超深井連續(xù)管測井中支架靜力有限元分析

尤思科，易 揚(yáng)，瞿 丹

（1.中國石化勘探南方分公司研究院，成都610041；2.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都610500；3.川慶鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，成都610051）①

我國西部油田有大量的深井、超深井、水平井及叢式井，從業(yè)人員對深井、超深井的測井工作對了解該區(qū)塊井內(nèi)實際情況有著重大意義。連續(xù)管由于其高強(qiáng)度、高韌性以及對地層污染小的特點(diǎn)在超深井的測井作業(yè)中扮演了相當(dāng)重要的角色［1］。目前，已投入商業(yè)使用的單滾筒纏繞最長連續(xù)油管長度＞9 000m，這已能夠滿足超深井測井作業(yè)的需求。但是，考慮到連續(xù)管自重較大，地面上采氣樹、防噴器組合、防噴盒等工具長度較長，以及吊車式連續(xù)管作業(yè)機(jī)吊裝注入頭穩(wěn)定性較差等因素，故需要在地面安裝塔式支架來支撐注入頭，完成超深井連續(xù)管測井工作，其作業(yè)現(xiàn)場如圖1所示。因此，分析塔式支架在連續(xù)管作業(yè)中的承載能力以及應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)是關(guān)鍵問題之一［2］。

圖1 帶注入頭的塔式支架連續(xù)管作業(yè)現(xiàn)場

1 問題描述

某超深井使用連續(xù)管測井，井深約為7 500m，井底溫度180～200℃，井底壓力180MPa。針對以上井內(nèi)作業(yè)環(huán)境，如果考慮使用吊車式連續(xù)管作業(yè)，由于其作業(yè)時間較長以及穩(wěn)定性較差的原因，地面作業(yè)時選擇塔式支架支撐注入頭來進(jìn)行連續(xù)管作業(yè)。

塔式注入頭支架均采用Q235鋼材，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg／m3，鋼材屈服應(yīng)力為［σs］＝235MPa。其力學(xué)性能如表1所示。

表1 支架鋼材力學(xué)性能

2 有限元分析

利用有限元軟件分析塔式支架在超深井測井作業(yè)中惡劣工況下的強(qiáng)度和剛度，得出支架在極限工況下的應(yīng)力和變形狀態(tài)，并進(jìn)行強(qiáng)度分析以保證連續(xù)管作業(yè)時支架的可靠性［3－4］。

2.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

支架的三維模型如圖2所示。為提高分析效率，在建立支架的有限元模型時進(jìn)行了必要的簡化處理，以支架各桿件的自然焊點(diǎn)作為有限元分析模型的節(jié)點(diǎn)，底座、頂層平車等附件對塔式支架的剛度影響較小，可在簡化時全部忽略［5］。簡化后的支架模型如圖3所示。

支架的桁架結(jié)構(gòu)單元類型選用beam189［6］，定義的彈性模量、泊松比以及材料密度均按照Q235鋼材材料參數(shù)進(jìn)行選取。桁架鋼材截面形狀有2種：支架主體桿件均為空心方鋼，其截面尺寸為160mm×160mm×6mm，斜撐桿件均為矩形空心鋼，其截面尺寸為90mm×50mm×5mm。頂層面鋼材由于受載情況更為惡劣，需重點(diǎn)考慮分析，為此備選了3種尺寸以便選擇：160mm×160mm×6mm、210mm× 160mm× 10mm、300mm×200mm×8mm。

劃分好網(wǎng)格的支架模型如圖4所示。

圖2 支架有限元模型

圖3 支架三維模型

圖4 支架簡化模型

2.2 約束邊界條件

邊界條件的施加對分析結(jié)果的正確性影響很大，為使模型約束符合實際，需準(zhǔn)確施加位移約束。塔式支架的實際約束邊界條件是底座與地面為全約束；第1層間隔架與底座固定；其余的間隔架之間由柱銷定位，且每邊有2個U形螺栓固定上、下2個間隔架。由此，可將支架有限元模型底部的4個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位移全約束，間隔架之間做剛性連接處理［7］。

2.3 載荷情況

連續(xù)管測井作業(yè)過程中滾筒對連續(xù)管有拉力作用，當(dāng)連續(xù)管下到最大井深時注入頭提供最大的上提力，此時支架受到載荷情況是最大的。本文以連續(xù)管下入到最大井深時作為超深井連續(xù)管測井的極限工況來校核支架的強(qiáng)度和剛度。

為了更加接近于實際工況條件，還引進(jìn)了風(fēng)載對支架的影響［8－9］。在此不予考慮脈動風(fēng)速的情況，在整個連續(xù)管下入和上提的過程中只考慮為穩(wěn)定風(fēng)載的情況。由于支架高度不是很高，可以不考慮風(fēng)載作用在支架上隨高度的變化情況，支架全段均按均布載荷計算。支架所受的風(fēng)載應(yīng)選擇對結(jié)構(gòu)最不利的風(fēng)向（第1風(fēng)向），根據(jù)實際情況，選擇背風(fēng)向為第1風(fēng)向，因該風(fēng)向加劇了支架的側(cè)斜，且背面迎風(fēng)面積大，故將該風(fēng)向作為支架在極限工況下強(qiáng)度分析的風(fēng)載。

