计算力学课程设计课程设计-弯曲段套管抗挤强度有限元分析.doc

1 东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 年 月 日 课 程 计算力学课程设计 题 目 弯曲段套管抗挤强度有限元分析 学 院 机械科学与工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 2 东北石油大学课程设计任务书 课程 计算力学课程设计 题目 弯曲段套管抗挤强度有限元分析 专业 工程力学 姓名 学号 主要内容： 石油工业中，api（美国石油学会）套管强度计算公式是没有考虑任何缺陷的套管强 度计算公式，井下套管的使用都是通过 api 套管强度标准设计的。但是在实际使用的套管 都存在一定的缺陷，如出厂的不 圆度、壁厚不均度等，使用过程 中套管内壁被钻杆接头磨损和套 管在弯曲段时的弯曲。这些因素 或多或少地影响着套管抗挤强度， 当套管抗挤强度降低到一定程度 时就会造成套管损坏，影响油气 资源开发的经济效益。研究和分 析弯曲段套管的抗挤强度就可以 知道套管曲率对套管抗挤强度的 影响关系，就可以指导现场套管 的设计和选材。 套管钢级为 n80，屈服强度 551.6mpa，泊松比 0.3，弹性模量 206gpa，外径 177.8mm，壁厚 13.72mm。套管曲率取 2/100m、4/100m、6/100m、8/100m、10 /100m，分析计算各种曲率条件下的套管抗挤强度。 基本要求： 在课程设计期间，巩固有限元理论知识，掌握边界处理方法，能够应用有限元分析软 件 ansys 求解工程中的实际问题，了解力学分析软件的前后处理，掌握有限元分析流程。 在 3 周时间内，应用 ansys 软件完成课题题目的有限元分析与计算，提交所设计题 目的有限元模型、结果和命令流文件，提交 5000 字左右论文 1 份（附录为分析过程命令流） 。 主要参考资料： 1 刘巨保石油设备有限元分析m北京：石油工业出版社，1996 2 刘扬，刘巨保，罗敏有限元分析及应用m中国电力出版社，2008 3 罗敏，张强ansys 应用基础篇m大庆石油学院自编教材，2008 4 祝效华，余志祥ansys 高级工程有限元分析范例精选m电子工业出版社， 2004 3 完成期限 指导教师 专业负责人 年月日 目录 第 1 章 概述1 1.1 弯曲段套管抗挤强度有限元分析的研究目的和意义1 1.2 弯曲段套管抗挤强度有限元分析的主要研究内容1 第 2 章 理论分析3 2.1 套管抗挤强度分析.3 2.2 solid45 简介3 第 3 章 偏磨套管抗挤强度有限元分析5 3.1 问题描述5 3.2 ansys 有限元模型建立及求解.5 结论13 1 第第 1 章章 概述概述 1.1 弯曲段套管抗挤强度有限元分析的研究目的和意义弯曲段套管抗挤强度有限元分析的研究目的和意义 套管是油井生产中重要的设施，套管损坏问题己受到国内外的普遍关注。 套管柱在大井眼曲率的水平井弯曲井段将产生较大弯曲应力，使得套管抗挤强 度降低，可能导致套管发生挤毁破坏。为了得到套管抗挤强度与水平井弯曲段 造斜率间的定量关系。由于传统石油工程中，石油套管主要用于钻井过程中和 完井后对井壁的支撑，以保证钻井过程的进行和完井后整个油井的正常运行。 石油套管是维持油井运行的生命线，由于地质条件不同，井下受力状态复杂， 拉、压、弯、扭应力综合作用于管体，这对套管本身的质量提出了较高的要求。 一旦套管本身由于某种原因而损坏，可能导致整口井的减产，甚至报废。 基于普氏自然平衡拱理论,并考虑套管与地层的相互作用,对空洞的形态进 行了分析得出其油层段应尽量使用高强度、大壁厚的套管。近年来随着水平井 钻井技术的发展, 高曲率井段套管柱的设计引起了人们的关注。对于直径大、 壁厚相对钻柱来说较小的套管, 如果井眼曲率过高会产生另一类突出的问题, 即 弯曲井段的套管会发生较大的径向变形。而下套管作业时，除了要考虑摩阻外， 还要考虑套管柱的变形，尤其是弯曲井段内套管的变形有别于其他井段，因此 有必要对套管柱在弯曲井段的通过能力进行研究。发生径向变形的套管不仅会 因通径的减小影响钻井工具和完井工具的下入, 而且还会因其椭圆度增加降低 套管的抗挤强度。 大多数油井套管的损坏是由过大的外载荷引起的，其在各种载荷作用下的 强度、变形是油井工程中非常受关心的问题之一，由于套管的成本在整个油井 成本中占很大的比例，所以要尽量避免油井套管所加载的外载荷超出其所承受 的极限，从而保证油井的正常使用寿命。