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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(duì)安全施工都是至關(guān)重要的。為此，對(duì)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(píng)定提供理論依據(jù)。
選取整個(gè)射孔管柱為研究對(duì)象，井眼軸線(xiàn)為一條任意曲率的空間螺旋線(xiàn)，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(lái)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(xiàn)與井眼軸線(xiàn)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(dòng)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(duì)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(xiàn)性力學(xué)問(wèn)題，采用非線(xiàn)性有限元理論來(lái)解決。用一般有限元法把射孔管柱沿軸線(xiàn)離散為若干個(gè)空間梁?jiǎn)卧�，然后在射孔管柱的每個(gè)梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)處設(shè)置一個(gè)多向接觸摩擦間隙元，通過(guò)該間隙元使管柱和井壁結(jié)合起來(lái)形成一個(gè)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)下利用間隙元理論能方便地計(jì)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(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際狀態(tài)，提高計(jì)算精度。射孔管柱每個(gè)梁?jiǎn)卧寄芰谐鲆粋�(gè)單元平衡方程，將所有單元的平衡方程經(jīng)過(guò)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(mǎn)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(duì)射孔管柱應(yīng)力強(qiáng)度的影響，也對(duì)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(jì)算，計(jì)算工況為4種，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可見(jiàn)，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(shí)，應(yīng)力會(huì)很快衰減，不會(huì)出現(xiàn)斷裂事故。其他工況各部件都滿(mǎn)足強(qiáng)度條件。因此，對(duì)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(shí)，對(duì)該射孔管柱可以安全完成射孔作業(yè)過(guò)程。但井身曲率半徑R<50 m時(shí)，不滿(mǎn)足強(qiáng)度條件，該射孔管柱不能用于射孔作業(yè)。
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