海上礫石充填新式滑套作業(yè)性能分析

劉傳剛，鞠少棟，包陳義,馬認(rèn)琦，洪秀玫（中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司鉆采工程研究所，天津 300452）

海上油氣田開(kāi)發(fā)中，大斜度井、水平井等復(fù)雜井的作業(yè)對(duì)完井工藝和工具提出了更高的要求［1］。充填滑套是礫石充填完井防砂作業(yè)中必不可少的工具，滑套的有效開(kāi)啟和關(guān)閉是保證防砂作業(yè)順利完成的關(guān)鍵。現(xiàn)有充填滑套現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中存在滑套誤打開(kāi)和滑套無(wú)法關(guān)閉等問(wèn)題，且滑套結(jié)構(gòu)不夠簡(jiǎn)單，容易發(fā)生砂卡，增加了復(fù)雜井防砂作業(yè)的操作難度，稍有不慎就會(huì)造成防砂作業(yè)失敗［2～4］。針對(duì)充填滑套現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問(wèn)題，自主設(shè)計(jì)新式充填滑套，通過(guò)改變滑套結(jié)構(gòu)保證現(xiàn)場(chǎng)防砂作業(yè)的安全。

為準(zhǔn)確掌握新式充填滑套及其滑動(dòng)爪機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能，保證滑套打開(kāi)和關(guān)閉的準(zhǔn)確可靠，基于理論分析和有限元數(shù)值模擬方法，研究滑套滑動(dòng)爪機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能，確定滑動(dòng)爪的最大軸向拉力和最大應(yīng)力，并通過(guò)功能試驗(yàn)與理論、數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證理論研究的準(zhǔn)確性，相關(guān)方法和結(jié)論可為充填滑套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 新式滑套基本結(jié)構(gòu)及工作原理

針對(duì)常規(guī)充填滑套作業(yè)過(guò)程中誤打開(kāi)、密封易失效的問(wèn)題，設(shè)計(jì)新式充填滑套結(jié)構(gòu)如圖1所示，新式滑套總成主要由鎖環(huán)、滑動(dòng)爪、滑套和滑套密封筒等組成。當(dāng)滑套內(nèi)下入開(kāi)關(guān)工具時(shí)，開(kāi)關(guān)工具的施動(dòng)臺(tái)肩與滑動(dòng)爪的驅(qū)動(dòng)臺(tái)肩接觸，開(kāi)關(guān)工具下行帶動(dòng)滑動(dòng)爪向下移動(dòng)，滑動(dòng)爪移動(dòng)到位后，下部滑動(dòng)爪嵌入滑套凹槽中，此時(shí)滑動(dòng)爪上的4個(gè)密封圈均位于充填孔的下面，保證充填孔的完全打開(kāi)和之后的礫石充填作業(yè)。充填完畢后上提服務(wù)管柱，開(kāi)關(guān)工具或關(guān)閉工具的施動(dòng)臺(tái)階帶動(dòng)滑動(dòng)爪向上移動(dòng)，上部滑動(dòng)爪卡入鎖環(huán)的內(nèi)溝槽內(nèi)，保證滑套關(guān)閉后有一定的鎖緊力，同時(shí)滑套的充填孔處于兩組O形密封圈之間，實(shí)現(xiàn)滑套的有效關(guān)閉和密封［5］①Baker Hughes Inc.Sand control systems.Baker Hughes，2000.。

新式充填滑套主要優(yōu)點(diǎn)為：①滑動(dòng)爪兩側(cè)采用雙密封結(jié)構(gòu)，密封面處進(jìn)行滲氮處理，增加耐沖蝕能力，滑套關(guān)閉后其內(nèi)外可承受較高的壓力差。②滑套中的鎖環(huán)和滑動(dòng)爪形成雙鎖緊機(jī)構(gòu)，滑動(dòng)爪上設(shè)計(jì)有自鎖臺(tái)肩，滑動(dòng)爪需要一定軸向力才能在滑套內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)以打開(kāi)或關(guān)閉滑套，解決了滑套易誤打開(kāi)的難題。③新式充填滑套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，均采用API標(biāo)準(zhǔn)扣型或美制標(biāo)準(zhǔn)螺紋，以方便與其他石油管材連接，便于現(xiàn)場(chǎng)操作。

