超深井卡瓦悬挂器套管力学强度有限元分析.pdf

钻井技术与装备超深井卡瓦悬挂器套管力学强度有限元分析练章华1 万智勇1 吴彦先2 史君林1 赵朝阳1(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室 2.中国石油新疆油田分公司工程技术研究院)练章华,万智勇,吴彦先,等.超深井卡瓦悬挂器套管力学强度有限元分析 J.石油机械,2023,51(9):1-8.Lian Zhanghua,Wan Zhiyong,Wu Yanxian,et al.Finite element analysis on mechanical strength of casing at slip hanger in ultra-deep wells J.China Petroleum Machinery,2023,51(9):1-8.摘要:针对新疆某油田超深井在更换密封件提起采油四通时,发现井口悬挂器卡瓦夹持处套管断裂的问题,结合现场 X1 井使用的 232.5 mm W 型卡瓦悬挂器结构,建立了悬挂器坐挂-卡瓦夹持套管的三维有限元模型。根据第四强度理论推导出卡瓦效应的套管极限载荷计算公式,并通过有限元计算得到了理论公式的修正系数为 0.913,同时得到在套管坐挂时,X1 井卡瓦效应的套管极限载荷为 6 400 kN。有限元计算结果表明:卡瓦部分套管上的应力呈现非均匀分布,尤其是套管外壁非均匀程度较严重,且外壁牙痕上的应力集中是套管损伤、裂纹起裂和断裂的主要原因;如果存在较高的环空压力,在卡瓦部分或过渡区套管均有可能发生断裂失效破坏。建议选择无齿痕的卡瓦夹持套管,或者采用全金属密封的心轴式悬挂器,避免卡瓦悬挂器造成套管损伤破坏。研究方法和成果可为深井超深井卡瓦悬挂器套管的安全评价提供理论指导。关键词:超深井;W 型卡瓦悬挂器;极限载荷;断裂失效;应力集中;有限元模拟中图分类号:TE921 文献标识码:A DOI:10.16082/ki.issn.1001-4578.2023.09.001Finite Element Analysis on Mechanical Strength of Casing at Slip Hanger in Ultra-deep WellsLian Zhanghua1 Wan Zhiyong1 Wu Yanxian2 Shi Junlin1 Zhao Zhaoyang1(1.State Key Laboratory of Oil&Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University;2.Engineering Tech-nology Research Institute,PetroChina Xinjiang Oilfield Company)Abstract:In order to solve the casing failure occurred at slip clamp of wellhead hanger when lifting the oil production cross for replacing the sealing element in an oilfield in Xinjiang,combined with the 232.5 mm W type slip hanger used in Well X1,a 3D finite element model of hanger setting-slip clamping casing was built.Then,the fourth strength theory was used to derive the calculation formula of the ultimate load of casing under the slip effect,and the correction coefficient of the theoretical formula was derived as 0.913 by means of finite element cal-culation;simultaneously,the ultimate load of casing in Well X1 under the slip effect while setting the casing was derived as 6 400 kN.The finite element calculation results show that the stress on the casing at slip clamp has a non-uniform distribution,especially severe on the outer wall of the casing,and the stress concentration on the tooth marks on the outer wall is the main cause of casing damage,crack initiation and fracture;if there is a high annular pressure,the casing may fracture and fail in the slip section or transition zone.It is proposed to choose a slip without tooth marks to clamp the casing,or use a fully metal sealed mandrel hanger to avoid casing damage re-12023 年 第 51 卷 第 9 期石 油 机 械CHINA PETROLEUM MACHINERY 基金项目:国家自然科学基金项目“20202023 年极端条件下气井管柱耦联振动力学行为与控制基础理论研究”(51974271)。