割縫參數(shù)對割縫篩管完井的影響

割縫參數(shù)對割縫篩管完井的影響

在使用平面井開采頂板時，裸眼井是最重要的井結(jié)構(gòu)方法。但是在煤層氣開采階段,裸眼段容易垮塌,造成井眼堵塞,嚴(yán)重制約著煤層氣的產(chǎn)量。通過鉆桿在煤層水平段下入塑料割縫篩管進(jìn)行完井,此種完井方式極大的提高了煤層井壁的支撐能力,并能有效解決粉煤灰堵泵事故的發(fā)生,從而大大提高了煤層氣的單井產(chǎn)量。由于割縫篩管長期處于水平井井底,地層靜壓以及由于地層塌陷產(chǎn)生的壓力均作用在割縫篩管上,在這些壓力的作用下,篩管的割縫處很容易發(fā)生變形乃至閉合,甚至在較高的壓力下篩管會發(fā)生擠毀現(xiàn)象,嚴(yán)重影響了氣體的產(chǎn)出。而合理的篩管參數(shù)設(shè)計則可以有效的提高割縫篩管的強(qiáng)度,改善割縫周圍的應(yīng)力分布和變形,從而防止上述事故的發(fā)生。因此,本文根據(jù)篩管在地層中的受力,對篩管割縫處的應(yīng)力和變形進(jìn)行了理論分析。并利用有限元軟件Ansys,系統(tǒng)模擬分析了割縫的縫長、縫寬、縫密度以及割縫相位角等參數(shù)對割縫篩管強(qiáng)度和割縫處應(yīng)力分布及變形的影響,以獲得割縫篩管的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。1元模型的構(gòu)建1.1建立三維模型由于割縫的存在,割縫篩管形狀不一定對稱。因此在建模時必須建立三維實體模型才能反映割縫篩管的力學(xué)特性?？紤]到尺寸效應(yīng)的影響,在建立模型時應(yīng)該使徑長比小于八分之一。并假設(shè)割縫篩管的材料為各向同性。1.2泊松比和屈服強(qiáng)度篩管材料為PE100,通過實驗得出材料彈性模量為300MPa,泊松比為0.42,屈服強(qiáng)度為25MPa。以篩管長度為0.4m,外徑50.8mm,壁厚4.8mm為例,針對不同縫寬、縫長、縫密度和割縫相位角建立有限元模型進(jìn)行研究。1.3篩管網(wǎng)格局部加密模型采用SOLID45單元,對模型進(jìn)行自主網(wǎng)格劃分。然后對割縫處的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密,以對割縫周圍進(jìn)行更為詳細(xì)的應(yīng)力及變形分析。對割縫篩管兩端節(jié)點(diǎn)施加固定位移約束,即在篩管兩端ux,uy,uz=0。在割縫篩管外表面施加均勻載荷4MPa,內(nèi)表面施加均勻載荷2MPa。2計算結(jié)果表明的處理2.1篩管抗擠壓強(qiáng)度的定義室內(nèi)模擬實驗表明,篩管在外壓作用下的變形,在相當(dāng)大的范圍內(nèi)是一個漸變過程,不存在篩管失穩(wěn)破壞的臨界點(diǎn)。因此,這里定義篩管某一點(diǎn)最大應(yīng)力開始達(dá)到材料的屈服極限時篩管所受的外壓為篩管的抗擠壓強(qiáng)度。為了便于對不同割縫參數(shù)下的抗擠壓強(qiáng)度與無割縫的抗擠壓強(qiáng)度進(jìn)行比較,定義,其含義是有割縫時篩管的抗擠壓強(qiáng)度與無割縫時篩管的抗擠壓強(qiáng)度比。運(yùn)用Ansys對不同縫寬、縫長、縫密度以及割縫相位角下篩管的抗擠壓強(qiáng)度比進(jìn)行模擬計算,如下所述。