大尺寸超重套管下入過程接箍強度及風險

針對萬米超深井大尺寸超重套管的下入，傳統的分析模型并沒有考慮吊卡臺階支撐超重套管接箍的情況，在超重套管下入時套管與接箍缺乏安全性評估。以SDTK1井二開下入?365.12 mm×13.88 mm套管為例，采用有限元方法建立吊卡-套管-接箍的有限元模型，分析了拉伸、吊卡臺階支撐套管接箍，以及吊卡與套管存在偏心、吊卡磨損等情況，得出了各類情況下吊卡、套管、接箍及管體的應力狀態。有限元計算結果表明：在拉伸和懸掛下入套管時，管體螺紋和接箍螺紋的應力狀態存在顯著差異，吊卡強度和套管螺紋的密封是需要重點關注的部位；吊卡臺階支撐下的套管在7 500 kN載荷下入是安全的，但在極限8 500 kN載荷時，接箍螺紋存在塑性貫通的風險；偏心和吊卡孔磨損對吊卡影響較大，建議當吊卡孔磨損達到1 mm時更換新吊卡，或者在套管懸重超過500 t時，采用卡瓦型吊卡進行套管下入。所得結論可為超重套管的下入操作和安全性提供參考。

大尺寸套管；超重套管；套管下入；強度評定；接箍；吊卡

Collar Strength and Risk During Lowering of Large-Sized Superheavy Casing

Feng Shaobo^1，2 Shi Junlin^3，4 Ai Zhengqing^1，2 Zhang Qiang⁵ Lu Qiang^1，2 Shi Taihe³

（1.CNPC Ramp;D Center for Ultradeep Complex Reservoir Exploration and Development；2.PetroChina Tarim Oilfield Company；3.National Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University；4.School of Mechanical Engineering，Sichuan University of Science amp; Engineering；5.School of Mechanical Engineering，Southwest Petroleum University）

The traditional analysis model does not consider the situation where the elevator step supports the superheavy casing collar during lowering of large-sized superheavy casing in ultradeep （～10，000 m） well.Thus，there is no safety evaluation on the casing and collar during the lowering of superheavy casing.Taking the lowering of ?365.12 mm×13.88 mm casing in Well SDTK1 during the second spud-in as an example，a finite element model of elevator-casing-collar was built to analyze the collar of casing lowered by tension or supported by elevator step，as well as the elevator/casing eccentricity and elevator wear.The stress states of the elevator，casing，collar，and pipe body under these conditions were obtained.The finite element calculation results show significant differences in the stress states of pipe body thread and collar thread when the casing is lowered by tension and suspension.The strength of the elevator and the sealing of the casing thread are the key concerns.It is safe to lower the casing under the support of the elevator step at a load of 7 500 kN，but the collar thread is prone to plastic penetration at the load of 8 500 kN.Eccentricity and elevator hole wear have serious impacts on the elevator.It is recommended to replace the elevator with a new one when the elevator hole wear reaches 1 mm，or use a slip elevator for casing lowering when the suspending weight of the casing exceeds 500 t.The research conclusions provide reference for the lowering operation and safety of superheavy casing.

large-sized casing；superheavy casing；casing lowering；strength assessment；collar;elevator

0 引 言

深層油氣資源勘探開發是開展地球深部探測的重要組成部分，隨著科學鉆探深度的不斷加深，萬米科學超深井鉆完井成為世界上最為艱難的科學工程之一^［1-2］，萬米科學鉆探超深井面臨超高壓、高溫、高產量等極端條件，上部大尺寸井眼固井存在大尺寸套管安全下入等重大難題^［3-6］。

