注水泥过程中单固井胶塞力学性能数值模拟

马德成

(大庆钻探工程公司 钻井生产技术服务一公司，黑龙江 大庆 163413)①



注水泥过程中单固井胶塞力学性能数值模拟

马德成

(大庆钻探工程公司 钻井生产技术服务一公司，黑龙江 大庆 163413)①

为降低水泥浆受污染程度，提高钻井效率及固井质量，研制了新型单固井胶塞。利用有限元分析软件，对固井胶塞下入套管过程中的Von Mises应力和接触应力进行数值模拟，分析了固井胶塞的隔离效果和刮削能力。研究结果表明：新研制固井胶塞的Von Mises应力最大值为14.8 MPa，低于橡胶的最低抗拉强度，不会发生“皮碗脱落”失效现象；固井胶塞与套管间的接触应力最大值为2.12 MPa，具有良好的隔离效果和刮削能力。

固井胶塞；应力；数值模拟

单胶塞固井作业相当于尾管固井，尾管悬挂器成功坐挂于上层套管后，开始进行注水泥固井作业；注水泥作业结束后投入钻杆胶塞，使之与尾管胶塞复合后实现碰压，剪断尾管胶塞与胶塞短节连接的剪钉后继续替浆；当组合钻杆胶塞和尾管胶塞与尾管胶塞锁紧座复合后，实现碰压，固井结束[1]。

目前，关于固井胶塞的研究主要集中于注水泥过程中的力学分析和胶塞失效机理的试验研究[2-3]；关于固井胶塞的隔离效果、刮削能力及皮碗脱落等问题的研究尚未见报道。本文利用有限元软件，对固井胶塞下入套管过程中的Von Mises应力和接触应力进行数值模拟研究，定量分析固井胶塞的隔离效果和刮削能力，并判断固井胶塞下入过程中是否会发生“皮碗脱落”失效现象，为固井胶塞的使用和研制提供理论依据。

1　橡胶的本构模型

由于固井胶塞的主体材料是橡胶，属于超弹性介质，在很小的作用力下就会产生很大的变形。因此，在进行数值模拟研究时，应选择超弹性本构模型进行分析。诸多文献表明：当只用来分析单轴拉伸试验数据时，Yeoh模型适合各种不同的变形方式，减少了试验的需求条件。

Yeoh模型应变能密度函数为

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

式中：C10、C20、C30为应变能密度函数中的系数，由材料试验确定；I1、I2、I3为格林变形张量的3个不变量；λ1、λ2、λ3为3个主伸长率。

2　固井胶塞有限元模型

2.1几何模型

新型单固井胶塞结构如图1所示。

图1　单固井胶塞结构

由于固井胶塞下入套管过程中，胶塞和套管均关于中心轴对称，因此，可将模型简化为轴对称结构，如图2所示。

图2　单固井胶塞几何模型

2.2定义物理参数

通过室内试验，测试了固井胶塞橡胶材料在常温下的单轴拉伸试验数据，并对测试数据进行拟合计算，可得橡胶材料本构模型中的系数C10为2 803 600 Pa，C20为-5 392 000 Pa，C30为7 227 600 Pa，泊松比为0.47。套管和胶塞芯体均为钢铁材料，弹性模量为200 GPa，泊松比为0.29。

2.3网格划分

一般情况下，网格划分越细，计算结果越精确，同时运算时间也越长。由于建立的模型中套管的长宽比太大，因此，本文采用映射的网格划分方法，在获得较为准确计算结果的同时节省运算时间。

2.4边界条件

设置套管为固定约束，固井胶塞在轴向上的指定位移为h(h为0～井深范围内变化)。在固井胶塞下入套管过程中，胶塞的5个皮碗与套管内壁均有接触，分别设置胶塞的每个皮碗与套管内壁为接触对，其摩擦因数为0.3。