在进行油井套管的强度分析时，通常 通过解析法对其进行计算校核，其中难免采用很多经验值和经验公式，因此， 用该方法分析得到的结果不够准确。本文中通过大型有限元软件对套管的强度 进行分析，可以得到非常精确的结果，对工程应用有非常重要的指导意义。 1.2 弯曲段套管抗挤强度有限元分析的主要研究内容弯曲段套管抗挤强度有限元分析的主要研究内容 分析该问题应该首先从没有缺陷套管的抗挤强度入手，用 ansys 对理想套 管建模井求解，得到理想状态无缺陷下套管的抗挤强度。此时的抗挤强度应该 和 api 套管强度公式计算出来的一致，主要用来验证 ansys 模型的正确性。 ansys 在本研究方向具有非常大的潜力，很多用解析法解决不了的问题都 2 可以通过 ansys 方便的求解，其中不仅包括套管抗挤强度的问题，还有抗拉 强度等，不但可以求解带有理想状态弯曲段套管的问题，还可以求解有凹槽、 壁厚不均匀等初始缺陷的问题。 借助 ansys 有限元软件就可以对理想和使用过程中的套管建模和求解，可 以得到理想和使用过程中的缺陷对套管抗挤强度的影响关系，避免井下事故的 发生。 在钻井及修井作业中，套管弯曲是不可避免的，尤其在深井、超深井、大 位移井和水平井中更为显著。弯曲后的套管不仅抗挤强度会降低，其他使用性 能也会有所下降。本研究以弯曲形式为空心柱形套管进行分析，得到这种弯曲 模型的程度和套管抗挤强度之间的关系。 接下来分析弯曲套管的抗挤强度，使用过程中套管内壁被钻杆接头磨损和 套管在弯曲段时的弯曲。这些因素或多或少地影响着套管抗挤强度，当套管抗 挤强度降低到一定程度时就会造成套管损坏，影响油气资源开发的经济效益。 建立空心圆柱形的实体模型，对套管的外表面施加 1mpa 的外压，接着使其一 端受到全约束，另一端受到弯曲载荷的作用，让套管自然就弯曲。接着改动命 令流，可以得到不同曲率的套管的应力集中。 这个问题涉及到弯曲的问题，属于三维问题，建立三维有限元模型，采用 solid45 单元。 本文中只给出套管曲率为 6的情况下的 gui 实例和 apdl 程序，其 /100 o m 他曲率情况套管可以通过改变 apdl 程序得到。 3 第第 2 章章 理论分析理论分析 2.1 套管抗挤强度分析套管抗挤强度分析 套管所能承受的最大外挤压力称为套管的抗挤强度。套管抗挤强度是国际 上一个比较活跃的研究领域,多年来,api/iso 一直在组织国际合作研究。目前, api/iso collapse sub-team(美国石油学会/国际标准化组织套管挤毁工作组)正 计划修订现行 api5c3 标准，研究的焦点集中在提高抗挤强度计算公式的精度。 针对美国石油协会的套管抗挤强度计算公式与实测套管挤毁压力差距较大的 问题，利用统计学方法，详细分析了套管实物挤毁试验检测数据，得到了各因 素影响套管抗挤强度的定量指标.研究表明，套管抗挤强度主要由径厚比决定； 套管计算屈服外压和失稳外压等其他参数及其交互作用对套管的抗挤强度也有 显著影响;套管外径和壁厚数据的变异系数比外径不圆度和壁厚不均度对套管抗 挤强度的影响更显著.最后给出了套管抗挤强度统计计算公式,为生产厂和用户提 供了预测套管抗挤强度的简单实用的计算方法。 api 所公布的套管强度数据是套管受相应的单一外载作用时的强度，如抗挤 强度是套管仅受外挤压力作用时套管所能承受的最大外挤压力值；套管在井下 主要考虑管柱的摩阻力限制。除了要考虑这个以外，还要考虑套管的变形。如 果基于刚性模型和弹性模型对套管进行套管柱在井下一般是处于复合外载作用 状态（两种及两种以上外载同时作用状态） 。在复合外载作用下，套管的强度要 发生变化，有时套管的强度增加，有时套管的强度降低。 套管抗挤强度计算:在外压力与轴向力或内压力与轴向力作用下，管柱内的 应力状态为三向应力状态，三个主应力分别为轴向应力、周向应力和径向应力 ： （1） 222 2 1 zrrttzc 根据第四强度理论，可得套管在多向应力下的强度条件为： c s 第四强度理论变为： 2 222 2 szrrttz 4 2.2 solid45 简介简介 单元性质：3-d 维实体结构单元 单元说明：solid45 单元用于构造三维实体结构.单元通过 8 个节点来定义, 每个节点有 3 个沿着 xyz 方向平移的自由度.单元具有塑性,蠕变,膨胀,应力强化, 大变形和大应变能力。有关该单元的细节参看 ansys, 理论参考中的 solid45 部分。