塔里木某高温高压井3维有限元管柱应力及疲劳强度安全系数分析.docxVIP

2017Simulia中国区用户大会,深圳,2017.11.30

塔里木某高温高压井3维有限元管柱应力及疲劳强度安全系数分析

杨向同1，沈新普2，3，王克林1，沈国阳2，3，刘会锋1

1，中国石油塔里木油田分公司；2，天津辰兴工程技术有限公司；3，GuoyangTechnologyand

ServicesLLC,USA

摘要：

本文针对KES2-2-3井的实际工程问题建立了三维有限元管柱力学模型。结合完井试

油施工过程，分析了管柱结构的变形及应力分布，找到了交变应力的来源。然后根据疲劳

强度计算的理论公式，给出了疲劳安全系数的计算公式，并根据疲劳强度理论公式以及管

柱各处的轴向应力有限元数值计算结果，得到各弯曲应力部位的疲劳安全系数n的值。结

果表明：1)在压裂施工阶段，在深度5580–5590米之间，疲劳安全系数n的值小于1，

标为红色警告区。在4110–4120米和4560–4570米之间，n值分别为1.99和1.11，

大于1、小于2，标为预警区。在其它管段的安全系数n大于1.99，属于安全区。2)在开

井试油生产阶段，各段的安全系数都大于3，属于安全状态，标为绿色安全区。3)在初始

的压裂前下管柱阶段，在1840米深度上有应力波动区，疲劳安全系数n值为2.49，属于

绿色安全区。在4590-4610米和6629-6649米深度上有应力波动区，n值分别为1.83和

1.04，属于黄色预警区。4)模型中忽略了深度1800-2600米之间井孔轨迹方位角变化可

能产生的支反力/扭转载荷作用。这使得计算所得疲劳安全系数的结果比实际上的可能值

要大，实际的安全系数要小于计算值。5)在第418根和432根油管断裂的深度4100-

4300米的管段，靠近安全系数黄色预警区。

结合管柱应力分析数值结果和疲劳安全系数分析结果，为了保证管柱的完整性、保障

安全生产，本文对具有类似结构的超深高温高压井的管柱设计提出了若干措施建议。

1引言

KES2-2-3井是一口高温高压超深油气直井。它的储层温度高达180oC，深度大约

7000米，储层孔隙压力接近100MPa。在完成一次完井-石油一体化施工后，起出管柱，

发现油管柱在第418根和第432根发生了断裂。具体情况为第418根油管（垂深4146m）

工厂端丝扣根部断，第432根油管(垂深4285.39m)工厂端丝扣根部断。观察发现，第418

根油管接箍完好无损，丝扣/公螺纹在与接箍连接的根部断裂。第432根油管丝扣断裂位

置与第418根油管节类似。断口如图1所示。观察发现，最初的起始裂纹为疲劳裂纹。

油管柱位于井下，通常承受静载荷，发生疲劳裂纹断裂的风险不大。KES2-2-3井之

所以能够发生疲劳裂纹断裂，是因为多方面的原因。主要的有：１）由于钻井质量不够好，实际井轨迹偏离设计轨迹，闭合距的偏离具有一定的震荡特点，从而当其中的油管通过这

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些位置时会有附加弯曲应力出现，造成局部应力在常规轴向力的基础上一定程度的应力震荡。２）施工及生产过程中的温度变化明显，温度升降引起管柱伸长/收缩从而导致管柱

反复通过局部应力震荡位置，导致应力的反复变化。3）油管-套管之间的间隙设计不够合

理，使得局部管柱有发生弯曲变形的空间，导致管柱内发生应力震荡。

图1、断口照片。

造成管柱侧向弯曲变形及扭转的载荷有两类，其中一类是施加在管柱轴向的载荷，包

括力载荷与热载荷。这个载荷能导致管柱失稳、产生侧向弯曲及扭转，另一类是作用在管

柱侧表面上的套管支反力载荷。因为井轨迹有水平延伸即横向位移，造成管柱下入井孔时

支反力载荷致使管柱沿井轨迹的横向发生位移。管柱内部及外部的液体压力载荷及重力载

荷一般不会直接导致管柱的横向位移。上述两类位移都是管柱弯曲及扭转变形的主要因素。

当位移对应的应力足够大时，管柱将进一步发生塑性变形及断裂。

采用有限单元法进行管柱的三维力学数值分析是近年来的一个热点研究[3][4][5][6]。

它可以模拟施工过程、以及与施工过程相关的变形过程，从而得到与过程相关的局部应力

变化。这是三维有限元管柱力学数值解优于三维管柱力学解析解的地方之一。

三维有限元数值解可以对油管和套管之间的接触进行逐点分析，并根据接触情况得到

相应的摩擦力大小。这是三维有限元数值解优于解析解的特点之二。

Abaqus有限元软件提供了管管接触ITT单元，并且根据厚壁筒受内压-外压的理论，

提供了管截面上24个点的应力解析解，这样就在保证位移和应力数值解精度的前提下极

大地提高了管柱计算求解效率。