CN107862142B - 一种分析割缝套管力学强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分析割缝套管力学强度的方法，包括：制备割缝套管试件；获取割缝套管试件的特征物理力学参数；对割缝套管试件轴向和径向施加不同的荷载，控制荷载的加载大小、加载时间和加载次数，获得割缝套管试件的荷载‑时间的变化规律曲线、应力‑应变的变化规律曲线、荷载‑位移的变化规律曲线；根据上述曲线建立割缝套管试件的力学强度‑变形理论模型以及力学强度‑荷载理论模型；将上述模型嵌入到通用有限元模型中，基于割缝套管试件的最小屈服强度，建立受力荷载下的割缝套管试件的力学强度的三维数值计算模型，从而对整管长度割缝套管的不同荷载作用力下的力学强度特性进行计算分析，获得整管长度割缝套管的力学强度特性结果。

Description

一种分析割缝套管力学强度的方法
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种分析割缝套管力学强度的方法。
背景技术
水力喷砂割缝套管可以改善油气井近井地带的渗流条件，提高油气井产量，适用于油气井解堵、增产增注。当完整套管割缝之后，在井下作业过程中会受到套管自身重量、井口转动、地层蠕动等的影响，产生附加应力，造成割缝套管弹性变形，随着附加应力的不断累积，当超过套管的最小屈服强度时，割缝套管就会由弹性变形转为塑性变形，这种屈曲剧变可直接导致套管屈服以及井下安全事故。
发明内容
本申请提供一种分析割缝套管力学强度的方法，可以准确地获得割缝套管的力学强度数值，从而为割缝套管设计和安全评估提供基础理论方法，进而解决现有技术中当外界荷载超过套管屈服强度时，套管就会发生塑性变形，导致套管屈服以及井下安全事故的技术问题。
本申请提供一种分析割缝套管力学强度的方法，包括：
制备不同长度的割缝套管试件；
获取所述割缝套管试件的特征物理力学参数；
采用不同的拉、压和扭转荷载，对所述割缝套管试件轴向施加不同的荷载，采用不同的压荷载，对所述割缝套管试件径向施加不同的荷载，并控制所述荷载的加载大小、加载时间和加载次数，获得所述割缝套管试件的荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线；
根据所述荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线，建立所述割缝套管试件的力学强度-变形理论模型、以及力学强度-荷载理论模型；
将所述力学强度-变形理论模型、以及力学强度-荷载理论模型嵌入到通用有限元模型中，并基于所述割缝套管试件的最小屈服强度，建立受力荷载下的所述割缝套管试件的力学强度的三维数值计算模型；
根据所述三维数值计算模型，对整管长度割缝套管的不同荷载作用力下的力学强度特性进行计算分析，获得所述整管长度割缝套管的力学强度特性结果。
优选地，所述特征物理力学参数，包括：
拉伸弹性模量E、剪切弹性模量G、屈服强度δ0.2，压缩屈服强度δ-0.2，应力σ，应变ε，位移F。
优选地，E＝σ/ε，其中，σ为应力大小，ε为应变大小。
优选地，所述割缝套管试件在所述受力荷载情况下，在弹性变形阶段，所述割缝套管试件对应的拉伸弹性模量E为2.06×105。
优选地，所述割缝套管试件在所述受力荷载情况下，在弹性变形阶段，所述割缝套管试件的力学特性与所述整管长度割缝套管的力学特性一致。
优选地，所述采用不同的拉、压和扭转荷载，对所述割缝套管试件轴向施加不同的荷载，采用不同的压荷载，对所述割缝套管试件径向施加不同的荷载，并控制所述荷载的加载大小、加载时间和加载次数，获得所述割缝套管试件的荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线，包括：
基于所述割缝套管试件的最小屈服强度，对所述割缝套管试件分别施加轴向拉、压和扭转荷载，各进行多组试验，并通过控制荷载加载大小、加载时间和加载次数，获得所述荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线；和/或
基于所述割缝套管试件的最小屈服强度，对所述割缝套管试件施加径向压荷载，进行多组试验，并通过控制荷载加载大小、加载时间和加载次数，获得所述荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线。
优选地，所述三维数值计算模型的边界条件采用底端固支，顶端自由的方式。
优选地，所述根据所述三维数值计算模型，对整管长度割缝套管的不同荷载作用力下的力学强度特性进行计算分析，获得所述整管长度割缝套管的力学强度特性结果，包括：
根据所述三维数值计算模型，对所述通用有限元模型进行轴向拉伸、压缩和扭转荷载工况、径向压缩工况的荷载数值计算，获得所述整管长度割缝套管的力学强度特性结果。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，公开了一种分析割缝套管力学强度的方法，包括：制备不同长度的割缝套管试件；获取所述割缝套管试件的特征物理力学参数；采用不同的拉、压和扭转荷载，对所述割缝套管试件轴向施加不同的荷载，采用不同的压荷载，对所述割缝套管试件径向施加不同的荷载，并控制所述荷载的加载大小、加载时间和加载次数，获得所述割缝套管试件的荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线；根据所述荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线，建立所述割缝套管试件的力学强度-变形理论模型、以及力学强度-荷载理论模型；将所述力学强度-变形理论模型、以及力学强度-荷载理论模型嵌入到通用有限元模型中，并基于所述割缝套管试件的最小屈服强度，建立受力荷载下的所述割缝套管试件的力学强度的三维数值计算模型；根据所述三维数值计算模型，对整管长度割缝套管的不同荷载作用力下的力学强度特性进行计算分析，获得所述整管长度割缝套管的力学强度特性结果。从而为割缝套管设计和安全评估提供基础理论方法，解决了现有技术中当外界荷载超过套管屈服强度时，套管就会发生塑性变形，导致套管屈服以及井下安全事故的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例中一种分析割缝套管力学强度的方法的流程图；
