井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化在采氣過程中的節(jié)能作用

王鵬

（1.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院；2.黑龍江省致密油和泥巖油成藏研究重點實驗室）

大慶深層天然氣已探明未動用中基性火山巖、致密砂礫巖儲量達570.61×108m3，在投產(chǎn)過程中（以宋深9 區(qū)塊為例），普遍存在著壓力高（48 MPa）、產(chǎn)量較低（1×104～5×104m3/d），按常規(guī)高壓輸送模式建井成本高，經(jīng)濟評價無法通過，需利用井下節(jié)流工藝，井下降壓，地面低壓集輸，節(jié)約建井成本，才能實現(xiàn)高壓低產(chǎn)氣井的高效節(jié)能開發(fā)[1-2]。近年來，大慶油田通過對井下節(jié)流工藝技術(shù)的攻關(guān)以及與多項配套技術(shù)的研究，解決了大慶深層氣高溫、高壓、高含CO2氣井下節(jié)流工藝應(yīng)用的瓶頸。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

卡瓦式任意位置井下節(jié)流器是大慶油田采油工程研究院自主研發(fā)的一種用于井下節(jié)流工藝上的配套工具。投放頭與節(jié)流器通過鋼銷釘連接，下行時卡瓦松弛，密封膠筒處于自然收縮狀態(tài)；達到設(shè)計位置，上提卡瓦定位，向上震擊剪斷投放頭與節(jié)流器連接銷釘，內(nèi)部彈簧撐開密封膠筒坐封；開井后節(jié)流嘴上、下形成壓差，密封膠筒進一步撐開封牢。打撈時下放工具串帶專用打撈頭，下震擊將打撈頭與節(jié)流器對接，抓提卡瓦，震擊時造成卡瓦松弛，同時打撈頭擠壓工具中心桿，彈簧收縮；密封膠筒回到自然收縮狀態(tài)，上提即可撈出節(jié)流器。工具耐溫150 ℃、承壓35 MPa，卡瓦式任意位置井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 卡瓦式任意位置井下節(jié)流器結(jié)構(gòu)

卡瓦式任意位置井下節(jié)流器在室內(nèi)試驗過程中出現(xiàn)支撐錨定卡瓦牙齒磨損不均勻、卡瓦支撐腿受力變形問題，初步分析可知，該現(xiàn)象是由于模擬井下生產(chǎn)工況下，卡瓦受錐體支撐力較大導(dǎo)致，筆者擬應(yīng)用數(shù)值模擬手段分析卡瓦式任意位置井下節(jié)流器中錐體與卡瓦、卡瓦與套管之間的接觸應(yīng)力關(guān)系，優(yōu)化節(jié)流器結(jié)構(gòu)，降低錐體與卡瓦接觸應(yīng)力，提高工具穩(wěn)定性。借鑒井下封隔器卡瓦等相關(guān)工具數(shù)值模擬方法，通過數(shù)值模擬方法給出了工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的思路和技術(shù)手段[3-6]。

2 建立有限元模型和邊界條件

根據(jù)封隔器卡瓦相關(guān)井下工具數(shù)值模擬方法，給出了相關(guān)工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的思路和技術(shù)手段。通過簡化卡瓦式任意位置井下節(jié)流器中錐體、卡瓦和油管之間接觸關(guān)系，建立錐體、卡瓦和油管三維接觸幾何模型（圖2）。從三者的接觸關(guān)系可知，當(dāng)錐體上行時卡瓦與錐體相互擠壓，支出卡瓦牢靠錨定到油管內(nèi)壁。

圖2 錐體、卡瓦和油管三維接觸幾何模型

2.1 建立有限元模型

應(yīng)用數(shù)值模擬軟件建立有限元分析模型。其中，油管采用六面體網(wǎng)格進行劃分，錐體和卡瓦采用四面體和六面體網(wǎng)格進行劃分，其有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。錐體、卡瓦和中心管之間分別建立接觸單元，接觸摩擦系數(shù)為0.2（金屬與金屬接觸），錐體、油管和卡瓦接觸對有限元模型如圖4所示。

2.2 材料設(shè)置

錐體、卡瓦和油管材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。2.3 邊界設(shè)置

圖3 錐體、卡瓦和油管有限元網(wǎng)格模型

圖4 卡瓦與錐體、卡瓦和油管接觸有限元模型

表1 不同材料力學(xué)性能參數(shù)

