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深井尾管悬挂器有限元分析及悬挂载荷计算

2026-04-15 19:58阅读:
编辑:杭州那泰有限元分析公司 www.nataid.com
深井尾管悬挂器有限元分析及悬挂载荷计算
尾管悬挂器作为深井石油钻井的重要工具,一直受到钻井业界高度重视。深井固井作业多采用尾管固井的方法,可将1次重载荷下套管作业变为2次轻载荷作业,节约了大量的套管和水泥,降低固井成本,同时提高了尾管固井成功率和尾管固井质量。提高复杂井眼条件下尾管固井的成功率,在破碎地层、易漏易喷地层及高压气井中使用有效的尾管悬挂器是提高固井质量的主要技术措施。尾管悬挂器同其他钻井工具相比,要求其性能更可靠、1次使用成功率更高。本文研究了尾管悬挂器与套管的相互作用,分析了坐挂尾管顶节套管的强度,对尾管悬挂器卡瓦进行了力学有限元分析及设计,计算了尾管悬挂器的额定载荷。
尾管悬挂器的“挂得住”要求是靠卡瓦与外层套管相互作用实现的,这样就改变了外层套管的初始受力状态。悬挂尾管部位的顶节套管除了受正常固井后的水泥浆外挤力、流体内压力和轴向力的作用外,还要受到尾管悬挂器卡瓦坐挂产生的径向力和轴向力。
引起悬挂器失效的主要因素有2个:
外层套管塑性变形破裂;锥体本身挤毁。锥体实际的抗外挤强度比套管抗内压强度大,因此可以根据顶节套管强度分析计算悬挂器额定载荷。悬挂器的额定载荷即为顶节套管达到屈服时的悬挂载荷。套管受力分析如图所示。为了便于计算,进行如下假设:1)卡瓦对称分布。2)卡瓦外圆面上受力均匀分布。3)卡瓦作用区的应力不影响卡瓦作用区以外的套管。4)套管为薄壁筒。
根据力学平衡条件,得到套管周向拉应力,当此应力达到材料最小屈服极限时,则可求得尾管悬挂器的额定载荷。分析悬挂器额定载荷计算公式,在其他条件已定的情况下,选用屈服值较大的套管、增加套管壁厚和卡瓦长度、适当增大卡瓦楔形角及卡瓦与套管壁的摩擦角,可以提高悬挂器的悬挂能力。
结论
1)顶节套管受到水泥浆外压、管内流体压力、初始轴向力及卡瓦坐挂产生的周向应力和轴向应力作用,叠加后得到顶节套管总应力,根据第四强度理论进行强度校核。
2)在卡瓦牙根部,卡瓦应力为最大值。对公式分析可知,增大卡瓦与套管的接触面积、摩擦角、卡瓦楔形角可以降低悬挂器卡瓦的应力。
3)根据卡瓦作用的顶节套管强度,悬挂器额定载荷可由计算得到。


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