連續(xù)油管注入頭V形夾持塊的角度優(yōu)化

陳迎春，張仕民，趙麗爽，王文明，楊德福，串俊剛

（1.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249；2.河北石油職業(yè)技術學院，河北 廊坊065000；3.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002）①

連續(xù)油管技術已經廣泛使用于油氣開發(fā)作業(yè)的各個方面，而連續(xù)油管注入頭作為連續(xù)油管裝備的核心部件，其性能將會直接決定連續(xù)油管作業(yè)的成功與否［1－2］。連續(xù)油管注入頭上部的V形夾持塊對于連續(xù)油管作業(yè)起著至關重要的作用，合理的夾持塊可以提供足夠的連續(xù)油管注入力或上提力并且不破壞連續(xù)油管。文中主要通過數(shù)值模擬、室內試驗、數(shù)學優(yōu)化相結合，對注入頭V形角的最優(yōu)角進行了研究。

1 總體結構

注入頭主要由外部機架、內部夾持注入系統(tǒng)和底部支撐測試部分組成，由于實際注入頭的結構比較復雜［3］，為了便于分析，將其結構進行一定簡化，如圖1所示。在進行連續(xù)油管下入作業(yè)時，首先打開液壓張緊裝置，使張緊活塞在液壓油的作用下完成對動力鏈條的張緊作業(yè)；然后打開液壓夾緊裝置，使夾緊活塞收縮，實現(xiàn)對連續(xù)油管的夾緊作業(yè)；最后打開液壓馬達，使主動鏈輪軸在液壓馬達的作用下轉動，從而帶動動力鏈條進行連續(xù)油管的下入作業(yè)。上提連續(xù)油管的操作過程基本與下入過程相同，主要區(qū)別是夾持塊帶動連續(xù)油管向上運動，即夾持塊與連續(xù)油管之間的摩擦力方向不同。

其中，夾持塊與動力鏈條的配合方式如圖2所示。將長銷軸穿過夾持塊與動力鏈條，使之連為一體；銷軸上裝有擋圈以固定夾持塊的位置；注入頭工作過程中，夾持塊與連續(xù)油管之間是靜摩擦，夾持塊會隨著連續(xù)油管一起運動。

2 不同V形角下連續(xù)油管受力研究

由注入頭對連續(xù)油管的夾持機理可知，影響連續(xù)油管的夾持效果的因素主要是夾持塊的形狀。選取其中任意一塊夾持塊進行分析，夾持塊與連續(xù)油管之間的夾持力學模型如圖3所示。

圖3中：σy為液壓夾緊活塞桿收縮時作用在V形塊外壁上的接觸應力，Pa；N為在σy的作用下，夾持塊對連續(xù)油管外管管壁的壓力，N。Ff為夾持塊與連續(xù)油管外壁之間的摩擦力，N；F為連續(xù)油管所受的軸向力，N；S為夾持塊受壓部分的面積，S＝0.051m2；θ為 V 形夾持塊的 V 形角度，（°）。

由文獻［4］，連續(xù)油管在下入時受力為：

式中：D為連續(xù)油管外徑，取38.1mm；d為連續(xù)油管內徑，取32.9mm；L為連續(xù)油管下入深度，m；ρg為連續(xù)油管密度，7 850kg／m3；ρy為井液密度；g 為重力加速度；p為油井壓力，MPa。

為簡化計算，以該注入頭進行室內模擬試驗為例進行分析，則：ρy＝0，p＝0。即在不考慮摩擦的前提下，該注入頭需克服的最大軸向力為：

由于，

因此，當取下入深度為200m，則F＝4 460N，可以由式（4）求解不同θ時夾持塊的接觸應力σy。

2.1 數(shù)值模擬

采用Abaqus進行注入頭V形夾持塊與連續(xù)油管之間的受力分析。設置V形夾持塊與連續(xù)油管之間的相對位置，并根據(jù)夾持塊工作時的實際情況，將夾持塊的y、z線自由度和3個轉動自由度都固定，只保留x方向的線自由度，使夾持塊可以完成對連續(xù)油管的壓緊作業(yè)，如圖4a所示。在夾持塊兩端面上施加接觸應力σy，從而使夾持塊在σy的作用下沿z方向運動，最終壓緊連續(xù)油管，同時，由于σy值較大，因此忽略注入頭與連續(xù)油管的重力，如圖4b所示；最后對模型劃分網(wǎng)格后進行計算，如圖4c所示；由于該模型的是對稱的，因此取連續(xù)油管中間圓作為參考圓，以分析其被壓緊時的應力和應變，如圖4d所示。

