可溶壓裂球受力模擬及性能對比分析

中圖分類號：TE934.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.04.004

Force Simulation and Performance Comparison of Soluble Fracturing Balls

DING Keyu'， ZHOU Houjun’， REN Zhengjun1， HAN Yongliang'， ZHAN Hongyun' SHANGXiaofeng2，WANGGuixue2，XU （1.Engineering Technology Research Institute，BHDC，Tianjin 30o280，China; 2.Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136， China）

Abstract：Soluble fracturing balls with two diffrent structures currently used in oilfields were studied. Acomputational static structural mechanics method was employed to simulate the force distribution on these two types of soluble fracturing bals.The force difference of the fracturing balls was studied when the cone angle of the ball seat was 20^°～60^° ，and the force of the fracturing balls was 1O＼～8O MPa. Finite element analysis （FEA） software and standard contact models were adopted to establish numerical simulation models and analyze the force distribution patterns of the two types of soluble fracturing balls under different operating conditions.According to the stress and strain distribution，the causes of the static pressure distribution were explored.The external characteristic curve of the fracturing ballswas drawn，including the relationship among stress， strain， cone angle of ball seat，and pressure. It was found that the operating conditions at which the characteristics of the fracturing balls changed corresponded to the results of stress simulation analysis.Based on the force simulation results，the applicable operating conditions for the two types of fracturing balls were analyzed.The results indicate that under the same fracturing conditions，the performance of the soluble information fracturing balls is comparable to that of the traditional fracturing bals.However，due to the internal circuitry in the soluble information fracturing bals，their external dimensionsare limited，whereas traditional fracturing balls offer a wider range of size options.For data acquisition requirements during the downhole fracturing stage，the soluble information fracturing ball has a significant advantage.

Key words：soluble fracturing information ball; traditional fracturing ball;pressure endurance; data acquisition

隨著“十四五\"能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃的提出，油氣田開發(fā)技術(shù)的科技創(chuàng)新也應(yīng)隨著規(guī)劃的內(nèi)容進(jìn)行逐步提升。水平井分段壓裂技術(shù)是油氣田開發(fā)儲層改造的核心技術(shù)，目前我國油氣田開發(fā)技術(shù)中的水平井分段壓裂技術(shù)存在著許多能夠進(jìn)行科技創(chuàng)新的方向。隨著油田氣勘探向深層開發(fā)，為了滿足深層勘探開發(fā)的需求，免鉆除工藝是水平井分段壓裂技術(shù)無法避免的問題。免鉆除工藝的核心技術(shù)就是可溶解壓裂球，因此可溶壓裂球的研究是水平井分段壓裂技術(shù)的關(guān)鍵[1-5]。對于可溶壓裂球的研發(fā)國外起步較早，但是目前國內(nèi)針對可溶壓裂球的研發(fā)及應(yīng)用也取得了較為豐富的成果[6-10]

在傳統(tǒng)的石油工程領(lǐng)域，可溶壓裂球主要通過金屬和非金屬兩大類材料進(jìn)行制造。當(dāng)前，金屬基可溶壓裂球因其優(yōu)異的性能在市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，國內(nèi)可溶壓裂球的制備材料研究方向上對于鎂合金材料的研究較為深人[1I-17]。裴曉含等[18]研制了適用于多級投球滑套分段壓裂的可分解壓裂球。劉運(yùn)摟等[19]完成了分段壓裂用可溶球的研制。周韻等[20]對可降解壓裂球進(jìn)行了試驗(yàn)研究及現(xiàn)場應(yīng)用。

本文針對由鎂合金制備的傳統(tǒng)可溶壓裂球與可溶壓裂信息球，通過結(jié)構(gòu)、參數(shù)及功能等方面的對比，深入分析由相同鎂合金材料制備傳統(tǒng)可溶壓裂球和可溶壓裂信息球之間的性能差異。使用有限元分析方法對2種不同結(jié)構(gòu)的可溶壓裂球進(jìn)行受力分析，通過模擬結(jié)果確定2種不同結(jié)構(gòu)的可溶壓裂球的適宜使用場景。

1計(jì)算模型

1.1 壓裂球結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的可溶壓裂球主要為實(shí)心球結(jié)構(gòu)，如圖1所示。可溶壓裂信息球是通過對傳統(tǒng)可溶壓裂球的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，在傳統(tǒng)可溶壓裂球的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合電器模塊放置空間需求而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，傳統(tǒng)的可溶壓裂球與可溶壓裂信息球的結(jié)構(gòu)區(qū)別主要出現(xiàn)在球殼內(nèi)部，可溶壓裂信息球內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

1.2 主要參數(shù)

傳統(tǒng)可溶壓裂球的主要功能是控制壓裂液的流動路徑，確保壓裂作業(yè)按照預(yù)定的順序進(jìn)行，從而優(yōu)化壓裂效果；在壓裂作業(yè)完成后，可溶壓裂球能夠在特定的井下條件下溶解，避免了后續(xù)打撈或鉆除操作，簡化了作業(yè)流程，提高了作業(yè)效率。

