滑套定位器有限元結(jié)構(gòu)分析與試驗(yàn)

趙建軍，張文平，朱玉杰

（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101）

1 引言

近年來，拖動(dòng)式無限級(jí)滑套分段壓裂技術(shù)，通過用于開啟滑套及拖動(dòng)壓裂的連續(xù)油管組合管柱，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)層多段、分級(jí)精細(xì)化壓裂，簡(jiǎn)化壓裂施工流程，降低了施工難度[1-3]，該技術(shù)對(duì)于砂巖、碳酸巖儲(chǔ)層、薄儲(chǔ)層、低滲透、稠油油氣藏、小儲(chǔ)量邊際油氣藏、頁巖氣藏，可有效提高單井產(chǎn)量，增加采收率，實(shí)現(xiàn)壓后井筒全通徑，具有廣闊的應(yīng)用前景[4-6]。文獻(xiàn)[7]為了解決蘇里格地區(qū)油井壓裂后續(xù)改造中存在的一些問題，引進(jìn)了拖動(dòng)式無限級(jí)滑套分段壓裂技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果證明，該技術(shù)具有施工效率高、壓裂點(diǎn)準(zhǔn)確及壓裂規(guī)模大等諸多優(yōu)點(diǎn)。此外，王偉秋和王興等人先后鄂爾多斯盆地和徐深氣田開展了無限級(jí)滑套壓裂技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果，對(duì)于致密油氣田的高效開發(fā)具有重要意義。

目前，針對(duì)拖動(dòng)式無限級(jí)滑套分段壓裂技術(shù)的研究，主要集中在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可行性驗(yàn)證方面，對(duì)工具管柱關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及性能分析方面的研究相對(duì)匱乏?；锥ㄎ黄髯鳛橥蟿?dòng)式無限級(jí)壓裂管柱的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，需實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓式平衡滑套在預(yù)置儲(chǔ)層位置的精確鎖定，為保證壓裂管柱順利下至井底，滑套定位器經(jīng)過滑套變徑時(shí)，下放載荷應(yīng)＜1.5t；為便于通過上提管柱觀察懸重變化判斷壓裂管柱是否下入到位，上提載荷不宜過大，（2～3）t為宜。為獲得合適的上提下放載荷，需要進(jìn)行大量的地面樣機(jī)試驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)滑套定位器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)人力、經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本需求很高，因此有必要應(yīng)用有限元仿真技術(shù)，對(duì)滑套定位器上提、下放載荷進(jìn)行數(shù)值模擬，以期更好得指導(dǎo)樣機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，達(dá)到縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的目的。為此，以滑套定位器為研究對(duì)象，應(yīng)用ANSYS Workbench 軟件，對(duì)其彈性爪與滑套本體間的上提（下放）載荷進(jìn)行了仿真模擬[8-10]，通過搭建滑套定位器試驗(yàn)裝置，完成滑套定位器力學(xué)性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元分析結(jié)果的正確性，滿足拖動(dòng)式無限級(jí)滑套分段壓裂施工要求。

2 總體方案及工作原理

2.1 拖動(dòng)式無限級(jí)滑套分段壓裂工具總體方案

拖動(dòng)式無限級(jí)滑套分段壓裂工具主要包含與套管連接入井的液壓式平衡滑套及用于開啟滑套及拖動(dòng)壓裂的連續(xù)油管組合管柱。液壓式平衡滑套設(shè)計(jì)為液壓打開方式，保證工具下入和固井壓裂施工時(shí)，內(nèi)滑套上下密封面位置壓力平衡不會(huì)將滑套提前打開，其中滑套打開和鎖緊機(jī)構(gòu)采用彈性定位機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。滑套上接頭周向布置6 個(gè)有軸向加長(zhǎng)的壓裂孔眼，總的泄流面積大于套管的過流面積，避免流體流經(jīng)壓裂孔眼時(shí)因孔徑節(jié)流產(chǎn)生節(jié)流壓差，降低壓裂效果，減小流體節(jié)流壓差對(duì)工具的沖蝕破壞。壓裂孔眼與內(nèi)滑套之間均填充硬質(zhì)油脂，以防止工具入井及固井施工時(shí)井內(nèi)碎屑及水泥漿影響滑套開關(guān)性能。

工具總體方案，如圖1 所示。在下套管作業(yè)時(shí)，液壓式平衡滑套與套管同時(shí)下入，固井后，依靠連續(xù)油管組合管柱，逐級(jí)打開壓裂滑套，進(jìn)行多級(jí)壓裂，該工具實(shí)現(xiàn)了對(duì)水平段精確改造，壓裂級(jí)數(shù)不受限制，可實(shí)現(xiàn)套管內(nèi)全通徑，施工快捷，不需鉆塞，不污染油層，綜合成本低。連續(xù)油管組合管柱主要包括滑套定位器、重復(fù)坐封封隔器、平衡反洗閥、扶正器、噴槍、液壓丟手等。當(dāng)組合管柱下至滑套預(yù)定位置時(shí)，定位器與液壓式平衡滑套臺(tái)肩配合，此時(shí)上提管柱產(chǎn)生（2～3）t 上提載荷，再下放連續(xù)油管管柱坐封封隔器，通過連續(xù)油管與套管間環(huán)空加壓將液壓式平衡滑套打開，隨后進(jìn)行該層段的加砂壓裂。待本層段壓裂結(jié)束后，上提管柱解封封隔器，并將組合工具上提至下一滑套處，重復(fù)壓裂作業(yè)，噴砂射孔器作為防范措施，一旦滑套無法打開，可以選擇噴砂射孔，保證正常壓裂施工。

