可降解橋塞中心管力學(xué)性能分析

平恩順，牛建兵，楊秋梅，曾 毅，單茂青，李 博，劉澤宇，辛雙港，馮國君，劉恩波，田 杰

（1.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司井下技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300283；2.大港油田公司第五采油廠地質(zhì)研究所，天津 300283）

頁巖氣作為一種清潔能源，越來越受到能源行業(yè)的青睞。但是頁巖氣儲層的自然產(chǎn)能非常低，通常采用水平井分段壓裂技術(shù)對頁巖氣儲層[1]進行改造，以獲得較高的產(chǎn)能。由于水平井泵送橋塞分段壓裂技術(shù)[2，3]從套管內(nèi)注入攜砂液摩阻小，可以采用大排量和大液量施工，分段壓裂級數(shù)不受限制，與其他水平井分段壓裂技術(shù)相比，泵送橋塞分段壓裂技術(shù)壓裂后形成的網(wǎng)狀裂縫更加復(fù)雜，有效改造體積更大，增產(chǎn)效果更好，因此泵送橋塞水平井分段壓裂技術(shù)是目前頁巖氣開發(fā)的主體技術(shù)[4-6]。本文設(shè)計了一種由可降解粉體材料加工而成的新型可降解橋塞中心管，對可降解橋塞中心管承壓進行理論計算，并對橋塞中心管進行坐封過程和壓裂過程的有限元分析，為我國提升泵送橋塞分段壓裂技術(shù)奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 橋塞中心管的結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋塞中心管的結(jié)構(gòu)（見圖1）：①處為卡槽在下井過程中與坐封工具連接部分，由于材料強度的不穩(wěn)定性未使用螺紋連接；②處為中心管上兩個圓環(huán)槽，目的是為了確保襯套與中心管之間的密封性；③處為螺紋與導(dǎo)向密封頭連接，強度要求較弱所以采用螺紋連接而且方便橋塞拆裝。

中心管設(shè)計尺寸：軸向總長度646.0 mm，主體外徑57.0 mm，內(nèi)徑27.0 mm。結(jié)合ACME螺紋標準，確定外螺紋主要參數(shù)為：螺紋型號為愛克姆螺紋2-3/16-6ACME，其公稱直徑為外徑d=55.56 mm，螺距P=4.23 mm，牙型角 α=29°。

2 橋塞中心管承壓理論計算

由拉梅公式，管柱徑向應(yīng)力為：

管柱軸向應(yīng)力：

式中：Po-外表面壓力；Pi-內(nèi)表面壓力；r-從內(nèi)表面r1處至外表面r2處的任意半徑。

最大應(yīng)力發(fā)生在管柱內(nèi)表面或外表面，因此將前式改寫，可得到管柱內(nèi)外表面的應(yīng)力。

當r=r1時：

當r=r2時：

由第四強度理論知，Mises應(yīng)力為：

進行校核時，如果下式成立，則管柱處于安全狀態(tài)：

三軸應(yīng)力安全系數(shù)為：

式中：σz-管柱的軸向應(yīng)力，MPa；σθ-管柱的周向應(yīng)力，MPa；σr-管柱的徑向應(yīng)力，MPa；σxd-管柱的等效應(yīng)力，MPa；［σ］-管柱材料的屈服極限，MPa。

可降解橋塞的危險點位于中心管處：中心管內(nèi)徑27 mm，外徑 57.5 mm（公差為-0.13 mm 和-0.1 mm），計入加工公差，最小外徑為56.87 mm，危險點位于中心管與調(diào)節(jié)環(huán)連接的間隙處，中心管其他位置均與其他部件相連。所受內(nèi)壓為50 MPa，外壓為0。

由公式（3）和（4）得：

將數(shù)據(jù)帶入公式（7）得：

中心管材料為鎂鋁合金，屈服極限為360 MPa，則：

圖1 中心管結(jié)構(gòu)示意圖

表1 橋塞中心管主要技術(shù)參數(shù)

由此，可得可降解橋塞中心管主要技術(shù)參數(shù)（見表1）。

3 橋塞中心管承壓有限元分析

3.1 坐封過程

坐封過程中，橋塞中心管受到導(dǎo)錐上承受的坐封力。因此，在對中心管進行有限元分析時，將螺紋連接力簡化為作用在中心管右端面大小為24 MPa拉應(yīng)力，左端面添加固定約束。中心管最大變形為0.993 mm，最大應(yīng)力為312.02 MPa，中心管材料為鎂鋁合金，強度極限為360 MPa，故該情況滿足使用要求。

3.2 壓裂過程

坐封過程中，橋塞中心管受到導(dǎo)錐上承受的工作壓差，內(nèi)壁承受50 MPa的壓力，外壁的前半段也承受50 MPa的壓力。因此，在對中心管進行有限元分析時，將螺紋連接力簡化為作用在中心管右端面大小為50 MPa拉應(yīng)力，中心管臺階左端面添加固定約束。中心管最大變形為0.303 mm，變形較小，中心軸連接穩(wěn)定；最大應(yīng)力為236.02 MPa，中心管材料為鎂鋁合金，強度極限為360 MPa，故該情況滿足使用要求。

4 結(jié)論

（1）對可降解橋塞中心管主要結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，確定其基本參數(shù)。

（2）對可降解橋塞中心管承壓進行理論計算，確定其主要技術(shù)參數(shù)。

（3）對可降解橋塞中心管承壓進行坐封過程和壓裂過程有限元分析理論計算。驗證其滿足使用要求。

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