在此基礎(chǔ)上，可溶壓裂信息球進(jìn)一步拓展了傳統(tǒng)可溶壓裂球的功能。除了具備傳統(tǒng)可溶壓裂球的所有功能外，可溶壓裂信息球還增加了對井下壓裂階段的溫度、壓力等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集和存儲功能。詳細(xì)參數(shù)對比如表1所示。

1.3壓裂球運(yùn)移規(guī)律及坐封方式分析

可溶壓裂球在井口投球，通過管道運(yùn)送至目標(biāo)可溶球座處，根據(jù)運(yùn)移參數(shù)（如表2所示），計(jì)算得出管道內(nèi)流動情況為湍流。由于可溶壓裂信息球的質(zhì)量分布不均勻，結(jié)合管道內(nèi)液體的流動情況分析得到可溶壓裂信息球在湍流情況下的運(yùn)動是不穩(wěn)定的。因此可溶壓裂信息球與球座的坐封狀況主要分為一般接觸、安全接觸（下球殼與球座接觸）危險(xiǎn)接觸（上球殼與球座接觸），如圖3所示。進(jìn)行傳統(tǒng)可溶壓裂球與可溶壓裂信息球數(shù)值模擬對比分析時(shí)，應(yīng)將可溶壓裂信息球的坐封情況考慮在內(nèi)。

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分與邊界條件

1）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是確保有限元模型準(zhǔn)確性與計(jì)算效率的重要步驟。針對本文討論的球座和壓裂球接觸問題，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全局網(wǎng)格劃分，全局網(wǎng)格設(shè)定為 3mm ，以保證整個(gè)模型的基本幾何特征能夠得到反映的同時(shí)，不至于產(chǎn)生過多的單元數(shù)量，從而影響計(jì)算速度。在關(guān)鍵的接觸區(qū)域附近，為了更精確地捕捉應(yīng)力集中和其他可能發(fā)生的非線性行為，采用了四邊形切分的方法來進(jìn)行網(wǎng)格局部加密。這種加密策略使得接觸區(qū)域能夠使用更小的網(wǎng)格尺寸，具體來說，從面（SlaveSurface）的網(wǎng)格大小被設(shè)定為O.O4，而主面（MasterSurface）的網(wǎng)格大小則為0.08。選擇高階三維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元Solid186單元進(jìn)行建模，因其具有較好的適應(yīng)性和精度，適用于三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜應(yīng)力分析。

2）定義接觸相互作用?？紤]了球座和壓裂球材料屬性的影響，根據(jù)球座和壓裂球的接觸特性，確定壓裂球上的接觸表面為主面，而球座上的接觸表面為從面?？紤]到接觸過程中可能出現(xiàn)的滑動現(xiàn)象，選用有限滑動公式，并結(jié)合面對面（Node-to-Surface或Surface-to-Surface）離散算法來處理接觸問題。在接觸屬性設(shè)置方面，引入罰摩擦公式，選定摩擦因數(shù)為0.2，以便準(zhǔn)確模擬實(shí)際接觸條件下的摩擦效應(yīng)。

3）載荷及約束。針對壓裂球與球座的接觸位置特點(diǎn)，在施加載荷及約束時(shí)，在壓裂球接觸位置的上部以及球座內(nèi)表面施加均布壓力載荷，用以模擬工作狀態(tài)下兩者之間的相互作用力。為了簡化問題并減少不必要的自由度，對壓裂球的中心邊界施加對稱約束，這不僅有助于提高求解效率，而且可以更好地反映實(shí)際情況中的對稱性質(zhì)。此外，為了穩(wěn)定模型，防止剛體位移，還在球座的外徑邊界和底部邊界施加了固定支撐約束。上述所有條件共同構(gòu)成了一個(gè)用于評估可溶壓裂信息球與 45^° 錐角球座安全接觸情況的有限元模型，如圖4所示。

2.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

在進(jìn)行壓裂球座與球體接觸問題的數(shù)值模擬計(jì)算過程中，為了探究網(wǎng)格密度對計(jì)算結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了一系列不同疏密程度的網(wǎng)格模型。具體來說，對球體劃分了83、135、197、302和664萬單元數(shù)量的網(wǎng)格，以評估網(wǎng)格細(xì)化程度對模擬精度的影響。這些模擬均在相同的條件下進(jìn)行，既施加壓力為 80MPa ，接觸角度設(shè)定為 45^° 。

通過數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)，繪制了不同網(wǎng)格數(shù)計(jì)算下的壓力曲線，如圖5所示。從圖5中可以觀察到一個(gè)顯著的趨勢，隨著網(wǎng)格數(shù)目的增加，模擬結(jié)果逐漸收斂，即計(jì)算出的壓力值趨于穩(wěn)定，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目達(dá)到197萬時(shí)，這種收斂性表現(xiàn)得尤為明顯。繼續(xù)增加網(wǎng)格密度（如到302萬或664萬），雖能進(jìn)一步提高模型的精細(xì)度，但對最終計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性幾乎沒有帶來額外改進(jìn)。

