膨脹管可撈底堵的研制與仿真

李益良,孫 強(qiáng),馬林昌,耿艷勝,張立新,高向前

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院裝備研究所,北京100083;2.川慶鉆探國(guó)際工程公司,成都610051; 3.中國(guó)石油大學(xué)(華東),山東東營(yíng)257061) *

膨脹管可撈底堵的研制與仿真

李益良1,孫 強(qiáng)1,馬林昌2,耿艷勝3,張立新1,高向前1

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院裝備研究所,北京100083;2.川慶鉆探國(guó)際工程公司,成都610051; 3.中國(guó)石油大學(xué)(華東),山東東營(yíng)257061)*

針對(duì)膨脹管底堵處理的問(wèn)題,研制了可撈底堵,具有普通底堵的封壓效果,同時(shí)節(jié)約了底堵的磨銑工序,只需下打撈矛將底堵?lián)瞥鼍布纯?且錐形底堵對(duì)膨脹管有二次膨脹整形的作用。對(duì)分瓣爪進(jìn)行了理論強(qiáng)度分析,并對(duì)其工況進(jìn)行了有限元仿真分析和優(yōu)化。

膨脹管;可撈底堵;分瓣爪;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)的不斷成熟,降低施工難度和風(fēng)險(xiǎn)、增加事故處理的方法、降低成本等工作成為重點(diǎn)。原絲扣底堵在補(bǔ)貼施工后需要下入工具進(jìn)行磨銑,施工周期長(zhǎng),且有些油井缺少必要的施工工具,嚴(yán)重影響了膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)在各油田的適應(yīng)性。針對(duì)油田提出的底堵處理困難問(wèn)題,筆者以?108 mm×7 mm規(guī)格的膨脹管為例,研制了可撈底堵,并對(duì)其進(jìn)行建模分析[1-6]。該底堵對(duì)井場(chǎng)工具配備要求較低,一般工作隊(duì)均可操作,大大提高了膨脹管補(bǔ)貼技術(shù)的適應(yīng)性和可靠性。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

膨脹管絲扣底堵的結(jié)構(gòu)如圖1所示,由底堵和膨脹管發(fā)射腔螺紋連接,配合O形圈形成密封結(jié)構(gòu)。膨脹管可撈底堵的結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由錐形底堵、密封圈、分瓣爪、普通油管和油管接頭等部分組成。其工作原理為:加壓膨脹過(guò)程中,錐形底堵通過(guò)密封圈與膨脹腔形成密封,分瓣爪與膨脹腔上的窗口相配合,形成單向鎖定機(jī)構(gòu),防止錐形底堵脫落;在打撈底堵過(guò)程中,較為堅(jiān)硬的錐形底堵將對(duì)膨脹管進(jìn)行二次整形膨脹,在上提力作用下,分瓣爪被迫收縮,隨底堵一起撈出井筒。油管是撈矛的工作對(duì)象,并能承接管柱中的一些小的落物。

圖1 膨脹管絲扣底堵

圖2 膨脹管可撈底堵

2 分瓣爪理論計(jì)算

可撈底堵的關(guān)鍵構(gòu)件之一是分瓣爪,其模型如圖3所示。材料為42CrMo,主要性能參數(shù)如表1所示。

圖3 分瓣爪模型

表1 42CrMo材料性能

2.1 膨脹過(guò)程中分瓣爪抗壓強(qiáng)度

在膨脹管加壓膨脹過(guò)程中,底堵通過(guò)分瓣爪的分腳與膨脹管膨脹腔窗口的單向鎖定配合來(lái)防止底堵脫落[7]。分瓣爪受力簡(jiǎn)化如圖4所示。

圖4 底堵分瓣爪加壓受力分析

錐形底堵端面面積 A=πR2D=8 820.26 mm2,取膨脹過(guò)程中極限壓力 pmax=40 MPa,故分瓣爪受到的擠壓力為

式中,RD為錐形底堵端面半徑,mm。

分瓣爪分腳最細(xì)截面簡(jiǎn)化如圖5所示,其面積為

圖5 分瓣爪分腳段截面結(jié)構(gòu)

