水平井油管柱射孔振动的有限元分析.pdfVIP

维普资讯 第28卷 第 1期 石 油 钻 采 工 艺 V01．28No．1 2006年 2月 OILDRILLING PR0DUCT10NTECHN0L0GY Feb．2006 文章编号：1000—7393(2oo6)o~一0056—04 水平井油管柱射孔振动的有限元分析 练章华 林铁军 刘 健 乐 彬 陈举芬 徐月霞 杨 涛。 (1．西南石油学院，四川成都 610500；2．CNPC东方地球物理公司，新疆库尔勒 841001；3．西南油田公司，四川广汉 618300) 摘要：射孔时产生的高压气体会使油管柱产生振动，使管柱受力处于恶劣状态。对于水平井，因管柱较长，用 解析方法求解其动力学过程非常困难，因此，根据井眼轨迹参数数据，建立了水平井油管柱射孔振动的有限元模 型，在水平井造斜段采用了变坐标系统，使油管柱沿轴向方向有位移，在径向受井筒约束。射孔时的冲击波载荷施 加于水平井射孔段部位的油管柱纵向方向。以此为基础详细分析 了射孔时油管柱的纵向振动位移和速度随时间 的变化关系，结果表明，射孔时对油管柱产生纵向振动栽荷远高于对油管柱产生的横向载荷 ，即纵向(轴向)振动起 主要作用。同时，分析 了油管内等效应力随时间的变化关系，并得 出：在射孔后 1．0—1．5S时间范围内，油管柱内 将会出现最大等效应力峰值，此应力发生在造斜段，其最大应力峰值载荷的确定为合理设计油管柱和选择减震器 个数提供 了理论数据 关键词：水平井；油管；射孔；振动；有限元分析 中图分类号：TE257．1 文献标识码：A 射孔枪起爆时枪膛内的高压气体向封隔段释 一 种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在静载 放，这部分高压气体会推动管柱向上强烈冲击振 荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下随时间 动 ¨j，由振动产生的载荷可能使油管破坏而失效。 变化的位移、应变、应力及力。载荷和时间的相关性 油管柱送人射孔枪进行射孔时，由于瞬时冲击波产 使得惯性力和阻尼作用比较重要。瞬态动力学分析 生瞬时冲击力，使油管柱产生沿油管轴线的纵向振 求解的基本运动方程为 动和与油管柱轴向垂直的横向振动，将在油管柱 f『1 []{}+[C]{}+[]{U}={F(t)}(1) 产生某一时刻的峰值载荷，使管柱受力处于恶劣状 式中，[ ]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为刚 态。r}1于水平井管柱几干米长，用解析方法来求解 度矩阵；{}为节点加速度向量；{}为节点速度向 其动力学过程非常困难，往往要对模型进行大量的 量；{U}为节点位移向量。 简化 ¨J，甚至不做大量简化不可能求出其解析解。 在任意给定时间t，这些方程可看作是一系列考 而有限元法可以解决该类问题，几乎不做简化，只需 虑了惯性力([]{})和阻尼力([C]{r，})的静力 建立正确的有限元模型，因此笔者采用瞬态动力学 学平衡方程。ANSYS软件使用 Newmark时间积分 问题的有限元法对水平井油管柱射孔振动进行理论 方法在离散时间点上求解这些方程，积分时问步长 研究 为接连的时间点间的时间增量。下面将用瞬态动力 学的方法对油管柱射孔问题进行有限元分析。 1 瞬态动力学基本方程 2 水平井油管柱有限元动力学模型建立 瞬态动力学分析 (也称时间历程分析)是用于 确定承受任意随时间变化载荷的结构动力学响应的 水平井完井油管柱是属于细长杆的结构，其有 基金项目：受国家自然科学基仝 (批准、国家教育部科学技术研究重点项 目(205135)和四川省杰出青年基金