类似的单元有适用于各向异性材料的 solid64 单元。solid45 单 元的更高阶单元是 solid95。 solid45 假定和限制： （1）体积等于 0 的单元是不允许的。 单元结点编号可参照图 45.1: “solid45 几何描述“，面 ijkl 和 mnop 也 可互换。 单元不能扭曲，这样单元就会有两个独立的体。这通常发生在当单元结 点编号不当时。 所有单元都必须有 8 个结点。 可以通过定义重合的 k 和 l、o 和 p 来形成棱柱形单元（参见三角形、 棱柱形和四面体单元） 。 四面体形状也是允许的。对四面体单元，额外形状被自动删除。 solid45 产品限制 对于以下产品，将在上述一般假设和限制的基础上再增加一定的限制：。 ansys professional. 不允许有 damp 材性。 不能施加流量体荷载。 唯一允许的特殊性能是应力钢化。 keyopt(6)=3 不可用。 5 图 1 solid45 单元几何 6 第第 3 章章 偏磨套管抗挤强度有限元分析偏磨套管抗挤强度有限元分析 3.1 问题描述问题描述 套管钢级为 n80，屈服强度 551.6mpa，泊松比 0.3，弹性模量 206gpa，外 径 177.8mm，壁厚 13.72mm。套管曲率取 2/100m、4/100m、6/100m、8 /100m、10/100m，分析计算各种曲率条件下的套管抗挤强度。 图 2 套管实体示意图 3.2 ansys 有限元模型建立及求解有限元模型建立及求解 gui 步骤： （1）进入 ansys 程序ansys9.0ansys product launcherfile managementworking directory（路径）job name（文件名）run。 7 图 3 定义文件名 （2）设置计算类型 ansys 主菜单：preferencesselect structuralok （3）选择单元类型 ansys 主菜单：preprocessorelement typeadd/edit/deletaddselectsolid brick 8node 45okclose（） 图 4 定义单元类型 (4)定义材料参数 ansys 主菜单：preprocessormaterial propsmaterial modelsstructuallinearelasticisotropicinput ex：2.06e11，prxy：0.3ok 8 图 5 定义材料属性 （5）生成几何单元模型 ansys 主菜单preprocessormodelingcreatevolumecylinderhollow cylinderinput：wp x（0） ，wpy（0） ，rad-1（75.18e-3） ，rad-2（88.9e-3） ，depth（1）ok。如图 1 所示 图 6 建立几何模型 建立未弯曲套管实体模型，加上弯曲载荷后就变成为弯曲段套管抗挤压分 析实体模型。 (6)网格划分 打开当前工作坐标，把它移动到关键点 4（0 ，0.0889, 0） ，旋转工作平 面绕 y 轴旋转 90 度，用工作平面把实体切成两部分。ansys 主菜单： preprocessormodelingoperatebooleansdividevolume by workplanepick all 把工作平面移动到关键点 2（0.0889, 0, 0） ，旋转工作平面绕 x 轴旋转 9 90 度，用工作平面把实体模型切成 4 部分。ansys 主菜单： preprocessormodelingoperatebooleansdividevolume by workplanepick all 图 7 用工作平面切实体模型 ansys 主菜单：preprocessormeshingmeshtoollines选择厚度方向上的 8 条线ok选择 2 份ok preprocessormeshingmeshtoollines环向上的 16 条线ok选择 6 份 ok preprocessormeshingmeshtoollines长度方向上的 8 条线ok选择 20 份ok 图 8 实体分网控制 10 最后如下图设置，点击 sweeppick all分网完成，保存一下分网模型。 图 8 对所有进行分六面体网格 图 9 有限元网格模型 （7）模型施加约束 ansys 主菜单：solutiondefine loadsapplystructuraldisplacementon areas选择 z 坐标为 0 的平面 11 oklab2：all dofok （8）模型施加载荷 1.