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新型复合缝腔割缝筛管的强度计算及失效分析
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3秒自动关闭窗口2007年第36卷石油矿场机械第3期第32页OI；文章编号:07)0320；割缝防砂筛管抗挤强度有限元计算模型；庄保堂,李黔,罗长生；(西南石油大学石油工程学院,四川成都610500；摘要:针对割缝防砂筛管周围或缝内部堵塞,造成井眼；法,通过大型有限元程序,建立了其抗挤强度的有限元；关键词:割缝筛管;有限元;抗挤强度;力学模型；中图分
　2007年第36卷　　　　　　　　　　　　　　石油矿场机械　第3期第32页　　　　　　　　　　　　OIL　FIELD　EQUIPMENT　　　　　　　　　　　　):32～33
　文章编号:07)
割缝防砂筛管抗挤强度有限元计算模型
庄保堂,李　黔,罗长生
(西南石油大学石油工程学院,四川成都610500)
摘要:针对割缝防砂筛管周围或缝内部堵塞,造成井眼压力增加,可能会导致筛管被挤毁的问题,采用有限元方
法,通过大型有限元程序,建立了其抗挤强度的有限元计算模型。根据弹塑性理论,对割缝防砂筛管进行分析,得出其抗挤强度。结果与国外的实验数据进行对比,数值模拟结果比实验值略大,但两者相差较小,证明了该模型的正确性。为其他尺寸割缝筛管的抗挤强度设计提供了一种数值计算方法。
关键词:割缝筛管;有限元;抗挤强度;力学模型
中图分类号:TE931.202　　　文献标识码:A
TheCollapsingStrengthFiniteSlottedLiner
ZHUANGBao2I2sheng
(CollegeofPetroleum,SUniversity,Chengdu610500,China)
Abstract:Consideringheofboreholepressureoccurringalongwiththejam2mingaroundtheinteriorofitpossiblymakesthesievetubedestroyed.Theauthorusesthefinitemet,throughthelarge2scalefiniteelementprocedure,andestablishesitscollap2singstrengthelementcomputationmodel.Accordingtotheelastoplasticitytheory,heanalyzesontheslottedsievetubes,andobtainsitscollapsingstrength.Theresultandtheoverseasempiricaldatumcarryonthecontrast,thevaluesofnumericalsimulationarebiggerthantheexperimentalvalues,butthedifferenceissmall,whichprovestheaccuracyofthismodel.Thispaperhasprovidedonenumericalcom2putationalmethodforthecollapsingstrengthdesignofslottedlinerswithothersizes.Keywords:FMechanicsmodel
　　随着我国石油勘探开发的不断深入,割缝防砂筛管在油田生产中得到了广泛的应用。油井完井和生产过程中筛管会受到内部、外部载荷的作用。如果筛管周围或内部堵塞,井眼压力增加,筛管可能被挤毁,因此需要通过试验或数值模拟来确定筛管抗内和外压力的情况,以防止筛管损坏。国外通过实验方法做过有关割缝管抗挤毁强度的实验[1],但能否通过数值计算方法建立割缝防砂筛管抗挤强度的计算模型,求得其抗挤强度,且与实验值吻合,本文在这方面做了一个探索。
则或变化大的结构显示出其特殊的优点。因此,对于这种有几何缺陷割缝防砂筛管抗挤强度的分析,有限元是一种有代表性的基本方法。根据割缝防砂衬管的形状,将整个结构离散成若干个单元,建立每个单元的受力和变形方程,将若干个单元的静力学方程组合起来就可以得到反映割缝防砂衬管的受力的静力学方程,以便求解出其抗挤强度。
2　模型建立
2.1　割缝防砂筛管结构
1　理论基础
有限元法是求解结构力学问题的一种十分有效
的数值解法,它对于复杂结构特别是局部尺寸不规
　　收稿日期:
割缝防砂筛管的结构如图1。采用倒梯形缝,
其结构特点是每个缝都是由管外至管内逐渐变宽的梯形缝,这种梯形相对于矩形缝,有良好的自洁作用,同时缝隙又不容易被砂粒堵塞。缝靠近内壁较
作者简介:庄保堂(19812),男,黑龙江富锦人,在读硕士研究生,现主要从事油气井工程方面的研究工作。
　庄保堂,等:
割缝防砂筛管抗挤强度有限元计算模型?33?
