地面钻井双层套管剪切变形的应力传递特性_问小江.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 地面钻井是一种高效的瓦斯抽采技术，抽采流 量大、 浓度高， 并且不受井下巷道布置的影响， 已在 美国和澳大利亚等世界主要产煤大国得到大范围 应用[1-2]。进入 21 世纪以来， 地面钻井抽采采动卸压 瓦斯技术在我国得到快速发展，目前已在淮南、 晋 城、 铁法、 淮北和靖远等矿区开展了推广应用， 并取 得了显著的抽采效果[3-4]。在钻井抽采卸压瓦斯过程 中， 采动作用下上覆岩层运动导致的井身套管变形甚 至破断， 是影响钻井瓦斯抽采效果的主要原因[5-7]。 套管的变形主要有拉伸、压缩和剪切 3 种形式， 抽 采气流在套管剪切变形（破断） 区域流动的局部阻 力最大， 因此剪切变形是影响瓦斯抽采效果最为严 重的变形[8]。目前， 在钻井套管受力与变形方面已开 展了很多研究 [5-13]，但这些研究主要集中在单层套 管，而对于双层套管剪切变形与受力特性的研究还 较少。因此， 主要研究双层套管的剪切力学特性， 揭 示剪切变形过程中的应力传递特性，为优化井身结 构设计、 提升钻井井身稳定性提供指导。 1数值计算模型 1） 几何模型。采用双剪切模型研究双层套管的 剪切力学特性。由于双剪切模型为轴对称模型， 因 此仅建立 1/4 的模型开展数值模拟。双剪切模型示 意图如图 1。外层套管和内层套管的几何尺寸分别 为 φ60 mm7 mm 和 φ32 mm5 mm， 内、 外层套管 之间的环空间距为 7 mm。此外，支架部分长度为 240 mm， 压头长度为 120 mm。 2） 材料模型。在数值模型中， 共设置 3 种材料， 分别称为材料 1、 材料 2、 材料 3。其中， 材料 1 为刚 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.038 地面钻井双层套管剪切变形的应力传递特性 问小江， 谭东升， 王熙， 刘应科 （中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116） 摘要 针对采动条件下钻井井身易失稳破断的难题， 采用数值模拟的方法， 研究了地面钻井双 层套管剪切变形过程中的应力传递特性， 结果表明 双层套管剪切变形过程中， 外层套管的峰值 应力和应力集中区面积均大于内层套管； 随双层套管剪切位移增大， 应力传递系数整体呈现先 快速增大再缓慢增大的变化趋势； 此外， 随填充层厚度增大和填充材料弹性模量降低， 双层套管 的应力传递系数逐渐降低。在上述研究基础上， 提出了增大填充层厚度和选择柔性填充材料的 井身结构优化建议。 关键词 地面钻井； 双层套管； 剪切变形； 应力传递系数； 数值模拟 中图分类号 TD712文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0170-04 Stress Transfer Characteristics of Double Casing Shear Deation in Surface Borehole WEN Xiaojiang, TAN Dongsheng, WANG Xi, LIU Yingke （School of Safety Engineering, China University of Mining ＆ Technology, Xuzhou 221116, China） Abstract Aiming at the problem of failure and fracture of drilling well under mining condition, through using numerical simulation, we researched the stress transfer feature in the shear deation progress of double casing for surface drilling. Results show that the peak stress and the stress concentration area of outer casing are all bigger than the inner casing； the stress transfer coefficient presents a variation trend which increases quickly and then increases slowly； besides, the stress transfer coefficient of double casing decreases with increase of thickness of fill layer or decreases with elasticity modulus of filling material. Therefore, the structure optimization suggestion of borehole is increasing the thickness of the filling layer and selecting the flexible filling material. Key words surface borehole； double casing； shear failure； stress transfer coefficient； numerical simulation 基金项目 国家自然科学基金面上资助项目 （51774277） ； 江苏高校 “青蓝工程” 中青年学术带头人资助项目； 江苏 “六大人才高峰” 高层 次人才资助项目 （JNHB- 091） 170 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 性材料， 可认为是刚体； 材料 2、 材料 3 采用 ANSYS 内置的多线性等向强化模型 （MISO） ， 该模型采用等 向强化 Von Mises 屈服准则，能够用于金属塑性大 应变情况[14]。 