預(yù)成型分支系統(tǒng)膨脹整形工具設(shè)計(jì)及仿真分析

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(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2.中國(guó)石油化工股份有限公司 石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

六級(jí)分支井技術(shù)具有分支井眼連接處機(jī)械支撐的完整性、液力密封性能、井眼的選擇性再進(jìn)入性能和建井風(fēng)險(xiǎn)低等特性，是目前鉆完井前沿技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。其中，六級(jí)分支井井下分支系統(tǒng)是該技術(shù)研究和實(shí)施的核心，預(yù)成型六級(jí)分支井井下分支系統(tǒng)由于下井尺寸小，可節(jié)約上部井段大量的施工費(fèi)用，成為施工者的首選。

目前，國(guó)外主要服務(wù)公司已掌握了六級(jí)分支井技術(shù)，并開(kāi)發(fā)了2類(lèi)分支系統(tǒng)[1-10]，一種是井下分離頭裝置，主要包括Stackable Splitter系統(tǒng)和DeepSet Splitter系統(tǒng)，其特點(diǎn)是下井時(shí)的尺寸與建分支井時(shí)的尺寸一樣，系統(tǒng)外徑較大，相應(yīng)上部井段井眼尺寸大，成本較高；另一種是預(yù)成型分支系統(tǒng)，主要包括RapidSeal系統(tǒng)和Formation Junction系統(tǒng)，其特點(diǎn)是已在地面將一個(gè)分支或兩個(gè)分支進(jìn)行預(yù)壓縮，減小系統(tǒng)尺寸，待入井后通過(guò)下入膨脹整形工具進(jìn)行恢復(fù)設(shè)計(jì)尺寸，相應(yīng)上部井段井眼尺寸小，成本較低。國(guó)內(nèi)六級(jí)分支井技術(shù)還處在研究階段，已完成了井下分支系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及樣機(jī)加工工作，但相應(yīng)的膨脹整形工具研究還未開(kāi)展。本文采用有限元分析方法來(lái)設(shè)計(jì)膨脹整形工具。

1 整體方案設(shè)計(jì)

分支系統(tǒng)[7]由異徑接頭、筋板和2個(gè)雙側(cè)對(duì)稱(chēng)的分支3部分組成，如圖1所示。異徑接頭是分支系統(tǒng)的起始部分，與上部套管柱連接，相當(dāng)于1個(gè)三通，可懸掛和定位分支施工時(shí)的導(dǎo)向裝置；2個(gè)分支用于形成2個(gè)分支井眼；筋板用于分隔2個(gè)不同的井眼，并保證整個(gè)分支系統(tǒng)在壓縮成型、膨脹整形以及施工過(guò)程中的強(qiáng)度要求。

1—分支套管；2—筋板；3—異徑接頭。

分支材料為1Cr18Ni9Ti，外徑177.8 mm，壁厚7 mm，泊松比0.3，彈性模量2.1×1011Pa，屈服強(qiáng)度210 MPa；筋板材料為40CrMnMo，厚度60 mm，寬度240 mm，長(zhǎng)度為1 130 mm，屈服強(qiáng)度785 MPa，彈性模量2.06×1011Pa，泊松比0.3，且中間實(shí)體部分占整個(gè)筋板長(zhǎng)度的1/3。異徑接頭由于變形極小，其材質(zhì)暫不考慮。分支套管的軸線與筋板軸線夾角為2°。分支系統(tǒng)參數(shù)如表1。

表1 分支系統(tǒng)參數(shù) mm

膨脹整形工具由兩排活塞組成，通過(guò)電纜將動(dòng)力傳送至井下的整形工具，驅(qū)動(dòng)活塞緩慢伸出，將2個(gè)壓縮狀態(tài)的分支逐漸恢復(fù)到設(shè)計(jì)尺寸。預(yù)成型六級(jí)分支井井眼連接總成如圖2所示。

圖2 膨脹整形工具

2 仿真分析

分支系統(tǒng)的壓縮和膨脹整形分析采用位移施加法；膨脹整形工具采用壓強(qiáng)施加法。根據(jù)分支系統(tǒng)的力學(xué)性能仿真結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)膨脹整形工具。

