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側(cè)鉆水平井井眼尺寸小、井身曲率大、其射孔管柱直徑小、壁薄、起爆壓大。該管柱在完井套管(含大曲率段)內(nèi)的下放、上提工況中(包括爆炸工況)，其強(qiáng)度和射孔槍的強(qiáng)度對安全施工都是至關(guān)重要的。為此，對射孔管柱接觸力、摩擦力和管柱應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，為管柱強(qiáng)度和可靠性評定提供理論依據(jù)。
選取整個射孔管柱為研究對象，井眼軸線為一條任意曲率的空間螺旋線，工作中管柱與井壁發(fā)生隨機(jī)接觸，用多向接觸摩擦間隙元來描述。假設(shè)：
(1)井眼是圓形剛性(也可以是彈性)，井眼直徑隨井深可任意變化。
(2)射孔管柱是彈性體，變形前的管柱軸線與井眼軸線重合，管柱與井壁之間有初始間隙，變形后管柱與井壁之間沿井深某些位置在井眼圓周某一方向可能發(fā)生接觸，管柱在接觸點(diǎn)受到接觸反力和摩擦阻力作用。
(3)管柱結(jié)構(gòu)沿井深可以任意變化，忽略動態(tài)因素影響。載荷主要有射孔管柱的自身重力、井口的約束反力、井內(nèi)液體的浮力、在接觸點(diǎn)井壁對射孔管柱的法向反力、摩擦阻力以及爆炸壓力等。
射孔管柱力學(xué)是多向隨機(jī)非線性力學(xué)問題，采用非線性有限元理論來解決。用一般有限元法把射孔管柱沿軸線離散為若干個空間梁單元，然后在射孔管柱的每個梁單元的節(jié)點(diǎn)處設(shè)置一個多向接觸摩擦間隙元，通過該間隙元使管柱和井壁結(jié)合起來形成一個系統(tǒng)，在該系統(tǒng)下利用間隙元理論能方便地計算出射孔管柱與井壁之間有初始間隙的多向隨機(jī)接觸的接觸狀態(tài)、接觸反力及相應(yīng)接觸摩擦力，使射孔管柱的受力和變形計算結(jié)果更接近實(shí)際狀態(tài)，提高計算精度。射孔管柱每個梁單元都能列出一個單元平衡方程，將所有單元的平衡方程經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和拼裝，可以得到下部鉆具的總體平衡方程。這些量目前還是未知量，需要進(jìn)行迭代運(yùn)算，隨著迭代次數(shù)的增加，逐步收斂于準(zhǔn)確值。應(yīng)當(dāng)指出，在迭代運(yùn)算中要滿足鉆具與井壁之間的接觸狀態(tài)判定條件。
以G160側(cè)鉆水平井射孔管柱為例，比較不同的井身曲率半徑對射孔管柱應(yīng)力強(qiáng)度的影響，也對曲率半徑R為30～50 m的理想光滑井眼內(nèi)的射孔管柱進(jìn)行受力變形計算，計算工況為4種，其計算結(jié)果見表1。從表1中可見，射孔管柱在實(shí)際井眼中，只有 50.8 mm油管的上提工況，絲扣部分的最大工作應(yīng)力σ4Jmax=799.1 MPa，大于σb=703.2 MPa，但局部集中應(yīng)力允許超出屈服極限；當(dāng)遠(yuǎn)離絲扣根部時，應(yīng)力會很快衰減，不會出現(xiàn)斷裂事故。其他工況各部件都滿足強(qiáng)度條件。因此，對射孔管柱可以安全下放、上提和完成射孔作業(yè)。另外，井身曲率半徑R≥50 m時，對該射孔管柱可以安全完成射孔作業(yè)過程。但井身曲率半徑R<50 m時，不滿足強(qiáng)度條件，該射孔管柱不能用于射孔作業(yè)。
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