鋼絲投堵式油管內(nèi)堵塞器結構設計及優(yōu)化

呂志利

（大慶油田鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江 大慶 163000）

針對內(nèi)徑為?62mm的油管，設計了壓差坐封式油管內(nèi)堵塞器。為了實現(xiàn)對全管柱的有效封堵，將堵塞器的最大直徑設計為?42mm，使堵塞器能在有一定結蠟和變形的管柱中，順利投放到封隔器以下，并在活塞內(nèi)外壓差的作用下壓縮膠筒，封堵油管。鋼絲投送式堵塞器由封堵機構、定位機構、錨定機構、丟手機構四個功能單元組成。

1 堵塞器整體結構及工作原理

新型鋼絲投送式堵塞器由定位機構、封堵機構、錨定機構、丟手機構四個功能單元組成，具體結構如圖1所示。

堵塞器封堵過程介紹：

（1）投堵施工時，利用鋼絲工具將堵塞器下入施工井油管內(nèi)，下放鋼絲將堵塞器下至預堵塞井段，上提鋼絲，堵塞器定位錨爪14向上卡在油管接箍內(nèi)部。

（2）繼續(xù)上提鋼絲，剪斷定位銷釘，活塞套筒12 與液壓活塞11間產(chǎn)生的液壓推力與鋼絲上提的拉力雙重合力作用，當合力增加到固定值時，剪斷鎖緊銷釘。

（3）活塞套筒12 受液壓推力作用，向上推動部件4、5、6、7、8、9、10、18上行。

（4）卡瓦限位套4 上行過程中，錨定卡瓦3 從卡瓦限位套4的坡形槽中滑出，逐漸卡死在油管內(nèi)壁，使堵塞器固定在堵塞位置。

（5）卡瓦限位套4 上行至極限位置固定后，活塞套筒12受液壓推力繼續(xù)上行，座封膠套6在雙面壓盤7和單面壓盤8的作用下，同時發(fā)生軸向壓縮變形和徑向膨脹變形。當其徑向膨脹至直徑62mm 時，膨脹密封在油管內(nèi)壁，將井內(nèi)壓力封死，達到封堵目的。座封膠套6 在軸向繼續(xù)被壓縮至極限時，防倒扣瓦牙18 卡死在芯軸1上，堵塞器各部件停止相對運動。

（6）繼續(xù)加力上提鋼絲，鋼絲工具與堵塞器投送固定套2的固定銷剪斷，鋼絲工具提出井筒，堵塞器留在井筒內(nèi)繼續(xù)封堵油管。

2 堵塞器工況及受力分析

堵塞器工作井深為1700m，井口注水壓力為10MPa，堵塞器重力G=190N。對照圖1，可以分析出以下3種工況。

工況一：工具串下放至井下1700m處，定位錨爪14張開卡在油管端部，通過鋼絲上提堵塞器，由于固定螺帽15和芯軸1螺紋連接，上提力Fa1使最下級剪釘（2個對置，采用銅剪釘，M5，剪斷截面直徑1.5mm）剪斷瞬間。

此時：銷釘剪力J1=δ t×A=2×108×(1.5×10-3)2×3.14/4=354(N)；上提力Fa1=堵塞器重力G+剪斷力J1=190+2×354=900(N)；定位錨爪14 受到的油管端部的支撐力=剪斷力J1（垂直方向）=710N；芯軸1 受到的最大拉力F1=Fa1=900N。

工況二：工具串處于井下1700m處，最下級剪釘剪斷后，活塞腔工作，活塞套筒12 在活塞推力H作用下向上運動，剪斷二級剪釘（2 個對置，采用銅剪釘，M5，剪斷截面直徑3mm）。

