超深井吊卡有限元分析

陳開宇

（四川水利職業技術學院電力工程系，四川 成都 611231）

0 引言

隨著我國油氣產業的發展，深井、超深井的數量和占比都不斷地攀升。 在超深井下套管過程中， 由于套管尺寸比較大，固封段長，所以井口的載荷大，對下套管工器具提出了更高的要求[1]。 吊卡作為下套管所需的最重要的工具之一， 其受力情況直接影響著該項施工的安全。 因此有必要對吊卡的受力情況進行有限元分析，驗證其使用的安全性，并給予合理化建議。

1 吊卡技術參數

吊卡是下套管的時的專用工具， 目前超深井現場使用的套管吊卡一般是側開式的， 很少使用牛頭 （對開式）吊卡[2]。 側開式套管吊卡幾何形狀如圖1。

套管吊卡有一個可以打開的活頁， 圖示的活頁左側有一個安全鎖[3]。關閉活頁時，活頁自動鎖緊。吊卡的主要受力部位為吊耳和上部突起的一個承載臺階，吊耳是用來連接吊環用的， 承載臺階上面坐放著套管的接箍。

例如在克深7 井下大尺寸下套管作業中， 使用的是由寶石廠所生產的750t 吊卡，使用情況良好，保障了下套管施工的安全性。

圖1 套管吊卡外形

2 吊卡的有限元分析

以克深7 井三開套管使用的750 噸103/4”吊卡為例做有限元分析，長、寬、高為917mm437mm500mm，內徑為247mm，承載臺階面高7mm。 兩側吊耳寬130mm，如圖2 所示。

圖2 750 噸103/4”吊卡

克深7 井下套管作業時最大的載荷是465.57t，由SY/T 5035-2004,可知，額定載荷≥500t 時，設計的安全系數為2.25，465.57/2.25=209.62＜額定載荷750t[51-52]。

750t 吊卡在受力465.57t 時的結構強度分析：

2.1 建模并劃分網格

采用ANSYS 有限元分析軟件對其進行結構分析，吊卡的材料性能參數如表1 所示：

表1 吊卡的材料性能參數[4]

對模型進行了適當的簡化，受力時活頁是關閉的，可以把受力模型建立為一個整體[5-6]。 采用SOLID186單元劃分網格， 設置材料的彈性模量為210Gpa， 泊松比=0.3。 采用自動劃分網格，網格劃分精度控制為3，共生成52381 單元，10803 個節點。 整體網格劃分如圖3 所示。

2.2 加載和求解

在受力中兩邊吊耳的力基本上相等， 所以每個吊環受力為232.758 噸。由于是承載臺階面受力，可以對臺階面的X、Y、Z 方向上的自由度進行約束， 在吊耳和吊環的接觸面上的節點施加載荷[6-7]。 求解的結果如圖4 和圖5 所示。

圖3 吊卡的網格劃分

3 吊卡的有限元計算結果分析

（1）吊卡的最大塑性變形發生在吊耳上面。最大塑性應變為0.559。 最大應變如圖4 所示。

圖4 應變圖

圖5 等效應力圖

（2）吊卡有四個應力集中的地方，如圖5 所示。 吊卡的最大應力發生在承載面上靠近吊耳的面上， 與實際是相符合的， 由于兩端受拉， 這個地方承受的壓力最大[2]。 最大值為901.2Mpa， 小于材料的許用應力1180Mpa。但是，在重復的使用過程中，這些應力集中區會產生疲勞與裂紋，因此要定期無損檢測。

（3）由于吊卡的最大變形發生在吊耳上面，建議該吊卡在后期優化升級時可適當增大吊耳的尺寸， 或使用強度和剛度更大的材料來替代現有材料。