)格。過(guò)濾層不承受載荷的作用，建立有限元模型時(shí)，不考慮對(duì)整體強(qiáng)度的影響。基管和外護(hù)管與焊接接頭采用焊點(diǎn)接觸連接，設(shè)置較密的焊點(diǎn)來(lái)模擬實(shí)際的焊接情況，并假設(shè)焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠。本文研究采用鉆孔后的API套管作為基管，公稱尺寸為?114．3 mm（英寸），整個(gè)模型總長(zhǎng)為500 mm，有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2　篩管網(wǎng)格模型

1．2 模型材料

基管采用N80材料，材料屬性如表1所示。考慮到外護(hù)管在足夠強(qiáng)度的情況下，還要具備良好的焊接性能和耐蝕性能，采用316L和304兩種材料，材料屬性如表2所示。由于外護(hù)管要考慮到材料的彈塑性，外護(hù)管材料的本構(gòu)模型選用雙線性彈塑性模型（Bilinear Isotropic Hardening）。

表1　基管所用材料的力學(xué)性能參數(shù)

表2　外護(hù)管所用材料的力學(xué)性能參數(shù)

1．3 邊界條件

模擬在下井過(guò)程中模型的整體受力，邊界條件的確定要符合實(shí)際情況。在下井過(guò)程中，篩管容易堵塞在管路中，在篩管的一端施加固定約束，另一端施加外部載荷，使篩管能夠順利下入。

2　有限元分析

2．1 材料失效準(zhǔn)則

根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則，當(dāng)外載荷達(dá)到一定值時(shí)，等效應(yīng)力達(dá)到材料的屈服極限，即開始產(chǎn)生塑性變形，材料開始失效。此時(shí)的外載荷被定義為失效載荷。在三軸應(yīng)力狀態(tài)下，部件上某點(diǎn)的等效應(yīng)力為：

式中：σ1、σ2、σ3分別為部件上某點(diǎn)所受的3個(gè)主應(yīng)力，σe為三軸應(yīng)力狀態(tài)下部件的等效應(yīng)力。

2．2 模擬內(nèi)容

1） 對(duì)于外護(hù)管分別采用304和316 L材料，判斷哪種材料在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面更具優(yōu)勢(shì)。

2） 為了模擬實(shí)際的井下載荷情況，對(duì)整體模型分別施加拉伸扭轉(zhuǎn)載荷和擠壓扭轉(zhuǎn)載荷。

3　模擬結(jié)果分析

3．1 外護(hù)管材料

外護(hù)管分別采用304和316L材料，50 MPa拉力和10 kN·m轉(zhuǎn)矩的共同作用下，獲得外護(hù)管等效應(yīng)力的最大值分別為207．33MPa和230．23 MPa?？梢?04材料的外護(hù)管等效應(yīng)力值相對(duì)較小，但是已超過(guò)其屈服強(qiáng)度，所以從結(jié)構(gòu)性能方面考慮，外護(hù)管應(yīng)采用316L材料。由于304材料和316L材料都具有較好的焊接性能，但316L材料具有更高的耐蝕性能［8-10］。綜合考慮材料的性能，應(yīng)選用316L材料作為外護(hù)管材料。

3．2 單因素載荷的影響

在壓力為50 MPa的作用下，轉(zhuǎn)矩從10 kN·m增加到24 kN·m的過(guò)程中，外護(hù)管的等效應(yīng)力最大值變化情況如圖3所示，當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到14 kN·m時(shí)，外護(hù)管已發(fā)生了屈服，轉(zhuǎn)矩再增加，等效應(yīng)力的最大值基本保持不變。

圖3　外護(hù)管等效應(yīng)力最大值隨轉(zhuǎn)矩的變化情況

取轉(zhuǎn)矩為10、12和14 kN·m，軸向外力分別為壓力和拉力，其值從50 MPa增加到130 MPa，增加的區(qū)間為10 MPa。外護(hù)管等效應(yīng)力的最大值隨軸向外力的變化關(guān)系如圖4所示，由圖可知，當(dāng)轉(zhuǎn)矩為10 kN·m和12 kN·m時(shí)，外護(hù)管等效應(yīng)力最大值隨著軸向外力的增加，其值逐漸增大，增加的幅度逐漸減小，拉力和壓力對(duì)外護(hù)管等效應(yīng)力的影響基本相同。當(dāng)轉(zhuǎn)矩為14 kN·m時(shí)，外護(hù)管的等效應(yīng)力的最大值隨軸向外力的增加基本保持不變且均已超過(guò)材料的屈服極限。當(dāng)轉(zhuǎn)矩大于14 k N·m時(shí)，外護(hù)管的破壞主要因素是轉(zhuǎn)矩的作用。

圖4　外護(hù)管等效應(yīng)力最大值隨拉力和壓力的變化情況

3．3 失效載荷

結(jié)合單因素載荷影響的分析結(jié)果，取扭轉(zhuǎn)載荷為12 kN·m。篩管端部在拉力作用下，當(dāng)拉力為140 MPa時(shí)，基管的最大等效應(yīng)力為587．07 MPa，外護(hù)管的最大等效應(yīng)力為261．86 MPa，外護(hù)管等效應(yīng)力已超過(guò)其材料屈服強(qiáng)度，認(rèn)為此載荷為這種工況條件下的失效載荷。篩管端部在壓力作用下，當(dāng)壓力為120 MPa時(shí)，基管的最大等效應(yīng)力為540．28 MPa，外護(hù)管的最大等效應(yīng)力為255．04 MPa，外護(hù)管等效應(yīng)力已超過(guò)其材料屈服強(qiáng)度，認(rèn)為此載荷為這種工況條件下的失效載荷?；艿淖畲蟮刃?yīng)力產(chǎn)生在孔表面上，如圖5所示；外護(hù)管的最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在相鄰兩側(cè)流孔在軸向間的內(nèi)壁面上和靠近側(cè)流孔的邊緣處，如圖6所示。

