套管懸掛器抗內(nèi)壓結(jié)構(gòu)安全性分析

楊赟達(dá),劉繪新,胥志雄,王延民,梁紅軍,胡文禮,曾曉蘭

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,成都610500;2.中石油塔里木油田,新疆 庫爾勒841000;3.中國(guó)石油天然氣管道局 第五工程公司,河北 任丘062552;4.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞721002)

套管懸掛器抗內(nèi)壓結(jié)構(gòu)安全性分析

楊赟達(dá)1,劉繪新1,胥志雄2,王延民2,梁紅軍2,胡文禮3,曾曉蘭4

(1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,成都610500;2.中石油塔里木油田,新疆 庫爾勒841000;3.中國(guó)石油天然氣管道局 第五工程公司,河北 任丘062552;4.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞721002)

由于井身結(jié)構(gòu)廣泛采用非標(biāo)套管,需要研制非標(biāo)套管懸掛器。針對(duì)206.4 mm(88英寸)套管懸掛器,采用理論計(jì)算與有限元仿真相結(jié)合方法。對(duì)套管懸掛器在試壓(105 MPa)條件下進(jìn)行強(qiáng)度校核。研究表明:16 mm壁厚時(shí)可承受最大壓力120.336 MPa;套管懸掛器坐封完畢,最大應(yīng)力437.3 MPa,低于725HS鎳基合金的屈服強(qiáng)度(1 074 MPa),套管懸掛器強(qiáng)度在安全范圍。此研究方法可以推廣到其他非標(biāo)套管懸掛器的研發(fā),研究結(jié)果對(duì)于確保油氣井的正常鉆采作業(yè)具有十分重要的意義。

套管懸掛器;強(qiáng)度;分析;有限元

近年來,由于井身結(jié)構(gòu)廣泛采用非標(biāo)套管,需要重新研制非標(biāo)套管懸掛器。針對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行非標(biāo)套管懸掛器的強(qiáng)度計(jì)算與分析,不但能夠滿足工程技術(shù)要求,同時(shí)對(duì)于確保油氣井的正常鉆采作業(yè)具有十分重要的意義。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料性能

本文針對(duì)206.4 mm(88英寸)套管懸掛器進(jìn)行強(qiáng)度分析。套管下部螺紋為TP-NF,璧厚16 mm,材料P110-Super13Cr,接箍外徑?220 mm,理論質(zhì)量75 kg/m?？箖?nèi)壓102.84 MPa。設(shè)計(jì)井深5 450 m,套管懸重4 087.5 k N。套管懸掛器擬采用725 HS鎳基合金材料,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求,材料經(jīng)過固熔時(shí)效處理后硬度≤41 HRC;屈服強(qiáng)度Rel≥1 074 MPa,抗拉強(qiáng)度Rm≥1 373 MPa,斷面收縮率Z≥44%,伸長(zhǎng)率A≥24.6%,-46℃的低溫沖擊功≥49 J。

1.2 套管懸掛器抗內(nèi)壓的理論計(jì)算

206.4 mm(88英寸)套管懸掛器參照?qǐng)A筒形殼體進(jìn)行強(qiáng)度校核。先按ASME壓力容器規(guī)范校核懸掛器在105 MPa的額定工作壓力下需要的理論璧厚。

按ASME壓力容器規(guī)范的規(guī)定,設(shè)計(jì)許用應(yīng)力按式(1)計(jì)算:

式中:ST為試驗(yàn)壓力下的最大許用主膜應(yīng)力;SY為材料規(guī)定的最低屈服強(qiáng)度;Sm為額定工作壓力下的設(shè)計(jì)應(yīng)力。

設(shè)計(jì)采用725 HS鎳基合金材料,其最低屈服強(qiáng)度Re1=1 074 MPa,最低抗拉強(qiáng)度Rm=1 373 MPa,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,取材料的最低屈服強(qiáng)度SY=1 074 MPa。

校核璧厚。ASME壓力容器規(guī)范中圓筒形殼體璧厚校核的計(jì)算公式:

懸掛器的實(shí)際壁厚為16 mm,大于計(jì)算壁厚13.80 mm,滿足設(shè)計(jì)要求。

校核抗內(nèi)壓強(qiáng)度。已知套管懸掛器實(shí)際璧厚t=16 mm,725HS鎳基合金材料的許用應(yīng)力Sm為716 MPa,假設(shè)懸掛器為壓力容器的殼體,其殼體內(nèi)半徑R=87.2 mm,經(jīng)校核,該璧厚條件下能夠承受的內(nèi)壓力:

式中:t為殼體的最小需要厚度,即懸掛器上部最薄處璧厚為16 mm;R為殼體內(nèi)半徑,即懸掛器的最小直徑?174.4 mm處的半徑為87.2 mm;p為設(shè)計(jì)內(nèi)壓力,即額定工作壓力105 MPa;S為在設(shè)計(jì)溫度時(shí)用于封頭計(jì)算的許用應(yīng)力,即Sm=716 MPa。

