多工況作用下井口套管頭仿真計算及安全性分析

韓東穎李子豐陳國春王忠福李天群（.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，山東秦皇島 066004；. 河北大學(xué)工商學(xué)院，河北保定 07000；. 大慶鉆探工程公司第一鉆井技術(shù)服務(wù)公司，黑龍江大慶 64）

引用格式：韓東穎，李子豐，陳國春，等.多工況作用下井口套管頭仿真計算及安全性分析［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）：58-62.

多工況作用下井口套管頭仿真計算及安全性分析

韓東穎1李子豐1陳國春2王忠福3李天群3
（1.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，山東秦皇島 066004；2. 河北大學(xué)工商學(xué)院，河北保定 071000；3. 大慶鉆探工程公司第一鉆井技術(shù)服務(wù)公司，黑龍江大慶 163413）

引用格式：韓東穎，李子豐，陳國春，等.多工況作用下井口套管頭仿真計算及安全性分析［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）：58-62.

摘要：為分析在鉆井、完井過程中套管頭的損壞原因，了解套管頭在工作過程中的受力狀態(tài)和危險部位，判斷其安全性，對套管頭在多工況作用下應(yīng)力分布狀態(tài)進行了仿真計算和安全性分析。根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范制定了套管頭計算校核準(zhǔn)則，針對現(xiàn)場套管頭實際工作過程，分析了試壓、鉆井等6種典型的作業(yè)工況；對套管頭在6種作業(yè)工況下的受力狀態(tài)進行了分析，得到了套管頭的變形和應(yīng)力分布狀態(tài)，確定了套管頭的危險部位，對不滿足校核準(zhǔn)則的工況給出了合理化的建議。仿真計算分析結(jié)果與現(xiàn)場套管頭破壞的形態(tài)特征一致，為現(xiàn)場套管頭安全可靠作業(yè)提供了參考。

關(guān)鍵詞：井口套管頭；多工況；仿真計算；安全分析；破壞

套管頭是套管與防噴裝置之間的重要連接件。其下端通過螺紋或焊接與表層套管相連，上端通過法蘭或卡箍與防噴裝置相連，懸掛除表層套管以外的其他套管，承受部分或全部的套管重量。套管頭還密封各層套管的環(huán)形空間，承受套管環(huán)空的壓力。套管頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封性能、機械強度、承載能力等都與鉆、完井工程密切相關(guān)，對油氣井的安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行和環(huán)境保護起著非常重要的作用。許多學(xué)者在套管頭結(jié)構(gòu)設(shè)計、套管頭配套工藝技術(shù)、套管頭結(jié)構(gòu)可靠性、應(yīng)力分析等方面開展了相關(guān)的研究。張軍［1］、章國華［2］、王霞［3］等分別對S T 鎖緊式套管頭、可伸縮式熱采套管頭、應(yīng)用于煤層氣井口的新型套管頭進行了設(shè)計。謝華［4］、綦耀升［5］等對井口套管頭損壞井噴搶險配套技術(shù)進行了研究。劉揚［6］， 陳琳［7］等分別采用模糊可靠性分析方法、Monte Carlo有限元法，對套管頭結(jié)構(gòu)進行了可靠性分析。董家梅［8］、劉春城［9］、由保勝［10］等采用有限元法對2級套管頭、SL-2-（7）型套管頭和雙級分體式套管頭進行了應(yīng)力分析和評價。但是這些研究并沒有和油田現(xiàn)場井口套管頭破壞形式結(jié)合起來，工況分析也比較簡單。為此，筆者針對現(xiàn)場套管頭實際工作過程，開展了多工況條件下套管頭力學(xué)分析，得到套管頭應(yīng)力分布狀態(tài)， 并依據(jù)給出的安全評定標(biāo)準(zhǔn)對其進行安全分析，對不滿足強度要求的工況給出了合理化的建議。并與現(xiàn)場破壞的套管頭進行了對比，分析了其破壞原因并提出了預(yù)防措施。

1　套管頭計算分析準(zhǔn)則

根據(jù)美國API SPEC 6A和中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5127—2002《井口裝置和采油樹規(guī)范》第4部分設(shè)計方法對套管頭進行計算分析和校核。

1.1 ASME準(zhǔn)則

按ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范，設(shè)計許用應(yīng)力按下列準(zhǔn)則限定

ST= 0.83SY和Sm= 2/3SY（1）

式中，ST為靜水壓試驗壓力下的最大許用的主膜應(yīng)力強度，MPa；SY為材料規(guī)定的最小屈服強度，MPa；Sm為額定工作壓力下的設(shè)計應(yīng)力強度，MPa。