圖5　基管的等效應(yīng)力分布

圖6　外護(hù)管的等效應(yīng)力分布

3．4 側(cè)流孔間距

外護(hù)管在拉扭和壓扭的作用下，等效應(yīng)力分布極其規(guī)律。由圖6可知，外護(hù)管最大應(yīng)力位置發(fā)生在兩側(cè)流孔的軸向間成四邊形分布；在周向成帶狀分布，接近側(cè)流孔處應(yīng)力較大，并且成對(duì)稱分布。在兩側(cè)流孔的軸向間應(yīng)力較大區(qū)域設(shè)置路徑1，兩個(gè)側(cè)流孔的周向間應(yīng)力較大區(qū)域設(shè)置路徑2，定義轉(zhuǎn)矩12 kN·m、拉力140 MPa共同作用為工況1，定義轉(zhuǎn)矩12 kN·m、壓力120 MPa共同作用為工況2，觀察等效應(yīng)力沿路徑分布的情況。取外護(hù)管的安全系數(shù)為1．5，則外護(hù)管的許用等效應(yīng)力為：

式中：［σe］為外護(hù)管的許用等效應(yīng)力；σb為材料的屈服極限。

外護(hù)管在工況1和工況2的條件下，沿路徑1所受等效應(yīng)力和路徑長(zhǎng)度的關(guān)系如圖7a所示。由圖可見，隨著路徑長(zhǎng)度的增加，外護(hù)管在工況1和工況2的條件下，等效應(yīng)力先增加，增加到一定值之后，存在一個(gè)平緩的峰值區(qū)域，最后減小到一定值。工況1條件下，外護(hù)管等效應(yīng)力大于許用等效應(yīng)力的區(qū)間長(zhǎng)度為3．49 mm；工況2條件下，外護(hù)管等效應(yīng)力大于許用等效應(yīng)力的區(qū)間長(zhǎng)度為3 mm。取3．49 mm作為外護(hù)管兩個(gè)側(cè)流孔之間軸向間的安全距離。

外護(hù)管在工況1和工況2的條件下，沿路徑2所受等效應(yīng)力和路徑長(zhǎng)度的關(guān)系如圖7b所示。由圖可見，隨著路徑長(zhǎng)度的增加，外護(hù)管的等效應(yīng)力在工況1的條件下，逐漸增加；在工況2的條件下，逐漸減小。由圖6也可以看出，兩種工況條件下，等效應(yīng)力分布情況存在差異。由于外護(hù)管2個(gè)側(cè)流孔周向間的等效應(yīng)力分布成對(duì)稱分布，所以由圖7b所得的周向安全區(qū)間應(yīng)取2倍。在工況1條件下，外護(hù)管等效應(yīng)力大于許用等效應(yīng)力的區(qū)間長(zhǎng)度為2．28 mm；工況2條件下，外護(hù)管等效應(yīng)力大于許用等效應(yīng)力的區(qū)間長(zhǎng)度為2．15 mm。則外護(hù)管2個(gè)側(cè)流孔之間周向間的安全距離為4．56 mm。

圖7　外護(hù)管所受等效應(yīng)力和路徑長(zhǎng)度的關(guān)系

4　結(jié)論

1） 在設(shè)計(jì)螺旋復(fù)合篩管時(shí)，綜合考慮了材料的各項(xiàng)性能，推薦選用316L材料作為外護(hù)管材料。

3） 為了保證外護(hù)管在使用時(shí)具有足夠的強(qiáng)度，在保證足夠大的側(cè)流總面積的情況下，2個(gè)側(cè)流孔的軸向距離應(yīng)大于3．49 mm，周向距離應(yīng)大于4．56 mm。

［1］ 馬建民，劉永紅，李夯，等．可自適應(yīng)膨脹防砂篩管膨脹機(jī)理研究［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（12）：9-11．

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［3］ Underdown DR，Dickerson RC，WilliamVaughan，The Nominal Sand Control Screen ACritical Evaluation of Screen Performance［R］．SPE 1999，56 591：1-6．

［4］ 楊曉東，戴華林，孫立瑛．割縫篩管抗擠壓強(qiáng)度綜合因素有限元分析［J］．石油鉆采工藝，2009，31（5）：40-44．

［5］ 莊保堂，李黔，羅長(zhǎng)生．割縫防砂篩管抗擠強(qiáng)度有限元計(jì)算模擬［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（3）：32-33．

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Numerical Simulation of Structure Strength with Spiral Composite Screen Pipe Descending the Well

SHANG Xiaofeng，LI Zhe，WANG Zhijian
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Shenyang Aerospace Uniuersity，Shenyang 110136，China）

The spiral composite screen pipe is a new kind of sand control screen，Though the external protecting pipe is one of the most important components．In order to provide reference for the design of the external protecting pipe，the model of the spiral composite screen pipe was established in ANSYS，and the analysis of the structure strength in the process of descent was simulated．Along with the data of torsion load 12 k N·m，the tension failure load is 140 MPa and the pressure failure load is 120 MPa．By changing the material of the external protecting pipe，the material optimization was realized，316L being taken as the material．By setting perfect path in the larger tension area，the equivalent stress distribution along the direction of the path was got，and the axial safe distance of the hole arrangement is 3．49 mm，the circumferential is 4．56 mm．

screen liner；strength；numerical simulation

TE925．302

A

10．3969／j ．issn．1001-3482．2015．02．009

1001-3482（2015）02-0042-05