圖1 拖動(dòng)式無限級(jí)滑套分段壓裂工具總體方案Fig.1 The Scheme of Fracturing Technology of Drag-Type Infinite Sliding Sleeve

2.2 滑套定位器工作原理

滑套定位器的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)滑套位置的精確鎖定，主要由上接頭、彈性爪和導(dǎo)向頭組成，如圖2 所示。滑套定位器的彈性爪在井筒內(nèi)壁支反力的作用下處于縮緊狀態(tài)。為了定位器在入井下放時(shí)不與滑套之間產(chǎn)生較大的阻力，彈性爪凸臺(tái)角度較小的斜面朝下方。定位器下至井底后，上提管柱進(jìn)行校深作業(yè)，當(dāng)定位器上提至滑套變徑處時(shí)，彈性爪凸臺(tái)彈至滑套變徑內(nèi)，繼續(xù)上提產(chǎn)生約為（2～3）t 的阻力，此時(shí)通過連續(xù)油管顯示表盤可準(zhǔn)確判斷定位器經(jīng)過滑套時(shí)的懸重變化，再根據(jù)完井時(shí)的滑套數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確判斷定位器在井內(nèi)的實(shí)際位置。

圖2 滑套定位器Fig.2 Sleeve Locator

3 三維建模及有限元分析

3.1 滑套定位器三維裝配建模

根據(jù)滑套定位器上提和下放載荷設(shè)計(jì)要求，下放載荷小于1.5t，上提載荷2～3t，擬確定彈性爪關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，如表1 所示。為便于直觀分析滑套定位器在壓裂管柱上提和下放過程中的受力變形情況，基于Creo 參數(shù)化建模軟件，建立了滑套定位器彈性爪與本體變徑臺(tái)肩的三維裝配模型，如圖3 所示。

表1 滑套定位器彈性爪結(jié)構(gòu)尺寸表Tab.1 Structural Dimension Table of Elastic Claw

圖3 定位器彈性爪裝配示意圖Fig.3 Assembly Diagram of Sleeve Locator Elastic Claw

3.2 滑套定位器有限元分析

3.2.1 三維模型簡(jiǎn)化

運(yùn)用ANSYS Workbench 有限元分析軟件，基于Von Mises 屈服準(zhǔn)則及接觸非線性理論，進(jìn)行滑套定位器彈性爪凸臺(tái)與滑套本體變徑臺(tái)肩之間的模擬接觸分析[11-12]，為提高仿真效率和保證結(jié)果精度，假設(shè)滑套定位器彈性爪為各向同性、連續(xù)的均質(zhì)體，同時(shí)不考慮硬化和蠕變帶來的影響。為減少仿真計(jì)算迭代次數(shù)，對(duì)定位器彈性爪三維裝配模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，只保留三維模型中的關(guān)鍵特征，將簡(jiǎn)化后的三維裝配模型保存為parasolid 格式，隨后導(dǎo)入Workbench 軟件中，如圖4 所示，彈性爪和滑套本體的材料為42CrMo，材料的彈性模量為206GPa，泊松比為0.3。

圖4 三維模型簡(jiǎn)化示意圖Fig.4 Simplified Diagram of Sleeve Locator Elastic Claw

3.2.2 網(wǎng)格劃分

完成模型導(dǎo)入及材料屬性定義后，采用Patch Conforming 方法進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，為提高彈性爪凸臺(tái)與滑套本體接觸分析的求解精度，對(duì)兩者接觸面進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，經(jīng)過網(wǎng)格光順處理后四面體網(wǎng)格數(shù)量為70605 個(gè)，滑套定位器網(wǎng)格劃分效果，如圖5 所示。

圖5 滑套定位器網(wǎng)格劃分效果圖Fig.5 Mesh Plot of Sleeve Locator

3.2.3 邊界條件及分析結(jié)果

為了分析滑套定位器彈性爪在滑套本體內(nèi)軸向移動(dòng)后產(chǎn)生的接觸變形及受力情況，以滑套定位器上提載荷仿真分析為例，在滑套本體左側(cè)端面插入固定約束，使得彈性爪在移動(dòng)過程中滑套本體保持固定，在彈性爪右側(cè)端面插入位移約束，位移量設(shè)定為9mm，使得彈性爪向右移動(dòng)，在位移驅(qū)動(dòng)下，模擬彈性爪凸臺(tái)經(jīng)滑套本體變徑處的收縮變形效果，滑套定位器邊界約束效果，如圖6 所示。