压头和支架采用材料 1 进行模拟， 套管 采用材料 2 进行模拟，套管之间的填充层采用材料 3 进行模拟。材料 2 的参数参考石油套管和油管规 范确定[15]。材料 3 的参数通过单轴压缩实验得出。3 种材料的设置参数见表 1。 3） 套管屈服准则和破断模拟方法。双层套管在 剪切变形过程中，剪切区域受力非常复杂，因此应 全面考虑各个方向的应力。MISES 屈服准则能够全 面综合的反应各个应力对套管屈服状态的影响。因 此， 选择 MISES 屈服准则。此外， 为了简化计算过 程，让计算结果更容易收敛，模拟套管断裂的方法 是当套管剪切面处的应力全部达到极限应力 （800 MPa） 时， 外层套管和内层套管剪切面处的应力均大 于 800 MPa，认为套管发生断裂；此时利用 ANSYS 生死单元技术杀死剪切面处的绑定单元，从而模拟 套管断裂。外层套管和内层套管断裂判断标准如图 2。 图中 MX 和 MN 分别表示套管最大和最小应力值 的位置。 2双层套管应力传递特性 2.1套管剪切变形区应力分布 当剪切位移分别为 1.09、 3.1、 5.2 mm 时，双层 套管剪切面处应力云图如图 3，内外层套管轴向应 力的变化云图如图 4。 由图 3 和图 4 可看出， 随剪切 位移逐渐增大， 内、 外层套管剪切面区域的应力也逐 渐增大。内、外层套管首先在内壁中间处出现应力 集中； 随套管剪切变形量增大， 应力集中区的面积不 断增大。外层套管的应力集中区呈条带状分布， 而 内层套管应力集中区呈椭圆形分布。由图 3 和图 4 还可知，在剪切位移相同时，外层套管的峰值应力 始终大于内层套管的峰值应力；此外，若以内层套 管的峰值应力为标准划分内、外层套管的应力集中 区，则外层套管的应力集中区面积始终大于内层套 管应力集中区面积。因此，在双层套管剪切变形过 程中， 与内层套管相比， 外层套管的峰值应力和应力 集中区面积均较大。由上述分析可知，在双层套管 承受剪切作用时，应力并未完全从外层套管传递到 内层套管，而是在传递过程中发生了一定程度的应 力衰减。 2.2双层套管的应力传递系数及其变化特性 当双层套管承受剪切作用时，应力从外层套管 图 1双剪切模型示意图 表 1材料设置参数 图 2外层套管和内层套管断裂判断标准 图 3剪切面处应力云图 材料 弹性模量/ GPa 泊松比 屈服强度/ MPa 极限强度/ MPa 材料 1 材料 2 材料 3 210.00 200.00 1.15 0.3 0.3 0.1 680 65 800 75 171 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 向内层套管传递过程中发生了一定程度的衰减， 使 得内层套管的峰值应力和应力集中区面积均小于外 层套管。为量化双层套管的应力衰减程度，综合考 虑外层、内层套管的峰值应力和应力集中区面积， 定义了内外层套管应力传递系数 λ， 其计算公式为 λ pnSn pwSw （1） 式中 pn、 pw分别为内层套管和外层套管的峰值 应力， MPa； Sn、 Sw分别为内层套管和外层套管应力 集中区面积， m2。 Sn、 Sw的取值方法为 以内层套管的峰值应力 pn 为标准，内层套管和外层套管上等于或大于的区域 面积即分别为 Sn和 Sw。应力传递系数越大， 说明内 层套管和外层套管的受力情况越接近。 双层套管的剪切位移分别是 1.09、 2.16、 3.1、 4.5、 5.2、 7 mm 时， 应力传递系数与剪切位移的关系如图 5。由图 5 可看出， 虽然应力传递系数呈现了一定的 波动， 但整体而言， 随着剪切变形量的增大， 双层套 管的应力传递系数呈现先快速增大再缓慢增大的变 化趋势； 二者之间基本呈现对数函数的变化关系。 2.3应力传递系数的影响因素分析 外层套管是通过填充层向内层套管传递应力 的。在双层套管剪切变形过程中，填充层也发生了 一定程度的变形，从而导致应力传递过程中出现衰 减。因此，双层套管的应力传递系数主要受填充层 的影响。为此，研究了填充层的厚度和填充材料弹 性模量对应力传递系数的影响规律。 在内层套管相同条件下， 具有不同填充层厚度的 双层套管在剪切位移均为 6 mm 时，应力传递系数 与填充物厚度的关系如图 6。在双层套管和填充层 厚度相同条件下 （填充层厚度为 7 mm） ， 填充材料 为不同弹性模量的双层套管在剪切位移均为 6 mm 时， 应力传递系数与填充物弹性模量的关系如图 7。 由图 6 和图 7 可看出 填充材料的几何参数 （厚 度） 和力学参数 （弹性模量） 均对双层套管的应力传 递系数具有显著的影响； 随着填充层厚度的增大， 双 层套管的应力传递系数降低，基本呈现线性降低的 变化关系； 说明双层套管之间的填充材料越多， 其变 形能力越强，因此使应力从外层套管向内层套管传 递过程中的衰减越大；随着填充材料弹性模量的增 大，应力传递系数基本呈现对数形式增大；说明填 图 5应力传递系数与剪切位移的关系 图 6应力传递系数与填充物厚度的关系 图 7应力传递系数与填充物弹性模量的关系 图 4内外层套管轴向应力的变化云图 172 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 充材料在变形过程中产生的力越大，导致应力从外 层套管向内层套管传递过程中的衰减越小。 