[发明专利]一种完井封隔器卡瓦段套管极限承载能力计算模型与方法

说明书

本发明涉及一种完井封隔器卡瓦段套管极限承载能力计算模型与方法，其特征是：包括如下步骤：1)完井封隔器卡瓦段套管力学模型求解；2)完井封隔器卡瓦段套管等效应力分析；3)完井封隔器卡瓦段套管极限承载能力计算；4)获取完井封隔器卡瓦段套管内径、壁厚、几何参数、钢材屈服强度以及完井封隔器卡瓦长度、片数、楔角、牙面半角和横向载荷系数；5)依据上述参数，根据式(29)计算模型计算完井封隔器卡瓦段套管的极限承载能力；6)根据上述完井封隔器卡瓦段套管极限承载能力的计算结果，进行完井、固井工程套管柱的弹性设计分析。它适用于高难度复杂井完井、固井工程套管柱的弹性设计分析中。

技术领域

本发明涉及一种完井封隔器卡瓦段套管极限承载能力计算模型与方法，适用于高难度复杂井完井、固井工程套管柱的弹性设计分析中。

背景技术

完井封隔器是实现非均质储层完井与封隔的关键井下工具。近年来，随着高难度复杂井井深的增加，作用在井下套管和封隔器卡瓦上的载荷随之加大，封隔器卡瓦段套管的承载能力、强度及稳定性问题日益成为制约高难度复杂井生产安全的重要因素。封隔器卡瓦段套管的力学性能分析是高难度复杂井完井封隔器与套管相互作用分析的重要课题。目前，关于卡瓦内管柱的强度问题，国内外已有部分研究，基本都在径向力均布或径向位移相同的假设上进行了卡瓦内管柱的承载能力分析，但都存在一定的问题，有的是精度较差，有的是使用范围狭窄，而且最明显的问题是针对钻杆卡瓦抱紧钻杆的能力进行分析的。由于封隔器卡瓦和钻杆卡瓦的形状、材料、齿形及尺寸明显不同，所以不能直接借助以往研究结果对封隔器卡瓦段套管的承载能力问题做出较好的说明。

发明人认为在先前的研究中，利用假设载荷沿套管截面圆周均匀分布的厚壁筒理论拉梅公式来求解所提出的问题并不完全正确，因为这不符合封隔器卡瓦片工作时套管表面的载荷分布情况。因此，需要考虑更多因素来修正卡瓦段套管的极限承载能力计算模型，以保证应力计算的精确性而提高套管安全系数。

为此，通过系统研究，考虑封隔器卡瓦上下边缘的附加弯矩和轴向拉力的影响，根据圆柱形壳体的有矩理论，创新提出一种完井封隔器卡瓦段套管极限承载能力计算模型与方法，以供高难度复杂井完井、固井工程套管柱弹性设计分析使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能解决目前高难度复杂井完井、固井工程套管柱承载能力计算不准确和弹性设计安全系数过低的问题，以便提高完井封隔器卡瓦段套管的承载能力和安全系数。

本发明的目的是这样实现的，一种完井封隔器卡瓦段套管承载能力计算模型方法，其特征是：包括如下步骤：

1)完井封隔器卡瓦段套管力学模型求解；

2)完井封隔器卡瓦段套管等效应力分析；

3)完井封隔器卡瓦段套管极限承载能力计算；

4)获取完井封隔器卡瓦段套管内径、壁厚、几何参数、钢材屈服强度以及完井封隔器卡瓦长度、片数、楔角、牙面半角和横向载荷系数；

5)依据上述参数，根据式(29)计算模型计算完井封隔器卡瓦段套管的极限承载能力；

6)根据上述完井封隔器卡瓦段套管极限承载能力的计算结果，进行完井、固井工程套管柱的弹性设计分析。

所述的完井封隔器卡瓦段套管力学模型求解包括:

101)，依据如下公式计算卡瓦牙面形状的完井封隔器卡瓦与套管内壁均匀接触的径向压力：

式中，Q—完井封隔器的轴向载荷，KN；l—卡瓦长度，m；n—卡瓦片数；β_k—卡瓦牙面的半角；d_c—套管内径，m；K—横向载荷系数；

102)，根据圆柱形壳体的有矩理论，在径向均布内压p_r和轴向载荷Q作用下完井封隔器卡瓦段套管的基本变形微分方程为：