1.2 變形能理論準(zhǔn)則

變形能理論方法可用于承壓裝置的設(shè)計計算。壓力容器基本壁厚可在靜水試驗壓力的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維應(yīng)力確定其尺寸并受下列準(zhǔn)則限定

SE＝SY（2）

式中，SE為在壓力容器壁內(nèi)最高應(yīng)力處的最大許用當(dāng)量應(yīng)力，MPa，按變形能理論方法計算。

1.3 非標(biāo)材料的設(shè)計要求

按照ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范，對于非標(biāo)材料承壓裝置的設(shè)計計算，設(shè)計許用應(yīng)力按下列準(zhǔn)則限定

Ss=2SY或Ss=Su（5）

式中，Su為材料規(guī)定的最小抗拉強度，MPa；Ss為第一和第二應(yīng)力的最大合成強度，MPa。設(shè)計許用應(yīng)力取式（3）、式（5）兩者中較小者。

2　套管頭仿真計算模型及工況分析

套管頭幾何形狀比較復(fù)雜，而且內(nèi)部承受很高的載荷作用，載荷類型有面力和集中力2種，應(yīng)力分布也很復(fù)雜，只有采用數(shù)值模擬技術(shù)才能準(zhǔn)確地了解其受力特征，因此對套管頭結(jié)構(gòu)分析采用有限元法。對大慶管子站江蘇咸中石油機械廠生產(chǎn)的ZTF ?339.7 mm×?244.5 mm×?139.7 mm－70.0 MPa型整體套管頭進行了計算及安全性分析。

2.1 套管頭仿真模型的建立

采用不協(xié)調(diào)位移模式的8節(jié)點三維體單元。根據(jù)結(jié)構(gòu)和受力特征，滿足軸對稱分析條件，所以在計算分析時采用軸對稱模型，取套管頭一半來分析，如圖1a所示，共劃分13 114個節(jié)點，62 874個單元，單元圖如圖1b所示。

圖1　 套管頭軸對稱模型圖及單元圖

2.2 套管頭載荷工況分析

套管頭殼體和內(nèi)部承受很高的載荷作用，載荷類型有面力和集中力2種。ZTF?339.7 mm × ?244.5 mm×?139.7 mm－70.0 MPa按照套管頭的工作狀況分6種載荷工況。

2.2.1 套管頭內(nèi)下入?339.7 mm套管工況（試壓工況）（1）套管總懸重；（2）試壓壓力（70 MPa）；（3）防噴器作用在套管頭殼體上的力。

2.2.2 套管頭內(nèi)下入?339.7 mm套管工況（鉆井工況）（1）套管總懸重；（2）套管受內(nèi)壓對套管頭產(chǎn)生的作用力（35 MPa）；（3）防噴器作用在套管頭殼體上的力。

2.2.3 套管頭下入?339.7 mm、?244.5 mm套管工況（試壓工況）（1）套管總懸重；（2）試壓壓力（70MPa）；（3）防噴器作用在套管頭殼體上的力。

2.2.4 套管頭內(nèi)下入?339.7 mm、?244.5 mm套管工況（鉆井工況）（1）套管總懸重；（2）套管受內(nèi)壓對套管頭產(chǎn)生的作用力（35 MPa）；（3）防噴器作用在套管頭殼體上的力。

2.2.5 套管頭內(nèi)下入?339.7 mm、?244.5 mm、?139.7 mm套管工況（鉆井工況35MPa）（1）套管總懸重；（2）套管受內(nèi)壓對套管頭產(chǎn)生的作用力；（3）防噴器作用在套管頭殼體上的力。

2.2.6 套管頭內(nèi)下入?339.7 mm、?244.5 mm、?139.7 mm套管工況（鉆井工況70 MPa）（1）套管總懸重；（2）套管受內(nèi)壓對套管頭產(chǎn)生的作用力；（3）防噴器作用在套管頭殼體上的力。

套管受內(nèi)壓對套管頭產(chǎn)生的作用力由于套管懸掛器型號、位置不同對套管頭的作用力也不同。

3　套管頭受力分析和安全校核

對套管頭在6種載荷工況下進行了力學(xué)計算和安全分析。

3.1 套管頭安全許用應(yīng)力

套管頭材質(zhì)采用的是耐熱鋼1Cr13，其極限強度為680 MPa，屈服強度為520 MPa，標(biāo)準(zhǔn)最小伸長率≥17%。在試壓時，按ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范得出的靜水壓試驗壓力下的最大許用的主膜應(yīng)力強度對套管頭進行校核，根據(jù)相關(guān)公式算得許用值為ST= 0.83SY= 431.6 MPa。在正常工作時，按額定工作壓力下的設(shè)計許用應(yīng)力強度進行校核，許用應(yīng)力Sm= 2/3SY= 2/3×520 = 346.7 MPa。