3井身结构优化建议 地面钻井抽采采动卸压瓦斯时，内层套管是卸 压瓦斯从井下向地面流动的通道。因此，应尽量减 小钻井围岩运动过程中内层套管的剪切变形量， 以 降低采动作用对钻井瓦斯抽采的影响。 减小内层套管的剪切变形量，必须减小内层套 管承受的剪切应力。因此，在岩层运动相同的条件 下，即外管承受的剪切应力相同情况下，降低双层 套管的应力传递系数，是减小内层套管剪切变形 量、降低岩层运动对内层套管的影响、从而提升井 身稳定性的主要方法。由前述分析可知，增大填充 层的厚度即增大内层套管和外层套管的环空间距， 可以有效降低双层套管的应力传递系数，因此能够 提升钻井井身的稳定性。此外，在填充材料的选择 方面， 应尽量选择柔软的填充材料， 如沥青等， 也可 以减小内层套管所承受的剪切应力，从而降低内层 套管发生剪切破坏的概率， 延长钻井的服务周期。 4结论 1） 随双层套管剪切变形量增大， 内、 外层套管的 应力和应力集中区面积逐渐增大。外层套管的应力 集中区呈条带状分布，而内层套管应力集中区呈椭 圆形分布。 2 ） 在双层套管剪切变形过程中， 外层套管的峰 值应力和应力集中区面积均大于内层套管，其主要 原因是填充层发生的变形导致了应力传递过程中出 现衰减。 3） 随双层套管剪切位移增大， 应力传递系数整 体呈现先快速增大再缓慢增大的变化趋势；此外， 随填充层厚度增大，双层套管的应力传递系数降低， 基本呈现线性降低的变化关系；随填充材料弹性模 量增大， 应力传递系数基本呈现对数形式增大。 4） 增大填充层的厚度和选择柔性填充材料， 可 以有效降低双层套管的应力传递系数，因此能够提 升钻井井身的稳定性。 参考文献 ［1］Maksirnovic S D, Kissell F N. Three Coal Mine Gob Degasification Studies Using Surface Boreholes and a Bleeder System-RI 8459 ［R］ . Pittsburgh Pa U.s.depart－ ment of the Interior Bureau of Mines Ri, 1980. ［2］ 申宝宏， 刘见中， 张泓．我国煤矿瓦斯治理的技术对策 ［J］ ．煤炭学报， 2007， 32 （7） 673－679． ［3］ 程远平， 付建华， 俞启香．中国煤矿瓦斯抽采技术的发 展 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2009， 26 （2） 127－139． ［4］ 袁亮， 郭华， 李平， 等．大直径地面钻井采空区采动区 瓦斯抽采理论与技术 ［J］ ．煤炭学报， 2013， 38 （1） 1. ［5］ 孙海涛， 郑颖人， 胡千庭， 等．地面钻井套管耦合变形 作用机理 ［J］ ．煤炭学报， 2011， 36 （5） 823－829． ［6］ 孙海涛， 林府进， 张军．地面钻井剪切变形破坏模型及 其空间规律分析 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2011， 28 （1） 72－76． ［7］ 沈健， 金洪伟， 许家林．岩层移动对瓦斯抽放钻孔的破 坏研究 ［J］ ．煤矿安全， 2010， 41 （3） 1－4． ［8］ Yingke Liu, Lipeng Chang, Fubao Zhou, et al． Numeri－ cal modeling of gas flow in deed well casing for the prediction of local resistance coefficients pertinent to－ longwall mining and its engineering uation ［J］ ． En－ vironmental Earth Sciences, 2017, 76 （20） 686． ［9］ 徐宏杰， 桑树勋， 韩家章， 等．岩体结构与地面瓦斯抽 采井稳定性的关系 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2011， 28 （1） 90－95． ［10］ 苏海， 刘应科， 何宇雄， 等．大直径地面钻井井身稳定 特性分析及工程控制 ［J］ ．煤矿安全， 2015， 46 （11） 189－192． ［11］ 刘绘新， 严仁俊， 王子平．非均布载荷下套管强度问 题研究 ［J］ ．钻采工艺， 2001， 24 （4） 47－48． ［12］ 刘扬， 何秀清， 王彦兴．井下套管弯曲变形的数值模 拟 ［J］ ．大庆石油学院学报， 2005， 29 （5） 35－37． ［13］ 练章华， 刘干， 唐波， 等．塑性流动地层套管破坏的有 限元分析 ［J］ ．天然气工业， 2002， 22 （6） 56－58． ［14］ 王新敏．ANSYS 工程结构数值分析 ［M］ ．北京 人民 交通出版社， 2007 449． ［15］ Lyons C W． Standard handbook of petroleum and nat－ ural gas engineering［M］ ． Houston GulfPublishing Company, 1996． 作者简介 问小江 （1996） ， 男， 山西吕梁人， 中国矿业 大学在读硕士研究生， 主要从事煤矿瓦斯的地面开发研究。 （收稿日期 2019-01-18； 责任编辑 王福厚） 173 ChaoXing