超深井連續管測井中支架靜力有限元分析

尤思科，易 揚，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 機電工程學院，成都610500；3.川慶鉆探工程有限公司 井下作業公司，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，從業人員對深井、超深井的測井工作對了解該區塊井內實際情況有著重大意義。連續管由于其高強度、高韌性以及對地層污染小的特點在超深井的測井作業中扮演了相當重要的角色［1］。目前，已投入商業使用的單滾筒纏繞最長連續油管長度＞9 000m，這已能夠滿足超深井測井作業的需求。但是，考慮到連續管自重較大，地面上采氣樹、防噴器組合、防噴盒等工具長度較長，以及吊車式連續管作業機吊裝注入頭穩定性較差等因素，故需要在地面安裝塔式支架來支撐注入頭，完成超深井連續管測井工作，其作業現場如圖1所示。因此，分析塔式支架在連續管作業中的承載能力以及應力、應變狀態是關鍵問題之一［2］。

圖1 帶注入頭的塔式支架連續管作業現場

1 問題描述

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

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，鋼材屈服應力為［σs］＝235MPa。其力學性能如表1所示。

表1 支架鋼材力學性能

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中惡劣工況下的強度和剛度，得出支架在極限工況下的應力和變形狀態，并進行強度分析以保證連續管作業時支架的可靠性［3－4］。

2.1 模型建立和網格劃分

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行了必要的簡化處理，以支架各桿件的自然焊點作為有限元分析模型的節點，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。

支架的桁架結構單元類型選用beam189［6］，定義的彈性模量、泊松比以及材料密度均按照Q235鋼材材料參數進行選取。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果的正確性影響很大，為使模型約束符合實際，需準確施加位移約束。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個節點進行位移全約束，間隔架之間做剛性連接處理［7］。

2.3 載荷情況

連續管測井作業過程中滾筒對連續管有拉力作用，當連續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。本文以連續管下入到最大井深時作為超深井連續管測井的極限工況來校核支架的強度和剛度。

為了更加接近于實際工況條件，還引進了風載對支架的影響［8－9］。在此不予考慮脈動風速的情況，在整個連續管下入和上提的過程中只考慮為穩定風載的情況。由于支架高度不是很高，可以不考慮風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。支架所受的風載應選擇對結構最不利的風向（第1風向），根據實際情況，選擇背風向為第1風向，因該風向加劇了支架的側斜，且背面迎風面積大，故將該風向作為支架在極限工況下強度分析的風載。

通過上述分析及現場數據采集可知：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點上；滾筒對連續管的拉力為5kN；設計風載的基本風壓為W0＝0.8kN／m2（即設計級數為12級大風），以均布壓力的形式作用在支架受風面一側。

2.4 支架強度分析及結果評價

在極限工況下對支架進行有限元分析，支架頂層面鋼材選取3種不同尺寸時的應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根鋼材應力集中較為顯著，最大應力約為291MPa；而Q235鋼材的屈服強度為σs＝235MPa，已超出了材料的極限屈服強度。由圖5b可以看出：頂層面2根鋼材在縱向的變形高達21.63mm，變形嚴重。故支架在該頂部結構設計尺寸下不能滿足作業要求。

圖5 頂層鋼材尺寸為160mm×160mm×6mm時的有限元分析結果

圖6 頂層鋼材尺寸為210mm×160mm×10mm時的有限元分析結果

由圖6a可以看出：加大頂層鋼材尺寸，選取210mm×160mm×10mm時，頂部承受嚴重載荷的2根鋼材應力相對160mm×160mm×6mm尺寸時降低顯著，應力＜133MPa，低于鋼材的屈服強度，支架頂部結構的強度已能夠滿足作業要求。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，頂部承受嚴重載荷的2根鋼材應力相對前2種尺寸降低顯著，應力＜98 MPa，低于鋼材的屈服強度，支架頂部結構的強度已完全能夠滿足作業要求，此時安全系數為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，其應力、變形情況得到明顯改善，支架的強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要求。

綜上所述，注入頭塔式支架在極限工況下改進了頂層鋼材的尺寸后，其強度和變形都滿足要求，該支架體的結構設計較為合理，同時改進后的頂層鋼材具有較高的強度儲備，可以為以后優化結構設計提供參考依據，以達到節約材料的目的。

圖8 支架在橫向（x向）的位移云圖

3 結語

本文應用有限元計算方法獲得了支架結構在極限載荷作用下的應力和變形情況，并通過改進頂層面鋼材尺寸的方法獲得了合適的結構尺寸，確保連續管支架作業的可靠性，保證了作業管串的安全。應用有限元軟件ANSYS對支架結構進行了極限載荷條件下的有限元靜力分析，也為進一步對支架的現場安裝和后續研究提供了一定的理論指導。

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