此時：液壓活塞11受與H相反的力H′做向下運動趨勢；但由于固定螺帽15 對于定位錨13 的限制，及鋼絲對堵塞器的拉力限制，使堵塞器無法發(fā)生位移；H大于二級剪釘剪切力J2，H=活塞內(nèi)外壓力差=15189.01N；液壓活塞11與活塞套筒12間摩擦力忽略；芯軸1 受到的最大拉力F1=鋼絲上提力Fa2=堵塞器重力G+H′=15379.01；定位錨爪14 受到的油管端部的支撐力為0。

工況三：井下1700m，活塞套筒12在活塞推力H作用下推動卡瓦限位套4、花瓣壓盤5、座封膠套6、雙面壓盤7、單面壓盤8、防倒扣套筒9、卸扣封頭10、防倒扣瓦牙23向上運動，使錨定卡瓦3（3個）卡緊在油管內(nèi)壁后，再壓縮膠筒6（2個）至密封油管前的一瞬間，并使花瓣壓盤5張開至極限。此時，不考慮壓力腔體積變化，活塞推力仍等于H。

此時：H=活塞內(nèi)外壓力差=15189.01N；卡瓦3 受到的向上的合力F3=1/3（H作用在卡瓦上的垂直分力—工件23 受到的支撐力F23）=1/3×15189N=5063N，可以假設此力集中在牙頂進行校核；花瓣壓盤受到的垂直壓力F5=H—放倒扣瓦牙23 受到的支撐力F23=15189N；膠筒受到的垂直壓力F6=H—工件23 受到的支撐力F23=15189N；F23此時可認為等于0；芯軸1 受到的最大拉力仍然為向下的F1=堵塞器重力G+H′=15379.01（不考慮所有摩擦力）。

3 模型建立和油管堵塞器易損部件應力分析

3.1 模型的建立及網(wǎng)格劃分

芯軸和花瓣壓盤建立整體模型，且對芯軸上下的螺紋進行了簡化。瓦牙利用其對稱性，建立1/2對稱模型。芯軸采用四面體網(wǎng)格，花瓣壓盤和瓦牙采用六面體網(wǎng)格。

3.2 堵塞器易損部件應力分析

優(yōu)先采用廣泛使用的45 鋼來進行數(shù)值模擬，如存在部件不滿足強度要求則換用許用應力更大40Cr。

3.2.1 芯軸的應力分析

位移邊界條件為：芯軸下端邊界條件Z=0處：UX=0、UY=0、UZ=0。芯軸在未坐封前一直受重力、鋼絲繩上提的拉力。

鋼絲繩上提拉力為15379N（即壓強為60MPa）時，芯軸等效應力如圖2所示。

選用材料屬性為45 鋼的應力分析，許用應力為235MPa。當芯軸拉力為15379N 時，最大總位移為0.000300194m，芯軸等效應力最大處在密封槽處為341.353MPa。該種情況下，等效應力大于許用應力235MPa，不滿足強度要求，可能會發(fā)生破壞。

選用材料屬性40Cr 的應力分析，許用應力為314MPa。 芯軸在Z方向上的最大位移為0.000298705m。芯軸等效應力最大處在密封槽處為340.668MPa。該種情況下，等效應力大于許用應力314MPa，不滿足強度要求，還是可能會發(fā)生破壞。

3.2.2 瓦牙的應力分析

位移邊界條件為：瓦牙下端邊界條件Z=0處：UX=0、UY=0、UZ=0。瓦牙在坐封后，在重力及9491N 的壓力共同作用下，此時總的壓力為44MPa，對瓦牙進行結構分析。

選用材料屬性為45 鋼的應力分析，許用應力為235MPa。從圖3中可以看出，瓦牙在沿軸向位移最大，最大位移為0.00000316m。 總的最大位移為0.00000345m。瓦牙的最大等效應力170.509MPa，小于其許用應力235MPa，滿足強度需求。

3.2.3 定位錨爪的應力分析

位移邊界條件為：錨爪下端邊界條件Z=0處：UX=0、UY=0、UZ=0。工具串下放至井下1700m 處，定位錨爪14張開卡在油管端部，通過鋼絲上提堵塞器，錨爪垂直方向的剪斷力為710N（兩個），錨爪與油管堵塞器成27.5°，對錨爪進行結構分析。

