钻井套管的剪切变形力有限元计算方法与流程

本发明涉及钻井和采油技术领域，涉及一种钻井套管的剪切变形力有限元计算方法。

背景技术：

在钻井抽采过程中，油层出砂后会造成地层疏松，形成空洞。导致地层支撑的损失和滑移，将对钻井固井套管产生横向的剪切作用，很容易导致套管的剪切破坏甚至完全错断，会使钻井被迫停止抽采，造成巨大的经济损失。

中国专利文献号为ZL201610333516.7公开了一种钻井固井套管剪切试验系统，可以对不同管径的固井套管施加剪切力，用来模拟岩层的相对位移对固井套管的剪切作用。但是该文献只能通过试验的方法得到套管的剪切变形力，试验耗费大量的物力财力，并且试验设备的最大剪切载荷有一定的限制，对所进行的试验规格也有一定的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钻井套管的剪切变形力有限元计算方法，可以定量分析套管的侧向位移变化和套管能承受的最大剪切力，能为预防套管损坏和屈曲变形提供了理论依据，确定套管在井下的剪切破坏力的大小，从而更好的为油田选择合适的套管。为钻井工程提供技术支持。

为实现上述目的，本发明提供的钻井套管的剪切变形力有限元计算方法包括以下步骤：

1)通过有限元软件作图建立钻井套管的三维薄壁圆筒几何模型，该薄壁圆筒的外径是钻井套管的外径D，壁厚为套管的壁厚t，该薄壁圆筒长度L为1000mm；

2)通过有限元软件在上述薄壁圆筒几何模型的管体总长对称位置建立两个剪切环的三维薄壁圆筒几何模型，剪切环的内径dj与管体外径D相同，剪切环的外径Dj大于管体外径D，剪切环的长度s为20～60mm，两个剪切环的距离a为127mm；

3)所述套管为碳钢或低合金钢材质，在有限元软件中根据材料的特性设置所述套管的弹性模量、应力应变曲线、泊松比、材料密度的性能；

4)设置两个剪切环为刚体，即在任何情况下都不发生任何变形；

5)在有限元软件中，在计算前需要设置的加载过程为单个或多个步骤即分析步，设定钻井套管的剪切变形为准静态，设置分析步的形式为动态隐式分析，计算时间为1秒，迭代时长0.01秒；

6)对所建立的套管三维薄壁圆筒的几何模型进行网格划分，网格划分的方式是先设置种子点，后进行有限元软件的自动划分网格，在壁厚方向上至少划分3层网格，网格的形式为六面体单元；

7)约束该套管两端面的径向位移为0；

8)设置套管的外表面与两个剪切环的内表面之间的接触形式为面-面接触；

9)对两个剪切环中的一个施加径向位移，另一个质心施加大小相等方向相反的位移，位移值至少为4mm；

10)通过有限元软件的求解器实现步骤1～9所完成的前处理步骤的运算求解，计算的结果将保存在后处理文件中；

11)从步骤10得到的计算结果中提取出管体所受的剪切力的值，并作出随着剪切环的径向位移增加的管体的剪切力值曲线，对所述曲线进行分析，剪切力的值随着剪切环的位移增加而增速减缓，之后开始有突增和突降的突变，在突变之前的最大值为所述套管能承受的剪切力最大值。

本发明的效果是，通过钻井套管的剪切变形力有限元计算方法，能够精确的模拟出套管在井下受到地层错动力的作用时管体的形貌，以及管体所能承受的最大剪切错动力的大小。通过有限元计算可大幅度降低进行钻井固井套管剪切试验的成本。本发明计算的剪切力结果与实物试验进行了对比，误差在5％以内，本发明的计算结果对套管管串设计有重要的指导意义。

附图说明

图1是本发明的套管的剪切变形力有限元计算方法的三维有限元模型示意图；

图2是本发明的剪切环示意图

图3是本发明的套管网格划分示意图；

图4是本发明的套管的剪切变形力有限元计算方法提取出的套管所承受的剪切力与剪切环错动位移的曲线图。

图5-1、5-2是本发明的套管的剪切变形力有限元计算方法的有限元计算结果示意图。

图中：

A：管体；B：剪切环；C：受到剪切力后变形的管体；D：管体外径；t：管体壁厚；L：管体长度；s：剪切环的长度度；a：两个剪切环之间的距离；Dj：剪切环外径；dj：剪切环内径

