Computer simulation of the operation of a pipe hanger body of a tubing hanger
Authors: Тимофеев Е.К. 
Published: September 2024

Подвеска насосно-компрессорной трубы является конструктивным элементом, входящим в состав системы подводной добычи. Корпус трубодержателя является основой конструкции подвески насосно-компрессорной трубы и воспринимает скважинное давление и силу тяжести колонны свинченных труб, чья прочность и работоспособность играет решающую роль в обеспечении безопасности процесса добычи. Нарушение структурной целостности конструкции корпуса трубодержателя может вызвать необратимые катастрофические последствия. Недостаточно проработанные инженерные решения по конструктивному исполнению проточной части корпуса трубодержателя могут привести к увеличению местного гидравлического сопротивления, что способствует увеличению энергозатрат по перекачке газлифтовым способом добываемого флюида и, как следствие, снижению коэффициента полезного действия всей линии трубопровода добычи. В этой связи данная статья направлена на выявление степени влияния геометрических параметров проточной части корпуса трубодержателя на прочностные и гидравлические характеристики конструкции. В работе представлены результаты компьютерного моделирования корпуса трубодержателя в эксплуатационных условиях работы методом конечных элементов, а также методом конечных объемов с использованием расчетного комплекса Ansys. При конечно-элементном моделировании напряженно-деформированного состояния корпуса трубодержателя задача рассматривалась в рамках упругой постановки. Методом конечных объемов моделировалось однофазное течение газа при перепаде давления Δp =1 МПа между входом и выходом проточного канала с учетом модели турбулентности k-ɛ. По результатам моделирования были определены прочностные и гидравлические параметры конструкции. Представлены результаты расчетов эквивалентных напряжений, а также коэффициента гидравлического сопротивления для различных типов исполнения проточной части корпуса трубодержателя. Материалы статьи представляют практическую ценность для инженеров, занимающихся проектированием элементов системы подводной добычи.

The tubing hanger is a structural element included in the subsea production system. The pipe hanger body is the basis of the tubing hanger structure and absorbs the downhole pressure and gravity of the screwed pipe string, whose strength and performance play a decisive role in ensuring the safety of the production process. Compromise of the structural integrity of the pipe hanger body structure can cause irreversible catastrophic consequences. Insufficiently developed engineering solutions for the design of the flow part of the pipe holder housing can lead to an increase in local hydraulic resistance, which contributes to an increase in energy costs for pumping the produced fluid using the gas lift method and, as a consequence, a decrease in the efficiency of the entire production pipeline line. In this regard, this article is aimed at identifying the degree of influence of the geometric parameters of the flow part of the pipe hanger body on the strength and hydraulic characteristics of the structure. The paper presents the results of computer modeling of the pipe hanger body under operating conditions using the finite element method, as well as the finite volume method using the Ansys calculation package. In finite element modeling of the stress-strain state of the pipe holder body, the problem was considered within the framework of an elastic formulation. Using the finite volume method, a single-phase gas flow was simulated with a pressure difference Δp = 1 MPa between the inlet and outlet of the flow channel, taking into account the k-ɛ turbulence model. Based on the modeling results, the strength and hydraulic parameters of the structure were determined. The results of calculations of equivalent stresses, as well as the coefficient of hydraulic resistance for various types of design of the flow part of the pipe holder body are presented. The materials of the article are of practical value for engineers involved in the design of elements of an underwater production system.