[发明专利]钻井套管的剪切变形力有限元计算方法

摘要

本发明提供一种钻井套管的剪切变形力有限元计算方法，该方法是基于有限元软件模拟由于地层的错动导致钻井套管发生剪切变形的计算，该方法包括有11个步骤。本发明的效果是通过钻井套管的剪切变形力有限元计算方法，能够精确的模拟出套管在井下受到地层错动力的作用时管体的形貌，以及管体所能承受的最大剪切错动力的大小。通过有限元计算可大幅度降低进行钻井固井套管剪切试验的成本。本发明计算的剪切力结果与实物试验进行了对比，误差在5％以内，本发明的计算结果对套管管串设计有重要的指导意义。

主权项

1.一种钻井套管的剪切变形力有限元计算方法，该方法是基于有限元软件模拟由于地层的错动导致钻井套管发生剪切变形的计算，其特征是：该方法包括以下步骤：/n1)通过有限元软件作图建立钻井套管的三维薄壁圆筒几何模型，该薄壁圆筒的外径是钻井套管的外径D，壁厚为套管的壁厚t，该薄壁圆筒长度L为1000mm；/n2)通过有限元软件在上述薄壁圆筒几何模型的管体总长对称位置建立两个剪切环的三维薄壁圆筒几何模型，剪切环的内径dj与管体外径D相同，剪切环的外径Dj大于管体外径D，剪切环的长度s为20～60mm，两个剪切环的距离a为127mm；/n3)所述套管为碳钢或低合金钢材质，在有限元软件中根据材料的特性设置所述套管的弹性模量、应力应变曲线、泊松比、材料密度的性能；/n4)设置两个剪切环为刚体，即在任何情况下都不发生任何变形；/n5)在有限元软件中，在计算前需要设置的加载过程为单个或多个步骤即分析步，设定钻井套管的剪切变形为准静态，设置分析步的形式为动态隐式分析，计算时间为1秒，迭代时长0.01秒；/n6)对所建立的套管三维薄壁圆筒的几何模型进行网格划分，网格划分的方式是先设置种子点，后进行有限元软件的自动划分网格，在壁厚方向上至少划分3层网格，网格的形式为六面体单元；/n7)约束所述钻井套管两端面的径向位移为0；/n8)设置所述钻井套管的外表面与两个剪切环的内表面之间的接触形式为面-面接触；/n9)对所述两个剪切环中的一个施加径向位移，另一个质心施加大小相等方向相反的位移，位移量至少为4mm；/n10)通过有限元软件的求解器实现步骤1～9所完成的前处理步骤的运算求解，在求解时，将方程在空间上采用有限元方法离散后，变成常微分方程：F＝M(u)+C(u)+K(u)，通过动态隐式分析所用的NewMark法求解该方程，任一时刻的位移、速度、加速度都相互关联，采用迭代和求解联立方程实现求解，计算的结果将保存在后处理文件中；/n11)从步骤10)得到的计算结果中提取出管体所受的剪切力的值，并作出随着剪切环的径向位移增加的管体的剪切力值曲线，对所述曲线进行分析，剪切力的值随着剪切环的位移增加而增速减缓，之后开始有突增和突降的突变，在突变之前的最大值为所述套管能承受的剪切力最大值。/n