分瓣爪總抗壓截面積為

分瓣爪各腳受到壓力為

由于 pZ<σs,故分瓣爪各分腳不會(huì)屈服。

2.2 膨脹過(guò)程中分瓣爪抗剪強(qiáng)度

膨脹管打壓膨脹過(guò)程中,膨脹腔的窗口對(duì)分瓣爪各分腳均有一個(gè)剪切力,簡(jiǎn)化如圖6中 Ts所示。

圖6 分瓣爪懸臂梁受力分析

剪切面所受剪應(yīng)力為

式中,Ts為剪切面受到的剪切力,N;Aτ為剪切面的面積,m2。

已知完整剪切柱面面積為

式中,R為分瓣爪半徑,mm;L為分瓣爪剪切面軸向長(zhǎng)度,mm。

由于分瓣爪的8個(gè)分腳僅為整體圓周的一小部分,其剪切面積為

已知軸向最大剪切力 Tsmax=FJ=352 810.4 N,有

取[τ]=0.6σb,分瓣爪各分腳不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

2.3 打撈過(guò)程中分瓣爪強(qiáng)度

膨脹管可撈底堵打撈過(guò)程中受力最復(fù)雜的構(gòu)件為分瓣爪,分瓣爪分腳段截面比較復(fù)雜,簡(jiǎn)化成如圖6所示懸臂梁模型,設(shè)計(jì)分瓣爪的尾部最大撓度達(dá)到6 mm時(shí),即可從膨脹腔窗口中脫開(kāi),有 ymax=-6 mm,此時(shí)分瓣爪承受的彎矩為

有

單個(gè)分瓣爪軸向受力 F0=F1tan20°=133.8 N,撈錨施加的軸向力為

即當(dāng)撈矛對(duì)底堵施加1 071 N的力可將撈矛撈出。

3 有限元仿真分析

在上述力學(xué)分析基礎(chǔ)上,針對(duì)膨脹管打壓膨脹和打撈2個(gè)過(guò)程,本文應(yīng)用ANSYS對(duì)分瓣爪進(jìn)行有限元受力分析[8-11]?？紤]到材料可能產(chǎn)生屈服,分析采用Von-Mises屈服條件進(jìn)行分析。

3.1 膨脹過(guò)程

約束分瓣爪各腳與膨脹腔窗口接觸面,在與膨脹錐接觸端面施加壓力載荷 pmax,仿真應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 加壓膨脹過(guò)程分瓣爪應(yīng)力云圖

應(yīng)力最大處發(fā)生在分瓣爪各個(gè)爪頸處,最大應(yīng)力為931 MPa。該處橫截面最小,壓應(yīng)力集中,且為剪切端面,應(yīng)力分布情況符合預(yù)期結(jié)果。該工況為設(shè)計(jì)的極限作業(yè)情況,且屈服部位較小,故設(shè)計(jì)結(jié)果滿足實(shí)際作業(yè)需求。

3.2 打撈過(guò)程

在打撈過(guò)程中,分瓣爪的8個(gè)分腳向內(nèi)收縮6 mm可將其撈出,因此約束位移載荷為:分瓣爪各腳最高接觸線的徑向位移為向內(nèi)6 mm。

仿真應(yīng)力云圖如圖8所示,應(yīng)力集中部位為分腳根部,符合設(shè)計(jì)構(gòu)想,根部最大應(yīng)力在900 MPa左右,且范圍不大,滿足分瓣爪材料強(qiáng)度。由于在求解過(guò)程中,強(qiáng)制6 mm線約束使得約束處出現(xiàn)小范圍應(yīng)力集中,使得分析最大應(yīng)力出現(xiàn)在約束線位置,但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,該處受到弧面接觸應(yīng)力,且應(yīng)力較小,可不予考慮。

圖8 打撈過(guò)程分瓣爪應(yīng)力分布

4 結(jié)論

1) 膨脹管可撈底堵的設(shè)計(jì)節(jié)約了磨銑工序,應(yīng)用時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工具配備要求較低,提高了膨脹管技術(shù)的適應(yīng)性。

2) 針對(duì)膨脹管打壓膨脹和打撈2種工況,對(duì)可撈底堵的主要構(gòu)件分瓣爪進(jìn)行了理論與建模分析,均滿足要求,設(shè)計(jì)合理。

3) 建議對(duì)可撈底堵進(jìn)行試驗(yàn)研究,以進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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Development and Simulation of Retrievable Bottom on Expandable Tubular

LI Yi-liang1,SUN Qiang1,MA Lin-chang2,GENG Yan-sheng3, ZHANG Li-xin1,GAO Xiang-qian1
(1.Petroleum Equipment Department,Research Institute ofPetroleum Ex ploration and Development, PetroChina,Beijing100083,China;2.Chuan-Qing Drilling of the International Engineering Company, Chengdu610051,China;3.China University ofPetroleum,Dongying257061,China)

The equipment of Retrievable bottom is developed in order to solve the problem of Solid Expandable Tubular(SET)bottom block.It has the effect of sealing pressure,while saving the milling process.It only need to re-float the retrievable bottom with re-floatation spear and the conicity bottom block expands the expandable tubular secondarily.The split claw is one of the key components.The article makes the theoretical strength analysis and the finite element simulation for it.

expandable tubular;retrievable bottom;split claw;structure design

1001-3482(2010)12-0021-04

TE931.2

A

2010-06-24

中國(guó)石油勘探與生產(chǎn)分公司項(xiàng)目“老井封堵調(diào)層技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”(2008D-1501-07)

李益良(1963-),男,湖南邵陽(yáng)人,高級(jí)工程師,主要從事采油采氣裝備研發(fā)工作。