具有伸缩管的高温高压超深完井管柱3维有限元力学行为分析.docx

2018Simulia中国区用户大会,西安,2018.10.18

具有伸缩管的高温高压超深完井管柱3维有限元力学行为分析

杨向同1，沈新普2，3，王克林1，沈国阳3

1，中国石油塔里木油田分公司；2，中国石油大学（华东）；3，GuoyangTechnologyandServices

LLC,USA

摘要：

本文提出了具有伸缩管的完井管柱3维有限元力学行为分析数值计算流程，并将其成

功用于塔里木油田满加-4井完井管柱塑性变形分析。通过检验不同阶段的应力状态的数

值结果，确定了完井管柱中塑性变形产生的施工阶段和载荷大小，从而为优化施工和管柱

系统结构设计、避免以后发生管柱塑性变形提供了理论依据。

所研究的满加-4井原设计为直井，但是因为钻井质量差，井轨迹具有明显的闭合距

偏离。本次建立的管柱三维有限元模型中考虑了闭合距偏离、并考虑了油管-套管间摩擦

接触，力学模型与工程实际近似程度较高。分析中考虑了坐封、压裂、放喷三种不同的施工阶段下管柱变形的情况。给出了上述模型在不同压力及温度载荷下的管柱变形及应力分布的数值解，主要包括：1）管柱变形沿全长的分布，2）管柱全长轴向力分布；3）全长管柱中的sMises等效应力分布；4）伸缩管以下管柱段的变形、应力的大小与分布、及该部分管柱与套管之间的接触力和摩擦力的大小及分布。

根据有限元数值计算结果，得到的结论包括以下4个部分：1）在坐封、压裂、放喷

三种不同的施工阶段的压力及温度载荷下，伸缩管分开处的流体压力会引起比原来的有效重力载荷引起的轴向应力更大的轴向应力。2）在给定的施工压力及温度载荷下，伸缩管

以下管柱发生弹性屈曲。等效应力最大值达到初始屈服极限80%，但尚在弹性范围；3）

满加-4井封隔器水力锚下部锚固不佳，导致压裂载荷在油管柱上产生附加载荷，是致使油管柱发生塑性屈曲的因素之一；4）数值结果表明，机械坐封封隔器存在有效坐封载荷上限，释放悬重达到这个上限之后，更多的释放悬重将被油套间摩擦承受、而不会被封隔

器承受，即发生“坐封系统自锁”。

1引言

油气井管柱的完整性是保障油气安全生产的基本要素之一。多年来关于管柱力学的研

究很多，但大都是简化管柱力学模型的解析解[1][2][3][4]。近年来若干研究者开始采用三

维有限元模型进行管柱力学分析[5][6][7][8]。管柱力学的三维有限元数值解有很多优点，

同时也有一些技术困难：当管柱力学分析中涉及到弹塑性接触大变形问题时，不仅计算量大，而且由于问题的非线性程度较高，有时候很难得到收敛的管柱变形及油管-套管间接

触应力分布的数值解。

塔里木油田满加-4井完井管柱设计图如图1a所示，全长6617米，封隔器位置在6559米。其设计特点有：1）具有6米容许自由伸长的伸缩节；2）来自于释放悬重的18

吨坐封载荷。满加4井于2016年12月12日完成坐封-测试-改造-求产各个施工任务，起

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出测试-改造-求产-完井一体管柱，目视可见有11根31/2″*C110*6.45mm*BGT2油管

弯曲（如图1b示），所在井段为：6271-6555m，跨越长度为约280米。由于缺乏实时井

下管柱变形测量，虽然最后起出的管柱中观测到了塑性变形，但是不能确定塑性变形发生时所在的施工阶段，因此也就不能确定引起塑性变形的载荷因素。

另一方面，起出封隔器情况为：封隔器水力锚6片压块螺钉帽断裂，导致压条全部落井，如图2所示。压条的参数为：长：213mm，宽：22mm，厚：5.46mm，压块材质为

2CrMo。根据施工记录资料，锚爪部分齿上有咬过的痕迹，但未出现大面积的崩落，且酸

压改造期间油套未连通。

图1、满加4-井管柱：(1a)管柱结构设计图,(1b)取出后发现塑性变形的管柱。

图2、封隔器水力锚6片压块螺钉帽断裂，导致压条全部落井。

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本文的任务是通过建立的管柱三维有限元模型，计算油管柱在前述各种施工载荷工况

下的变形和应力分布，分析清楚油管柱发生塑性变形的影响因素及其发生的施工阶段。

针对上述现象和任务特点，本文建立了可以模拟上述各种载荷下油管-套管柱摩擦滑

动接触、以及管柱系统弹塑性变形的三维有限元管柱模型，对各个施工阶段中的压力及温

度载荷下管柱的变形及应力分布进行了数值计算。

本次计算是在重力载荷、油套压力载荷、伸缩节处的附加载荷的基础上，考虑了封隔

器环空上下压差在封隔器上产生的载荷对管柱的附加载荷作用。在计算分析时，考虑了水

力锚和套管表面咬合好、以及咬合不好两种情况。采用了