圖6 滑套定位器邊界約束效果圖Fig.6 Boundary Constraint Graph of Sleeve Locator

在接觸面設(shè)置過程中，將固定件滑套本體變徑面定義為接觸面，將移動(dòng)件彈性爪凸臺(tái)面及45°倒角面定義為目標(biāo)面，將接觸面定義為有摩擦接觸面，如圖7 所示。摩擦系數(shù)設(shè)為0.2，接觸面變形形式設(shè)置為Adjust to Touch，同時(shí)激活大變形（Large Deflection）選項(xiàng)，將滑套定位器彈性爪總變形量、等效應(yīng)力、反作用力作為輸出結(jié)果，進(jìn)行求解計(jì)算。

圖7 滑套定位器接觸面設(shè)置Fig.7 Interface Settings of Sleeve Locator

經(jīng)計(jì)算，分別得到滑套定位器彈性爪總變形云圖、等效應(yīng)力云圖及載荷圖，如圖8～圖10 所示。由圖可知，彈性爪最大總變形量為10.572mm，彈性爪最大等效應(yīng)力837.57MPa 出現(xiàn)在割槽近端處，材料屈服強(qiáng)度為960MPa，材料強(qiáng)度滿足要求，最大上提載荷為24084N，同理計(jì)算得到最大下放載荷為13280N，與設(shè)計(jì)相符，滿足滑套定位器現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

圖8 滑套定位器彈性爪總變形云圖Fig.8 Total Deformation Cloudscape of Sleeve Locator Elastic Claw

圖9 滑套定位器彈性爪等效應(yīng)力云圖Fig.9 Equivalent Stress Cloudscape of Sleeve Locator Elastic Claw

圖10 滑套定位器彈性爪載荷圖Fig.10 Load Diagram of Sleeve Locator Elastic Claw

4 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證5-1/2″平衡式滑套配套滑套定位器的上提和下放載荷有限元仿真分析結(jié)果的正確性，設(shè)計(jì)了滑套定位器力學(xué)性能試驗(yàn)裝置，如圖11 所示。彈性爪割縫數(shù)量為10 組，割縫寬度14mm，割縫長(zhǎng)度400mm，試驗(yàn)裝置外殼內(nèi)布置兩個(gè)變徑槽，兩槽上端和下端倒角分別為45°和30°。

圖11 滑套定位器力學(xué)性能試驗(yàn)裝置Fig.11 Mechanical Test Equipment of Sleeve Locator

將組裝好的試驗(yàn)裝置豎直放置在拉壓試驗(yàn)機(jī)下，通過試驗(yàn)機(jī)壓頭頂住壓板進(jìn)而下壓彈性爪，下行加載速度為20mm/min，當(dāng)加載到一定噸位時(shí)，彈性爪收縮下行，記錄彈性爪的下壓載荷，當(dāng)彈性爪經(jīng)過兩次外殼臺(tái)階后，將試驗(yàn)裝置倒置進(jìn)行反方向下壓，如此反復(fù)，完成6 次測(cè)試記錄，如表2 所示。

表2 滑套定位器上提下放載荷數(shù)據(jù)表Tab.2 Load Data Sheet of Sleeve Locator

結(jié)果表明，定位角30°時(shí)彈性爪下壓載荷為（1.3～1.4）t，定位角45°時(shí)彈性爪下壓載荷為（2～2.4）t，與有限元仿真分析結(jié)果相符，通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的彈性爪進(jìn)行有限元仿真分析，結(jié)果表明彈性爪凸臺(tái)角度相較彈性爪割縫數(shù)量、寬度和長(zhǎng)度而言對(duì)滑套定位器的上提和下放載荷影響最大，并且彈性爪割縫數(shù)量、寬度和長(zhǎng)度對(duì)完井工具管串入井過程中的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性影響較大，因此優(yōu)先調(diào)整凸臺(tái)角度來獲取合適的上提和下放載荷為滑套定位器設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。此外，該試驗(yàn)驗(yàn)證了滑套定位器有限元結(jié)構(gòu)分析的可靠性和正確性，滑套定位器滿足通過載荷變化判斷工具在井內(nèi)位置的現(xiàn)場(chǎng)要求。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)拖動(dòng)式無限級(jí)滑套分段壓裂技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)施工要求，為保證對(duì)壓裂儲(chǔ)層的精確定位，參照滑套定位器上提和下放載荷要求，設(shè)計(jì)了彈性爪割縫數(shù)量、長(zhǎng)度、寬度和凸臺(tái)上提下放角度等結(jié)構(gòu)尺寸，建立了滑套定位器三維裝配模型；（2）基于ANSYS Workbench有限元仿真分析軟件建立了彈性爪與滑套本體靜力學(xué)接觸分析模型，通過設(shè)置材料屬性、網(wǎng)格劃分及邊界條件約束，完成了滑套定位器力學(xué)性能分析；（3）完成滑套定位器力學(xué)性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了有限元仿真分析結(jié)果的正確性，滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，今后可通過Creo 和ANSYS 軟件對(duì)滑套定位器進(jìn)行參數(shù)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化交互設(shè)計(jì)，便于產(chǎn)品系列化，縮短研發(fā)周期，具有一定的理論價(jià)值和應(yīng)用意義。