基于ANSYS的石油套管应力磁测有限元数值模拟研究

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套损已经成为油田生产中面临的一大难题,套损的产生主要是因为应力的积累。现有的检测方法多用于测量套管已经损坏部位的几何状态,不能对尚未套损的井进行预测,效果并不理想,如何准确有效地检测套管应力,提前预知套损的发生,是套损检测的关键问题。基于逆磁致伸缩效应的磁各向异性检测法适合石油套管的应力检测,然而,此项技术正处于发展阶段,前人多是通过物理实验来直接得到应力和磁信号的关系,对于联系二者的中间变量相对磁导率是如何发挥作用的,少见报道。要想将此项技术准确应用到石油套管的应力检测中,必须清楚地认识这个中间过程,这对于套管应力磁测仪器的研制、套管应力成像软件的开发具有重要的基础意义,对我国油气资源稳定开发必将产生重大的经济效益和社会效益。逆磁致伸缩效应指的是,铁磁材料在受到外力作用时,其相对磁导率要发生改变,从而使磁场发生改变,分析磁场的这种变化就能得到铁磁材料的受力变化。基于这种效应的磁各向异性检测法包括两个过程,一是外力和相对磁导率之间的关系,这方面的研究既有理论推导又有物理实验,已经较为成熟,相关成果可以参考。二是相对磁导率和磁信号之间的关系,对于石油套管模型而言,就是当套管壁某处的相对磁导率呈现不均匀分布时,和周围的磁信号有何关系。这种问题的解析解不存在,采用有限元法可以有效求取当套管壁相对磁导率不均匀分布时套管内电磁场的分布情况。使用大型通用有限元分析软件ANSYS来进行有限元法数值模拟,无论是网格划分、初值边界条件的实现,还是求解、计算结果的呈现,它比起通常的有限元求解过程,具有更大的便捷性和优越性,越来越多的学者将ANSYS用于地球物理勘探中各种问题的求解,显示出其强大的应用前景。本文针对石油套管模型,基于ANSYS电磁模块编写APDL命令流语言进行数值模拟研究,得到套管壁附近磁感应强度和套管壁相对磁导率成反比,且二者的变化量有较好的线性关系的结论,参照前人物理实验得到的应力变化量和相对磁导率变化量之间的关系,得到应力的变化量和磁感应强度的变化量之间的定量关系为K*B,K=8.04*109。对于以上的结果,一方面,对石油套管进行外部加力磁测实验来进行验证,实验得到了外力和磁通量之间的定量关系,结合ANSYS结构应力模块编写APDL命令流语言数值模拟得到的套管壁某处受到的外力和该处所受的应力值之间的定量关系,得到了应力的变化量和磁通量的变化量之间的定量线性比例关系,这一结果足以证明数值模拟得到的结果的正确性。另外一方面,他人理论推导的结果也同样证明了数值模拟结果的正确性,然而理论推导中的K是不好确定的,而通过本文的方法,就可以确定K值,这样,就能够通过磁感应强度的变化量来得到套管壁中应力的变化量,从而将这种技术准确地应用到石油套管应力磁测的实际工作中去。
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