深井复杂载荷下射孔套管应力集中的精细化解析模型研究

针对深井射孔套管在复杂载荷下的应力集中问题，研究人员基于弹性理论构建了等效应力分布的解析模型，结合有限元分析(FEA)验证，揭示了射孔边缘周向与径向应力集中效应。结果表明，射孔区最大等效应力可达完整套管的3倍以上，且峰值应力沿轴向分布。该模型兼具计算高效性与预测精度，为优化射孔参数与套管设计提供了理论支撑。

　　

在深部油气开采领域，套管作为井筒的核心力学屏障，其完整性直接关乎生产安全与效率。然而，射孔作业引发的应力集中现象长期威胁套管强度，成为导致失效的关键诱因。统计显示，全球范围内1.9%-75%的井筒失效案例与套管损伤相关，如塔里木油田26口井钻井期即发生套管挤毁，四川页岩气区块30口水平井出现变形。更严峻的是，高压高温(HPHT)储层中，地层压力波动与热膨胀等多因素耦合作用，进一步加剧了射孔边缘的应力集中效应。传统评估方法依赖理想化假设的线性弹性理论或计算昂贵的有限元分析(FEA)，难以兼顾精度与效率。为此，西南石油大学的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表研究，提出了一种融合弹性理论与FEA验证的精细化解析模型。

研究采用理论建模与数值验证相结合的技术路径：首先基于弹性力学推导射孔周边应力场解析解，继而通过FEA模拟实际井（如X3、X5、X13井）的复杂载荷工况（轴向/径向/周向应力耦合），对比优化模型参数。样本数据来源于塔里木等高压气田的现场实测与实验室测试。

Development of an analytical model for perforated casing stress
通过弹性理论构建的解析模型，首次实现了射孔边缘等效应力分布的量化表征。模型将套管简化为厚壁圆筒，考虑内压、外压及轴向载荷的联合作用，推导出周向应力σ_θ与径向应力σ_r的显式表达式。关键突破在于引入应力修正系数，准确捕捉射孔几何参数（孔径/孔密）对局部应力梯度的影响。

Numerical model for comparison
基于ABAQUS软件建立三维FEA模型，模拟射孔套管在非均匀地层压力下的力学响应。对比显示，解析模型在射孔边缘应力集中区的预测误差<8%，且计算耗时仅为FEA的1/20。特别在网格受限条件下，解析解仍保持稳定性，而FEA结果易出现应力奇异性。

Optimization of the analytical model to improve accuracy
针对模型在套管内外表面出现的偏差，研究发现非对称载荷分布是主因。通过引入压力梯度修正项，使X5井案例的预测精度提升至94.3%，证实模型对复杂边界条件的适应性。

Conclusions
该研究证实：射孔区最大等效应力可达完整套管的3.2倍，且峰值应力沿轴向分布；修正后的解析模型相较FEA节省95%计算资源，适用于现场快速评估；周向应力集中系数(SCF)与射孔直径呈指数关系，为孔径优化提供量化依据。

Limitations and Prospects
当前模型未考虑材料塑性（如屈服后应力重分布）及非均质地层压力，未来需耦合损伤力学理论。此外，页岩气井的循环载荷疲劳效应也应纳入模型拓展方向。

这项研究为深井套管设计提供了革命性工具：工程师可快速预判射孔方案的应力风险，避免传统"试错法"的高成本。模型已应用于四川盆地某超深气井的射孔优化，使套管失效概率降低42%。该成果对保障我国深层油气资源安全开采具有重要战略意义。