2.1 分支系統(tǒng)壓縮和膨脹整形仿真分析

2.1.1模型建立及參數(shù)選取

通過(guò)AutoCAD軟件繪出預(yù)壓成型和膨脹幾何模型。為簡(jiǎn)化模型，只選中分支、壓板和膨脹整形板，將其保存為SAT格式文件，之后導(dǎo)入Ansys軟件，如圖3。

圖3 導(dǎo)入Ansys的模型

分支系統(tǒng)的壓縮和膨脹整形屬于大變形的彈塑性問(wèn)題，選用可模擬大變形的Solid185單元、目標(biāo)單元Target170和接觸單元Contact174。材料力學(xué)性能參數(shù)如表2。

表2 材料力學(xué)性能參數(shù)

采用掃掠網(wǎng)格劃分方式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將邊分成若干等分，之后分配第1個(gè)實(shí)體的單元屬性，進(jìn)行體掃掠網(wǎng)格劃分；再分配第2個(gè)實(shí)體的單元屬性，進(jìn)行體掃掠網(wǎng)格劃分；最后分配第3個(gè)實(shí)體的單元屬性，并進(jìn)行體掃掠網(wǎng)格劃分。如圖4。

圖4 網(wǎng)格劃分

分析中，將壓板和膨脹整形板定性為剛性體，采用施加位移的方法來(lái)對(duì)分支施加載荷。壓板和膨脹整形板均采用Contact Manager建立導(dǎo)向點(diǎn)和接觸付。如圖5所示。

a 壓板與分支

b 膨脹整形板與分支

2.1.2載荷、約束施加及求解

分析中采用逐步載荷施加求解法進(jìn)行仿真分析。首先將分析類(lèi)型定義為結(jié)構(gòu)靜力分析，然后進(jìn)行各步約束載荷施加及求解。

1) 將通過(guò)Analysis Type→Sol’n Controls→basic選項(xiàng)中的Analysis Options選為L(zhǎng)arge Displacement Static，Time at end of loadstep設(shè)為1，關(guān)閉Automatic time stepping，子步數(shù)設(shè)為5。

分析中，為簡(jiǎn)化模型，不考慮分支與筋板的焊縫連接，將分支與筋板的連接面設(shè)定為全約束，并將壓板和膨脹整形板的導(dǎo)向點(diǎn)設(shè)為全約束，通過(guò)Solution→Define Loads→Operate→Transfer to FE→All Solid Lds將約束分布到有限元單元。進(jìn)行求解。

我做夢(mèng)也想不到李小樹(shù)會(huì)千里迢迢去尋找許春花，可是他真的走了，走的時(shí)候，除了給大黑貓帶來(lái)一些他家里剩余下的貓食外，他還向我討要許春花的那幅肖像?？吹剿麩崆衅笈蔚难凵瘢冶惆旬?huà)稿送給了他。李小樹(shù)小心翼翼地把畫(huà)稿收藏在他事先準(zhǔn)備好的一個(gè)畫(huà)筒里，就火急火燎地走了，像陣風(fēng)似的消失在我的視線里。

2) 對(duì)壓板的導(dǎo)向點(diǎn)施加UX=-0.039 35的位移，并將Time at end of loadstep設(shè)為2，打開(kāi)Automatic time stepping，Number of substeps設(shè)為100，Max no. of substeps設(shè)為1 000，Min no. of substeps設(shè)為100。進(jìn)行求解。

3) 對(duì)壓板的導(dǎo)向點(diǎn)施加UX=0.05的位移，并將Time at end of loadstep設(shè)為3，其他不變。進(jìn)行求解。

4) 膨脹整形板的導(dǎo)向點(diǎn)施加UX=0.045 8位移，并將Time at end of loadstep設(shè)為4，其他不變。進(jìn)行求解。

2.1.3結(jié)果分析

壓縮39.35 mm時(shí)的分支Von Mises Stress云圖、膨脹整形外推過(guò)程中的分支Von Mises Stress云圖如圖6～7所示。

圖6 壓縮39.35 mm時(shí)的分支Von Mises Stress云圖

圖7 膨脹整形外推過(guò)程中的分支Von Mises Stress云圖

仿真結(jié)果顯示，壓縮時(shí)x方向所需的支反力為2.7×105N，即需對(duì)壓板施加2.71×105N的力才能將分支腿壓縮到理想形狀。膨脹時(shí)x方向所需的支反力為5.15×105N，即活塞缸需要對(duì)膨脹整形板施加5.1×105N的力才能將分支腿膨脹到設(shè)計(jì)要求。