表1　材料的力学性能
弹性模量/MPa
宽,扩大了泵的吸入面积,提高了渗透率,降低了缝
腔对原油的流阻,有利于提高原油的采收率。2.2　网格划分
0.3屈服强度/MPa
有限元网格划分是将实体模型结构离散成单元的过程。进入前处理,定义材料的参数(弹性模量、泊松比等),选择
单元类型。对于三维实体空间问题,采用SOL2
割缝防砂筛管结构ID45单元。根据割缝防图1　
砂筛管的结构,运用自由网格进行划分,其割缝衬管部分网格划分如图2。
　　实体几何模型为轴对称三维模型,当承受均匀围压时,可截取其1/4作为计算模型,对三维实体模型进行了简化,这样有利于网格划分和数值计算;荷时,,不能简化。2.3　约束条件
约束条件是以物体约束为基图2　部分网格
划分示意础定义,描述割缝防砂筛管实际所
受的约束情况。约束条件做如下处理,即端面沿结
构的纵向不允许有刚性位移,即Z=0。
图3　应力随外力的变化关系
从图中可以看出,增加,当外力增大到2415,达到割缝衬管的
4　美国在得克萨斯州Carrolltond加工厂的实验井内进行了有关割缝管抗挤毁实验。实验采用了同样外径和壁厚尺寸的割缝管,结果表明,当外压达到22kPa时,割缝管挤毁。模拟的结果比其实验结果略大。产生误差的主要原因是在实验井内实验的割缝管,带有一定的几何和材料缺陷,例如椭圆度、壁厚不均匀度和材质不均等,这些都会影响抗挤强度的降低,数值模拟的结果必然偏高,但在工程应用中是安全可靠的。
3　计算实例
3.1　破坏形式确定
1)　建立了割缝防砂筛管的有限元计算模型,
从挤毁形式看,要发生挤毁最好是屈服强度挤毁,因为这样可以充分发挥材料的潜能,可以获得最高的抗挤强度。但是衬管到底发生哪种挤毁失效,不但取决于材料的性能,也取决于其几何形状和所受外载的影响,其中径厚比是决定挤毁形式的主要指标。API将套管径厚比作为确定破坏形式的标准,将套管的挤毁压力分为4种公式进行计算。这里研究外径&13917mm、壁厚7172mm的割缝防砂筛管,径厚比为18.09,介于13.38与22.47之间,故衬管的破坏形式为塑性挤毁破坏。3.3　实例分析
利用该模型计算达到的结果与国外实验值比较吻
合,符合工程实际,可用于割缝防砂筛管的抗挤强度计算。
2)　利用本文方法,可对其他不同尺寸的割缝管的抗外挤压能力进行分析评价。
[1]　RalphEchols,JohnGano,PerryShy,etal.Develop2
mentandTestingofanExpandableSandScreenandExpansionTool[R].SPE.
[2]　张建乔,刘永红.新型割缝筛管有限元网格划分[J].应
以外径&139.7mm、壁厚7.72mm的割缝防砂
筛管为例,其缝为外宽2mm,内宽4mm的梯形缝。材料的力学性能参数如表1。
通过计算得到割缝防砂筛管的应力随外力的变化关系曲线如图3。
用基础与工程科学学报,):2852292.
[3]　王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社.2002.[4]　陆先亮.新型复合缝腔割缝筛管的强度计算及失效分
析[J].石油钻采工艺,):50254.
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石油割缝筛管抗挤压强度的计算与分析与研究.pdf67页
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