2.1.1縫寬變化的影響取縫長33mm,縫密度24個/m,布縫方式為相位角90°,縫寬分別為6mm,7mm,8mm,9mm,10mm,模擬縫寬變化對割縫篩管抗擠壓強(qiáng)度的影響,見圖1。從圖中可以看出,割縫篩管的抗外擠強(qiáng)度比無割縫實體管的抗外擠強(qiáng)度明顯降低;而縫寬變化對割縫篩管抗外擠強(qiáng)度的影響很小,因而可盡量選擇較大的縫寬,以提高篩管的過流面積。2.1.2縫寬變化對割縫篩管抗擠壓強(qiáng)度的影響取縫寬10mm,縫密度24個/m,布縫方式為相位角60°,縫長分別為20mm,25mm,30mm,35mm,40mm,模擬縫寬變化對割縫篩管抗擠壓強(qiáng)度的影響,見圖2。從圖中可以看出,隨著縫長的增加,篩管強(qiáng)度明顯減小,因而不宜使用過大的縫長。2.1.3縫密度變化對割縫篩管抗擠壓強(qiáng)度的影響取縫長30mm,縫寬10mm,布縫方式為相位角60°,縫密度分別為16個/m,20個/m,24個/m,28個/m,32個/m,模擬縫密度變化對割縫篩管抗擠壓強(qiáng)度的影響,見圖3。從圖中可以看出,隨著縫密度的增大,篩管強(qiáng)度略有增加,因而在允許的范圍內(nèi),可以使用較大的縫密度。2.1.4割縫相位角的影響取縫長33mm,縫寬10mm,縫密度24個/m,割縫相位角分別為30°,45°,60°,90°,模擬割縫相位角變化對割縫篩管抗擠壓強(qiáng)度的影響,見圖4。從圖中可以看出,隨著割縫相位角的增大,篩管強(qiáng)度逐漸變小,因而應(yīng)盡量使用較小的相位角。2.2割縫篩管的設(shè)計參數(shù)在應(yīng)用割縫篩管的生產(chǎn)過程中,由于割縫篩管長期處于井底,地層靜壓以及由于地層坍塌產(chǎn)生的壓力均作用在割縫篩管上,在篩管擠毀之前,割縫處首先發(fā)生變形,逐漸導(dǎo)致割縫的寬度變小甚至閉合。割縫寬度的減小會導(dǎo)致大量煤粉在割縫處堆積,從而堵塞煤層氣運(yùn)移的通道;割縫的閉合會降低篩管的過流面積,使煤層氣的產(chǎn)量降低,甚至氣體無法進(jìn)入篩管。而且,割縫寬度的減小將導(dǎo)致篩管內(nèi)壓與外壓的抗衡作用減弱,從而加劇外擠壓力增大時所產(chǎn)生的應(yīng)力,當(dāng)外擠壓力達(dá)到篩管的抗擠壓強(qiáng)度時,篩管發(fā)生屈服,篩管割縫處首先發(fā)生破壞,導(dǎo)致割縫篩管失效。因而,在外擠壓力下割縫周圍的應(yīng)力分布及割縫縫寬的變形程度也是衡量篩管設(shè)計好壞的重要參考之一,這里采用割縫周圍的點(diǎn)在外壓下的周向上的位移來反映割縫縫寬的變形程度。傳統(tǒng)的割縫篩管設(shè)計只是考慮了不同參數(shù)對篩管整體抗擠壓強(qiáng)度的影響,未見有對割縫處的應(yīng)力分布和變形進(jìn)行的分析。因此,筆者分析了不同設(shè)計參數(shù)對割縫處的應(yīng)力及縫寬變形程度的影響,以對割縫篩管的設(shè)計起到指導(dǎo)作用。在割縫篩管外表面施加4MPa均勻壓力,從圖5可以看出,割縫兩端發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象;而割縫中部最容易發(fā)生變形,位移變化較大,縫寬減小,甚至發(fā)生閉合現(xiàn)象。為詳細(xì)研究割縫周邊的應(yīng)力分布及變形,將割縫沿長度方向分為若干等分的點(diǎn),加上割縫的兩個端點(diǎn),研究在每個點(diǎn)上的應(yīng)力及周向變形。