sulted from slip hanger.The research methods and results provide theoretical guidance for the safety evaluation of slip hanger casing in deep and ultra-deep wells.Keywords:ultra-deep well;W type slip hanger;ultimate load;fracture failure;stress concentration;fi-nite element simulation0 引 言随着深井超深井的广泛开发,大尺寸套管深井越来越多,井口坐挂载荷控制变得困难。坐挂载荷过大会导致井口下沉及卡瓦牙对套管损伤大等问题,过小可能导致套管头密封性能差等问题。若要避免这些问题,需要对井口卡瓦悬挂器与套管损伤的力学机理进行深入的理论和试验研究1-3。井口装置作为油井井筒完整性的重要一环,其承压能力及密封性能直接影响服役状况下的安全4-8,必须进行井口试压测试。在该过程中往往需要施加较高的压力,并且在套管轴向载荷以及悬挂器卡瓦夹持力等共同作用下,使得井口位置套管受到较大的复合载荷,极易造成井口管柱变形、损坏等现象,严重影响正常作业的安全9-11。目前,关于套管失效方面的研究12-17主要集中于地层深处套管在体积压裂、地层滑移等因素下的失效分析,而有关试压生产过程中井口套管柱的损伤、断裂研究相对较少。曾经有学者开展过卡瓦悬挂器套管受力问题理论研究18-20,其基本方法是采用静力学原理对井下封隔器上的卡瓦进行力学分析,得到卡瓦锚定时卡瓦牙的正应力计算公式,但是对于井口坐挂吨位或卡瓦效应的套管拉伸极限载荷方面还缺乏系统的理论研究。而将卡瓦夹持过程中对套管的径向载荷视为均匀载荷,只能得到套管内壁为塑性失效区,无法计算卡瓦牙吃入套管过程中套管外壁由于应力集中而产生的塑性破坏,并且拉梅公式解析解无法计算套管外壁由于卡瓦牙引起的应力集中,但有限元法能够解决此问题。为此,笔者将建立套管卡瓦悬挂器有限元计算的 3D模型,开展有限元仿真模拟分析,对井口卡瓦式悬挂器中套管的塑性破坏进行安全评价,以期为控制或避免套管断裂失效提供理论依据和指导,同时也为卡瓦悬挂器套管的设计、各种安全施工作业提供理论依据。1 悬挂器及套管卡瓦效应极限载荷目前国内已经多次出现井口套管断裂情况。图1 为新疆某油田超深井 X1 井口卡瓦部分高钢级155V 套管断裂照片。从井口套管断裂情况以及裂口可知,套管断裂发生在卡瓦下部,且卡瓦部分套管存在较深的牙痕,裂口还没有完全断掉是因为其发生裂纹时被卡瓦抱住,而卡瓦下部没有被卡瓦抱住的套管则掉入了井中。结合大量现场研究和分析可知,图 1 中井口套管断裂失效的主要原因是卡瓦悬挂器的卡瓦牙在套管外壁产生牙痕,导致套管在悬重作用下产生应力集中,并且在各种作业过程中产生的交变载荷同时作用于该位置,所以卡瓦下部附近套管在过大悬重载荷作用下发生套管缩径变形,在各种交变载荷作用下,发生井口套管断裂,同时也有可能是套管质量及服役环境问题,如材质、腐蚀介质、恶劣受力环境等造成的。图 1 X1 井井口卡瓦部分套管断裂照片Fig.1 Photos of casing failure at slip part of wellhead of Well X1现场使用的卡瓦式井口套管悬挂器结构如图 2所示,由卡瓦、卡瓦座、密封圈、支撑座以及四通等主要部件组成。在卡瓦式悬挂器坐挂过程中,支撑座刚好卡在四通的台阶上,卡瓦座底面通过橡胶密封环和背面与四通接触实现固定,于是在受力分析时只需要考虑套管、卡瓦和卡瓦座即可。套管头卡瓦受力如图3 所示。卡瓦咬紧套管是卡瓦与套管柱相互作用受力的过程。卡瓦刚开始咬紧套管时,其主动力来自于卡瓦与套管外壁的初始摩擦力。套管自重和下放冲击力经锥面传递、放大并反作用于卡瓦,使卡瓦2 石 油 机 械2023 年 第 51 卷 第 9 期将套管径向抱紧,直到卡瓦不能滑动为止。此时卡瓦与卡瓦座直接通过斜面接触,套管下落带动卡瓦微小下滑继续相互挤压;但由于卡瓦座位置固定不变,卡瓦牙受挤压咬入套管,产生一个巨大的挤压力 N2,从而产生足够的摩擦力,使得套管达到力学平衡。如果套管悬挂载荷继续增大,则卡瓦会由于受到更大的挤压力继续咬入套管,直到达到新的力学平衡状态。图 2 卡瓦式悬挂器结构示意图Fig.2 Schematic diagram for structure of slip-type hanger图 3 套管-卡瓦结构轴对称力学模型Fig.3 Axisymmetric mechanical model of casing-slip structure卡瓦套管悬挂器简化力学模型如图 3 所示。井口卡瓦悬挂器受到的外载荷主要有:各种作业中套管受到环空压力 p1、井筒内的生产压力 p2、夹持套管的悬重 F2,以及 F2产生的卡瓦部分外压力p3。N1为卡瓦与卡瓦座之间总法向力;N2为套管和卡瓦之间总挤压力;F1为卡瓦与卡瓦座之间总切向力;F2为套管轴向载荷(悬重);p1为套管外压,p2为套管内压;p3为 F2引起的卡瓦部分套管外壁平均压力。根据材料力学第四强度准则理论21-23,当套管内壁的 Mises 等效应力达到屈服应力 s时,根据图 3b 中的力学模型,可推导出卡瓦悬挂套管的拉伸极限载荷,即卡瓦效应拉伸极限载荷 Tks,计算模型如下:Tks=Ts21+1+2Kr2outAL()2+2Kr2outAL()2(1)Ts=sA1(2)K=1-tantan+(3)AL=2routL(4)A1=(r2out-r2in)(5)式中:Ts为无卡瓦效应时的套管轴向拉伸极限载荷,N;为摩擦因数;K 为横向载荷系数;AL为卡瓦侧向面积,mm2;A1为套管截面面积,mm2;s为套管屈服强度,MPa;为卡瓦背面半锥度,();L 为卡瓦有效