圖1 新式充填滑套基本結(jié)構(gòu)

2 滑套滑動(dòng)爪機(jī)構(gòu)受力分析

滑套滑動(dòng)爪機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，壓力載荷基本施加于滑動(dòng)爪自由端，滑動(dòng)爪截面形狀及結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示［6］。

滑動(dòng)爪通過(guò)鎖環(huán)時(shí)最大彎曲變形y為：

式中：p為滑動(dòng)爪受到的壓力，N；L為滑動(dòng)爪長(zhǎng)度，m；E為滑動(dòng)爪材料彈性模量，Pa；Ix為滑動(dòng)爪截面慣性矩，m4。

計(jì)算公式：

圖2 滑動(dòng)爪截面形狀及結(jié)構(gòu)尺寸

式中：Ix1為不考慮重心位置影響的滑動(dòng)爪截面慣性矩，m4；A為滑動(dòng)爪截面面積，m2；ys為滑動(dòng)爪截面重心S到圓環(huán)中心的距離，m。

滑動(dòng)爪通過(guò)鎖環(huán)受到的軸向拉力F為：

式中：θ為滑動(dòng)爪承載斜面的角度，（°）；f為摩擦因數(shù)，1?；瑒?dòng)爪通過(guò)鎖環(huán)時(shí)由彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力σ為：

式中：M為滑動(dòng)爪根部的彎矩，N·m；r為滑動(dòng)爪截面內(nèi)半徑，m；α為滑動(dòng)爪截面1／2弧心角，（°）。

設(shè)定滑動(dòng)爪機(jī)構(gòu)共包括18個(gè)滑動(dòng)爪，所用材料為40CrMnMo，彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為780MPa，滑動(dòng)爪長(zhǎng)度26.6mm，其外半徑85.25mm，內(nèi)半徑82mm，徑向最大變形0.67mm，弧心角10.9°。根據(jù)上述公式計(jì)算求得單個(gè)滑動(dòng)爪受到的最大下壓力為1090N，最大軸向拉力為918N，最大應(yīng)力為1100MPa，整個(gè)機(jī)構(gòu)的軸向拉力為16524N。

3 滑套滑動(dòng)爪機(jī)構(gòu)性能仿真分析

利用Solidworks軟件建立滑套滑動(dòng)爪通過(guò)鎖環(huán)時(shí)的三維結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示，整個(gè)滑動(dòng)爪機(jī)構(gòu)和鎖環(huán)均為圓周對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

將滑動(dòng)爪三維結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入ANSYS軟件，建立三維有限元分析模型。鎖環(huán)外部施加固定約束，滑動(dòng)爪根部施加位移約束，滑動(dòng)爪中心套外表面施加徑向約束，在滑動(dòng)爪臺(tái)肩和鎖環(huán)內(nèi)表面之間建立面面接觸，目標(biāo)面采用TARGE170接觸單元，接觸面采用CONTA174接觸單元，接觸剛度矩陣設(shè)置為隨當(dāng)前所附單元的平均應(yīng)力迭代更新，滑動(dòng)爪與鎖環(huán)之間的摩擦因數(shù)設(shè)為0.1。為保證計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分采用六面體單元。

滑動(dòng)爪徑向變形最大位置對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力分布如圖4所示。滑動(dòng)爪最大等效應(yīng)力發(fā)生于爪根部，最大等效應(yīng)力為1141MPa，由于塑性區(qū)域較小，作業(yè)過(guò)程中滑動(dòng)爪根部會(huì)發(fā)生局部塑性變形。

圖3 滑套滑動(dòng)爪打開(kāi)三維模型

圖4 滑動(dòng)爪結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分布云圖

滑動(dòng)爪軸向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中軸向拉力載荷變化曲線如圖5所示。圖中，滑動(dòng)爪通過(guò)鎖環(huán)所需的最大軸向拉力為13636N。