套管懸掛器內(nèi)徑?174.4 mm、外徑?206.4 mm,壁厚為16 mm,即為最薄弱處。在內(nèi)壓105 MPa時(shí),此處最容易產(chǎn)生變形,故對(duì)此處進(jìn)行強(qiáng)度校核。

將以上數(shù)據(jù)代入,校核懸掛器在105 MPa內(nèi)壓所需要的壁厚:

因此,206.4 mm(88英寸)的套管懸掛器,在璧厚為16 mm,材料為725 HS鎳基合金時(shí),其抗內(nèi)壓為120.336 MPa,可以滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求(試驗(yàn)壓力105 MPa)。

1.3 套管懸掛器螺紋的有限元分析

針對(duì)套管懸掛器螺紋問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過有限元分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)螺紋連接部位的應(yīng)力進(jìn)行研究[2]。由于螺紋接觸分析涉及到材料、幾何的非線性,要求得數(shù)學(xué)上的解析解是非常困難[3],因此本文以206.4 mm(88英寸)套管懸掛器螺紋為例,使用Abaqus隱式算法進(jìn)行螺紋的有限元分析。

彈塑性接觸問題的基本方程:[K(u)]{u}={P}+{R(u)} (5)式中:[K(u)]為系統(tǒng)的剛度矩陣,在非線性系統(tǒng)中是位移向量{u}的函數(shù);{u}為節(jié)點(diǎn)位移向量;{P}為整體載荷矩陣;{R(u)}為整體接觸力向量,是接觸點(diǎn)相對(duì)位移的函數(shù)。

對(duì)于非線性接觸方程存在接觸狀態(tài)迭代和塑性修正迭代兩種迭代求解過程。求解時(shí)先用Newton迭代法解式(5)外層循環(huán),再利用式(5)中嵌套的內(nèi)層循環(huán)解出R(u)[4]。

令式(5)中f(u(n))={p}+{R(u(n))}則Newton迭代法的求解過程可表述為:

式中:u(n)為節(jié)點(diǎn)位移向量;Δu(n)為節(jié)點(diǎn)位移向量增量;[KT(u(n))]為系統(tǒng)切線剛度矩陣或初始切線剛度矩陣;{Ψ(u(n))}為系統(tǒng)不平衡力向量;{σ(n)}為應(yīng)力向量;[B]為應(yīng)變矩陣。

利用有限元混合法求解式(5)中的{R(u(n))},最終可得到如下方程:

式中:[F]為系統(tǒng)內(nèi)力的撓度矩陣;[Fc]為位移變換矩陣;ΔS(n)

pi為由外載荷在接觸節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生的相對(duì)位移;ε(n-1)i-1為當(dāng)前一對(duì)接觸節(jié)點(diǎn)間距向量;[Q]為接觸內(nèi)力變換矩陣;Δu(n)ei為附加在剛體位移約束自由度上的位移增量向量;ΔF(n)ei為外載荷增量引起的合力增量。

1.4 套管懸掛器螺紋材料的力學(xué)分析

根據(jù)套管懸掛器和套管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為了簡(jiǎn)化模型而做如下假設(shè):

1) 材料為各向同性均勻的彈性體。

2) 忽略殘余應(yīng)力的影響。

3) 忽略套管懸掛器及套管的橢圓度、壁厚不均勻度的影響;將套管懸掛器和套管簡(jiǎn)化,忽略套管掛體及套管筒體對(duì)螺紋強(qiáng)度影響不大的幾何特征部分。

套管懸掛器螺紋所使用的材料為725HS鎳基合金,為各向同性彈塑性材料,彈性模量為2.05×105MPa,泊松比為0.3,材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖1。當(dāng)真實(shí)應(yīng)力超過955 MPa時(shí)材料進(jìn)入理想塑性狀態(tài)。

圖1 材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

當(dāng)套管懸掛器接頭螺紋的Von Mises應(yīng)力超過材料的屈服極限時(shí),螺紋在相應(yīng)工作載荷下進(jìn)入塑性狀態(tài)。Von Mises屈服準(zhǔn)則[4]可表述為:

式中:σs為 Mises 應(yīng) 力,MPa;σ1、σ2、σ3為 主 應(yīng)力,MPa。

2 有限元計(jì)算結(jié)果

通過Abaqus隱式求解器求解,可得到套管懸掛器螺紋在試壓105 MPa工作載荷下的受力及應(yīng)力情況。圖2為送入工具與懸掛器裝配圖。在下放套管時(shí),套管懸掛器與套管通過螺紋連接為整體,利用套管懸掛器的下放工具將其從平臺(tái)上下放至井口內(nèi)[5]。