通過上述分析及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集可知：施加在支架上的極限載荷情況為支架自身的重力（55.32 kN），均勻分布在支架上；注入頭最大上提力（360 kN）以集中力的形式作用在支架頂層面上的節(jié)點(diǎn)上；滾筒對連續(xù)管的拉力為5kN；設(shè)計風(fēng)載的基本風(fēng)壓為W0＝0.8kN／m2（即設(shè)計級數(shù)為12級大風(fēng)），以均布壓力的形式作用在支架受風(fēng)面一側(cè)。

2.4 支架強(qiáng)度分析及結(jié)果評價

在極限工況下對支架進(jìn)行有限元分析，支架頂層面鋼材選取3種不同尺寸時的應(yīng)力云圖和位移圖如圖5～7所示。由圖5～7可以看出：支架的最大應(yīng)力均為頂層面鋼材處，這也驗證了著重考慮頂層面鋼材尺寸的必要性。

由圖5a可以看出：頂層鋼材尺寸為160mm×160mm×6mm時，支架頂部承受注入頭、鵝頸架等部件重力及注入頭上提力的壓力，2根鋼材應(yīng)力集中較為顯著，最大應(yīng)力約為291MPa；而Q235鋼材的屈服強(qiáng)度為σs＝235MPa，已超出了材料的極限屈服強(qiáng)度。由圖5b可以看出：頂層面2根鋼材在縱向的變形高達(dá)21.63mm，變形嚴(yán)重。故支架在該頂部結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸下不能滿足作業(yè)要求。

圖5 頂層鋼材尺寸為160mm×160mm×6mm時的有限元分析結(jié)果

圖6 頂層鋼材尺寸為210mm×160mm×10mm時的有限元分析結(jié)果

由圖6a可以看出：加大頂層鋼材尺寸，選取210mm×160mm×10mm時，頂部承受嚴(yán)重載荷的2根鋼材應(yīng)力相對160mm×160mm×6mm尺寸時降低顯著，應(yīng)力＜133MPa，低于鋼材的屈服強(qiáng)度，支架頂部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度已能夠滿足作業(yè)要求。由圖6b可以看出：頂層面2根鋼材在縱向的變形降低至9.39mm，較160mm×160mm×6mm尺寸時改善顯著。

圖7 頂層鋼材尺寸為300mm×200mm×8mm時的有限元分析結(jié)果

由圖7a可以看出：加大頂層方鋼尺寸，選取300mm×200mm×8mm時，頂部承受嚴(yán)重載荷的2根鋼材應(yīng)力相對前2種尺寸降低顯著，應(yīng)力＜98 MPa，低于鋼材的屈服強(qiáng)度，支架頂部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度已完全能夠滿足作業(yè)要求，此時安全系數(shù)為2.4。由圖7b可以看出：頂層面2根鋼材在縱向變形降低至5.16mm，較前2種尺寸改善顯著。

由以上分析可知：頂層面鋼材選取尺寸300 mm×200mm×8mm時，其應(yīng)力、變形情況得到明顯改善，支架的強(qiáng)度能夠滿足極限工況下的要求。由此，在可供選擇的頂層面鋼材尺寸上，選擇尺寸為300mm×200mm×8mm的頂層面鋼材作為設(shè)計值。

在尺寸300mm×200mm×8mm的條件下，支架整體在橫向（x向）的位移云圖如圖8所示。由圖8可以看出：在極限工況下支架頂部間隔架橫向位移最大，約為17.8mm，從上往下位移量逐漸減小。與支架整體尺寸相比，位移量較小，支架剛度能夠滿足惡劣工況下的作業(yè)要求。

綜上所述，注入頭塔式支架在極限工況下改進(jìn)了頂層鋼材的尺寸后，其強(qiáng)度和變形都滿足要求，該支架體的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理，同時改進(jìn)后的頂層鋼材具有較高的強(qiáng)度儲備，可以為以后優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考依據(jù)，以達(dá)到節(jié)約材料的目的。

圖8 支架在橫向（x向）的位移云圖

3 結(jié)語

本文應(yīng)用有限元計算方法獲得了支架結(jié)構(gòu)在極限載荷作用下的應(yīng)力和變形情況，并通過改進(jìn)頂層面鋼材尺寸的方法獲得了合適的結(jié)構(gòu)尺寸，確保連續(xù)管支架作業(yè)的可靠性，保證了作業(yè)管串的安全。應(yīng)用有限元軟件ANSYS對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了極限載荷條件下的有限元靜力分析，也為進(jìn)一步對支架的現(xiàn)場安裝和后續(xù)研究提供了一定的理論指導(dǎo)。

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