图2本申请实施例中整管长度割缝套管的示意图；
其中：1-割缝套管轴向；2-割缝套管内壁；3-割缝套管外壁；4-割缝；5-套管壁；6-套管扣；7-割缝边缘；8-套管头；9-割缝套管径向。
具体实施方式
本申请提供一种分析割缝套管力学强度的方法，可以准确地获得割缝套管的力学强度数值，从而为割缝套管设计和安全评估提供基础理论方法，进而解决现有技术中当外界荷载超过套管屈服强度时，套管就会发生塑性变形，导致套管屈服以及井下安全事故的技术问题。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
一种分析割缝套管力学强度的方法，包括：制备割缝套管试件；获取所述割缝套管试件的特征物理力学参数；采用不同的拉、压和扭转荷载，对所述割缝套管试件轴向施加不同的荷载，采用不同的压荷载，对所述割缝套管试件径向施加不同的荷载，并控制所述荷载的加载大小、加载时间和加载次数，获得所述割缝套管试件的荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线；根据所述荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线，建立所述割缝套管试件的力学强度-变形理论模型、以及力学强度-荷载理论模型；将所述力学强度-变形理论模型、以及力学强度-荷载理论模型嵌入到通用有限元模型中，并基于所述割缝套管试件的最小屈服强度，建立受力荷载下的所述割缝套管试件的力学强度的三维数值计算模型；根据所述三维数值计算模型，对整管长度割缝套管的不同荷载作用力下的力学强度特性进行计算分析，获得所述整管长度割缝套管的力学强度特性结果。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例一
本申请提供一种割缝套管力学强度的数值计算方法，如图1所示，包括：
步骤S110：制备割缝套管试件。
在具体实施过程中，如图2所示，所述割缝套管试件是指：将12米长的整管长度割缝套管切割成1米长的割缝套管试件，所述方法制成的割缝位于试件中部，试件两端平整无变形，确保套管测试过程中受力状态与整管一致。
在具体实施过程中，可以制备不同长度割缝套管试件。
步骤S120：获取割缝套管试件的特征物理力学参数。
在具体实施过程中，所述物理力学参数，包括：套管拉伸弹性模量E、剪切弹性模量G、屈服强度δ0.2，压缩屈服强度δ-0.2，应力σ，应变ε，位移F。
在具体实施过程中，E＝σ/ε，其中，σ为应力大小，ε为应变大小。
在具体实施过程中，割缝套管试件在受力荷载情况下，在弹性变形阶段，割缝套管试件对应的拉伸弹性模量E为2.06×105。
在具体实施过程中，割缝套管试件在受力荷载情况下，在弹性变形阶段，割缝套管试件的力学特性与整管长度割缝套管的力学特性一致。因此，通过对割缝套管试件进行分析，即可获得整管长度割缝套管的力学特性。
步骤S130：采用不同的拉、压和扭转荷载，对割缝套管试件轴向施加不同的荷载，采用不同的压荷载，对割缝套管试件径向施加不同的荷载，并控制荷载的加载大小、加载时间和加载次数，获得割缝套管试件的荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线。
在具体实施过程中，可以基于割缝套管试件的最小屈服强度，对割缝套管试件分别施加轴向拉、压和扭转荷载，各进行多组试验，并通过控制荷载加载大小、加载时间和加载次数，获得所述荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线；和/或
基于割缝套管试件的最小屈服强度，对割缝套管试件施加径向压荷载，进行多组试验，并通过控制荷载加载大小、加载时间和加载次数，获得所述荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线。
举例来件，若割缝套管试件的最小屈服强度758MPa，可以对割缝套管试件分别施加轴向拉、压和扭转荷载，各进行20组试验，并通过控制荷载加载大小、加载时间和加载次数，以获得荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线；和/或，可以对割缝套管试件分别施加径向压荷载，进行20组试验，并通过控制荷载加载大小、加载时间和加载次数，以获得荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线。
步骤S140：根据荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线，建立割缝套管试件的力学强度-变形理论模型、以及力学强度-荷载理论模型。
步骤S150：将力学强度-变形理论模型、以及力学强度-荷载理论模型嵌入到通用有限元模型中，并基于割缝套管试件的最小屈服强度，建立受力荷载下的割缝套管试件的力学强度的三维数值计算模型。
