超深井吊卡有限元分析

陈开宇

（四川水利职业技术学院电力工程系，四川 成都 611231）

0 引言

随着我国油气产业的发展，深井、超深井的数量和占比都不断地攀升。 在超深井下套管过程中， 由于套管尺寸比较大，固封段长，所以井口的载荷大，对下套管工器具提出了更高的要求[1]。 吊卡作为下套管所需的最重要的工具之一， 其受力情况直接影响着该项施工的安全。 因此有必要对吊卡的受力情况进行有限元分析，验证其使用的安全性，并给予合理化建议。

1 吊卡技术参数

吊卡是下套管的时的专用工具， 目前超深井现场使用的套管吊卡一般是侧开式的， 很少使用牛头 （对开式）吊卡[2]。 侧开式套管吊卡几何形状如图1。

套管吊卡有一个可以打开的活页， 图示的活页左侧有一个安全锁[3]。关闭活页时，活页自动锁紧。吊卡的主要受力部位为吊耳和上部突起的一个承载台阶，吊耳是用来连接吊环用的， 承载台阶上面坐放着套管的接箍。

例如在克深7 井下大尺寸下套管作业中， 使用的是由宝石厂所生产的750t 吊卡，使用情况良好，保障了下套管施工的安全性。

图1 套管吊卡外形

2 吊卡的有限元分析

以克深7 井三开套管使用的750 吨103/4”吊卡为例做有限元分析，长、宽、高为917mm437mm500mm，内径为247mm，承载台阶面高7mm。 两侧吊耳宽130mm，如图2 所示。

图2 750 吨103/4”吊卡

克深7 井下套管作业时最大的载荷是465.57t，由SY/T 5035-2004,可知，额定载荷≥500t 时，设计的安全系数为2.25，465.57/2.25=209.62＜额定载荷750t[51-52]。

750t 吊卡在受力465.57t 时的结构强度分析：

2.1 建模并划分网格

采用ANSYS 有限元分析软件对其进行结构分析，吊卡的材料性能参数如表1 所示：

表1 吊卡的材料性能参数[4]

对模型进行了适当的简化，受力时活页是关闭的，可以把受力模型建立为一个整体[5-6]。 采用SOLID186单元划分网格， 设置材料的弹性模量为210Gpa， 泊松比=0.3。 采用自动划分网格，网格划分精度控制为3，共生成52381 单元，10803 个节点。 整体网格划分如图3 所示。

2.2 加载和求解

在受力中两边吊耳的力基本上相等， 所以每个吊环受力为232.758 吨。由于是承载台阶面受力，可以对台阶面的X、Y、Z 方向上的自由度进行约束， 在吊耳和吊环的接触面上的节点施加载荷[6-7]。 求解的结果如图4 和图5 所示。

图3 吊卡的网格划分

3 吊卡的有限元计算结果分析

（1）吊卡的最大塑性变形发生在吊耳上面。最大塑性应变为0.559。 最大应变如图4 所示。

图4 应变图

图5 等效应力图

（2）吊卡有四个应力集中的地方，如图5 所示。 吊卡的最大应力发生在承载面上靠近吊耳的面上， 与实际是相符合的， 由于两端受拉， 这个地方承受的压力最大[2]。 最大值为901.2Mpa， 小于材料的许用应力1180Mpa。但是，在重复的使用过程中，这些应力集中区会产生疲劳与裂纹，因此要定期无损检测。

（3）由于吊卡的最大变形发生在吊耳上面，建议该吊卡在后期优化升级时可适当增大吊耳的尺寸， 或使用强度和刚度更大的材料来替代现有材料。