套管在下入過程中會遇到如吊卡磨損后不能卡穩接箍導致套管掉井、上扣過程接箍開裂、螺紋黏扣，下入套管遇阻時強力下壓引起接箍變形后脫扣掉井等事故^［7］。對近年來主要的套管下入技術以及相關措施進行研究，如孫栓科等^［8］對窄間隙水平井套管安全性問題提出了一系列措施；莫海濤等^［9-10］通過優選鉆具組合、施工參數、壓力控制等技術措施進行常規下入套管。大尺寸套管下入方面也開發了一些新方法與工具^［11］，取得成功應用^［12-13］。針對套管失效等問題也有不少研究，如練章華等^［14-15］采用有限元方法以及理論分析計算卡瓦懸掛器造成的套管損傷破壞問題，李斐等^［16］開展卡瓦牙咬入深度與懸掛載荷之間的關系研究。此外，對下入過程的模擬也是關注點，如王雪剛等^［17］對套管下放過程進行有限元模擬。但是對吊卡臺階支承接箍的問題鮮有公開文獻報道，在API Tr 5C3^［18］、ISO 10444^［19］等標準中，套管連接拉伸強度只考慮了管體和接箍螺紋強度，沒有考慮吊卡支承接箍端面強度，也沒有考慮吊卡臺階支承狀態和套管外螺紋的應力狀態及強度。

馮少波，等：大尺寸超重套管下入過程接箍強度及風險

針對大尺寸超重套管下入過程安全問題，以SKTK1井為例，該井二開技術套管的尺寸規格為?365.12 mm×13.88 mm，鋼級為V140，采用BC螺紋；套管下深5 800 m，套管柱空重752 t、預計浮重640 t，是目前國內大尺寸套管下入最深、噸位最大的套管^［20］。采用理論、有限元模擬等方式對該大尺寸超重套管下入過程中接箍吊卡臺階處的強度問題開展了分析和論證。所得結論可為超重套管的下入操作和安全性提供參考。

1 解析模型

1.1 API套管強度計算模型

API Tr 5C3/ISO 10400標準提供了API BTC接箍螺紋的抗拉強度，它是基于套管實物性能失效試驗回歸得到的經驗公式。一般來講，套管接頭的連接強度需要考慮管體螺紋斷裂強度、接箍螺紋斷裂強度，最終取兩者較小值：

p_jc=min

0.95A_pf_umnp1.008-0.001 559×

1.083-f_ymnpf_umnpD （管體螺紋斷裂）

（0.95A_jcf_umnc-F_t）D²₀-d²₀D²₀-d²_sh

（接箍螺紋斷裂）（1）

式中：p_jc為套管氣密性特殊螺紋拉伸連接強度，N；D為管體名義外徑，mm；F_t為臺肩面初始預緊力，N；d₀為管體外螺紋本體內徑，mm；D₀為接箍內螺紋本體外徑，mm；d_sh為臺肩面外徑，mm；A_p為管體橫截面面積，mm²；A_jc為接箍橫截面積，mm²；f_ymnp為管體的最小屈服強度，MPa；f_umnp、f_ymnc分別為管體和接箍的最小抗拉強度，MPa。

1.2 基于接觸壓力計算模型

接觸臺階采用接觸壓力（bearing stress）判定，一般要求接觸壓力小于材料的最小屈服強度：

σ_nlt;R_eL（2）

式中：σ_n為2個接觸面間的接觸壓力，MPa；R_eL為材料的最小屈服強度，MPa。

對于接觸壓力的評定，目前沒有統一的標準。如ASME BPCV Ⅲ-1-NF分冊^［21］中評定支撐件時規定，在最大載荷作用下接觸壓力（bearing stress）應小于工作溫度下材料的最小屈服強度。ASME BPCV Ⅷ-1（UG-23（g））^［22］和ASME BPCV Ⅷ-2^［23］（4.1.6.5）中則規定最大支撐應力應限制在材料許用應力值S_m的1.60倍以內。而在文獻［24-25］中對極限狀態下的接觸壓力有如下2種判定方式：