步骤S160：根据三维数值计算模型，对整管长度割缝套管的不同荷载作用力下的力学强度特性进行计算分析，获得整管长度割缝套管的力学强度特性结果。
在具体实施过程中，可以利用通用有限元软件进行计算，对所述有限元三维数值计算模型建立采用Solid实体模型，该Solid实体模型模型基本参数为割缝套管试件变化规律曲线(即：荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线)及割缝套管特征物理力学参数。
在具体实施过程中，三维数值计算模型边界条件采用底端固支，顶端自由的方式，有限元模型网格划分采用C3D4单位进行划分，获得划分之后的三维有限元数值模型，对所述有限元模型进行轴向拉伸、压缩和扭转荷载工况，径向压缩工况荷载数值计算，以获得获得整管长度割缝套管的力学强度特性结果。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
在本申请实施例中，公开了一种分析割缝套管力学强度的方法，包括：制备割缝套管试件；获取所述割缝套管试件的特征物理力学参数；采用不同的拉、压和扭转荷载，对所述割缝套管试件轴向施加不同的荷载，采用不同的压荷载，对所述割缝套管试件径向施加不同的荷载，并控制所述荷载的加载大小、加载时间和加载次数，获得所述割缝套管试件的荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线；根据所述荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线，建立所述割缝套管试件的力学强度-变形理论模型、以及力学强度-荷载理论模型；将所述力学强度-变形理论模型、以及力学强度-荷载理论模型嵌入到通用有限元模型中，并基于所述割缝套管试件的最小屈服强度，建立受力荷载下的所述割缝套管试件的力学强度的三维数值计算模型；根据所述三维数值计算模型，对整管长度割缝套管的不同荷载作用力下的力学强度特性进行计算分析，获得所述整管长度割缝套管的力学强度特性结果。从而为割缝套管设计和安全评估提供基础理论方法，解决了现有技术中当外界荷载超过套管屈服强度时，套管就会发生塑性变形，导致套管屈服以及井下安全事故的技术问题。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种分析割缝套管力学强度的方法，其特征在于，包括：
制备割缝套管试件；
获取所述割缝套管试件的特征物理力学参数；
采用不同的拉、压和扭转荷载，对所述割缝套管试件轴向施加不同的荷载，采用不同的压荷载，对所述割缝套管试件径向施加不同的荷载，并控制所述荷载的加载大小、加载时间和加载次数，获得所述割缝套管试件的荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线；
根据所述荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线，建立所述割缝套管试件的力学强度-变形理论模型、以及力学强度-荷载理论模型；
将所述力学强度-变形理论模型、以及力学强度-荷载理论模型嵌入到通用有限元模型中，并基于所述割缝套管试件的最小屈服强度，建立受力荷载下的所述割缝套管试件的力学强度的三维数值计算模型；
根据所述三维数值计算模型，对整管长度割缝套管的不同荷载作用力下的力学强度特性进行计算分析，获得所述整管长度割缝套管的力学强度特性结果。
2.如权利要求1所述的分析割缝套管力学强度的方法，其特征在于，所述特征物理力学参数，包括：
拉伸弹性模量E、剪切弹性模量G、屈服强度δ0.2，压缩屈服强度δ-0.2，应力σ，应变ε，位移F。
3.如权利要求2所述的分析割缝套管力学强度的方法，其特征在于，E＝σ/ε，其中，σ为应力大小，ε为应变大小。
4.如权利要求1所述的分析割缝套管力学强度的方法，其特征在于，所述割缝套管试件在所述受力荷载情况下，在弹性变形阶段，所述割缝套管试件的力学特性与所述整管长度割缝套管的力学特性一致。
5.如权利要求1所述的分析割缝套管力学强度的方法，其特征在于，所述采用不同的拉、压和扭转荷载，对所述割缝套管试件轴向施加不同的荷载，采用不同的压荷载，对所述割缝套管试件径向施加不同的荷载，并控制所述荷载的加载大小、加载时间和加载次数，获得所述割缝套管试件的荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线，包括：
基于所述割缝套管试件的最小屈服强度，对所述割缝套管试件分别施加轴向拉、压和扭转荷载，各进行多组试验，并通过控制荷载加载大小、加载时间和加载次数，获得所述荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线；和/或
基于所述割缝套管试件的最小屈服强度，对所述割缝套管试件施加径向压荷载，进行多组试验，并通过控制荷载加载大小、加载时间和加载次数，获得所述荷载-时间的变化规律曲线、应力-应变的变化规律曲线、荷载-位移的变化规律曲线。
6.如权利要求1所述的分析割缝套管力学强度的方法，其特征在于，所述三维数值计算模型的边界条件采用底端固支，顶端自由的方式。
7.如权利要求1所述的分析割缝套管力学强度的方法，其特征在于，所述根据所述三维数值计算模型，对整管长度割缝套管的不同荷载作用力下的力学强度特性进行计算分析，获得所述整管长度割缝套管的力学强度特性结果，包括：
根据所述三维数值计算模型，对所述通用有限元模型进行轴向拉伸、压缩和扭转荷载工况、径向压缩工况的荷载数值进行计算，获得所述整管长度割缝套管的力学强度特性结果。
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