井筒内垂直段细长杆管柱后屈曲磨损预测方法研究

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在石油开采的过程中,杆管柱磨损的现象比较普遍,容易造成油管磨漏或者杆柱断脱的问题,降低油田产量,造成井下安全事故,杆管柱后屈曲磨损是井下最为严重的磨损现象,会比寻常磨损程度更为剧烈,因此,对杆管柱的后屈曲磨损研究尤为重要。本文选取井下垂直段细长杆管柱作为研究对象,采用三维梁单元建立井筒内杆管柱屈曲有限元模型,基于慢动力法对杆管柱屈曲构型进行计算,得到屈曲梁发生正弦与螺旋屈曲的构型,为实现屈曲杆管柱与井筒的磨损预测,采用实体模型建立屈曲段管柱有限元子模型,并将提取的梁单元的位移、内力计算结果映射到实体单元,作为实体子模型的边界条件。对屈曲的实体子模型进行有限元平衡方程求解,得到屈曲子模型与井筒的接触力等计算结果,引入Archard模型计算杆管柱的磨损深度,同时采用移动接触边界法描述杆管柱表面材料去除过程,避免磨损引起网格畸变导致平衡方程不收敛问题,从而建立了井筒内杆管柱后屈曲磨损预测方法。基于上述计算方法,对井下受压杆管柱,受压扭杆柱及受压扭带接头杆柱的屈曲构型及磨损深度进行预测,研究结果表明:(1)当屈曲构型为正弦,杆管柱磨损部位较少,且受压载荷及环空间隙对杆管柱磨损影响较小;当屈曲构型为螺旋,杆管柱磨损部位较多且连续,且受压载荷及环空间隙对管柱磨损影响较大,杆管柱的磨损深度均受压载荷及环空间隙增加而增大。(2)杆柱在井下同时承受受压载荷和扭矩作用,扭矩和受压载荷增加会使杆柱屈曲程度严重,磨损深度增大。(3)带接头杆柱在一定受压载荷和扭矩作用下,与无接头相比,其螺旋屈曲螺距较大,且接触点较无接头接触点少,但局部接触压力较大,故磨损深度较大,基于磨损深度等结果,对带接头杆柱的剩余强度进行计算,得出由于屈曲导致杆柱与井筒产生磨损,使得杆柱的抗挤毁强度和抗拉强度降低,且磨损深度不同,杆柱剩余强度不同,其结果可为现场的井下杆管柱安全评价提供理论依据。
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