劉 義，張 川，蔣發(fā)光，朱 缽

(1.四川寶石機(jī)械鉆采設(shè)備有限責(zé)任公司，四川 廣漢 618300；2.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500)

套管頭連接表層套管，密封套管與套管之間的環(huán)形空間，其中的懸掛器懸掛密封井中多層套管，需滿足鉆井、固井及井下測壓、洗井、壓裂酸化等試油完井特種作業(yè)要求。套管頭由本體(殼體)、支撐環(huán)、懸掛器、密封等組成[1-3]，良好的支撐環(huán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是保證套管頭管柱懸掛系統(tǒng)安全的關(guān)鍵。目前，井深達(dá)到7 000 m的井，套管懸重可達(dá)3 000 kN，試壓壓力達(dá)140 MPa。隨著油氣開發(fā)的不斷深入，開發(fā)作業(yè)工況復(fù)雜程度越來越高，高壓、超高壓極端條件工況越來越頻繁，套管頭是保證此類井況鉆井開發(fā)的重要設(shè)施之一。井口裝置的研究主要集中在井口裝置密封、井口裝置總體結(jié)構(gòu)安全和閥件結(jié)構(gòu)安全[4-6]，對井口套管懸掛器的研究較少[7-10]。本文以7 000 m井深、懸重3 000 kN、壓力等級140 MPa支撐環(huán)式井口裝置為研究對象，通過數(shù)值模擬與理論計算，研究套管頭支撐環(huán)系統(tǒng)在不同工作壓力下的力學(xué)行為，優(yōu)化支撐環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。經(jīng)試驗(yàn)研究與現(xiàn)場應(yīng)用證實(shí)，所設(shè)計的套管頭支撐環(huán)能夠達(dá)到設(shè)計要求。

1 支撐環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軸向承載模型

支撐環(huán)式井口裝置支撐結(jié)構(gòu)主要采用懸掛器、支撐環(huán)和套管頭本體3件式結(jié)構(gòu)，支撐懸掛下部管柱，承受來自管柱的重力，如圖1a所示。受空間限制，支撐環(huán)構(gòu)件雖小，但承受的載荷大、工況復(fù)雜。支撐環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為對稱式，取平面軸對稱模型進(jìn)行研究。劃分網(wǎng)格并經(jīng)網(wǎng)格合理性驗(yàn)證后，結(jié)合裝配關(guān)系，在套管頭本體與支撐環(huán)、芯軸懸掛器和支撐環(huán)之間建立接觸副，有限元分析模型如圖1b。

1—懸掛器；2—支撐環(huán)；3—套管頭本體。

分析模型材料屬性按照本體和支撐環(huán)材料屈服強(qiáng)度取785 MPa，芯軸懸掛器材料屈服強(qiáng)度為965 MPa，2種材料泊松比取0.29。

2 斜面傾角對支撐環(huán)系統(tǒng)力學(xué)性能影響分析

支撐環(huán)結(jié)構(gòu)中，支撐環(huán)的傾角β是影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的主要因素。傾角β改變，影響傾角面、傾角面中點(diǎn)高度，過大的傾角會導(dǎo)致楔緊力過大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力過大；過小的傾角會導(dǎo)致有效支撐面不夠，引起結(jié)構(gòu)壓潰。設(shè)定傾角25～50°，研究不同傾角對支撐環(huán)系統(tǒng)力學(xué)性能的影響。

套管頭在下套管懸掛器后試壓(試壓壓力140 MPa)時密封工況最危險，同時施加3 000 kN套管懸重力，應(yīng)力分析結(jié)果如表1及圖2～ 4所示。

從圖2～4及表1可知，支撐環(huán)、本體和懸掛器3個構(gòu)件中，懸掛器的最大應(yīng)力、Pm+Pb應(yīng)力最大，如果材料與結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)，會導(dǎo)致支撐環(huán)系統(tǒng)失效。斜面傾角β對支撐環(huán)的應(yīng)力影響較大，傾角為40～46°時，支撐環(huán)最大應(yīng)力與薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力達(dá)到最?。恍泵鎯A角β變化對本體的最大應(yīng)力影響較小，對本體的薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力有一定影響；斜面傾角β變化對應(yīng)力影響最小。因此傾角β應(yīng)在40～46°取值，建議取45°，該角度下結(jié)構(gòu)向外楔緊力相對較小，且各項(xiàng)應(yīng)力小，綜合力學(xué)性能好。