σ_n≤1.6R_eL（3）

σ_n≤1.4R_m（4）

式中：R_m為材料的抗拉強度，MPa。

1.3 剪切失效判定模型

第三強度理論認為，材料在達到破壞強度時，最大剪應力達到剪應力的極限值。因此，從理論上可以計算承載截面上的最大剪切應力，進而判定材料是否發生破壞，即文獻［26-27］中使用的半角公式。剪切失效時，剪切破壞面的角度為斜面半錐角的（1/2），此時最大的剪切應力為：

τ_max=σ_Nsin²（?/2）sin?（5）

式中：τ_max為整個承載體上的最大切應力，MPa；σ_N為斜面上的接觸壓力，MPa；?為承載面的半錐角度，（°）。

在ASME BPVC標準^［23］中，τ_max最大取值為0.6S_m，即：

τ_max≤0.6S_m（6）

式中：S_m為材料的許用應力，MPa，一般取最小材料屈服強度R_eL的（2/3）。

1.4 模型數值分析

GB/T 20657—2022等標準^［28-29］沒有規定接箍端面的承載強度。這是因為在常規情況下，坐掛時接箍端面產生壓應力，且坐掛載荷不大，在接箍端面產生的壓應力遠小于材料的最小屈服強度，所以不會發生失效。

由于不考慮超重套管坐掛在吊卡上這一特殊情況，這里重點分析吊卡懸掛套管接箍臺階的強度問題，模型示意圖如圖1所示。

接箍采用API標準的偏梯形套管螺紋，根據API Spec 8A^［30］規定，操作?365.12 mm套管的吊卡孔徑應比管體大4～5 mm，因此吊卡內徑設定為370 mm。

1.4.1 接觸壓力計算

由于套管預計浮重640 t，考慮安全因素，套管質量保守約750 t；按接箍外圓倒角2×45°，內螺紋倒角2×75°計算，吊卡上承受接箍的平均接觸壓力為：

σ_a=FA=mgπ（D²₁-D²₂）/4（7）

式中：F為套管的重力，N；A為承載的面積，mm²；m為套管質量，kg；g為重力加速度，取9.8 m/s²；D₁為接箍與吊卡接觸面的最小外徑，mm；D₂為接箍與吊卡接觸面的最大內徑，mm。

經計算接觸壓力為594 MPa，套管接箍的屈服強度為965 MPa，按安全系數為1.6計算，從接觸壓力判斷套管接箍能滿足要求。但吊卡材料的屈服強度為835 MPa，按安全系數為1.4計算，其值接近接觸壓力，因此吊卡是一個薄弱環節。

1.4.2 剪切失效計算

套管接箍為直角臺階，即半錐角為90°。代入式（5）和式（6）可得：

τ_max=σ_a2≤0.6S_m（8）

按式（8）剪切失效判斷，套管接箍臺階面被剪切破壞的極限質量應為1 219 t，可以認為接箍不會剪切失效，而是其他形式的破壞。

此外，在實際的深井下入套管過程中，套管和吊卡的中心位置不是同心狀態，吊卡與套管存在偏心情況（見圖1），偏心時最大間隙為4.88 mm，可以認為是最惡劣的受力狀況。如果吊卡孔進一步被磨損，吊卡和鉆桿的間隙增大，超重的套管將使吊卡承受偏心載荷，嚴重時吊卡活頁會被躄開，造成套管落井事故^［7］。

2 不同狀態下入套管、吊卡應力對比

在吊卡臺階支承接箍端面的工況下，管體和接箍螺紋的應力狀態與套管已連接的懸掛狀態不同。采用有限元方法分別進行應力狀態的分析比較。

2.1 有限元模型

根據API Spec 5B標準^［31］的基本參數，獲得相應的基本尺寸?？紤]螺紋結構的復雜性，即變形往往超出彈性范圍，屬于幾何非線性、材料非線性以及接觸非線性的多重耦合，將其簡化為二維軸對稱有限元模型。圖2為有限元網格模型。螺紋段采用非線性變形的軸對稱四邊形單元。為節省計算量，螺紋連接部位進行網格細化處理，網格密度為0.01，其他地方的網格相對粗糙；采用過渡單元對螺紋與管道結構化網格之間的網格進行建模，保證計算結果的準確性。