基于上述分析，可以得出對于本研究中的特定工況（即 80MPa 壓力和 145^° 接觸角），選擇197萬作為網(wǎng)格數(shù)目是一個(gè)合理的選擇。不僅保證了計(jì)算結(jié)果的高精度，同時(shí)也控制了計(jì)算成本，避免了不必要的資源浪費(fèi)。

3 結(jié)果分析

3.1球座錐角 20^° 壓裂球受力及變形情況

球座錐角 20^° 時(shí)，施加 10～80MPa 載荷，傳統(tǒng)壓裂球與不同接觸情況的可溶壓裂信息球接觸區(qū)的的應(yīng)力分布云圖及外特性曲線如圖6所示，變形量情況如圖7所示。由圖6＼～7可以看出，傳統(tǒng)壓裂球的最大Mises應(yīng)力為 231MPa ，可溶壓裂信息球的最大Mises應(yīng)力為 255MPa ，均沒有達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度310MPa ；傳統(tǒng)壓裂球的 x 向最大量為 0.05mm ，可溶壓裂信息球的 $| x ＼rrangle$ 向最大變形量為 0.06mm ；傳統(tǒng)壓裂球的 y 向最大量為 0.03mm ，可溶壓裂信息球的y向最大變形量為 0.04mm 。

3.2球座錐角 45^° 壓裂球受力及變形情況

球座錐角 45^° 時(shí)，施加 10～80MPa 載荷，傳統(tǒng)壓裂球與不同接觸情況的可溶壓裂信息球接觸區(qū)的的應(yīng)力分布云圖及外特性曲線如圖8所示。

由圖8可以看出，傳統(tǒng)壓裂球的最大Mises應(yīng)力為214MPa ，可溶壓裂信息球的最大Mises應(yīng)力為 236MPa ，均沒有達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度 310MPa 。變形量情況如圖9所示。傳統(tǒng)壓裂球的 ∣x∣ 向最大量為 0.04mm ，可溶壓裂信息球的 x 向最大變形量為 0.05mm ；傳統(tǒng)壓裂球的y向最大量為 0.025mm ，可溶壓裂信息球的 y 向最大變形量為 0.023mm 。

3.3球座錐角 60^° 壓裂球受力及變形情況

球座錐角 60^° 時(shí)，施加 10～80MPa 載荷，傳統(tǒng)壓裂球與不同接觸情況的可溶壓裂信息球接觸區(qū)的的應(yīng)力分布云圖及外特性曲線如圖10所示，變形量情況如圖11所示。由圖9＼～10可以看出，傳統(tǒng)壓裂球的最大Mises應(yīng)力為 247MPa ，可溶壓裂信息球的最大Mises應(yīng)力為 283MPa ，均沒有達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度310MPa ；傳統(tǒng)壓裂球的 x 向最大量為 0.11mm ，可溶壓裂信息球的 x 向最大變形量為 0.12mm ；傳統(tǒng)壓裂球的y向最大量為 0.05mm ，可溶壓裂信息球的y向最大變形量為 0.06mm 。

4結(jié)論

1）通過對傳統(tǒng)可溶壓裂球與集成信息采集功能的可溶壓裂信息球進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性對比分析，本研究為可溶壓裂球的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)和技術(shù)參考。此對比涵蓋材料選擇、幾何構(gòu)型等物理屬性，及兩者在實(shí)際應(yīng)用中的力學(xué)性能和溶解行為，為后續(xù)可溶壓裂球迭代過程中的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2）經(jīng)過對傳統(tǒng)可溶壓裂球與可溶壓裂信息球的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及功能性特征的詳盡比較，在井下管道內(nèi)徑受限（即小直徑）的工作條件下，傳統(tǒng)可溶壓裂球由于其緊湊的設(shè)計(jì)和較低的成本效益顯示出更為明顯的優(yōu)勢；而針對較大直徑管道的應(yīng)用場景，可溶壓裂信息球因其內(nèi)置的數(shù)據(jù)記錄裝置所帶來的實(shí)時(shí)監(jiān)測能力和數(shù)據(jù)存儲優(yōu)勢，為油氣田開發(fā)的智能化管理開辟了新的途徑。這些特點(diǎn)使得可溶壓裂信息球能夠支持更高級別的數(shù)據(jù)分析和決策制定，從而推動整個(gè)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

3）利用有限元分析方法對2種不同類型的可溶壓裂球在多種球座錐角條件下的坐封性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，當(dāng)壓裂球與 45^° 錐角的球座接觸時(shí)，其表面應(yīng)力分布最為均勻，且變形量達(dá)到最小值，基本確定 45^° 錐角是實(shí)現(xiàn)最佳密封效果的理想設(shè)計(jì)參數(shù)?；趹?yīng)力分布與變形量的綜合評估，盡管可溶壓裂信息球內(nèi)部集成了電子元件，但兩者的承壓密封性能仍表現(xiàn)出高度的一致性，證明了即便是在極端工況下，信息球也能夠保持可靠的力學(xué)性能。

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（編輯：馬永剛）