圖2 送入工具與懸掛器裝配圖

套管懸掛器在試壓過程中,試壓壓力最大為105 MPa,數(shù)值模擬計(jì)算的套管懸掛器在此壓力下的最大應(yīng)力為580.9 MPa,出現(xiàn)于套管懸掛器上端部分,其下端部分應(yīng)力最小,應(yīng)力變化趨勢(shì)為由上到下逐漸變小。如圖3所示。

圖3 套管懸掛器試壓應(yīng)力云圖

套管懸掛器坐封后,試壓為105 MPa的工況下,經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算最大應(yīng)力437.3 MPa,低于套管懸掛器的屈服極限。若套管懸掛器在此試壓中坐封面的Mises等效應(yīng)力最大值大于或等于套管懸掛器的屈服強(qiáng)度,說明套管懸掛器在內(nèi)壓或軸向拉力的作用下開始進(jìn)入彈塑性階段。如圖4所示。

圖4 套管懸掛器試壓過程中坐封面應(yīng)力云圖

套管懸掛器在試壓為105 MPa的工況下,套管懸掛器下部螺紋的最大應(yīng)力為448.2 MPa,最大應(yīng)力出現(xiàn)在套管懸掛器下部螺紋的至上而下的最后一扣,因此最后一扣最容易發(fā)生屈服。這與螺紋的實(shí)際塑性變形位置相符,說明所建立的有限元接觸分析模型正確,分析結(jié)果可靠。如圖5所示。

圖5 套管懸掛器下部螺紋應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

1) 套管懸掛器在試壓工況(105 MPa)下,最大應(yīng)力為580.9 MPa,小于725 HS鎳基合金的屈服強(qiáng)度(1 074 MPa)。經(jīng)理論計(jì)算,105 MPa所需最小壁厚13.8 mm。16 mm壁厚時(shí)套管可承受最大120.336 MPa應(yīng)力,符合規(guī)范要求。

2) 套管懸掛器坐封完畢,懸掛重力4 087.5 k N,試壓105 MPa。經(jīng)有限元分析的最大應(yīng)力為448.2 MPa,小于725 HS鎳基合金抗拉強(qiáng)度(1 373 MPa)。經(jīng)過理論計(jì)算,可承受最大懸掛重力為17 729.6 k N,有4倍的安全系數(shù),是安全的。

3) 本文采用理論計(jì)算與有限元仿真相結(jié)合的分析方法是合理、可靠的,此方法可用于其他非標(biāo)套管懸掛器的設(shè)計(jì)計(jì)算。

[1] 丁伯民.ASME壓力容器規(guī)范分析與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)與工藝出版社,2009.

[2] 余世杰,袁鵬斌,魏立明,等.鉆桿接頭螺紋粘扣原因分析[J].石油鉆采工藝,2011,33(1):112-116.

[3] 李潤(rùn)方,林騰蛟,唐倩,等.石油鉆桿聯(lián)接螺紋彈塑性接觸有限元分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,1998,27(6):44-46.

[4] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:169.

[5] 張居勤,高連新,李飛鍵,等.油井管螺紋粘扣類型及其原因分析[J].鋼管,2004,33(4):16-20.

Casing Hanger Internal Pressure Structural Safety Analysis

YANG Yun-da1,LIU Hui-xin1,XU Zhi-xiong2,WANG Yan-min2,LIANG Hong-jun2,HU Wen-li3,ZENG Xiao-lan4
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.PetroChina Tarim Oilfield Company,Korla 841000,China;3.The Fifth Largest Natural Gas Engineering Company,China Petroleum Pipeline Bureau,Rengqiu 062552,China;4.Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd.,Baoji 721002,China)

As well structure widely has been used non-standard casing,so it is necessary to re-develop non-standard casing hanger.In this paper,by adoption of 88″casing hanger,theoretical calculation and finite element simulation combined analysis were used.Under the 105MPa,the pressure of casing hanger has been tested the strength.Studies show that:under the Casing hanger pressure test processing,16mm Wall thickness withstood the maximum pressure120.336 MPa.Casing hanger packer has been completed,with maximum stress 437.3 MPa,which lower yield strength of the Ni-based alloy.Casing hanger strength has been in a safe range.This research method can be extended to other non-standard casing hanger development,the results will not only be able to meet the engineering requirements,but also to ensure the normal drilling operations wells has very important significance.

casing hanger;strength;analysis;FEM

TE925

A

1001-3482(2014)02-0075-04

2013-08-09

中石油科研課題“氣體鉆井井口裝置沖蝕機(jī)理研究與結(jié)構(gòu)改進(jìn)”(2010C-2100)

楊赟達(dá)(1984-),男,四川內(nèi)江人,碩士研究生,研究方向?yàn)槭吞烊粴庋b備設(shè)計(jì),E-mail:592419412@qq.com