4 滑套功能試驗(yàn)

依據(jù)裝配圖紙，將清洗后的各部件進(jìn)行組裝，開(kāi)關(guān)工具正常插入，吊至擰扣機(jī)并夾住滑套密封筒，開(kāi)關(guān)工具上部與液壓缸的活塞桿螺紋聯(lián)接，通過(guò)活塞桿的伸縮實(shí)現(xiàn)滑套的開(kāi)關(guān)，如圖6所示。

液壓缸上的液壓表可顯示活塞桿回縮時(shí)的壓力，從而獲得每次打開(kāi)滑套過(guò)程中的壓力變化，通過(guò)液壓缸推拉開(kāi)關(guān)工具，實(shí)現(xiàn)滑套的打開(kāi)和關(guān)閉，記錄5次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

比較滑動(dòng)爪機(jī)構(gòu)的理論研究與功能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，對(duì)于滑套打開(kāi)的軸向拉力，理論計(jì)算值較大，有限元計(jì)算和功能試驗(yàn)值較小，由于頭部凸臺(tái)和根部倒角影響，滑動(dòng)爪截面壁厚不完全一致，理論計(jì)算方法存在一定的誤差，有限元分析模擬結(jié)果相對(duì)比較精確和可靠，分析表明滑動(dòng)爪最大應(yīng)力超過(guò)其屈服極限，功能試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)本身會(huì)發(fā)生一定的塑性屈服變形，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不斷變小并最終保持穩(wěn)定。

圖5 滑動(dòng)爪軸向拉力隨計(jì)算時(shí)間的變化

圖6 滑套打開(kāi)試驗(yàn)

通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)分析，修改滑動(dòng)爪結(jié)構(gòu)尺寸以降低其最大等效應(yīng)力，并反復(fù)研究和調(diào)整滑套及滑動(dòng)爪機(jī)構(gòu)的選材、熱處理、機(jī)加工等成型工藝，研制出結(jié)構(gòu)合理、性能穩(wěn)定的新式滑套結(jié)構(gòu)，新式充填滑套現(xiàn)已多次服務(wù)于海上完井作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用良好。

表1 滑套打開(kāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 滑套打開(kāi)軸向拉力理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）基于理論分析，滑動(dòng)爪機(jī)構(gòu)最大軸向拉力為16524N，最大應(yīng)力為1100MPa；基于有限元計(jì)算，滑動(dòng)爪機(jī)構(gòu)最大軸向拉力為13636N，最大應(yīng)力為1141MPa，滑動(dòng)爪最大應(yīng)力超過(guò)屈服極限，作業(yè)過(guò)程中滑動(dòng)爪根部會(huì)發(fā)生一定的塑性變形。

2）采用拉拔試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行多次開(kāi)關(guān)工具的功能試驗(yàn)，開(kāi)關(guān)工具滑動(dòng)爪機(jī)構(gòu)通過(guò)鎖環(huán)的軸向拉力載荷初值為13655N，后逐漸減小到12836N并保持穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果初值與理論計(jì)算結(jié)果基本相符，表明滑動(dòng)爪最大應(yīng)力已超過(guò)屈服極限，功能試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)本身的屈服變形導(dǎo)致試驗(yàn)最終值偏小，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意。

3）比較滑套滑動(dòng)爪機(jī)構(gòu)的理論研究與功能試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于打開(kāi)滑套的軸向拉力，理論計(jì)算值較大，有限元計(jì)算與功能試驗(yàn)值較小，由于滑動(dòng)爪頭部凸臺(tái)和根部倒角影響，理論計(jì)算方法存在一定的誤差，有限元分析模擬結(jié)果相對(duì)比較精確和可靠，設(shè)計(jì)時(shí)為降低結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力通過(guò)修改滑動(dòng)爪結(jié)構(gòu)尺寸的方法以確定滑套最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。

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