2.2.1縫寬變化對割縫處應(yīng)力及周向變形的影響取縫長33mm,縫密度24個/m,布縫方式為相位角90°,縫寬分別為6,7,8,9,10mm,分別建模,進(jìn)行Ansys應(yīng)力分析,得到縫寬變化對割縫處應(yīng)力及周向變形的影響,如圖6及圖7所示。從圖中可以看出,縫寬變化對沿割縫方向上的點(diǎn)的應(yīng)力及周向變形位移影響均很小,因而在篩管設(shè)計時可忽略縫寬對強(qiáng)度的影響,從增大篩管過流面積的角度考慮,可使用較大的縫寬,選為10mm。2.2.2割縫縫寬及周向變形的影響取縫寬10mm,縫密度24個/m,布縫方式為相位角60°,縫長分別為20mm,25mm,30mm,35mm,40mm,分別建模,進(jìn)行Ansys應(yīng)力分析,得到割縫相位角變化對割縫處應(yīng)力及周向變形的影響,如圖8-9所示。從圖8可以看出,縫長的變化對割縫周圍的應(yīng)力分布影響較大:縫長越大,割縫周圍的應(yīng)力值越大,而且沿割縫周圍的應(yīng)力分布越不均勻,即割縫中部與割縫兩端的應(yīng)力差值越大,應(yīng)力集中現(xiàn)象越嚴(yán)重,說明小的縫長可以改善割縫周圍的應(yīng)力分布。從圖9可以看出,縫長越大,沿割縫方向上的點(diǎn)的周向位移越大,因而割縫縫寬變形程度越大;在縫長為40mm時,割縫中部的周向位移已經(jīng)大于5mm,這時割縫已經(jīng)閉合,割縫篩管已經(jīng)失效。因此,在進(jìn)行割縫篩管的設(shè)計時,應(yīng)盡量使用較小的縫長,但從長寬比以及過流面積綜合考慮,縫長也不宜過小,建議選在30mm最為適宜。2.2.3割縫相位角變化60°,縫密度分別為16個/m,20個/m,24個/m,28個/m,32個/m,分別建模,進(jìn)行Ansys應(yīng)力分析,得到割縫相位角變化對割縫處應(yīng)力及周向變形位移的影響,如圖10-11示。從圖10及圖11可以看出,在考察的縫密度范圍內(nèi),隨著縫密度的增大,割縫處的應(yīng)力及周向變形位移略有降低,說明割縫寬度的變形程度也在降低,因而在割縫篩管設(shè)計時,在一定范圍內(nèi)可使用較大縫密度的割縫,考慮到過流面積一般控制在2%～6%范圍之內(nèi),縫密度值可取為28～32個/m。2.2.4割縫相位角的影響取縫長33mm,縫寬10mm,縫密度24個/m,割縫相位角分別為30°,45°,60°,90°,分別建模,進(jìn)行應(yīng)力分析,得到割縫相位角變化對割縫處應(yīng)力及周向變形的影響,如圖12-13示。從圖12和圖13可以看出,隨著相位角的增大,割縫周圍的應(yīng)力和周向變形位移均有一定程度的增大,因而割縫縫寬的變形程度增大。在篩管設(shè)計時應(yīng)盡量使用較小的相位角,如30°或45°。3縫密度和相位角的影響(1)在其他參數(shù)不變的條件下,縫寬的改變對割縫篩管的抗擠壓強(qiáng)度、割縫周圍的應(yīng)力分布及周向變形位移影響均很小,考慮到提高篩管的過流面積,應(yīng)盡量使用較大的縫寬,可選為10mm。(2)在一定范圍內(nèi),縫密度增加使割縫篩管的抗擠壓強(qiáng)度略有增加,且使割縫周圍的應(yīng)力及周向變形位移均降低,因而割縫變形程度降低,設(shè)計時可適當(dāng)選擇較大的縫密度,結(jié)合過流面積的要求,縫密度可選28～32個/m。(3)割