3　计算结果分析

3.1Von Mises应力分布

数值模拟固井胶塞下入套管过程中的Von Mises应力分布，如图3。依据第四强度理论，判断其在下入过程中是否会发生“皮碗脱落”现象。

图3　固井胶塞下入套管过程中胶塞Von Mises应力分布云图

由图3可以看出，固井胶塞下入套管过程中，Von Mises应力最大值发生在下部4个皮碗的肩部，达到14.8 MPa，为皮碗最易发生损伤或撕裂的部位。根据SY/T 5394―2004《固井水泥头及常规固井胶塞》标准可知，新型固井胶塞的Von Mises应力最大值小于标准要求的橡胶最低抗拉强度20 MPa，下入套管过程中不会发生“皮碗脱落”失效现象。

3.2接触应力分析

对5个接触对间的接触应力进行数值模拟，计算5个皮碗与套管间的接触应力，并提取不同接触距离时的接触应力，定量分析固井胶塞的隔离效果和刮削能力(如图4)。

由图4可知，固井胶塞的5个皮碗与套管间的接触应力最大值出现在下部第3个皮碗，达到2.12 MPa，满足SY/T 5394―2004《固井水泥头及常规固井胶塞》要求的固井胶塞清水静压穿透压力保持在1.0～2.0 MPa，具有良好的隔离效果和刮削能力。每个接触对中，接触应力最大值出现在皮碗的下端，并随着接触距离增大呈线性下降的趋势。

a　第1个皮碗

b　第2个皮碗

c　第3个皮碗

d　第4个皮碗

e　第5个皮碗

3　结论

1)新研制的固井胶塞下入套管过程中，最易发生损伤或撕裂的部位为下部4个皮碗的肩部，但固井胶塞的Von Mises应力最大值小于橡胶最低抗拉强度，不会发生“皮碗脱落”失效现象。

2)固井胶塞和套管接触形成的接触对中，接触应力最大值出现在皮碗的下端，并随着接触距离增大呈线性下降的趋势。

3)固井胶塞与套管间的最大接触应力为2.12 MPa，具有良好的隔离效果和刮削能力。

[1]秦金立，苏同.国外固井胶塞研究新进展[J].石油矿场机械，2010，39(1)：39-42.

[2]姚辉前，郭朝辉，马兰荣，等.尾管固井技术中胶塞失效分析[J].石油机械，2013，41(1)：31-35.

[3]孙文俊，徐明会，徐星，等.尾管固井中胶塞复合压力预测模型研究[J].长江大学学报(自科版)，2015，12(13)：54-56.

[4]靳蕃.神经计算智能基础[M].上海：复旦大学出版社，2000.

[5]李晓芳，杨晓翔，王洪涛.封隔器胶筒接触应力的有限元分析[J].润滑与密封，2005(5)：90-92.

Numerical Simulation of Single Cementing Plug’s Mechanical Properties during Cementing Process

MA Decheng

(Service Company of Drilling and Technique of Production，DaqingDrillingandExplorationEngineeringCorporation，Daqing163413，China)

In order to reduce the degree of contamination of cement slurry，increase well drilling efficiency and cement job quality，a new type of single cementing plug was developed.In this paper，using the finite element software，Von Mises stress and contact stress cementing plug into the sleeve procedure was made under the numerical simulation study.The Von Mises stress and contact stress have been numerical simulated during the cementing plug casing running process and quantitative analysis was made for the isolating and scraping ability of cementing plug by using the finite element software.The results show that：the maximum Von Mises stress of newly developed cementing plug is 14.8 MPa，below the minimum tensile strength of the rubber will not occur“cup off” failure phenomenon；the maximum contact stress between casing and cementing plug is 2.12 MPa，and it has good isolating and scraping ability.

cementing plug；stress；numerical simulation

1001-3482(2016)10-0033-04

2016-04-07

马德成(1978-)，男，主要从事固井技术研究，E-mail：mdjmdc@163.com。

TE925.3

Bdoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.10.008