3.2 多工況作用下安全校核

在把第1種工況相應(yīng)載荷加到模型上后，經(jīng)計算分析得到套管頭總變形等值線圖如圖2所示，套管頭等效應(yīng)力等值線圖如圖3所示。可以看出：套管頭最大變形出現(xiàn)在套管頭中下部內(nèi)壁處，最大值為0.13 mm，最大等效應(yīng)力為456 MPa，出現(xiàn)在套管頭和下部的手動平板閥相連接的孔的內(nèi)壁處，大于靜水壓試驗壓力下的最大許用的主膜應(yīng)力強度431.6 MPa，因此應(yīng)降低試壓壓力。

在試壓壓力改為60 MPa后，對套管頭進行了有限元分析，得到了套管頭的總變形等值線圖和等效應(yīng)力等值線圖分別如圖4、5所示。可以看出，位移為0.11 mm，等效應(yīng)力為390 MPa。小于靜水壓試驗壓力下的最大許用的主膜應(yīng)力強度431.6 MPa。

同樣分析了第2~第6種工況下套管頭的力學(xué)行為和安全性。

圖2　 載荷工況1套管頭總變形等值線圖

圖3　 載荷工況1套管頭等效應(yīng)力等值線圖

圖4　 載荷工況1套管頭總變形等值線圖（60 MPa）

圖5　 載荷工況1套管頭等效應(yīng)力等值線圖（60 MPa）

在第2種載荷工況下，套管頭最大變形出現(xiàn)在套管頭中下部內(nèi)壁處，最大值為0.07 mm，最大等效應(yīng)力為279 MPa，出現(xiàn)在套管頭和下部的手動平板閥相連接孔的內(nèi)壁處，小于按額定工作壓力下的設(shè)計許用應(yīng)力強度346.7 MPa，因此套管頭此工況下可以在套管內(nèi)壓小于35 MPa的額定壓力下工作。

在第3種載荷工況下，套管頭總變形等值線圖如圖6所示，套管頭等效應(yīng)力等值線圖如圖7所示?？梢钥闯觯禾坠茴^最大變形出現(xiàn)在套管頭中上部內(nèi)壁處，最大值為0.17 mm，最大等效應(yīng)力為385 MPa，出現(xiàn)在套管頭和上部的手動平板閥相連接孔的內(nèi)壁處，因此在此工況下可以加壓到70 MPa對套管頭進行試壓。

圖6　 載荷工況3套管頭總變形等值線圖

圖7　 載荷工況3套管頭等效應(yīng)力等值線圖

在第4種載荷工況下，套管頭最大變形出現(xiàn)在?244.5 mm套管懸掛器的下部，最大值為0.16 mm，最大等效應(yīng)力為282 MPa，出現(xiàn)在?244.5 mm套管懸掛器的下部，小于按額定工作壓力下的設(shè)計許用應(yīng)力強度346.7 MPa，因此套管頭此工況下可以在套管內(nèi)壓小于35 MPa的額定壓力下工作。

在第5種載荷工況下，套管頭最大變形出現(xiàn)在?139.7 mm套管懸掛器的中部，最大值為0.17 mm，最大等效應(yīng)力為169 MPa，出現(xiàn)在?139.7mm套管懸掛器的下部，小于按額定工作壓力下的設(shè)計許用應(yīng)力強度346.7 MPa，因此套管頭此工況下可以在套管內(nèi)壓小于35 MPa的額定壓力下工作。

在第6種載荷工況下，套管頭總變形等值線圖如圖8所示，套管頭等效應(yīng)力等值線圖如圖9所示。可以看出：套管頭最大變形出現(xiàn)在?139.7 mm套管懸掛器的中部，最大值為0.19 mm，最大等效應(yīng)力為339 MPa，出現(xiàn)在?139.7 mm套管懸掛器的下部，小于按額定工作壓力下的設(shè)計許用應(yīng)力強度346.7 MPa，因此套管頭此工況下可以在套管內(nèi)壓小于70 MPa的額定壓力下工作。但此時最大等效應(yīng)力已經(jīng)接近許用應(yīng)力，應(yīng)該重點監(jiān)控。