具体实施方式

结合附图对本发明的钻井套管的剪切变形力有限元计算方法加以说明。

本发明提供的钻井套管的剪切变形力有限元计算方法包括以下步骤：

1)通过有限元软件作图建立钻井套管的三维薄壁圆筒几何模型，该薄壁圆筒的外径是钻井套管的外径D，壁厚为套管的壁厚t，该薄壁圆筒长度L为1000mm，如图1的A所示。

2)通过有限元软件在上述薄壁圆筒几何模型的管体总长对称位置建立两个剪切环的三维薄壁圆筒几何模型，剪切环的内径dj与管体外径D相同，剪切环的外径Dj大于管体外径D，剪切环的长度s为20～60mm，两个剪切环的距离a为127mm，如图1的B和图2所示。

3)所述套管为碳钢或低合金钢材质，在有限元软件中根据材料的特性设置所述套管的弹性模量、应力应变曲线、泊松比、材料密度的性能。

4)设置两个剪切环为刚体，即在任何情况下都不发生任何变形。

5)在有限元软件中，在计算前需要设置的加载过程为单个或多个步骤即分析步，设定钻井套管的剪切变形为准静态，设置分析步的形式为动态隐式分析，计算时间为1秒，迭代时长0.01秒。

6)对所建立的套管三维薄壁圆筒的几何模型进行网格划分，网格划分的方式是先设置种子点，后进行有限元软件的自动划分网格，在壁厚方向上至少划分3层网格，网格的形式为六面体单元，如图3所示。

7)约束该套管两端面的径向位移为0。

8)设置套管的外表面与两个剪切环的内表面之间的接触形式为面-面接触；

9)对两个剪切环中的一个施加径向位移，另一个质心施加大小相等方向相反的位移，位移值至少为4mm。

10)本步骤对1～9步建立的有限元模型进行求解。在求解时，将方程在空间上采用有限元方法离散后，变成常微分方程：

F＝M(u)+C(u)+K(u)

通过动态隐式分析所用的NewMark法求解该方程，任一时刻的位移、速度、加速度都相互关联，采用迭代和求解联立方程实现求解。计算的结果将保存在后处理文件中。

11)从步骤10)得到的计算结果中提取出管体所受的剪切力的值，并作出随着剪切环的径向位移增加的管体的剪切力值曲线，对所述曲线进行分析，剪切力的值随着剪切环的位移增加而增速减缓，之后开始有突增和突降的突变，在突变之前的最大值为所述套管能承受的剪切力最大值。如图4所示，在突变之前的最大值为所述套管能承受的剪切力最大值。图5-1、5-2为剪切力导致的管体发生变形示意图。

下面给出两个具体计算实例。

实施例1

套管规格外径D＝139.7mm，壁厚t＝12.7mm，钢级Q125，其弹性模量E＝206GPa、泊松比μ＝0.3、屈服强度σ_S＝862～1034MPa、抗拉强度σ_b>931MPa。根据上述有限元计算法进行建模，管体长度1000mm，两个剪切环宽度s＝40mm，相距a＝127mm。图4为通过有限元软件提取的剪切力与剪切环的移动的距离的关系图，可以得到剪切力在突变前的最大值1625KN，所以该值为该套管能承受的最大剪切力。

实施例2

套管规格外径D＝146.7mm，壁厚t＝15.9mm，钢级TP140V，其弹性模量E＝206GPa、泊松比μ＝0.3、屈服强度σ_S＝985～1080MPa、抗拉强度σ_b>1034MPa。根据上述有限元计算法进行建模，管体长度1000mm，两个剪切环宽度s＝40mm，相距a＝127mm。通过有限元软件可以得到剪切力在突变前的最大值2405KN，所以该值为该套管能承受的最大剪切力。

实施例3

套管规格外径D＝177.8mm，壁厚t＝10.36mm，钢级P110，其弹性模量E＝206GPa、泊松比μ＝0.3、屈服强度σ_S＝758～965MPa、抗拉强度σ_b>862MPa。根据上述有限元计算法进行建模，管体长度1000mm，两个剪切环宽度s＝50mm，相距a＝127mm。通过有限元软件可以得到剪切力在突变前的最大值1454KN，所以该值为该套管能承受的最大剪切力。