表 1 不同傾角下各部件應(yīng)力

注：Pm為薄膜應(yīng)力；Pb為彎曲應(yīng)力。

圖2 試壓140 MPa、3 000 kN套管懸重、傾角β為45°等效應(yīng)力云圖

圖3 不同傾角下各部件最大應(yīng)力變化曲線

圖4 不同傾角下各部件Pm+Pb應(yīng)力變化曲線

3 支撐環(huán)系統(tǒng)優(yōu)選結(jié)構(gòu)的承載性能分析

現(xiàn)場應(yīng)用表明，套管頭裝置在試壓塞試壓工況下對支撐環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生較大軸向作用。本節(jié)研究試壓塞施加從低壓到105 MPa壓力，對套管頭結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上評價結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。取β為45°，建立支撐環(huán)系統(tǒng)分析模型如圖5a所示。在本體下部施加y向約束，試壓塞與支撐環(huán)、支撐環(huán)與本體之間的接觸面建立接觸約束，在試壓塞上施加內(nèi)壓。經(jīng)分析得到，試壓塞壓力從30 MPa到105 MPa的分析結(jié)果如表2及圖5～ 7所示。

圖5 試壓塞上端施加105 MPa壓力有限元分析結(jié)果

由表2與圖5～6可知，當(dāng)試壓塞試壓壓力達(dá)到80 MPa以上時，支撐環(huán)局部產(chǎn)生塑性變形而應(yīng)力增加較小，支撐環(huán)最大應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度；本體和試壓塞的最大應(yīng)力穩(wěn)步上升，說明本體和試壓塞處于線彈性工作階段；本體、試壓塞和支撐環(huán)應(yīng)力較為均勻，除局部位置最大應(yīng)力較為突出外，總體能滿足加載后的工作要求。支撐環(huán)系統(tǒng)的3個構(gòu)件中，支撐環(huán)危險截面平均應(yīng)力最大，其余2個構(gòu)件的應(yīng)力相對較小；本體、試壓塞和支撐環(huán)危險截面的平均應(yīng)力未達(dá)到屈服強(qiáng)度，不會出現(xiàn)塑性變形。

表2 試壓塞在不同壓力時應(yīng)力分析結(jié)果 MPa

圖6 支撐環(huán)系統(tǒng)各構(gòu)件最大應(yīng)力

圖7 支撐環(huán)各構(gòu)件危險截面平均應(yīng)力

綜合不同載荷下的分析結(jié)果，優(yōu)選傾角后的套管頭支撐系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計要求。但從選材來看，建議支撐環(huán)選擇高強(qiáng)度材料，防止被剪斷。同時本體是保障整個結(jié)構(gòu)外圍安全的關(guān)鍵，也應(yīng)結(jié)合最大應(yīng)力和平均應(yīng)力范圍合理選材。

4 懸掛器系統(tǒng)試驗(yàn)研究

套管頭試驗(yàn)與試用中關(guān)注的重點(diǎn)在于懸掛安全與試壓安全，因此需設(shè)定密封懸重試壓、極限承載和現(xiàn)場檢驗(yàn)等3個環(huán)節(jié)試驗(yàn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證所優(yōu)選傾角的套管頭支撐環(huán)系統(tǒng)設(shè)計可行性，在四川科特石油工業(yè)井控質(zhì)量安全監(jiān)督測評中心對經(jīng)過優(yōu)化的高性能套管頭進(jìn)行了試驗(yàn)壓力140 MPa、懸重為2 000 kN室內(nèi)試驗(yàn)并順利通過；同時成功開展6 720 kN破壞性試驗(yàn)；試驗(yàn)后對支撐環(huán)和套管頭本體臺階進(jìn)行了滲透探傷檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋。在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行油田現(xiàn)場坐掛試壓，試用合格。如圖8。

圖8 套管頭試驗(yàn)

5 結(jié)論

1) 支撐環(huán)式井口裝置支撐環(huán)的傾角β是影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的主要因素，建議傾角45°左右值。

2) 在本體、支撐環(huán)、懸掛器中，支撐環(huán)的應(yīng)力最大，應(yīng)特別注意選材。

3) 經(jīng)優(yōu)選支撐傾角β，并通過不同載荷、相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計的套管頭支撐系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計要求。