采用相同的網格模型，用2種不同約束進行計算（見圖3）。模型1為螺紋連接懸掛的拉伸方式，在頂部管體上固定，如圖3a所示；模型2為吊卡臺階支承，接箍承受吊卡臺階的支反力，如圖3b所示。套管螺紋之間設置為接觸，接觸面屬性為面與面接觸，摩擦因數為0.02^［32-35］。套管材料的物理特性如表1所示。

2.2 計算結果分析

2.2.1 拉伸模型

按模型1進行加載計算，模擬套管拉伸下入的情況。在7 500 kN載荷作用下，螺紋接頭應力分布云圖如圖4所示。由圖4可以看出：螺紋接頭應力分布較為均勻，管體外螺紋消失帶的牙底發生很小局部的屈服，最大von Mises應力出現在螺紋牙上；螺紋接觸面發生應力集中現象，該區域是螺紋最早發生失效的部位。

2.2.2 吊卡臺階支承模型

采用模型2吊卡臺階支承接箍的約束方式，得到7 500 kN載荷坐掛時套管與接箍的應力云圖，如圖5所示。從圖5可以看出：與圖4相比，接箍端面固定時應力分布規律有較大的差異，最大應力位置轉移到接箍端面，且其應力接近于材料的屈服強度，接箍端面存在失穩的風險；管體外螺紋消失帶的牙底位置存在較高應力，在管體外螺紋消失帶和接箍第1螺牙區存在塑性貫通的風險。

3 偏心條件下有限元模型分析

3.1 有限元分析模型

按偏心4.88 mm建立套管-接箍-吊卡的三維有限元模型，如圖6所示?？紤]到結構及載荷的對稱性，選?。?/2）模型進行有限元分析，以提高分析效率。由于套管尺寸是非API標準尺寸，所以，螺紋的具體尺寸參數公差和實際可能存在偏差。

對套管與接箍的螺紋接觸位置進行了網格細化處理，在套管下端面施加拉伸載荷，在對稱面上施加對稱約束，在吊卡下部施加軸向位移約束。

3.2 計算結果分析

圖7為不同載荷條件下入套管吊卡整體Mises應力云圖。由圖7可以看出：套管與接箍在無間隙側應力水平高，危險面在接箍螺紋處；吊卡在有空隙側應力水平最高；隨著載荷的增加，套管與接箍的應力逐漸增大，但大部分仍處在彈性區域，不存在整體屈服。

3.2.1 接箍應力分析

圖8為不同載荷下接箍的Mises應力分布云圖。圖9為接箍沿軸線方向的應力分布圖。從圖8和圖9可以看出：接箍的最大應力位于無間隙側，在接箍螺紋第2牙和第3牙處應力最大；在6 400 kN載荷下塑性區域深度為1～2 mm，隨著載荷的增加，在7 500 kN載荷下塑性區域進一步增加，存在失效的風險。

3.2.2 管體應力分析

圖10為不同載荷下管體的Mises應力分布云圖。從圖10可以看出：由于偏心作用，管體的最大應力出現在無間隙一側，螺紋牙位于消失帶的位置應力較大；在7 500 kN載荷下，管體大部分仍處于彈性范圍內，但由于應力集中效應，螺紋牙消失帶局部區域的螺紋牙根位置出現了部分屈服現象。

3.2.3 吊卡應力分析

圖11為不同載荷下吊卡的應力云圖。由圖11可知：在偏心作用下，吊卡在圓周上的應力分布不均勻，在有間隙側應力高，高應力區在吊卡邊緣位置；在應力集中以及偏心的共同作用下，吊卡有剪切破壞的趨勢。

圖12為接箍與吊卡之間的接觸壓力云圖。從圖12可以看出，在偏心的作用下，接觸壓力分布不均勻，邊緣位置的接觸壓力在局部超過了屈服強度，但塑性范圍非常小。由于單根套管下入時吊卡對接箍的支承出現在數分鐘內，可以認為不影響正常使用。