選用材料屬性為45 鋼的應力分析，許用應力為235MPa。從圖4 中可以看出，錨爪在Z方向的位移最大?？偟淖畲笪灰茷?.0000974m。錨爪的最大等效應力268.568MPa，大于其許用應力235MPa。所以錨爪不符合強度要求，可能會發(fā)生破壞。

選用材料屬性40Cr 的應力分析，許用應力為314MPa。錨爪在X、Y、Z方向的位移都很小?？偟淖畲笪灰茷?.0000821m。 錨爪的最大等效應力228.173MPa，小于其許用應力314MPa。所以錨爪符合強度要求。

3.2.4 花瓣壓盤的應力分析

位移邊界條件為：花瓣壓盤下端邊界條件Z=0處：UX=0、UY=0、UZ=0。工具串下放至井下1700m 處，花瓣壓盤5張開至極限，并與卡瓦限位套外壁接觸，花瓣壓盤垂直方向的壓力為活塞內(nèi)外壓差力為15189N，設置花瓣壓盤與卡瓦限位套外壁接觸，對花瓣壓盤進行結構分析。

選用材料屬性為45 鋼的應力分析，許用應力為235MPa。下花瓣壓盤在軸向上的位移最大為0.00000301m，徑向上的最大為0.00000520m，最大總位移為0.00000596m，即下花瓣壓盤各方向的位移很小?；ò陦罕P最大等效應力在下花瓣壓盤和防倒扣套筒接觸處，為271MPa，大于許用應力235MPa。所以花瓣壓盤不滿足強度要求，可能會發(fā)生破壞。

選用材料屬性40Cr 的應力分析，許用應力為314MPa。從圖5中可以看出，錨爪在X、Y、Z方向的位移都很小。位移分別為0.0000164m、0.00000157m、0.000012m?；ò陦罕P的最大等效應力300.694MPa，小于其許用應力314MPa。所以花瓣壓盤符合強度要求。

3.3 油管堵塞器易損部件優(yōu)化

通過對以上4 個油管堵塞器中易損部件的應力分析，我們得出采用材料屬性為45鋼時，4種易損部件只有瓦牙扣能滿足強度要求，瓦牙扣的等效應力為170MPa 小于材料的許用應力235MPa，因此我們在分析后采用了強度更好的40Cr 這種材料，它的許用應力為314MPa，定位錨爪和花瓣壓盤滿足強度要求。

對于芯軸，由于在40Cr這種材料下，等效應力最大處在密封槽處為340.668MPa超過許用應力，所以對芯軸密封槽進行結構優(yōu)化，為保證其密封性能，由單環(huán)密封改為雙環(huán)密封，從而使密封槽的槽深減小一半。進行結構優(yōu)化后，減小的槽深使密封槽受到的應力減小，達到304MPa小于40Cr材料的許用應力314MPa，滿足了相應的工作要求。

4 結論

（1）對封隔器進行了功能設計，并應用Solidworks軟件對封隔器零部件進行了三維建模，對整個封隔器進行了虛擬裝配；

（2）將芯軸、瓦牙扣、錨爪及花瓣壓盤這4種易損件的三維模型導入ANSYS 軟件，并繪制網(wǎng)格，在不同工況下對這4種易損部件的進行了數(shù)值模擬，并對模擬結果進行了分析；

（3）分析結果并得出結論后，材料45鋼的瓦牙扣滿足強度要求。對錨爪以及花瓣壓盤進行了材料優(yōu)化采用40Cr 滿足強度需求。對芯軸進行了結構優(yōu)化，采用雙密環(huán)密封減小深度，滿足強度需求。對于鋼絲投堵式油管內(nèi)堵塞器的應用及普及提供了技術支持。