不同V形角度時，連續(xù)油管所受的最大應力如表1所示。

2.2 室內試驗

由于實際工況可能比理論模型更加復雜，因此搭建了如圖5所示的試驗臺以驗證數(shù)值計算的結果是否正確。該試驗臺主要由液壓回路、施壓模塊、控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)組成?？刂乒衽c計算機連接，可以控制液壓系統(tǒng)的啟停，還可以傳遞試驗數(shù)據(jù)；在液壓回路的作用下，施壓板向下運動壓緊試驗件，通過調整液壓回路可以改變對試驗件的壓力；位移傳感器用于檢測施壓板的下移位移；應變測試系統(tǒng)用來測量管柱的變形和受力。

分析可知，由于具體進行試驗時很難避免有其它作用力的存在，導致受力會和理想狀態(tài)不一樣，但是數(shù)值模擬的結果與試驗結果基本一致，因此可以認為模擬結果是準確的。

3 基于BP神經網(wǎng)絡的V形塊角度優(yōu)選

由于模擬的結果是離散的，因此采用BP神經網(wǎng)絡將其連續(xù)化，以確定最優(yōu)角。BP神經網(wǎng)絡的整個體系結構如圖6所示，它可以分為輸入層、隱藏層和輸出層，其中隱藏層根據(jù)具體情況的需要，可以是一層結構，也可為多層結構［5］。

將V形塊的角度作為神經網(wǎng)絡的輸入，所以神經網(wǎng)絡的輸入層神經元個數(shù)等為1，將連續(xù)油管的最大應力作為神經網(wǎng)絡的輸出，則神經網(wǎng)絡的輸出層神經元個數(shù)為1。隱含層數(shù)越多，神經網(wǎng)絡學習速度就越慢，根據(jù)Kosmogorov定理，在合理的結構和恰當?shù)臋嘀禇l件下，2層BP網(wǎng)絡可以逼近任意的連續(xù)函數(shù)，因此，選取結構相對簡單的2層BP網(wǎng)絡。一般情況下，隱含層神經元個數(shù)是根據(jù)網(wǎng)絡收斂性能的好壞來確定的，由已有的經驗公式：s＝sqr（0.43nm＋0.12m ＋2.54n＋0.77m＋0.35＋0.51）。其中n為輸入層神經元個數(shù)，m為輸出層神經元個數(shù)，根據(jù)以上公式，可以得出隱含層神經元個數(shù)為5。建立一個前向BP神經網(wǎng)絡函數(shù)net＝newff（x，y，［5，1］，｛’tansig’’purelin’｝，’traincgb’）；［5，1］為該神經網(wǎng)絡的層結構。｛’tansig’’purelin’｝為神經網(wǎng)絡的各層的轉移函數(shù)，前者為sigmoid函數(shù)，后者為線性傳遞函數(shù)。訓練函數(shù)采用traincgb，即采用Powel1－Beale共軛梯度法訓練。由于上文已經計算了9組在不同角度V塊下的連續(xù)油管受力情況，因此將其作為訓練樣本，訓練樣本集合如下：x＝［58 59 59.5 60 60.5 61 62 64 70］；與訓練樣本集合相對應的目標值集合如下：y＝［20.73 20.52 20.39 20.31 20.36 20.41 20.61 21.94 23.19］。本文神經網(wǎng)絡訓練誤差性能目標值設置為0.1，當神經網(wǎng)絡訓練次數(shù)達到最大值1 000或者神經網(wǎng)絡的誤差平方降到0.1以下，終止訓練。結果如圖7所示。

由此可知，連續(xù)油管V形夾持塊的最優(yōu)角度為60°，此時連續(xù)油管的最大應力為σ＝20.4MPa。

4 結語

為優(yōu)化連續(xù)油管注入頭的V形夾持塊的角度，本文通過數(shù)值模擬、室內試驗及BP神經網(wǎng)絡模擬，求得了V形夾持塊的最優(yōu)角度為60°。但是，軟件模擬的結果有一定的隨機性，且實際應用時會有很多其他干擾因素，需要進行現(xiàn)場試驗以驗證最終結果。上述研究將為國內連續(xù)油管制造技術提供重要理論依據(jù)。

［1］瞿丹，黎偉.連續(xù)管注入頭現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.石油礦場機械.2012，41（1）：46－50.

［2］施志輝，劉航，張梁，等.連續(xù)管在注入頭多種夾持方式下的受力分析［J］.石油機械，2011，39（12）：32－34.

［3］REN Run，LIU Bao－di.The Cut Angle Analysis of Coiled Tubing Machines Injection Head［J］.Manufacturing Informatization.2012（6）：88－89.

［4］Zhu Xiaoping，Gao Jinian，Zha Tongjun.Structural Design of Coiled Tubing Injector and Its Load Analysis［J］.DPT 22（4），199：38－43.

［5］劉君堯，邱嵐.基于BP神經網(wǎng)絡的函數(shù)逼近［J］.福建電腦，2009（8）：87－88.