3.2.4 極限條件下的應力分析

對于?365.12 mm×13.88 mm 140V BC套管，其極限拉伸載荷為10 340 kN，考慮動載等其他因素，認為其極限載荷為8 500 kN。圖13為極限載荷時套管與吊卡的應力云圖。從圖13可以看出：整體上套管結構大部分區域在彈性范圍內，但局部應力超過屈服強度，特別是接箍螺紋處，且接箍螺紋有塑性貫通風險，套管的密封值得關注。

圖14為不同載荷下接箍螺紋在無間隙側沿軸線的應力分布曲線。從圖14可以看出，隨著載荷的增大，Mises應力逐漸增大，接箍前5扣Mises應力較高，在極限載荷下應力超過了材料的屈服強度，存在風險。

3.2.5 吊卡孔磨損后的應力分析

圖15為8 500 kN載荷時吊卡孔在不同磨損情況下的接箍螺紋應力云圖。從圖15可以看出：吊卡孔磨損后對套管與接箍螺紋的影響不大，特別是在無間隙側，應力變化小；對于有間隙側，吊卡孔發生磨損后，吊卡與接箍的接觸面積減小，在接箍端面存在高應力區且隨著磨損的增大應力逐漸增大，接箍端面是一個高應力區域。

圖16為8 500 kN載荷時吊卡孔在半徑磨損2 mm后的Mises應力云圖。從圖16可以看出，吊卡在磨損后的應力水平增大，其邊緣處的應力已經超過材料的屈服強度，吊卡存在風險。

圖17為不同磨損情況下的吊卡應力分布曲線。從圖17可以看出，在吊卡孔磨損2 mm后，其邊緣存在深度為10 mm、寬度為5 mm的區域，該區域的應力超過吊卡材料的屈服強度（835 MPa）。建議：①吊卡孔磨損超過1 mm后更換新吊卡；②大直徑、大噸位套管建議采用組合式結構，即吊卡孔采用可更換內套結構，內套用高于吊卡體的高強度鋼制造，推薦其屈服強度為965 MPa；③當套管質量超過500 t時，考慮使用與頂驅匹配的卡瓦型吊卡下入套管。

4 結論及建議

（1）在吊卡臺階支承接箍端面的情況下，管體與接箍螺紋的應力狀態顯著不同于套管在拉伸狀態下的受力情況。管體外螺紋消失帶和接箍第1螺牙區存在塑性貫通的風險。

（2）對于?365.12 mm×13.88 mm、鋼級為V140、BC螺紋的套管，采用吊卡臺階支承接箍下入套管，在8 500 kN載荷下，套管結構大部分區域在彈性范圍內，但接箍螺紋的局部應力較高，接箍螺紋有塑性貫通風險，套管的密封值得關注。

（3）吊卡在有間隙側局部應力最大，存在高應力區域，有剪切破壞的風險。吊卡孔磨損后對吊卡的應力影響較為顯著，特別是吊卡孔磨損后且存在偏心的情況，極限載荷下吊卡的邊緣應力超過材料屈服強度。建議吊卡孔磨損1 mm左右更換新吊卡或采用可更換內套結構，內套用屈服強度為965 MPa的高強度鋼制造。

（4）當套管下入遇阻卡時，允許的上提力應綜合考慮吊卡和接箍的允許承載能力，除了強度以外，還應該重點關注螺紋的密封性。當套管質量超過500 t時，考慮使用與頂驅匹配的卡瓦型吊卡下套管。

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第一作者簡介：馮少波，高級工程師，生于1977年，2006年畢業于西南石油大學油氣井工程專業，獲博士學位，現從事鉆完井技術和科研工作。地址：（841000）新疆庫爾勒市。email：fengsb-tlm@petrochina.com.cn。

通信作者：史君林，講師。email：jlshi92@foxmail.com。