施加外载荷： ansys 主菜单：solutiondefine loadsapplystructuralpressureon areas选择外圆周上的四个平面 7,8,15,16：value：load pressure value：1e6ok 2.施加弯曲载荷： 弯曲载荷的施加比较复杂，首先根据套管的曲率来计算弯曲载荷的大小，再 平均分配到每一个节点上。由材料力学可以知道： 2 2ei f l 式中：f 是施加在断面上的弯曲载荷，n；e 是为套管的材料弹性模量，pa；i 是套管截面惯性矩，是套管的转角，rad；l 是套管的长度，m； 4 m 将参数代入计算得 f 为 5170.137n 弯曲载荷施加在断面的每个节点上，首先选择断面上的每一个节点，并且知 道断面总共有几个节点。 ansys 主菜单：selectentitiesareasapply选择所要选择的断面 oknodesattached toarea ，allok ansys 主菜单：plotnodesok listnodeso，本实例中的节点数为 72，故每个节点的 载荷为 5170.137/72=71.807。k 列出所有的节点的数量 ansys 主菜单：solutiondefine loadsapplystructuralforce/momentonnodespick alllab：fy，value：-71.807ok 12 图 10 施加弯曲载荷示意图 （9）分析计算 ansys 主菜单：selecteverything ansys 主菜单：solutionsolvecurrent lsok（to close the solve current load step window）ok 图 11 求解后的模型 （10）结果显示 在提取结果时，根据圣文南原理，取远离施加载荷和约束的位置，所以本 例中应去中间位置查看结果。 ansys 主菜单：general postprocplot resultcontour plotnodal soluselect：stress intensity sintok 13 图 12 结果云图显示 （11）结果提取 ansys 主菜单：general postprocquery resultsubgrid soluselect：stress intensity sintok（turn to query result window） selectmaxok 根据本实例提取最大应力值为 23.755mpa，如下图 13 所示。 （12）退出系统 ansys 主菜单：fileexitsave everythingok 图 13 提取结果图 3.3 结论分析结论分析 14 前面的有限元计算中得到套管曲率为 6/100m 时，外压为 1mpa 情况下最 大应力强度为 23.755mpa。 根据套管的最大屈服强度是551.6mpa，所以计算得到套管曲率为 6/100m 时的抗挤强度为 29.156mpa。 确定套管抗挤强度的方法和偏磨套管抗挤强度的方法是一样的。当给定外 径、壁厚、弹性模量、泊松比时套管受到外压，在线性和小变形内，其最大应 力强度和和外压之比是一个无量纲常数 k。 maxi （1） maxi k p 根据徐秉业的塑性力学书选取屈服准则，其应力强度的表达式为： i （2） 122331 max(|) i 根据屈强度限挤毁形式套管抗挤强度的定义（使套管中某一点表达达到材 c p 料的屈服强度的外压力值为套管抗挤强度） ，在求得 k 值之后，将材料的屈 s 服极限代入上式，即可求得套管抗挤强度： (3) s c p k 将数值带入(1)和(3)式，可以得到该种套管的抗挤强度为 29.156mpa 同理可把套管曲率 6换为 2、4、8、10，即/100 o m/100 o m/100 o m/100 o m/100 o m 可求出弯曲套管在这些曲率下的最大应力强度和套管抗挤强度。 表 1 弯曲套管的曲率对最大应力值和抗挤强度的影响 套管曲率 /100 o m 最大应力强度 mpa 套管抗挤强度 mpa 弯曲载荷 f /n 单位节点载荷 /n 211.38358.8711723.37923.936 415.36737.3843446.75848.872 623.75529.1565170.13770.807 826.00423.2696893.51695.743 1035.58719.9888616.895119.679 15 结论结论 经过三周的时间的学习，我完成了弯曲套管抗挤强度有限元分析，同时对 ansys 有了一个新的了解。