圖8　 載荷工況5套管頭總變形等值線圖（70 MPa）

圖9　 載荷工況5套管頭等效應(yīng)力等值線圖（70 MPa）

通過上述分析得到套管頭在多工況作用下仿真計算分析得到的校核情況如表1所示。

表1　套管頭在多工況作用下安全性

4　現(xiàn)場套管頭破壞原因分析

在鉆井過程中出現(xiàn)了套管頭破壞的現(xiàn)象，圖10為套管頭殼體破壞照片，可以看出殼體在手動平板閥上部開孔部位和某一螺栓孔的部位破壞，這與計算工況3相吻合。圖11為心軸式懸掛器破壞照片，可以看出心軸式懸掛器下部螺紋部位發(fā)生斷裂，這與計算工況4和計算工況6得到的結(jié)果相一致。

圖10　 現(xiàn)場套管頭殼體破壞照片

圖11　 現(xiàn)場心軸式懸掛器破壞照片

套管頭在加工制造過程中可能會存在一些初始的缺陷，這些初始缺陷隨著套管頭承受高壓和其他一些載荷的作用而惡化，另外現(xiàn)場套管頭在長期的使用過程中，由于頻繁的拆卸、運輸、安裝以及腐蝕難免會產(chǎn)生一些損傷等，這些因素都是可能導(dǎo)致套管頭忽然破壞的原因。通過分析知道了套管頭的薄弱部位就可以有針對性地制定一些注意事項、采取一些保護措施，從而減少套管頭工作過程中破壞事故的發(fā)生，從而提高現(xiàn)場作業(yè)的安全性、減少財產(chǎn)損失，提高經(jīng)濟效益。

5　結(jié)論

通過分析得出：對套管頭安全性影響的主要因素是壓力；套管頭的試壓壓力和許用的鉆壓一般并不是一樣的，一般試壓壓力要比鉆壓大，這是由于套管頭的作業(yè)工況所決定的；在試壓工況下，套管頭的危險部位主要是套管頭和手動平板閥相連接的開孔部位；在鉆壓工況下，套管頭的危險部位主要是心軸懸掛器的下部。因此，對這些部位要特別注意，在作業(yè)過程中要及時發(fā)現(xiàn)初始缺陷，因為初始缺陷對于這些應(yīng)力集中部位的影響特別嚴(yán)重，一旦在壓力過高的情況下，就會導(dǎo)致套管頭殼體或者懸掛器的迅速破壞。本研究為套管頭在各種工況下的安全作業(yè)提供了參考。

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（修改稿收到日期 2015-07-21）

〔編輯 薛改珍〕

Simulation calculation and safety analysis of wellhead casing head under the effect of multiple working conditions

HAN Dongying1, LI Zifeng1, CHEN Guochun2, WANG Zhongfu3, LI Tianqun3
（1. College of Automotive and Energy Engineering of Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China;
2. Industrial and Commercial College, Hebei University, Baoding 071000, China;
3. No.1 Drilling Technology Services Company, Daqing Oilfield Drilling & Exploration Engineering Corp., Daqing 163413, China）

Abstract:In order to analyze the causes for damage of casing head during drilling and well completion, understand the stress state and dangerous part of casing head during its service and determine its safety, simulation calculation and safety analysis were conducted to the casing head under multiple working conditions. The casing head calculation and calibration rules were established based on API standards and industrial specifications. In line with the actual working process of casing head on site, six typical working conditions like pressure testing and drilling were analyzed. The stress states of casing head under six working conditions were analyzed, the casing head deformation and stress distribution state were obtained and the dangerous part of the casing head was determined. Proper suggestions were made to the working conditions which did not conform to the calibration rules. The result of simulation calculation and analysis were consistent with the shape of casing head damage and so provided reference to safe and reliable casing head operation onsite.

Key words:wellhead casing head; multiple working conditions; simulation calculation; safety analysis; damage

作者簡介：韓東穎，1978年生。2004年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院安全技術(shù)及工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位；2008年畢業(yè)于燕山大學(xué)機械設(shè)計及理論專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事鉆井工程和石油井架的檢測、評定和結(jié)構(gòu)損傷識別等方面的研究，博士，副教授。電話：18633503460。E-mail：dongying.han@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目“基于最小功耗率原理和鉆井液動力潤滑作用的鉆柱渦動理論與實驗研究”（編號：51374183）。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.015

文章編號：1000 – 7393（2015）05 – 0058 – 05

文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TE28