根據(jù)卡瓦式節(jié)流器實際工況，設(shè)置數(shù)值模型的邊界條件：

1）節(jié)流器卡瓦在錨定過程中，錐體支撐卡瓦，將卡瓦頂端固定，對卡瓦頂端施加位移約束；卡瓦牙齒咬入油管，對油管外壁施加位移約束。

2）節(jié)流器初始錨定坐封后，生產(chǎn)過程中，節(jié)流器上下節(jié)流壓差越大，錨定載荷越大，模擬錐體推動支撐力為1 t。

3 節(jié)流器數(shù)值模擬分析

根據(jù)建立的接觸有限元分析模型，通過設(shè)定合理的位移邊界條件和載荷邊界條件，借助數(shù)值模擬分析錐體、卡瓦、油管擠壓受力狀態(tài)，通過優(yōu)化卡瓦結(jié)構(gòu)，降低卡瓦與油管、卡瓦與錐體接觸應(yīng)力狀態(tài)，達到提高井下節(jié)流器錨定穩(wěn)定性的效果。模型中三片卡瓦的應(yīng)力分析結(jié)果如圖5a所示，卡瓦和油管最大接觸應(yīng)力達到924 MPa，卡瓦咬入油管0.255 mm錐體軸向運動位移，卡瓦邊部結(jié)構(gòu)應(yīng)該進一步優(yōu)化，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致卡瓦與油管咬痕過大。

圖5 卡瓦與錐體、卡瓦和油管接觸應(yīng)力云圖

在保證錐體抗外擠強度的基礎(chǔ)上，通過改變卡瓦牙齒邊部結(jié)構(gòu)，將卡瓦側(cè)面與油管的線接觸改變?yōu)閳A弧過渡接觸，使得優(yōu)化后的模型在保持其他部件穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，降低卡瓦與油管的接觸應(yīng)力最大值，來達到優(yōu)化節(jié)流器卡瓦結(jié)構(gòu)的目的。將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入軟件中，在相同邊界條件下進行受力分析，模擬分析卡瓦與油管間的接觸應(yīng)力，模擬分析結(jié)果如圖5b 所示，錐體、卡瓦和油管間分析結(jié)果如表2所示。

表2 錐體、卡瓦和油管間分析結(jié)果

根據(jù)模擬分析結(jié)果，在保持卡瓦牙齒弧度不變的基礎(chǔ)上，通過改進卡瓦邊部結(jié)構(gòu)，改善卡瓦與油管接觸狀態(tài)，改進后，卡瓦邊部弧度優(yōu)化為2°，卡瓦最大應(yīng)力降低577 MPa （較優(yōu)化前降低37.5%），卡瓦錨定力分布更加均勻，卡瓦穩(wěn)定性提高，優(yōu)化前后卡瓦結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 卡瓦結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后示意圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

以大慶徐深X井為例，下入節(jié)流器后關(guān)井，時隔50 天后開井，站內(nèi)放空40 min 后，井口壓力由關(guān)井時的23.8 MPa 降至6 MPa，日產(chǎn)氣量為3.5×104m3，符合設(shè)計要求，已穩(wěn)定生產(chǎn)24 個月，下入節(jié)流器前后一個月生產(chǎn)曲線如圖7所示。井下節(jié)流器的改進前后現(xiàn)場應(yīng)用情況對比（表3），施工成功率100%，最長有效期長達2年，較之前有效期延長1 年以上?？ㄍ呤骄鹿?jié)流有效期由原來的4 個月延長至2 年，每口井年節(jié)約鋼絲作業(yè)2 次，共計節(jié)約作業(yè)施工費用96萬元。

表3 井下節(jié)流器的改進前后現(xiàn)場應(yīng)用情況對比

圖7 徐深X井下入節(jié)流器前后生產(chǎn)動態(tài)曲線

5 結(jié)論及認識

1）在相同錨定坐封載荷條件下，節(jié)流器卡瓦與錐體接觸面結(jié)構(gòu)對錨定接觸力狀態(tài)影響較大，通過優(yōu)化卡瓦底部面的形狀，降低接觸面積，降低卡瓦牙齒邊部與油管接觸應(yīng)力37.5%，顯著提升節(jié)流器穩(wěn)定性，節(jié)流器工作壽命延長1年以上。

2）井下節(jié)流器性能提升可減少井下施工作業(yè)次數(shù)，降低氣井常規(guī)維護作業(yè)費用及能耗，顯著提高經(jīng)濟效益。

3）筆者針對卡瓦與錐體接觸方式進行了優(yōu)化，另外卡瓦牙齒的角度、弧度等因素對工具穩(wěn)定性的影響尚未深入研究，是下步工作研究的重點。