在这我要感谢我的指导老师对我耐心的指导，感谢 老师给我的帮助，因为在设计的过程中遇到了很多的困难，所以老师给予我极 大的帮助。在设计的过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自 学，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获颇丰。在整个设计中 我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信 心，相信会对今后的学习特别是毕业设计、工作、生活有非常重要的影响。虽 然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的 最大收获和财富，使我终身受益。 （1）套管曲率增大，弯曲井段套管的径向变形和应力也随之增大，套管弯 曲载荷和单位节点载荷都增大，最大应力强度也增大，说明曲率与它们成正比。 （2）套管曲率增大，套管的抗挤强度反而减小，说明曲率和套管抗挤强度 成反比。 （3）套管的最大应力强度和抗挤强度成反比，通过以上研究，对套管曲率 下弯曲井段套管柱强度设计提供了理论依据。 16 参考文献参考文献 1 刘巨保石油设备有限元分析m北京：石油工业出版社，1996 2 刘扬，刘巨保，罗敏有限元分析及应用m中国电力出版社，2008 3 罗敏，张强ansys 应用基础篇m大庆石油学院自编教材，2008 4 祝效华，余志祥ansys 高级工程有限元分析范例精选m电子工业出 版社，2004 5 刘鸿文材料力学i第四版高等教育出版社，2008 6 朱伯芳有限单元法原理与应用m第二版中国水利水电出版社， 1997 7 祝效华，高原水平井弯曲段套管下入可行性分析，2011 8 李黔，施太和水平井弯曲井段套管径向变形计算，1998 9 蔡恩宏弯曲井段中套管通过能力分析研究 ，2010 10 11 17 附录附录 分析过程 apdl 程序方法 /prep7 et,1,solid45 mptemp, mptemp,1,0 mpdata,ex,1,2.06e11 mpdata,prxy,1,0.3 cyl4, , ,75.18e-3, ,88.9e-3, ,1 kwpave, 4 wprot,0,0,90 vsbw, 1 kwpave, 2 wprot,0,0,-90 wprot,0,90,0 flst,2,2,6,orde,2 fitem,2,2 fitem,2,-3 vsbw,p51x lplot flst,5,4,4,orde,4 fitem,5,25 fitem,5,27 fitem,5,29 fitem,5,31 cm,_y,line lsel, , , ,p51x cm,_y1,line cmsel,_y lesize,_y1, , ,2, , , , ,1 flst,5,4,4,orde,4 fitem,5,26 fitem,5,28 fitem,5,30 fitem,5,32 cm,_y,line lsel, , , ,p51x cm,_y1,line cmsel,_y !* lesize,_y1, , ,2, , , , ,1 flst,5,8,4,orde,2 fitem,5,9 fitem,5,-16 cm,_y,line lsel, , , ,p51x cm,_y1,line cmsel,_y !* lesize,_y1, , ,6, , , , ,1 !* flst,5,8,4,orde,2 fitem,5,1 fitem,5,-8 cm,_y,line lsel, , , ,p51x cm,_y1,line cmsel,_y !* lesize,_y1, , ,6, , , , ,1 flst,5,8,4,orde,2 fitem,5,17 fitem,5,-24 cm,_y,line lsel, , , ,p51x cm,_y1,line cmsel,_y !* lesize,_y1, , ,20, , , , ,1 flst,5,4,6,orde,3 fitem,5,1 fitem,5,4 fitem,5,-6 cm,_y,volu vsel, , , ,p51x cm,_y1,v