超深井套管懸掛支撐系統承載性能研究

劉 義，張 川，蔣發光，朱 缽

(1.四川寶石機械鉆采設備有限責任公司，四川 廣漢 618300；2.西南石油大學 機電工程學院，成都 610500)

套管頭連接表層套管，密封套管與套管之間的環形空間，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要求。套管頭由本體(殼體)、支撐環、懸掛器、密封等組成[1-3]，良好的支撐環結構強度是保證套管頭管柱懸掛系統安全的關鍵。目前，井深達到7 000 m的井，套管懸重可達3 000 kN，試壓壓力達140 MPa。隨著油氣開發的不斷深入，開發作業工況復雜程度越來越高，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的重要設施之一。井口裝置的研究主要集中在井口裝置密封、井口裝置總體結構安全和閥件結構安全[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支撐環式井口裝置為研究對象，通過數值模擬與理論計算，研究套管頭支撐環系統在不同工作壓力下的力學行為，優化支撐環系統結構。經試驗研究與現場應用證實，所設計的套管頭支撐環能夠達到設計要求。

1 支撐環系統結構軸向承載模型

支撐環式井口裝置支撐結構主要采用懸掛器、支撐環和套管頭本體3件式結構，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，支撐環構件雖小，但承受的載荷大、工況復雜。支撐環系統結構為對稱式，取平面軸對稱模型進行研究。劃分網格并經網格合理性驗證后，結合裝配關系，在套管頭本體與支撐環、芯軸懸掛器和支撐環之間建立接觸副，有限元分析模型如圖1b。

1—懸掛器；2—支撐環；3—套管頭本體。

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

2 斜面傾角對支撐環系統力學性能影響分析

支撐環結構中，支撐環的傾角β是影響結構力學性能的主要因素。傾角β改變，影響傾角面、傾角面中點高度，過大的傾角會導致楔緊力過大，導致結構應力過大；過小的傾角會導致有效支撐面不夠，引起結構壓潰。設定傾角25～50°，研究不同傾角對支撐環系統力學性能的影響。

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，應力分析結果如表1及圖2～ 4所示。

從圖2～4及表1可知，支撐環、本體和懸掛器3個構件中，懸掛器的最大應力、Pm+Pb應力最大，如果材料與結構選擇不當，會導致支撐環系統失效。斜面傾角β對支撐環的應力影響較大，傾角為40～46°時，支撐環最大應力與薄膜應力+彎曲應力達到最小；斜面傾角β變化對本體的最大應力影響較小，對本體的薄膜應力+彎曲應力有一定影響；斜面傾角β變化對應力影響最小。因此傾角β應在40～46°取值，建議取45°，該角度下結構向外楔緊力相對較小，且各項應力小，綜合力學性能好。

表 1 不同傾角下各部件應力

注：Pm為薄膜應力；Pb為彎曲應力。

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

圖3 不同傾角下各部件最大應力變化曲線

圖4 不同傾角下各部件Pm+Pb應力變化曲線

3 支撐環系統優選結構的承載性能分析

現場應用表明，套管頭裝置在試壓塞試壓工況下對支撐環系統產生較大軸向作用。本節研究試壓塞施加從低壓到105 MPa壓力，對套管頭結構力學性能影響規律，并在此基礎上評價結構強度。取β為45°，建立支撐環系統分析模型如圖5a所示。在本體下部施加y向約束，試壓塞與支撐環、支撐環與本體之間的接觸面建立接觸約束，在試壓塞上施加內壓。經分析得到，試壓塞壓力從30 MPa到105 MPa的分析結果如表2及圖5～ 7所示。

圖5 試壓塞上端施加105 MPa壓力有限元分析結果

由表2與圖5～6可知，當試壓塞試壓壓力達到80 MPa以上時，支撐環局部產生塑性變形而應力增加較小，支撐環最大應力達到屈服強度；本體和試壓塞的最大應力穩步上升，說明本體和試壓塞處于線彈性工作階段；本體、試壓塞和支撐環應力較為均勻，除局部位置最大應力較為突出外，總體能滿足加載后的工作要求。支撐環系統的3個構件中，支撐環危險截面平均應力最大，其余2個構件的應力相對較小；本體、試壓塞和支撐環危險截面的平均應力未達到屈服強度，不會出現塑性變形。

表2 試壓塞在不同壓力時應力分析結果 MPa

圖6 支撐環系統各構件最大應力

圖7 支撐環各構件危險截面平均應力

綜合不同載荷下的分析結果，優選傾角后的套管頭支撐系統能夠滿足設計要求。但從選材來看，建議支撐環選擇高強度材料，防止被剪斷。同時本體是保障整個結構外圍安全的關鍵，也應結合最大應力和平均應力范圍合理選材。

4 懸掛器系統試驗研究

套管頭試驗與試用中關注的重點在于懸掛安全與試壓安全，因此需設定密封懸重試壓、極限承載和現場檢驗等3個環節試驗。為進一步驗證所優選傾角的套管頭支撐環系統設計可行性，在四川科特石油工業井控質量安全監督測評中心對經過優化的高性能套管頭進行了試驗壓力140 MPa、懸重為2 000 kN室內試驗并順利通過；同時成功開展6 720 kN破壞性試驗；試驗后對支撐環和套管頭本體臺階進行了滲透探傷檢測，未發現裂紋。在室內試驗的基礎上，進行油田現場坐掛試壓，試用合格。如圖8。

圖8 套管頭試驗

5 結論

1) 支撐環式井口裝置支撐環的傾角β是影響結構力學性能的主要因素，建議傾角45°左右值。

2) 在本體、支撐環、懸掛器中，支撐環的應力最大，應特別注意選材。

3) 經優選支撐傾角β，并通過不同載荷、相關試驗驗證，所設計的套管頭支撐系統能夠滿足設計要求。