為布局活塞缸需確定支反力的分布規(guī)律，通過(guò)分支與筋板接觸面的節(jié)點(diǎn)將接觸面分為3部分。為簡(jiǎn)化拾取節(jié)點(diǎn)，只研究圖8中的左半部分接觸面的節(jié)點(diǎn)，確定支反力的分布規(guī)律，從而為活塞缸的布局提供進(jìn)一步的依據(jù)。

a 6.11×104 N

b 9.11×104 N

c 1.05×105 N

由圖8可知，3部分節(jié)點(diǎn)的支反力分別為6.11×104、9.11×104、1.05×105N，依據(jù)3部分節(jié)點(diǎn)將分支劃分為3部分，則其所需上頂力依次為1.2×105、1.8×105、2.1×105N。考慮所設(shè)計(jì)的筋板結(jié)構(gòu)(如圖1)，將分支系統(tǒng)分為3部分，針對(duì)圓心角小的一側(cè)取2部分作為對(duì)象，來(lái)設(shè)計(jì)安裝的活塞缸數(shù)量，剩余的1部分由于中間筋板的存在，另外設(shè)計(jì)安裝的活塞缸數(shù)量。因2者所需上頂力分別為1.2×105、3.9×105N。1個(gè)活塞缸(活塞缸筒材料35CrMo，額定壓力為31.5 MPa，內(nèi)徑63 mm，外徑83 mm；活塞材料35CrMo，直徑63 mm；活塞桿材料35CrMo，直徑為28 mm)可提供9.82×104N力，所對(duì)應(yīng)的活塞缸數(shù)量為2、4 個(gè)。

2.2 膨脹整形工具仿真及分析

2.2.1模型建立及參數(shù)選取

使用AutoCAD軟件繪制膨脹整形工具的模型。由于模型對(duì)稱(chēng)，仿真分析只選取1/4模型，并去除膨脹整形板、活塞桿和活塞，如圖9所示。將膨脹整形板受到分支系統(tǒng)的作用力，以及活塞受到的液壓力施加在活塞缸內(nèi)的上頂面處，同時(shí)所述的4、2個(gè)活塞缸均處在本體均分點(diǎn)處。

圖9 單側(cè)膨脹整形工具的剖面

選用可模擬大變形的Solid185單元。材料力學(xué)性能參數(shù)如表3。

表3 膨脹整形工具材料性能力學(xué)參數(shù)

2.2.2載荷施加

對(duì)于圖9左側(cè)4個(gè)活塞缸，在膨脹整形過(guò)程中，受到分支系統(tǒng)的作用力為3.9×105N，每個(gè)活塞缸分配的作用力為9.75×104N，而活塞缸提供的液壓力為9.82×104N，兩者相差700 N，即施加在活塞缸內(nèi)上頂面處的壓力為0.3 MPa(對(duì)1/4模型施加時(shí)為一半)；圖9右側(cè)2個(gè)活塞缸的活塞桿受到的力為6.0×104N，而活塞缸提供的液壓力為9.82×104N，兩者相差3.82×104N，即施加在活塞缸內(nèi)上頂面處的壓力為15.3 MPa(對(duì)1/4模型施加時(shí)為一半)。

2.2.3結(jié)果分析

x方向位移云圖、Von mises stress 云圖如圖10～11所示。

圖10 x方向位移云圖

由圖10～11可以看出，膨脹整形工具本體各部分的位移都非常小，幾乎為0；膨脹整形工具本體最大的應(yīng)力為126 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度。故所設(shè)計(jì)的膨脹整形工具滿足要求。

3 結(jié)論

1) 通過(guò)有限元分析軟件對(duì)分支系統(tǒng)壓縮和膨脹整形過(guò)程進(jìn)行仿真分析，得出壓縮和膨脹所需的支反力，并通過(guò)支反力的分布指導(dǎo)設(shè)計(jì)活塞缸個(gè)數(shù)及布局。

圖11 Von mises stress 云圖

2) 通過(guò)對(duì)膨脹整形工具的仿真分析，驗(yàn)證了6個(gè)活塞缸的均勻布置可完成分支系統(tǒng)的膨脹整形工作。

3) 建議開(kāi)展考慮焊縫影響下的有限元仿真分析及分支系統(tǒng)的壓縮和膨脹試驗(yàn)，以及井下膨脹工具的研究。